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作者:徐業良,謝建興,吳昌暉 (2000-02-18),核可:徐業良 (2000-04-18)
附註:本文為申請國科會八十九學年度「身心障礙者輔助科技研究計畫」計畫書。

以智能障礙為主之多重障礙者運動機能訓練科技輔具之研發-以國立桃園啟智學校為研究對象

十六、計畫中文摘要:

關鍵詞:科技輔具,運動機能訓練,智能障礙,多重障礙

國立桃園啟智學校教育對象為中、重度智能障礙及以智能障礙為主之多重障礙青少年(包含肢體障礙及腦性痲痹等),該校復健館中設有職能訓練室,和以上、下肢基本動作訓練為主的運動機能訓練室,並聘有運動機能訓練專業人員,為這些智能障礙學生和以智能障礙為主的多重障礙學生做運動機能之訓練。該校使用的運動機能訓練設備,大多仍是市售一般性的運動或復健器材,搭配部份自製或訂做之特殊器材,然而對這些以智能障礙為主之多重障礙學生,乃至於一般智能障礙學生,運動機能的訓練設備的需求相當特殊,與智能正常者單純肢體運動機能復健之需求有很大不同。根據國立桃園啟智學校多年來實際經驗,對於智能障礙學生運動機能訓練,使用現有的運動或復健器材,有從事訓練內在動機較弱、較難教導正確操作、個別差異很大、以及缺乏評估機制等幾項特殊困難。

本計畫目的即在配合國立桃園啟智學校在對智能障礙學生運動機能訓練上之特殊需求,借助如微電腦控制、感測、虛擬實境等現代科技,希望以兩年時間研發以智能障礙為主之多重障礙者運動機能訓練科技輔具。本計畫已初步擬定開發項目有適合下肢運動機能訓練的跑步機、腳踏車,適合上肢運動機能訓練的爬升架、划船器,以及同時適合上、下肢反應及運動訓練的跳舞機等五項。在這五項開發項目,除了必須達成其所需之運動機能訓練基本功能,如行走、踩踏、旋轉等之外,必須同時具備訓練趣味性、感測與回饋裝置、可以電腦程式控制(特別是左右側必須可以獨立控制)、以及可量化記錄訓練過程等四項共同特徵功能。本計畫希望除具體解決國立桃園啟智學校現有問題之外,研發成果更能推廣至全國特殊教育學校,乃至於一般身心障礙人士及老人等。

十七、計畫英文摘要:

Keywords: assistive technology, exercise training, mental retardation, multiply-handicapped.

The National Tao Yuan Special School is to educate the youths of moderate/severe mental retardation and multi-handicap (ex., crippled and cerebral palsied). In the rehabilitation room of school, there are several exercise training and assistive devices for multiply handicapped students with mental retardation in order to exercise their upper and lower limbs. Also, a qualified physical therapist is always present during training exercise. However, the devices in the rehabilitation room are mostly bought from either commercial exercise or rehabilitation devices combined with some parts of special design. Hence, they are very difficult to fit the multi-handicapped students with mental retardation due to their special requirements. Nevertheless, there are several disadvantages for students of using these devices according to school's experience during the past few years, such as lack of training motivation, difficult to teach the standard operation, large individual variations, and lack of quantitative evaluation.

Hence, this two-year project is to cope with National Tao Yuan Special School in order to fit the special requirements for multi-handicapped youths with mental retardation using current high technology, such as microcomputer control, sensing, and virtual reality. The prototype devices of this project will focus on designing a rehabilitation treadmill, exercise bicycle, hand grasp system, arm crank, and danced-based exercise system, which are suitable exercise for the upper or lower limb, or both together. Except the basic requirements of these exercise training devices (such as walking, pedaling, rotating, …etc.), we still need to consider the enjoyable, sensing and biofeedback, computer control (especially for the individual control of left and right sides), and automated record and keeping system. Hopefully, the research results can not only solve the current problems in National Tao Yuan Special School but also apply to other special schools, handicapped people, and elderly society in Taiwan.

十八、研究計畫之背景及目的

計畫背景

國立桃園啟智學校(原名台灣省立桃園啟智學校)創立於民國八十一年,設有國中部及高職部,教育對象為中、重度智能障礙及以智能障礙為主之多重障礙青少年。根據該校八十八年十月一日之學生障礙等級統計資料,該校中度至極重度多重障礙學生(包含肢體障礙及腦性痲痹等),約佔該校學生總人數6%,一般智能障礙學生也經常有身體運動協調度、平衡感較差、動作反應較慢、或部份肌肉力量較弱等問題。國立桃園啟智學校復健館中設有職能訓練室,和以上、下肢基本動作訓練為主的運動機能訓練室,並聘有運動機能訓練專業人員,為這些智能障礙學生和以智能障礙為主的多重障礙學生做運動機能之訓練。

國立桃園啟智學校復健館中運動機能訓練設備,大多仍是市售一般性的運動或復健器材(如跑步機、健身腳踏車、啞鈴、划船器等),搭配部份自製或訂做之特殊器材。然而對這些以智能障礙為主之多重障礙學生,乃至於一般智能障礙學生,運動機能的訓練設備的需求相當特殊,與智能正常者單純肢體運動機能復健之需求有很大不同。根據實地訪視國立桃園啟智學校復健館,及與該校校長、老師、及運動機能訓練專業人員多次訪談,了解到對於智能障礙學生運動機能訓練,使用現有的運動或復健器材,有以下幾項特殊困難:

1.      從事訓練內在動機較弱:由於智能障礙學生對於運動機能訓練的目的較難了解、認同,因此從事訓練的內在動機往往較弱,而訓練過程往往是費力、重複性的動作,智能障礙學生很容易厭煩、疲憊,而不願意做下去。

2.      較難教導正確操作:智能障礙學生由於智能發展有所限制,不易掌握抽象概念,且常無法了解復健師給予的口語指示,較難教導其依照預先設計之訓練模式,正確使用運動機能訓練設備。特別是左右肢體運動機能不平均時,智能障礙學生直覺上會使用運動機能較佳的一側完成訓練動作(如僅使用動作能力較佳的一側踩踏腳踏車),如此完全失去訓練的意義。

3.      個別差異很大:以智能障礙為主之多重障礙學生,智能障礙的程度以及肢體障礙的程度、部位,個別差異相當大,現有的運動或復健器材往往沒有足夠的彈性,根據特定智能障礙學生之個別需求,做如負荷力量、動作速度等之調整與設定。

4.      缺乏評估機制:經過訓練之後,對於智能障礙學生運動機能發展之評估,目前仍然是以運動機能訓練專業人員對於學生動作、行為之觀察為主,缺乏有量化數據之評估機制,因而也較難精確地根據目前學生運動機能發展之程度,設計進階訓練模式。

計畫目的

本計畫目的即在配合國立桃園啟智學校在對智能障礙學生運動機能訓練上之特殊需求,借助如微電腦控制、感測、虛擬實境等現代科技,希望以兩年時間研發以智能障礙為主之多重障礙者運動機能訓練科技輔具。根據國立桃園啟智學校現有之訓練項目、器材,以及相關老師及運動機能訓練專業人員與期望,本計畫初步擬定開發項目有適合下肢運動機能訓練的跑步機、腳踏車,適合上肢運動機能訓練的爬升架、划船器,以及同時適合上、下肢反應及運動訓練的跳舞機等五項。這五項開發項目也同時包括了肌耐力訓練、動作控制訓練、以及反應能力訓練等三種類型之運動機能訓練需求。

如前所述,目前在國立桃園啟智學校使用現有的運動或復健器材,有從事訓練內在動機較弱、較難教導正確操作、個別差異很大、以及缺乏評估機制等幾項困難,針對這些困難,本計畫研發之科技輔具,必須達成之具體目標如下所述:

1.      提高訓練之趣味性:為了提升智能障礙學生進行運動機能訓練之內在動機,訓練輔具必須能將訓練轉化成遊戲(如結合聲光效果乃至於虛擬實境技術),或將遊戲轉化成訓練(如修改設計時下電玩店流行的跳舞機)。

2.      有感測與回饋裝置:訓練輔具必須能夠感測如步態、踩踏力、握持力、旋轉力等,將感測訊號經過判斷之後再回饋至訓練輔具,如果智能障礙學生沒有依照預先設計之訓練模式正確使用(如僅在單側施力),輔具即不能動作,並配合前項之趣味性聲光效果,指引學生如何正確動作。

3.      可以電腦程式控制:為配合每個智能障礙學生之個別差異,訓練輔具必須能以電腦程式控制、設定特定之訓練模式,如速度、所需力量等,特別是左右側必須可以獨立控制,以適合肢體障礙不同之學生所需。

4.      可以量化記錄訓練過程:藉由前述感測裝置,智能障礙學生接受訓練之過程可以量化方式記錄下來,提供運動機能訓練專業人員對學生目前運動機能發展之程度,做較為精確的評估,可以作為針對學生個別需要來擬定「個別化教學計畫(Individual Educational Program, I.E.P.)」之依據,並設計進階訓練模式,藉由前述電腦程式控制的方式設定於訓練輔具,使學生運動機能發展能夠持續進步。

由以上討論可知,本計畫開發項目並非對現有跑步機、腳踏車等器材做局部修改,而是針對以智能障礙為主之多重障礙者運動機能訓練之特殊需求,做幾乎完全重新開發。各個開發項目之具體的設計構想將在下一節研究方法與進行步驟中做較深入的討論。

元智大學因地緣關係,一直和國立桃園啟智學校有密切接觸與合作,近幾年來元智大學學生事務處輔導義工、學生社團,以及通識教育「社會關懷」課程,都多次安排前往國立桃園啟智學校,了解、關懷智能障礙學生們,或配合該校「社會適應」、「休閒活動」課程,帶領學生們從事各項寓教於樂之活動,以達到生活適應的教學目標。在接觸過程中了解到國立桃園啟智學校在對於智能障礙學生運動機能訓練上有特殊困難,便計畫由元智大學機械系相關專長教授組成研發團隊,研發運動機能訓練之科技輔具,希望除具體解決國立桃園啟智學校現有問題之外,研發成果更能推廣至全國特殊教育學校,乃至於一般身心障礙人士及老人等。

國內外相關研究

如前所述,本計劃以智能障礙為主之多重障礙者運動機能訓練輔具之研發為主,並初步擬定開發項目有適合下肢運動機能訓練的跑步機、腳踏車,適合上肢運動機能的爬升架、划船器,以及同時適合上、下肢反應及運動訓練的跳舞機等五項。國外在純以智能障礙為主之復健器材研發非常之少,大部份仍集中於對特定疾病(例如脊髓損傷或腦性麻痺…等等)設計的復健器材和針對老人設計的復健器材,以下即針對國外在這些項目的研究做一綜合性的文獻探討。

在運動機能訓練的跑步機方面,Tani等人 [1, 2] 設計的跑步機目的在幫助老人提升他們的走動能力,尤其是對於中風的老人,由於兩邊腳的走動能力不同,故其設計的跑步機是有左右腳不同的跑步軌道,藉著可控制兩邊軌道不同的阻抗[3, 4],可達到對中風病人良好的復健效果。DingwellDavis [5] 對訓練者在跑步機上的表現進行即時分析,並將結果立即顯示於訓練者前面電腦的螢幕上,對訓練者即時改進的幫助很大。另外,為了針對移動不方便的病人進行復健,Uhlenbrock [6]Gazzani [7] Hesse [8] 等人分別設計不同的走路訓練機系統,主要是藉著伺服控制系統或氣動式的方式,以減輕病人的體重,而使其能達到運動復健的效果。

在運動機能訓練的腳踏車方面,O’SullivanO’Malley [9] 利用渦電流來改裝市售運動腳踏車的煞車系統,並加裝電子測速器,以便能準確控制其力矩,同時並將結果顯示於訓練者前面電腦的螢幕上。另外,PetrofskySmith [10]利用光纖和碳化纖維材料製造出總重量少於三磅的輕型腳踏車,同時結合電腦控制與肌肉刺激器,針對脊髓損傷的病人進行復健,其中有氧舞蹈也被設計入電腦程式中以增加學習效果。適合上肢運動機能訓練的爬升架,主要訓練智能障礙學生的兩手能很平均的握穩平衡桿,並將桿子向上一步一步依序提升。MembergCrago [11] 發展一種測握持力的感測器,以便能定量分析手握持力的大小,並可應用於手的關節炎(Arthritis)病患復健改進情形的定量比較;至於划船器方面,Lemay等人 [12] 曾設計一個機械式的架構並利用可調整式的阻抗來訓練手臂的移動,以達到訓練與復健手臂旋轉移動的效果。

從以上文獻可以看出,國外各種復健設備的研發,已經注意到左右側機能差異而可以獨立調整阻抗或負載,並藉由各種感測裝置量測、記錄、並分析訓練者的表現。

最後在適合上、下肢反應及運動訓練的跳舞機方面,Noreau等人 [13] 利用有氧舞蹈針對上肢或下肢有關節炎的人進行訓練。十位女性測試者接受八週訓練,大部份測試者在身心方面都有顯著改善,例如她們在跑步機上能達到最大的運動量,同時有四位測試者心臟功能有10% ~ 20%的改進,而在憂鬱、焦慮、疲勞和壓力方面都有正面的改善,可見有氧舞蹈確能對身心障礙的運動訓練有幫助。

至於國內在以身心障礙者輔助科技研究,國內各醫工所及其它相關工程學系與各大醫學院或醫院合作,也漸漸蓬勃發展起來。王小川 [14] 曾設計開發適合視障者使用之電腦界面技術;陽毅平 [15] 曾設計身心障礙專用電動輪椅數位電子式轉向驅動力模組;章良渭 [16] 曾設計漸進式復健用電動輔佐踩踏輪椅系統;李淑貞 [17] 曾做台北市肢障學童輔具使用調查研究;楊世偉 [18] 曾針對腦性麻痺孩童穿著足矯具之生物力學做研究;楊順聰 [19] 曾發展出一套國語語彙資料庫應用在聽語障礙評估與復健的應用;陳永盛 [20] 曾發展出一套色盲檢測圖中多重有意義點圖形辨識系統;李明義等人 [21, 22] 曾開發出站坐兩用輪椅雛形及輪椅操控虛擬環境適應訓練系統,並曾研發出生物迴饋站立平衡訓練儀;鍾高基等人 [23,24] 曾設計一個專家系統以作為中重度腦性麻痺兒童臨床評估及殘障輔具之設計與製造之參考,和曾設計與研發腦性麻痺兒童步行輔具機。

除了學術界相關研究之外,在輔具實務應用方面,國內也有如「第一社會福利基金會」下設有「第一復康輔具資源服務」,從事科技輔具研發之工作,並出版「輔具之友」半年期刊,介紹有關輔具相關知識及應用。

綜觀國內外相關研究,研發科技輔具幫助身心障礙人士獨立、自我照顧、溝通、及自由移動的研究非常豐富,然而以智能障礙為主之多重障礙者運動機能訓練科技輔具之研發,則較少發現有具體之研究,故加強此方向之研發,實有其必要性。

參考資料

1.          Tani, T., Sakai, A., Fujimoto, T., and Fujie, M., 1998. “Walk training system: improvement of the ability of postural control,” IEEE International Conference on Intelligent Robots and Systems, v 2, p 627-631.

2.          Tani, T., Koseki, A., Sakai, A., and Hattori, S., 1996. “System design and field-testing of the walk training system,” IEEE International Conference on Intelligent Robots and Systems, v 1, p 340-344.

3.          Tani, T., Sakai, A., Koseki, A., Hattori, S., and Fujie, M., 1997. “Use of a treadmill for rehabilitation with active impedance control,” Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers, Part C, v 63, p 3168-3173.

4.          Tani, T., Sakai, A., Koseki, A., Hattori, S., 1996. “Control methods of walk training system,” Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers, Part C, v 62, p 1928-1934.

5.          Dingwell, J.B., and Davis, B.L., 1996. “Rehabilitation treadmill with software for providing real-time gait analysis and visual feedback,” Journal of Biomechanical Engineering, v 118, p 253-255.

6.          Uhlenbrock, D., Sarkodie-Gyan, T., Reiter, F., Konrad, M., and Hesse, S., 1997. “Development of a servo-controlled gait trainer for the rehabilitation of non-ambulatory patients,” Biomedizinische Technik, v 42, p 196-202.

7.          Gazzani, F., Macellari, V., Torre, M., Castellano, V., and Coratella, D., 1996. “WARD: A pneumatic system for body weight relief in gait rehabilitation,” Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology-Proceedings, v 2, p 547-548.

8.          Hesse, S., Sarkodie-Gyan, T., and Uhlenbrock, D., 1999. “Development of an advanced mechanized gait trainer, controlling movement of the center of mass, for restoring gait in non-ambulant subjects,” Biomedizinische Technik, v 44, p 194-201.

9.          O’Sullivan, J., O'Malley, M., and Daly, B., 1995. “Computer control of exercise bicycle for use in physiotherapy,” Medical & Biological Engineering & Computing, v 33, p 101-103.

10.      Petrofsky, J.S., and Janni, S., 1991. “Combined computer-controlled walking and exercise system,” Journal of Clinical Engineering, v 16, p 223-235.

11.      Memberg, W.D., and Crago, P.E., 1995. “A grasp force and position sensor for the quantitative evaluation of neuroprosthetic hand grasp systems,” IEEE Transactions on Rehabilitation Engineering, v 3, p 175-181.

12.      Lemay, M.A., Hogan, N., and Arian van Dorsten, J.W., 1998. “ Issues in impedance selection and input devices for multijoint powered orthotics,” IEEE Transactions on Rehabilitation Engineering, v 6, p 102-105, 1998.

13.      Noreau, L., Moffet, H., Drolet, M., and Parent, I., 1997. “Dance-based exercise program in rheumatoid arthritis,” American Journal of Physical Medicine & Rehabilitation, v 76, p 109-113.

14.      王小川,1999。“適合視障者使用之電腦界面技術與系統設計”,中華民國八十八年國科會工程處醫學工程學門研究成果發表會論文集p 203~2061999

15.      陽毅平,1999。“身心障礙專用電動輪椅數位電子式轉向驅動力模組的研製”,中華民國八十八年國科會工程處醫學工程學門研究成果發表會論文集p 237~240

16.      章良渭,1999。“漸進式復健用電動輔佐踩踏輪椅之系統設計”,中華民國八十八年國科會工程處醫學工程學門研究成果發表會論文集p 254~258

17.      李淑貞,1999。“台北市肢障學童輔具使用”,中華民國八十八年國科會工程處醫學工程學門研究成果發表會論文集p 369~375

18.      楊世偉,1999。“腦性麻痺孩童穿著足矯具之生物力學評估(II)”,中華民國八十八年國科會工程處醫學工程學門研究成果發表會論文集p 376~380

19.      楊順聰,1999。“國語語彙資料庫在聽語障礙評估與復健的應用”,中華民國八十八年國科會工程處醫學工程學門研究成果發表會論文集p389~392

20.      陳永盛,1999。“色盲檢測圖中多重有意義點圖形辨識之研究”,中華民國八十八年國科會工程處醫學工程學門研究成果發表會論文集p455~458

21.      李明義,1999。“站坐兩用輪椅雛形及輪椅操控虛擬環境適應訓練系統”,中華民國八十八年國科會工程處醫學工程學門研究成果發表會論文集p477~483

22.      郭榮昆、黃美涓、李明義、鄧復旦,1996。“生物迴饋站立平衡訓練儀之研發與臨床評估—初步報告”,中華復健醫誌v 24p 51~57

23.      周志強、倪百男、劉倩秀、鍾高基,1997。“Design and Development of an Export System: Evaluation, Design & Fabrication of Specialized Seating and Positioning Devices for Severe Cerebral Palsied Children”,中華民國八十六年醫學工程科技研討會論文集p 140~143

24.      侯春茹、鍾高基、王雲娥,1999。“腦性麻痺兒童步行輔具機之設計與研發”,中華民國八十八年醫學工程科技研討會論文集p 29~30

十九、研究方法、進行步驟及執行進度

本節中首先對本計畫之研究方法與進行步驟作一說明,接著並描述每一開發項目之初步設計構想,最後並針對本計畫研究團隊成員之專長,在相關領域之研究成果,以及整體分工及整合方式做概略敘述。

1 本計畫執行架構

研究方法與進行步驟

1為本計畫執行架構,如圖所示,本計畫共分三個階段進行,預計以二年的時間,完成以智能障礙為主之多重障礙者運動機能訓練科技輔具之研發。各階段工作細節分述如下:

第一階段:

第一階段是計畫準備階段,執行時間由八十八年十二月起至八十九年七月止。本階段主要工作在組織研究團隊,並且經由國立桃園啟智學校學生特質及運動機能訓練需求等背景資料研究,配合相關文獻探討及專利資料蒐集與分析,經過研究團隊多方研討之後,確認本計畫運動機能訓練科技輔具之設計目標與開發項目,至八十八年二月完成本計畫規劃及計畫書,研究團隊並已建立團隊工作模式及良好默契。接下來則將繼續從工程技術觀點,討論本計畫各開發項目可能之達成方法,進行概念設計。本階段工作完成的查核點是完成本計畫各開發項目之概念設計。

第二階段:

第二階段執行時間由八十九年八月起至九十年七月止,也就是本國科會計畫正式開始執行期間。本階段主要工作是各開發項目機台之硬體設計,機台設計上主要必須考慮能夠達成基本運動機能訓練功能(如行走、踩踏、旋轉等),同時必須考慮感測及控制裝置與方式,特別是左右側必須可以獨立控制。機台細部設計完成之後並將製作原型,做初步之測試,測試結果並將不斷回饋至細部設計乃至於概念設計階段,作設計修正以符合需求。第二階段工作完成之查核點為製作完成本計畫各開發項目機台及基礎感測與控制裝置設計。

第三階段:

第三階段執行時間由九十年八月起至九十一年七月止。在前一階段硬體機台設計完成之後,本階段主要工作是各開發項目機台之軟體設計,首先是根據學生個別差異規劃各種訓練模式,可以電腦程式控制、設定特定之速度、力量等訓練模式。同時硬體機台上感測裝置量測之訊號經過判讀後,可以得知使用者操作方式是否正確,從而控制硬體機台做出適當反應(如停止作動),以指引使用者正確操作。最後軟體設計上也必須將使用過程中感測裝置所量測到的訊號記錄下來,以提供運動機能訓練專業人員做精確的評估。

本階段工作另一項重點,便是將訓練與遊戲結合,設計各種聲光效果、甚至結合虛擬實境技術,以提供智能障礙學生更大的訓練動機。這個階段的工作必須與國立桃園啟智學校的特教老師及運動機能訓練專業人員密切結合,深入了解智能障礙學生的喜好、需求、與能力。設計完成之成品,亦必須由智能障礙學生實際操作並由其回饋中反覆修正設計。

第三階段工作完成之查核點為製作完成本計畫各開發項目之整體設計,並準備做成品展示與專利申請。

初步設計構想

如前所述,本計畫已初步擬定開發項目有適合下肢運動機能訓練的跑步機、腳踏車,適合上肢運動機能訓練的爬升架、划船器,以及同時適合上、下肢反應及運動訓練的跳舞機等五項。在這五項開發項目,除了必須達成其所需之運動機能訓練基本功能,如行走、踩踏、旋轉等之外,必須同時具備訓練趣味性、感測與回饋裝置、可以電腦程式控制(特別是左右側必須可以獨立控制)、以及可量化記錄訓練過程等四項共同特徵功能。以下便對對各個開發項目達成其基本功能及四項共同特徵功能的初步設計構想,分別作一概略說明:

2為我們針對跑步機所提出的初步設計構想,其設計重點在於

1.      鑑於安全性之考慮,所採用的滾筒履帶係由使用者行走而帶動,而非由馬達驅動;

2.      左右滾筒履帶之運轉阻力可個別獨立的用磁流煞車控制(Magneto-Rheological Fluid brake),其阻力正比於外加電流而與速度無關;

3.      使用者之速度量測(即滾筒轉速)、計時與訓練成效之記錄分析,以及

4.      以聲光效果回饋獎勵之顯示裝置。

2 跑步機初步設計構想示意圖

以目前的機電整合技術而言,這些功能的實現並沒有技術上的困難,因此設計的重點將著重於多種功能的彈性提供、訓練趣味性的提升與電腦化的實現。其他如腳踏車、爬升架、划船器等開發項目亦將採用相同的系統架構,並以磁流煞車作為實現左右個別設定的關鍵組件。再以腳踏車為例說明,為了使左右腳在採踏時能有不同的阻力,我們只要量測腳踏的位置(旋轉角),據以控制磁流煞車之電流,即可控制左右腳踩踏時的阻力。整體而言,由於本計畫目標使用者之特質(智能障礙者)與一般輔具使用者的差異,因此我們所將要進行的概念設計並非現有輔具的修改,而是從基本需求定義開始的,採用新技術的重新設計,使其得以實現新的功能。

研發團隊分工架構

本計畫是一跨領域整合計畫,整體分工架構如圖3所示。元智大學機械系共有徐業良、吳昌暉、謝建興等三位教授參與此計畫,各自從機械設計、機電整合及自動控制、醫學工程等不同觀點,提供其專長。每位教授各帶領一位碩士班研究生對較深入之技術細節做研究,而主體執行設計人力來自本系大學部「自動化機械設計」課程之大四學生,預計每個開發項目有三位大四學生參與,共約十五位。如此之人力規劃對於提升本系大學部同學設計實作能力,以及對身心障礙人士需求之關懷,也有非常正面的意義。

國立桃園啟智學校則由劉凱老師及廖惠貞老師由特殊教育及運動機能訓練之觀點,對本計畫提供需求與諮詢。劉凱老師是美國華盛頓大學特殊教育碩士,在國立桃園啟智學校任教近六年,在特殊教育方面有豐富的專業知識與實務經驗;廖惠貞老師是中山醫學院復健系畢業,現為國立桃園啟智學校之運動機能訓練專業老師,對本計畫各項開發項目之需求提供、問題探討、設計構想討論、乃至於評估測試,都必須有相當深入的參與,因此將請老師擔任本計畫之兼任研究助理。國立桃園特殊教育學校楊拯華校長,也全力支持且配合本計畫,並樂意提供相關行政支援。

3 研究團隊分工架構

參與計畫教授近五年在身心障礙者輔助科技相關之研究成果,或其研究專長來從事身心障礙者輔具研究之適當性分述如下:

徐業良教授

徐業良教授為元智大學機械工程學系主任,新興研究領域「生醫機械工程(Bio Mechanical Engineering)」已被訂定為元智大學機械系未來發展之重要方向之一,系主任參與此計畫對於整合系所人力、空間、經費等資源有相當重要的幫助。

教授專長在機械設計,在實務設計上有豐富的研究成果,擁有國內外共八項專利,包括「折疊式多功能站坐兩用輪椅」、「輔助坐站助行器」等輔具,「羽毛球發球機」、「結合虛擬實境技術之自行車訓練測試機」等運動器材,以及「安全帽」、「兩用安全帽」等個人安全防護具,並曾指導「動態站姿平衡度定量評估之研究」、「腦部手術用自動進給鑽孔機」等碩士論文,對於身心障礙者輔助科技之研究有長期的投入,並已有具體成果。

謝建興教授

謝建興教授為元智大學機械系專任助理教授,從事醫學工程研究多年,其博士論文,即從事麻醉醫學工程自動控制的研究。曾於台大醫學院醫學工程研究中心擔任二年四個月博士後研究的工作,與台大醫學院麻醉科醫師們合作,繼續從事麻醉自動控制的研究。於1999年二月至元智大學機械系任教,目前負責國科會三年(1999~2002)整合型計畫「醫療自動化智慧型分析系統之研究及應用」的子計畫一「利用腦電圖(EEG)與眼動圖(EOG)信號來發展一個通用型醫療自動化監視與控制演算法則」,此項國科會整合型計劃為結合台大醫學院神經外科,神經內科暨麻醉科,希望藉著工程科技的技術來探討腦波(EEG)在這三方面的應用。相信以教授在醫學工程及自動控制方面的經驗,投入身心障礙者輔助科技之研究必可駕輕就熟。

昌暉教授

昌暉教授的專長在機電整合與自動控制,對於機電量測及自動控制實務均有豐富的經驗,曾從事於「靜電陀螺儀」、「磁浮平台」、「飛行控制」等數位控制系統之實作計畫,近年之研究重點則在與中鋼公司合作進行「熱軋鋼板溫度控制系統」之系統鑑別與各種控制方案的應用研究。在身心障礙輔助科技的研究方面,吳教授目前並與產業界合作,以產學合作模式主導「高齡人士自動代步車研發」計畫。吳教授的專長與實務經驗,對於本計畫各開發項目所需之關鍵技術,乃至於後續商品化的考量上,都有重要的幫助。

一般國科會整合型計畫採橫向分工,總計畫之下又區分為數項子計畫。然而本計畫各個研發項目均需運用到參與教授之各項專長,不適合橫向分工的方式,乃強調縱向整合,仍以個別型計畫方式提出,由吳昌暉教授擔任主持人,其他教授擔任共同主持人,共同指導學生進行此研究計畫。本計畫在規劃期間,參與教授及國立桃園啟智學校老師多次聚會,除討論研究計畫內容、交換研究心得、訂定分工項目及進度之外,更建立了良好的默契及團隊研究的工作模式。這種團隊合作的默契及工作模式,將是跨領域整合研究計畫成功非常重要的因素。

二十、預期完成之工作項目及具體成果:

本計畫共分三個階段進行,預計以二年的時間,完成以智能障礙為主之多重障礙者運動機能訓練科技輔具之研發。預期完成之開發項目有適合下肢運動機能訓練的跑步機、腳踏車,適合上肢運動機能訓練的爬升架、划船器,以及同時適合上、下肢反應及運動訓練的跳舞機等五項。在這五項開發項目,除了必須達成其所需之運動機能訓練基本功能,如行走、踩踏、旋轉等之外,必須同時具備訓練趣味性、感測與回饋裝置、可以電腦程式控制(特別是左右側必須可以獨立控制)、以及可量化記錄訓練過程等四項共同特徵功能。

綜觀國內外相關研究,研發科技輔具幫助身心障礙人士獨立、自我照顧、溝通、及自由移動的研究非常豐富,然而以智能障礙為主之多重障礙者運動機能訓練科技輔具之研發,則較少發現有具體之研究。本計畫除希望具體解決國立桃園啟智學校現有問題之外,研發成果更能推廣至全國特殊教育學校,乃至於一般身心障礙人士及老人等。

元智大學機械系共有徐業良、吳昌暉、謝建興等三位教授參與此計畫,各自從機械設計、機電整合及自動控制、醫學工程等不同觀點,提供其專長。新興研究領域「生醫機械工程」已被訂定為元智大學機械系未來發展之重要方向之一,本計畫的執行能更增強元智機械系教授群對此領域的了解與經驗。每位教授各帶領一位碩士班研究生對較深入之技術細節做研究,能夠培養三位碩士班同學完成碩士論文。而主體執行設計人力來自本系大學部「自動化機械設計」課程之大四學生,預計每個開發項目有三位大四學生參與,共約十五位。如此之人力規劃對於提升本系大學部同學設計實作能力,以及對身心障礙人士需求之關懷,也有非常正面的意義。