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作者:徐理智、藍健維(2001-10-31);推薦:徐業良(2001-11-06)
附註:本文參加九十學年度「元智大學工學院學生專題論文競賽」。

智慧型多功能柺杖設計

摘要

柺杖是高齡者非常基本的行動輔助工具,同時若能以機械式、電子式或複合式的輔助拾物裝置,幫助高齡者運動中與一般日常生活中必要的拾物輔助等多功能設計,是非常必要的。除了柺杖的多功能設計之外,為配合國科會整合型計畫「建立高齡者生活品質之智慧型維護系統」之架構,希望在柺杖中加入居家活動偵測裝置,擷取柺杖之使用頻率、施力狀況等訊號,長時間、持續性的觀察日常居家活動以及行為模式,及早發現疾病以或生理機能衰退,也就是所謂“智慧型”柺杖之設計。本文中描述此智慧型多功能柺杖的設計歷程,包括專利分析、基本規格及功能的訂定、機構設計、居家活動偵測裝置設計等,建構出智慧型多功能柺杖之原型,並規劃未來發展方向。

1. 簡介

聯合國分析世界各國人口結構所用的定義,將65歲以上人口佔其總人口比率在7%以上的國家,稱之為「高齡人口社會」(aging society),根據經建會的資料,臺灣地區在199465歲以上人口即已達7%,而開始邁入高齡化社會【1。先進國家人口老化過程所引發的問題已經顯現,除生產力降低等經濟面問題,以及各種社會福利、扶養、醫療等社會安全制度的問題之外,從科技面來看,如何應用各種科技輔助,使得生理機能漸趨衰退的高齡人士,仍然能夠健康、舒適、安全地享受生活,也是一個非常值得重視的重要課題。

高齡者隨著年齡增長,身體機能日漸退化,根據衛生署報告中指出,高齡者等速肌力(膝伸肌最大力矩值∕體重,PT/BW),僅為青年人的60~70%2】,柺杖是高齡者非常基本的行動輔助工具。許多高齡者伴隨著骨質疏鬆與關節退化,一般人簡單撿球、拾物等動作,對高齡者而言容易造成骨折等危險,若能以機械式、電子式或複合式的輔助拾物裝置,幫助高齡者運動中與一般日常生活中必要的拾物輔助等多功能設計,是非常必要的。

除了柺杖的多功能設計之外,為配合國科會整合型計畫「建立高齡者生活品質之智慧型維護系統」【3】之架構,希望在柺杖中加入居家活動偵測裝置,擷取柺杖之使用頻率、施力狀況等訊號,長時間、持續性的觀察日常居家活動以及行為模式,及早發現疾病以或生理機能衰退,也就是所謂“智慧型”柺杖之設計。例如老人因膝蓋機能的退化或病變,造成其走動頻繁程度下降或對柺杖施相當大力支撐的話,照護者可以可以從柺杖的居家活動偵測裝置得到相關資訊,給予即時的幫助與治療。

本文中描述此智慧型多功能柺杖的設計歷程,包括專利分析、基本規格及功能的訂定、機構設計、居家活動偵測裝置設計等,建構出智慧型多功能柺杖之原型,並規劃未來發展方向。

2. 柺杖相關專利分析

在進行智慧型多功能柺杖設計之前,首先我們透過相關專利分析,以瞭解提昇柺杖的相關專利設計與技術手段,進一步歸納出在功能整合方面近年來所完成的研究包括哪些?所欲進行改善的重點為何?分別是以何種方式來達成?大部分專利資料中所重視的功能指標為何?透過專利的分析,可有助於研究方向之導正,避免無意間落入他人專利陷阱、或觸犯他人專利,甚至可預測未來發展的前景。

本研究中欲進行搜尋的檢索主題為柺杖拾物器,其國際專利分類碼為A45BIPC國際專利分類檢索欄位),地區、公司不設限,收尋年份1985~2000年,資料庫選定中華民國專利公報資料庫。確定專利分析之對象與範圍之後,開始於專利資料庫中輸入關鍵字(拐杖、拾物器、伸縮、吸附等)作實際的搜索,結果有總共五十六筆。此時的資料稱其為專利分析的初級資料,初級資料必須依賴研究人員判斷篩選,以過濾出與計畫內容有關或能提供直接幫助的專利次級資料,結果一共九筆。

得到專利次級資料後,必須對次級資料作更進一步的分析與整理,我們進行了解讀專利資料的工作,其重點在於瞭解該專利之目的、欲解決的問題、主要技術手段、以及主張權力範圍等。解讀專利後,搭配圖面製作每一專利之分析摘要表,其如表1所示。

1. 專利分析摘要表

專利號碼

386373

專利名稱

柺杖調整伸縮之結構改良

技術分類:A45B1/04

專利目的:達成柺杖的伸縮功能

達成效果:藉內管、外管與一扶手,與外管管壁之眾多卡孔來調整不同位置來伸縮

技術手段:

一內管、一外管與一扶手,該外管管壁設有密佈之卡孔,而該內管頂端套接扶手;其特徵在於:扶手上設一缺槽,該缺槽一端與內管相通,另端則與外界相通,該缺槽內容設有一致動件,該致動件一端自缺槽一端伸出於外,該致動件另端連設一操控裝置,該操控裝置連伸一連動桿,使上述該致動件與該連動桿形成連動。

操控裝置係於內管頂端設一固定塊,該固定塊穿設連動桿,該連動桿頂端套設一帽套與彈簧,使致動件觸及該帽套,而卡制裝置係具有一定位座,該定位座頂部具缺口,該缺口底部置設一頂面具凹槽之卡體,且該卡體與定位座之間連設彈簧,而定位座之缺口內位於該卡體上方處樞設一轉動件,該轉動件頂面具一供連動件連動之偏心部,該轉動件底端延伸一推桿,該推桿伸入卡體之凹槽內者。

對柺杖專利分析結果有如下發現:

(1)   在專利檢索時,發現絕大部分的柺杖專利目標在與雨傘結合,五十六筆專利初級資料中,有四十筆使用柺杖與雨傘結合一體之設計。

(2)   柺杖複合性功能偏低,大部分單一柺杖專利只對應到單一的功能,而其中伸縮功能是柺杖技術發展的重點。

(3)   國內的柺杖專利沒有發現重大之高附加價值技術。

3. 智慧型多功能柺杖之基本功能及規格

綜合前面的討論,最後決定智慧型多功能柺杖所要具有的子功能如下:

(1)   拾物與伸縮以小物品可以以夾具來夾起完並完成動作物品回到手上。

(2)   量測居家活動行為非察覺性自動化健康監測高齡者日常家居活動狀況。

柺杖之基本規格定義如下:

(1)   重量:市售的柺杖中我們可以找到重量最輕的柺杖為200公克,但我們所設計的柺杖為多功能用途,相對的在重量上會比普通的柺杖還要重一些,因此,我們初步訂定多功能柺杖的重量不超過800公克。

(2)   長度:經過本身使用柺杖時發現,柺杖的長度為手腕或手肘到地上的距離為佳,而以手腕和手肘的中點到地上的距離為最舒適也最容易施力,圖1所示為勞委會所提供的人體計測資料庫【4】,人體手腕到地面的距離以及手肘到地上的距離,第五個百分點、第五十個百分點、以及第九十五個百分點的長度,我們取的最大、最小長度為110公分58公分,即柺杖的總長度為110公分,並可以縮短為58公分

群組

5%

50%

95%

肘尖下點至地(cm)

95.625

101.813

108.001

手腕至地(cm)

58.879

63.845

68.811

1. 手肘與手腕中點示意圖

(3)   管徑:管徑的大小除了關係著整個柺杖的體積大小之外,也關係著柺杖整體結構所支撐重量的大小。而柺杖所對應到的材質其所對應到的柺杖管徑也不一樣,這裡柺杖材質以鋁為主,所以定義管徑最大4cm

(4)   所撿拾物體的大小:廣泛來說我們的範圍在直徑5公分以內的硬幣和物品,而且其重量不超過150公克。

(5)   柺杖所需支撐重量:從正常使用柺杖行走的運動力學來說人體最大給柺杖的力不會超過人體重量重心的1/2,所以根據成年人平均體重我們初步定義柺杖所需支撐重量為40公斤重。

4. 夾物與伸縮機構設計

智慧型多功能柺杖夾物功能設計如圖2所示,由馬達帶動一導螺桿使之旋轉,由於牙條旋轉而相對爪上固定之空心螺帽造成進退現象,進一步帶動爪前進後退當爪前進時,由於爪之設計為一彈力元件使之外張成形,當爪後退碰到管壁時,會使爪拉伸彈簧使爪內縮,如此便達到夾物的功能。而經過我們實驗之後,確實可以夾起約150g重或直徑6公分的物體(如圖3)。

2. 夾物爪示意圖

 

3. 自動夾物實體圖

柺杖伸縮功能設計曾經考慮兩個方案,方案一如圖4所示,利用一馬達驅動傘齒輪組達成動力轉向,再經由轉向傘齒輪連接同軸正齒輪組帶動固定於管內壁的齒條達成伸縮。成品照片如圖5

4. 伸縮功能示意圖

5. 伸縮功能實體圖

方案二設計如圖6所示,把推進連桿往下押使得U型簧片內縮,進而帶動卡榫,如此便可自行調整長度。長度合適時,再將卡榫代至定位即可。此設計的重量輕,而且裝配方便。但是我們要注意到簧片的材質,以及其幾何形狀。若簧片的材質太軟會造成簧片容易變形,若太硬,則會使使用者不易施力,而造成操作上的困難。

        

6. 卡榫式伸縮裝置示意圖與成品原型

兩個方案考慮其與夾物機構的整合,最後以選擇電動馬達帶動的方案一。夾物機構與伸縮機構整合之實體原型如圖7

7. 自動伸縮實體原型

5. 居家活動偵測裝置

智慧型多功能柺杖居家活動偵測裝置設計,主要在監測老人在家庭環境活動中,使用柺杖的施力情形,透過長期監測可以了解其走動的頻繁程度與施力情形,來判別出其行動能力、肌力是否有衰退。

智慧型多功能柺杖居家活動偵測裝置包括施力量測與訊號傳輸兩個主要部分。施力量測我們採用荷重元(loadcell)裝置柺杖手把處,可以巧妙運用空間並直接量得使用者確實施力。loadcell的電壓輸出接上放大電路後放大100倍後,得到0~5V左右的電壓輸出,便可由ADDA卡來抓取訊號,換算成施力數值。8智慧型多功能柺杖施力量測示意圖與成品圖。

8. 智慧型多功能柺杖施力量測示意圖與成品圖

目前擷取到的電壓訊號,仍是以有線的方式經由ADDA卡進入個人電腦作後續的處理與判斷。9所示為目前整個程式介面,可以從介面上得到柺杖施力值。

9. 個人電腦程式介面

6. 結論

第一代智慧型多功能柺杖已經完成伸縮、夾物等基本功能,並可以擷取高齡者使用柺杖施力的情形,但在實際應用上,柺杖的施力訊號自然無法用有線方式傳輸至個人電腦來處理。所以未來首要工作,就是研究如何以PIC單晶片作ADDA轉換及訊號處理工作,並研究如何將訊號以無線方式傳送至家庭總管之伺服器作後續儲存與處理。除此之外,如何讓柺杖輕量化,規劃充電式電池的電路,以及馬達體積與扭矩間之最佳化選擇,夾物動作流程更順暢,以及更人性化的使用介面等等,都是進一步努力的方向。

7. 誌謝

在此特別感謝徐業良老師的用心良苦,甚至在參展中還不斷給我們方向與建議,以致能順利完成此研究。另外還要謝謝提供技術方向的師長與那些健全的網路資料,讓我們能有更充分的準備,也謝謝這群一起從無到有努力奮鬥過來的伙伴們,最後還是謝謝老師在我們最失敗與打擊時給我們溫暖,讓我們再站起來。經過這段研究的日子後,我們更加體認作學問中的點點滴滴、實實在在。

8. 參考資料

(1)   經建會人力規劃處,民八十六年,“未來人口高齡化趨勢之國際比較”,http://cepd.spring.org.tw/News/newinform/970902.html

(2)   行政院衛生署委託台大醫學院物理治療學系,“中老年人肌力與肌耐力之研究”,民國八十二年。

(3)   元智大學老人福祉科技研究中心,“高齡者生活品質之智慧型維護系統”,http://designer.mech.yzu.edu.tw/projects/monitoring.htm

(4)   行政元勞委會勞工安全衛生研究所,“人體計測資料庫”,http://www.iosh.cla.gov.tw/ergo.htm