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作者:蔡宗成、洪永杰、鄭智銘(2001-07-16);推薦:徐業良(2001-07-18)
附註:本文參加「TIC100科技創新競賽-身心障礙輔具研發」決賽審查相關文件。

創意產品說明書-多功能復健踏步機

三、相關說明

元智大學機械工程學系於八十九學年度向行政院國家科學委員會申請身心障礙者輔助科技專題研究,計畫主持人機械工程學系吳昌暉教授,共同主持人為徐業良教授與謝建興教授,申請計畫名稱為「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-以國立桃園特殊學校為研究對象(The design and development of exercise training machines for the multiply handicappedin conjunction with National Taoyuan Special School)」,計畫內容是針對國立桃園特殊學校教育對象為中、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),幫助其開發設計適合進行復健與運動的訓練機台,初步擬定開發項目分為適合上肢運動機能訓練,例如爬升架、划船器等,適合下肢運動機能訓練的跑步機、踏步機等,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特殊學校現有問題之外,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。

本產品「多功能復健踏步機」便是上述計畫其中一個開發項目,是針對下肢運動機能訓練的踏步機開發項目,以國立桃園特殊學校使用的現有踏步機訓練設備進行研究與改善,再探討市面上一般的踏步機形式有何優點與缺點,設計開發適合身心障礙者復健與運動的訓練機台。本產品就現有市售踏步機進行改裝與增加復健功能,並朝電腦化、人性化與娛樂性的研發方向,本組指導老師為元智大學機械工程學系徐業良教授,給予本組指導,本組團員有機械相關專業知識,對於開發本產品有非常大的自信心與實作能力,其中一位團員為身心障礙者,就讀於國立桃園特殊學校,在開發本產品的過程,有使用者親身的訓練經驗,可作為本產品開發與設計的思考重點。本組的技術顧問為吳昌暉教授、謝建興教授、王崇飛講師,並有任職於國立桃園特殊學校的劉凱老師,相信有這些老師們的幫助與指導,加上本組成員的努力與合作,本組產品的成果必然有最佳的表現。

四、前言摘要

4.1 研發背景

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(如踏步機、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。

因此我們將針對國立桃園啟智學校在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,希望研發適用於以智能障礙為主之多重障礙者運動機能訓練科技輔具,並且我們將重點聚焦在他們最迫切需要的多功復健踏步機上,名稱為「多功能復健踏步機」。

4.2 問題描述

根據實地訪視國立桃園啟智學校復健館,與該校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)   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,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來踩踏步機)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,進行如負荷力量、動作速度等之調整與設定。

(4)   復健評估機制: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。

4.3 解決方法

針對上述這些困難,我們研發的科技輔具產品「多功能復健踏步機」,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,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)   回饋裝置:訓練輔具必須能夠感測如步態、踩踏力等,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)   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。

4.4 創新關鍵

依據上述4項的具體目標,我們有了以下的創新規劃與概念,包含了運動機能訓練、安全性與評估系統。在運動機能訓練方面,我們利用馬達與減速裝置使一般市售的被動式(需要使用者自行踩踏)踏步機,加以主動式復健訓練功能。亦即使用者只要將雙腳置於踏步機的踏板上並加以固定後,啟動開關便可以藉由馬達的帶動而達到不需要使用者自行踩踏的功能。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具有相關問題的學生們來說是一項相當重要的創新設計。

同時我們也考慮到對於這些以智能障礙為主的多重障礙學生,由於他們兩邊腳的運動能力不同,所以我們設計的踏步機是有可以調整左右腳阻尼的裝置,以適用於所有的學生們。在安全性的方面,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。因此我們設計了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。最後在評估系統方面,我們設計了一套數據資料庫,此資料庫可將每位使用者的運動狀態與其生理狀態紀錄下來以方便運動機能訓練專業人員與物理治療師於日後的評估與設計進階的復健課程。

五、製作原理與方法

5.1 市售踏步機分析

目前市售一般性的運動踏步機如圖1所示,並無法完全適用於這些以智能障礙為主之多重障礙學生,因此我們決定針對他們的特殊需求以及參考相關運動機能訓練人員的意見,將市售踏步機的缺點及其不適用的功能做一全面性的設計與改良。

1. 市售運動踏步機

市售踏步機有以下幾項缺點:

(1) 整組踏步機的四周沒有扶把等安全裝置

(2) 沒有主動式功能,必須由使用者自行踩踏

(3) 阻尼系統為固定式,無法針對使用者來調整適當的阻尼

(4) 沒有自動化記錄設備,無法記錄使用者操作情況

5.2 桃園啟智學校復健器材分析

桃園啟智學校有一間復健訓練室,是一個專門提供這些身心障礙青少年進行復健的教室,並有專門的復健老師協助與指導,這間復健訓練室裡也有復健踏步機,本組在設計新型踏步機時,必須對桃智學校現有的踏步機進行分析與了解,作為本組設計方向的改進與修正。

如圖2所示,桃智學校的踏步機與市售踏步機的原理相同,是以被動式復健為訓練方式,也就是由使用者自行踩踏,使用者施力踩踏,透過連接繩裝置,使得左右踏板有一個週期性上下運動,而阻尼效果是由前方兩根油壓管來調整。

2(a). 桃智學校踏步機

2(b). 桃智學校踏步機

2(c). 桃智學校踏步機

2(d). 桃智學校踏步機

由圖片得知,桃智學校復健踏步機有一些缺點,復健效果有限。

(1)       調整阻尼的油氣壓管已失效,無法作用

(2)       沒有主動式復健效果。

(3)       踏板面積狹小,易造成危險。

雖然桃智學校復健踏步機的構造簡單,但所能提供的功能陽春,對桃智學生的幫助不大,所以本組新式踏步機便能改善這些缺點,並增加不同的功能。訂立了本組產品的目標與分析比較後,開始設計本組的多功能復健踏步機,多功能復健踏步機主要可分為以下五項子系統:整體結構、致動裝置、左右阻尼調整、聲光效果、數據資料庫的建立。以下就這五項子系統作一介紹。

5.3 整體結構

在設計踏步機整體結構時,我們選擇鋁擠型模組化組立系統,如圖3所示,來作為原型製作的加工材料。以鋁擠型來作為原型製作的材料有加工容易、結構堅固、組裝容易、價格便宜。

3. 鋁擠型模組化組立系統

我們先以3D模型繪圖軟體建構11的尺寸模型如圖4所示,以方便後續之實體組裝與設計。整體結構部分包含支撐架構與主體外觀。支撐結構方面,由於市售踏步機沒有任何可供使用者扶持的支架,所以我們依據勞委會網站所提供的人體計測資料庫中有關常人運動時的姿態與平均身高來作為支撐結構的高度,同時我們也考慮到使用者的身高不一,因此在支撐架上也設計可調整高度的裝置,方便使用者來做調整。

4. 整體結構3D模型

本組踏步機必須符合桃智學生進行復健的需求,支撐扶手裝置提供使用者進行復健時,可以將手放置於其上,設計成傾斜形式的目的是讓使用者依自己最舒適的高度與角度來放置手部的位置;腳踏板裝置比一般市售踏步機的面積加長與加寬,避免使用者進行踩踏時有踩空意外發生;在前方設計兩組的阻尼系統是提供左右不同的阻尼效果,並可依照不同的使用者來調整不同的阻力,達到復健效果;而制動器也就是馬達裝置,再加上傳動裝置,幫助使用者在不出力的情況下,依然能進行踩踏復健動作,可幫助使用者訓練步態正確方法與修正。

5.2 致動裝置

市售踏步機的操作方式需要使用者自行踩踏方能運作,是屬於一種被動式的運動方式。然而對於多重障礙學生來說,由於其肢體運動受到不同程度的限制,導致無法非常正常且順利的進行復健運動。因此我們設計出主動式的操作方式,如圖5所示,當馬達帶動傳動裝置,也就是皮帶輪、傳動皮帶所搭配組合,傳遞動力至飛輪裝置,飛輪裝置以四連桿機構連接踏板的前端,而左右飛輪是以180度相位差的方式轉動,如此左右踏板便能以一上一下的方式往復運動,讓踏步機能自行運作而帶動使用者來進行復健,不需使用者費力的踩踏。此設計的優點在於能讓桃智學生們以正確且花費較少力氣的方式來進行復健,而且能增加其運動的意願與提昇復健效果。

5. 制動器與傳動裝置

基於使用者的身體狀況與運動機能的差異性,本組所設計的多功能訓練踏步機中,規劃了兩種不同的復健方式供使用者作選擇,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,可利用主動式(由馬達帶動使用者運動)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。而另一種操作方式為被動式復健(使用者自行踩踏),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,並不影響使用者的復健運動。

5.3 左右阻尼調整

由於桃智學生們的個別差異很大,且無法依照老師所教導之正確姿勢來運動,導致復健效果不佳。最常發生的現象就是學生們再進行下肢復健時,左右腳無法協調,也就是常常使用較佳的一邊作動,而較差的一邊只是跟著動作,這樣是無法達到完整的訓練。因此我們希望設計製作一可調整左右阻力大小的機構來因應個別使用者的需要,如圖6所示。

6. 左右獨立可調整阻力系統

在阻尼器選擇上,我們考慮過如電磁煞車、油壓阻尼、氣壓阻尼等方式,但最後我們決定使用控制空氣流量的阻尼系統,我們稱它為氣流阻尼器,外型如圖7所示。因為氣流阻尼器具有機械式的特性,比較於電子式較不易發生故障,調整阻尼的方式則利用控制氣體流量的方式來控制阻尼大小。

7. 氣流阻尼器

阻尼的控制主要是靠位於氣壓缸上的兩個調節閥(如圖8),閥門的大小允許使用者直接以手動的方式調整出所需的阻尼大小,或是利用電腦程式來控制步進馬達,轉動調速閥的閥門旋鈕來間接調整閥門的大小,使其可以準確產生所需的阻尼。

8. 氣流流量調節閥

5.4 聲光效果

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,我們藉由生理訊號控制影像系統來達成這項功能。如圖9所示,在復健踏步機上裝設感測器,讀取使用者踏步的生理訊號,透過網路,遠端遙控另一端的CCD攝影機,此CCD並不是固定裝置,它能隨著使用者踏步訊號大小改變其拍攝角度,只要將此CCD裝設在各個景點,例如風景區、動物園等,使用者一邊進行復健,一邊能觀賞世界各地的風光,如此便能增加復健的娛樂效果與復健接受度。

9. 聲光效果示意圖

5.5 數據資料庫的建立

我們希望經過復健訓練之後,智能障礙學生們運動機能復健的狀態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,因此數據資料庫的建立有其必要性。如圖10所示,在此數據資料庫每位使用者皆有其專屬的ID,只要在使用前輸入ID就可以將運動時的狀態數值(如踏步次數、消耗的卡路里、心跳與踩踏施力的大小等)加以紀錄,以供日後運動機能訓練專業人員參考評估的依據。

10. 數據資料庫介面

5.6 後續規劃

本組現階段工作是設計出本產品的構想草圖與相關設備的分析與研究,此設計草圖徵詢過指導教授徐業良老師與桃智學校復健師劉凱老師,產品外型與設計功能獲得認同與讚賞。接下來,本組尋找相關廠商,購買必要的材料與設備,例如鋁擠形、制動器、電子零件、加工材料等,大部分材料已購置完畢,預計在7月底前能完成本組多功能踏步機的組裝與測試,並會請桃智學生進行試用,尋找有無設計缺失,評估本產品的實用效益,使得本產品的功能符合使用者需求,最後,進行產品包裝,將本組踏步機以商品化的概念進行包裝與整合,完成產品操作手冊。本組踏步機是以桃園啟智學校身心障礙學生為使用對象,但本組創新的設計概念可幫助一般大眾進行訓練、健身與復健,這是一般市售踏步機所無法達到的功能,相信本組所有成員的努力會讓本組多功能踏步機不僅符合TIC100的精神,更能藉由這次的比賽,培養團隊合作的默契與創新、實作的能力。

六、專利分析的目的與進行步驟

專利分析工作不論對新產品的開發或是現有產品的改良來說,都是非常重要的。專利分析的主要目的在於藉由蒐集、分析相關產品之專利,在產品開發計劃執行前,瞭解相關競爭產品的專利狀況以及技術特點,並可以對該產品領域內研究方向與技術有一整體性的認識,以期助於研究方向的導正,避免無意間落入他人專利陷阱或觸犯他人專利等。

開始做專利分析前我們必須先確認欲進行搜尋的檢索主題、地區與資料庫名稱,以確定專利分析之對象與範圍,之後開始於專利分析資料庫中輸入關鍵字做實際的搜尋。在專利分析資料庫方面我們使用中華民國專利公報資料庫,而輸入的關鍵字為踏步機。最初搜索所的結果,數量相當龐大(共127筆資料),且其中並非都是與計劃內容有直接關係的專利資料,此時的資料稱其為專利分析的初級資料,初級資料必須經由判斷篩選之後,以過濾出與計劃內容有關或是能提供直接幫助的專利次級資料。

篩選初次級資料之後(共27篇),便開始進行專利資料的解讀。解讀專利的重點,不在於學習該專利的所有技術內容,而是在於瞭解該專利的目的、欲解決的問題、主要技術手段、以及主張權利範圍等資訊。故不需要將專利全文逐字解析,而是由摘要、發明背景、發明概述與申請專利範圍來著手。

解讀專利後,應搭配圖面製作專利分析摘要表,以將專利資訊作有效率的整理,下面我們附上三篇代表專利的摘要表以供參考。

編號:       .

專利號碼

308073

申請日

1996/03/04

專利名稱

附有可調式阻尼器之爬山、攀登模擬機

核准日

1997/06/11

專利權人

白雪錦

分析日期

2001/1/31

國際技術分類:A63B23/035

專利目的:一種藉由可調式阻尼器以提供使用者視自己需要而調整阻力之爬山、攀登模擬機

技術手段:藉由基座組、主軸心、可調式阻尼器與主轉盤四個主要要件之組合,當人體腳部踩踏主轉盤之橫桿時,達模擬爬山健步之運動狀態。

一種附有可調式阻尼器之爬山、攀登模擬機,主要包含有:

一基座組,左、右側設立設狀之固定片,固定片上開有適大圓孔及嵌套耐磨軸套,以供樞接一水平之主軸心,座體上設有連續之槽口,以供主轉盤轉動時橫桿通過之空間;一主軸心,水平樞設在左、右固定片上,中央處鎖固一主轉盤,一端末側並伸入可調式阻尼器內與其結合;一可調式阻尼器,係包含有內轉輪、活葉片及液體油類,其中內部用以容置內轉輪,整體鎖固在固定片上,內轉輪鎖固在主軸心一端末側上,內轉輪與阻尼器內壁之間隙部份填裝滿有液體油類,內轉輪設有若干缺槽,壓縮彈簧裝於缺槽內,活葉片裝入缺槽中,壓抵住彈簧,使活葉片成自由伸縮狀態,一軟管之兩端A口及B口係於阻尼器外殼適當處,並於軟管之A口適當處設一流量控制閥;一主轉盤,係成十字形,上開設有數方形孔,而數橫桿一端係延伸方形端以插置該方形孔內作卡固;藉由上述構件之組合,當人體腳部踩踏主轉盤之橫桿時,達模擬爬山健步之運動狀態,並藉由流量控制閥調整阻尼器之內轉輪阻力,令用者在舒適狀態下運動者。

編號:       .

專利號碼

371896

申請日

1998/08/19

專利名稱

復健用踏步機

核准日

1999/10/11

專利權人

蔡清福

分析日期

2001/01/31

國際專利分類:A61H1/00 , A63B23/035 , A63B23/04

專利目的:藉由 裝置於踏步機本體的偵測器來控制該踏步機所執行的一復健程序

技術手段:利用一裝置於踏步機本體的偵測器來偵測一踏步者之一足部的一壓力,並利用該偵測訊號以進行一比對程序,俾控制該踏步機本體的該復健程序。

專利要件分析(請附上圖示說明)

一種復健用踏步機,包含有:

一踏步機本體,係使該踏步者之該足部得以踩踏於其上,並執行該踏步機的該復健程序;

一控制裝置,與該踏步機本體相連接,係能偵測該足部之該壓力而發出一偵測訊號,並利用該偵測訊號以進行一比對程序,俾控制該踏步機本體的該復健程序。

編號:       .

專利號碼

216036

申請日

1993/04/16

專利名稱

踏步機之傳動裝置改良

核准日

1993/11/11

專利權人

吳泓基

分析日期

2001/1/31

國際專利分類:A63B22/04

專利目的:使踏板昇降往復運動順暢,並能精確控制運動量負載,且具有噪音小等功效。

技術手段:藉由轉動軸、滑輪組與負載調節器以皮帶相連接使得踏步機之傳動裝置運轉順暢。

專利獨立項要件分析(請附上圖示說明)
一種踏步機之傳動裝置改良,其主要係句括有:
一機體,其上設有支撐桿、控制儀表、及扶手等;
一底座,其概呈T型體,其兩側上設有兩平行之支撐架體;
一對踏板,係樞接於底座之前方;
其特徵係在於:該支架體前方焊固有支撐板,該支撐板上設有ㄈ型開口;
一轉動軸,藉由軸套嵌固在支撐板上,該轉動軸之中央設有一飛輪,位於兩支撐板間,其兩側設有溝轉,該溝輪其上設有眾多之環溝,可供一鋼索固定纏繞,且該溝輪之內側形成一較小外徑之凹環槽,另該溝輪之內徑與轉動軸間嵌設有單向軸;
一對滑輪,係設於底座上,而位於轉動軸之下方,一拉引鋼絲其一端固定在凹環槽,其繞過滑輪後向上接一與一定在支架體上之可調整螺桿連接,且其連接端上設有一拉伸彈簧;
一踏板,其內緣設有一凸柱可固定鋼索之底端;
一負載調整器,係定位在支架體後側所凸設之支撐板間,其側邊及有一轉輪;
一皮帶輪組,係設於底座上,而位於飛輪與負載調整器之間,其分別藉由皮帶與飛輪、轉輪連接;
藉由上述構件之組合,而具有使踏板昇降往復運動順暢,並能精確控制運動量負載,且具有噪音小等功效者。