//Logo Image
作者:洪永杰、蔡宗成(2001-06-25);修正:洪永杰(2002-05-20);推薦:徐業良(2001-06-27)

多重障礙者運動機能訓練踏步機-研發背景與創新關鍵

1. 研發背景與目的

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。因此設計開發特殊的運動機能訓練輔具,來幫助多重障礙者學生們從事復健,確有其必要性。

踏步機為訓練下肢運動非常普遍的復健器材,藉由使用者反覆踩踏左右踏板來達到運動下肢的目的。這些以智能障礙為主之多重障礙學生,許多伴隨著下肢運動機能的障礙,因此利用踏步機來矯正步態、訓練下肢的肌耐力以提升他們的步行、走動能力,是一相當重要的復健方式。

本計畫針對國立桃園啟智學校在多重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、虛擬實境等技術,希望研發適合多重障礙者運動機能訓練踏步機。所研發出的踏步機,必須達成之具體目標如下所述:

(1)       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,本踏步機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。

(2)       回饋裝置:踏步機本身必須裝設能夠感測如步態、踩踏力等生理訊號之感測裝置,將感測到的訊號經過判斷之後再回饋至踏步機,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),則不能動作,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,踏步機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)       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, IEP)」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。

2.國內外關於踏步機之研究

目前進行下肢運動機能復健所使用的踏步機多半使採用市售的踏步機,圖1為市售一款踏步機的照片,僅有最單純的踏步功能,使用者必須施力踩踏才能運作,並且沒有任何可供使用者扶持的支架,一般踏步機所設定的使用族群為一般下肢機能正常者,對於左右腳運動機能不一致的多重障礙者而言,一般的市售踏步機無法根據個別差異提供左右腳所需的不同復健程度,甚至造成部分復健者僅以較有力的腳踩踏,而以智能障礙為主的多重障礙者往往無法瞭解復健的意義,缺乏復健的誘因,以致於復健效果不彰。

由於多重障礙者甚至一般的障礙者,復健時需要依據個別差異與復健程度調整復健進行時的荷重以及復健速度,經過專利搜尋後我們可以發現許多針對運動機能復健或健身用運動器材可以依據個人體能調整其荷重程度,圖2中附有可調式阻尼器之爬山、攀登模擬機,可以模擬不同路況的阻尼大小,圖3的針對復健用踏步機以電腦控制其馬達帶動踏板自動踩踏,輔助重度肢能障礙的復健者進行踩踏的動作。

1. 市售踏步機

2. 可調式阻尼器之爬山、攀登模擬機【白雪錦,民八十六】

3. 復健用踏步機【邱文科,民八十八】

國外研究方面,Tani等人[1998]設計的跑步機(如圖4)目的在幫助老人提升他們的走動能力,尤其是針對中風的老人,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(如圖5),藉著可控制兩邊軌道不同的阻抗,達到對中風病人良好的復健效果。

4. 雙軌道式復健跑步機[Tani,et al., 1998]

5. 雙軌道式復健跑步機軌道結構[Tani,et al., 1998]

Chino等人[1991]利用電腦控制馬達驅動踏步機踏板,協助下肢功能障礙病患進行復健,並能將復健結果加以紀錄分析,如圖6

6. 電動式復健踏步機[Chino,et al., 1991]

3. 設計規劃

依據前述四項的具體目標、對市售踏步機之分析、並參考專利及文獻資料,我們有了以下的創新規劃與概念設計,包含運動機能訓練、安全性方面、人機界面與資料庫系統。

(1)運動機能訓練方面

本計畫設計之多重障礙者運動機能訓練踏步機,在運動機能訓練方面我們有以下構想:

l          被動式復健訓練功能

一般踏步機需要使用者自行踩踏,我們稱作“主動式”踏步機。本設計中我們希望利用馬達與減速裝置,將使一般市售的主動式踏步機,加以“被動式”的復健訓練功能。

基於使用者的身體狀況與運動機能的差異性,多重障礙者運動機能訓練踏步機中,規劃了被動式復健訓練功能供使用者作選擇,當使用者的肢體運動受到相當程度的限制,導致無法非常正常且順利的進行復健運動時,可利用被動式的操作方式,亦即在踏步機上裝設馬達與傳動裝置來帶動使用者進行運動,此時使用者無須費力自行踩踏即可達到復健效果。此項功能對於身體運動協調度、平衡感較差、動作反應較慢、或部份肌肉力量較弱等相關問題的學生們來說是一項相當重要的創新設計。

l          主動式復健訓練功能

而另一種操作方式為主動式,亦即使用者可依照自己習慣的運動方式與速度來從事復健,此時馬達僅提供一相當緩慢的轉速,並不影響使用者的運動。

(2)安全性方面

一般市售的踏步機並無供使用者於運動時可扶持的支架,這對肢體運動機能較弱的學生是非常危險的。因此我們規劃設計可供使用者扶持的支撐結構並且將其製作成可依其身高來做調整,以利使用者於運動時的方便。

一般市售踏步機的踏板面積太小,使用者於運動時容易因一時的疏忽而使腳部滑離踏板造成運動傷害,安全性不足。因此增加踏板面積、裝設防滑襯墊之類的材質是也是我們增加安全性的方式。

(3) 人機界面與資料庫系統

多重障礙的學生們有些無法正確地表達自身的感受,對於其復健成效,物理治療師也往往僅能由其外在肢體運動方式,來作概略的評估。因此在本計畫設計之多重障礙者運動機能訓練踏步機上規劃裝置相關的感測器,做即時運動狀態偵測,將每位使用者每階段的運動與復健情形作一詳實的紀錄。此外資料庫設計上配合物理治療師的經驗與專業知識,讓物理治療師能藉由每位使用者的復健情況來評估、調整專屬於使用者個人的訓練方式與復健課程,進而達到預期的復健目標。

參考資料

白雪錦,“可調式阻尼器之爬山、攀登模擬機”,中華民國專利新型第三零八零七三號,民國八十六年。

邱文科,“復健用踏步機”,中華民國專利新型第三七一八九六號,民國八十八年。

Chino, T., Hata, H., Arai, K., and Ito, M., “Step-type training machine and control method,” United States Patent 5,308,300, 1991.

T. Tani, A. Sakai, T. Fujimoto, and M. Fujie, “Walk training systemimprovement of the ability of postural control,” IEEE International Conference on Intelligent Robots and Systems, Vol. 2, Sep. 7-11, pp. 627~631, 1998.