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作者:徐業良許博爾(2008-10-30);推薦:徐業良(2008-12-29)
註:本文為國科會工程處「智慧型輕量化移動載具前瞻技術」跨領域研究專案計畫之計畫書(C011, C012)

以智慧型機器人輪椅作為高齡者行動、生活與健康照護中樞

中文摘要

下肢行動障礙是高齡者常見的障礙類型之一,輪椅則是最常見、最重要的行動輔具。觀察許多老人安養院的實際生活應用情境,輪椅已幾乎是每一個老人行動與生活的核心,觀察居家環境中高齡者也有類似情境。由未來高齡化社會整體生活情境構思,輪椅除了提供高齡者獨立行動輔助之外,更應思考整合生活、娛樂、通訊、乃至健康照護的需求。

使用輪椅的高齡者往往上肢也過度虛弱而無法自行推動輪椅,還是需要照護者協助推動輪椅,使用電動輪椅是一個可能的選擇,然而對大部分使用者來說,電動輪椅的操控方式困難度仍然相當高。近年來輪椅的研究方向上開始將輪椅由完全被動、由使用者操控,轉變至賦予輪椅部份自主行為能力,使輪椅本身擁有類似機器人之感測、判斷能力,能配合輪椅操作者的意願做出自主動作,同時並將具有互動性的協同控制機制融入「機器人輪椅」控制介面中。

本計畫的目的即是以智慧型機器人輪椅作為技術發展的主軸,思考未來高齡者生活應用情境,重新定義輪椅成為高齡者行動、生活與健康照護中樞。本計畫智慧型機器人輪椅的設計以高齡者為設計思考的核心,整合了行動載具、感知與控制系統以及資通訊系統,提供高齡者獨立行動、生活休閒、與健康照護三種類型功能。利用這樣的智慧型機器人輪椅,希望能輔助高齡者更積極、有效地和周遭環境互動,包括實際行動、肢體上的互動,以及對環境的控制、資訊的交換、以及最重要人際互動溝通,進而能提升高齡者的生活品質。

關鍵詞:高齡化社會,科技輔具,機器人輪椅,高齡者照護

English Abstract

Wheelchair is one of the most common assistive devices. Observing the elderly people living in nursing home or in the home environment, wheelchair has been the center of everyday living of many elderly people. In addition to providing mobility assistance, the wheelchair should integrate and satisfy the needs in living, entertainment, communication, and healthcare.

Electrical wheelchair is an option for the elderly people who cannot move themselves on the wheel chair. However, operating electrical wheelchair is difficult for most people. In recent years, the research in wheelchair has been emphasizing on how to implement the sensing and judgment capabilities commonly seen on robots, so that the wheelchair can perform autonomous behaviors. Collaborative control schemes are also developed to help the user to operate such “robotic wheelchairs”.

The purpose of this project is to redefine the wheelchair as the center of mobility, living and healthcare of the elderly, based on the concept of robotic wheelchairs. Centered on the needs of the elderly, the intelligent robotic wheelchair developed in the project integrates three types of function: mobility, everyday living, and healthcare. The robotic wheelchair is expected to assist the elderly people to interact with the environment more effectively, including physical interaction, environmental control, information exchange, and most importantly, interpersonal communication, and improve the quality of life of the elderly.

Keywords: aging society, assistive technology, robotic wheelchair, elderly care

1.         近五年之研究計畫內容與主要研究成果說明

本計畫「以智慧型機器人輪椅作為高齡者行動、生活與健康照護中樞」主要研究團隊包括五位教授和一位產業界人士,專長涵括了機械設計、老人福祉科技、遠距居家照護技術、老人照顧、老人社會學、老人福利、自動控制、機器人、嵌入式系統、醫學工程、智慧型控制、人因工程等本計畫所需要的各項領域專長。

以下分別敘述團隊成員和本計畫相關之的研究與實務經驗及成果,同時並敘述研究團隊成員之專長如何能具體貢獻於本計畫。各主持人著作目錄及研究計畫詳細列表請參閱各主持人之個人基本資料表。

總計畫及子計畫二主持人:元智大學機械系徐業良教授

徐業良教授在元智大學服務已進入第十七年,目前擔任元智大學主任秘書,並獲聘為元智有庠講座教授。徐教授的研究興趣在機械設計,在機械設計領域學術研究、實務設計、乃至設計相關教學與人才培育,都有豐富的經驗與成果。徐教授對於整體產品開發與設計程序中,從上游專利分析、創意設計,到中游最佳化設計、設計方法、設計知識管理,乃至於下游的電腦輔助設計、設計原型製作等各個領域,都有深入之研究,除已發表數十篇學術期刊論文外,並獲有二十項國內外專利,同時著有「機械設計」、「工程最佳化設計」兩本教科書,在產學合作計畫方面也十分活躍。

近幾年教授將機械設計方面的研究興趣專注在與人直接互動的產品設計,特別是開始進入「老人福祉科技(gerontechnology)」領域,自2000/10起負責籌備成立元智大學「老人福祉科技研究中心(Gerontechnology Research Center, GRC)2003/01中心正式成立。元智大學老人福祉科技研究中心為國內最早投入此研究領域的學術單位之一,中心在「遠距居家照護(home telehealth)方面的研發成果頗受重視,除組成團隊連續獲得三次三年期國科會整合型計畫之外,教授更領導中心團隊協助敏盛醫療體系,整合神通電腦、義隆電子、合世生醫、捷威科技等知名廠商,申請獲得總金額九千萬元的U-Care建置案(本中心執行經費規模為一千萬元),同時並協助遠傳電信為主導企業,結合亞東醫院、東聯化學等企業組成之團隊,申請並執行總金額五百萬元之U-Care規劃案,在2006年經濟部第一批通過之7U-Care計畫案中即佔了2件。

本中心團隊於老人福祉科技及遠距居家照護領域,已擁有豐富之實務經驗和優異之專業能力,並獲得普遍肯定。徐業良教授著有「老人福祉科技與遠距居家照護」一書(滄海書局20083月初版),是目前在此領域中唯一的一本中文教科書教授領導團隊開發之遠距居家照護系統創新架構,除已廣泛在病患家中實際使用,整體專利佈局亦獲得全國「專利加值創新競賽」亞軍及「2008台北國際發明暨技術交易展」金牌與銅牌獎。

在本計畫中,徐業良教授將負責總計畫的系統整合,並擔任子計畫二「機器人輪椅載具建立與資通訊系統整合」主持人,同時從機械設計、老人福祉科技、遠距居家照護技術等三項專長對本計畫做出貢獻。教授擔任元智大學主任秘書已第四年,長期負責全校性的校務規劃、資源分配、校務行政追蹤管考等工作,規劃、執行、溝通、協調經驗豐富,亦有多次帶領研究團隊執行大型研究計畫的經驗,應有足夠能力執行本計畫。

總計畫協同主持人:敏盛醫控股份有限公司長照事業部陳蓬萱副總經理

協同主持人陳蓬萱副總經理是長庚醫管研究所畢業,現任敏盛醫控股份有限公司長照事業部副總經理及蘆竹鄉立安養護中心負責人,曾擔任敏盛經國總院醫事室主任、人事室主任、企劃室主任、會計室主任,及敏盛龍潭分院行政部主任、敏盛龍潭分院護理部主任,在高齡者長期照護方面有非常豐富的實務經驗。陳蓬萱副總經理目前負責敏盛醫控股份有限公司長照事業部,範圍包括怡德養護中心、三民護理之家、大園護理之家、蘆竹立安養護中心。

元智大學老人福祉科技長期與敏盛醫療體系合作,溝通、互動良好,本計畫已和敏盛醫療體系怡德養護中心簽訂合作意願書,陳蓬萱副總經理將擔任本計畫總計畫之協同主持人,對於提供本計畫機器人輪椅設計初期高齡者需求調查及應用情境模擬,中期的各項功能建議,以及後期機器人輪椅原型試用與評估,及其他高齡者醫療照護專業的建議,都將有關鍵性貢獻。更重要的是陳蓬萱副總經理將從高齡者照護產業的觀點,在計畫全程中對於本計畫產品實際在高齡者照護產業應用、商品化、後續推廣等,持續給予建議,使本計畫成果能更符合產業要求。

子計畫一主持人:元智大學社會系陳燕禎教授

陳燕禎教授長期以來一直以老人社會學、老人福利、社區照顧和社會實務工作之研究為主要領域,對老人、社區和家庭之間的問題具有濃厚的興趣和對實務工作之關心,且對老人與社區照顧問題和老人照顧政策多所投入,長期以來和實務界工作夥伴一起成長,與產業和官方都有多方互動和合作。在此領域陳教授除有數十篇期刊論文、專書論文、會議論文等學術著作外,並著有「老人福利理論與實務:本土的觀點」一書(台北雙葉書廊2007年出版),是國內在老人福利領域非常重要的著作

陳教授多次參與地方政府辦理老人居家、日間照顧、送餐等服務方案,以及機構評鑑和社區照顧關懷據點輔導,對我國因受到傳統孝道文化影響下,老人照顧和保護在政策層面和執行過程上產生了諸多問題而有所思考,希望以孝道文化的優勢觀點進行建立適合我國老人照顧和保護的機制,而且將都市型和鄉村型的發生狀況和類型再細分出來,提供不同社區型態的老人健康照顧永續經營方案和保護機制。陳教授本身從社工員、組長、老人機構之主任至政策制定的多年累積經驗,希望從實際執行老人機構經營和社區服務之長年經驗,在與眾多老人社區照顧單位和機構經營者、政府承辦者在強烈感受對老人照顧需求和保護不足之下,能一起努力,建構出對國內不同生態環境的社區老人照顧內涵和一套保護機制的優點模式,以發展在地老化、原居養老的老人社區照顧,並進而促進照顧產業化的發展。

在本計畫中,陳燕禎教授將擔任子計畫一「高齡者照護科技輔助需求之探討與機器人輪椅使用評估」主持人,以其長期在老人照顧方面的研究與實務工作經驗,輔以老人社會學之學術理論基礎,從人文學者的觀點提供本計畫高齡者對科技輔助需求之探討,並建構評估模式,進行高齡者實際使用機器人輪椅成效之整體評估。

子計畫三主持人:元智大學電機系黃英哲教授

黃英哲教授為元智大學電機系資深的教授。在學術發展上,已經發表超過百篇以上的專業論文,主持過專題計畫近三十件,出版六本專業書籍,擁有七項專利,並創作出十數件實務作品,近年來並得過數次校內外競賽的獎項。教授的研究領域主要在機電整合、機器人整合、GPSRFID應用、安全監控與影像處理等等。近年來更開發智慧型控制方法,如模糊類神經網路、小腦模型控制律、適應性可變結構控制等。近年來與本計畫相關的實務創作說明如下:

(1)     DSP強健控制器之設計:針對線性馬達控制系統,實際應用強健控制理論,PID和滑動模式控制,建立以數位訊號處理器為基礎之全數位式線型感應伺服系統,結合控制理論與實務需求,實現所設計出來的控制器,加強系統的性能。

(2)     無線掌上型數位影像傳輸:利用GSMCCD擷取即時影像傳輸至接收端進行顯像動作,而且是連續形式,並適時獲知發射端定位資料,充分結合目前通訊科技與影像技術,應用面非常廣泛。

(3)     進行影像處理與自動監控追蹤系統的研製:具有三度空間影像處理追蹤功能,當有移動物體出現時,經由影像處理技術估測出移動體的運動參數,計算出伺服控制所需的控制訊號,驅動機械作即時動態追蹤。

(4)     研製一個可追蹤太陽的發電系統:這套系統具有兩個獨立運作的驅動器,太陽電池在接近半球面立體轉動的兩個旋轉維度上,系統的運作易於控制,而且自動調整角度以正面朝向太陽,使總發電量提高。

(5)     研製一個親子照護機器人保母:本研究利用現場可規劃邏輯閘陣列技術,實現整合直流馬達、超音波感測、紅外線測距、人體紅外線感測模組之機器人控制系統,讓父母可以利用遙控器選擇行為模式,包括追蹤模式、遙控模式及搖籃模式等;並利用全向輪讓移動、避障或轉彎時更迅速,增加舒適感。

(6)     研製一個多功能機器人自走車:本研究主要整合了超音波感測器、無線藍芽模組、無線攝影機模組、直流伺服馬達和機械夾具,透過FPGA上的控制器協調,機器人自走車可完成自動搜尋取物的功能。而圖控介面程式則可遠端控制機器人自走車,並藉由機器人自走車上所回傳的影像進行環境探勘任務。

(7)     研製一個影像追蹤機器人:本研究完成影像追蹤軟硬體系統設計與製作,以CMOS攝影機建構視覺影像追蹤系統,搭載於機器人自走車上,使具備視覺感知外界環境的能力,藉由CMOS攝影機擷取外部影像,判別特定目標物,因為影像紀錄提供可靠的資訊,透過影像處理演算法,傳送指令至FPGA以控制外部馬達。

(8)     研製智慧型電動車技術:本研究結合地理圖資系統(GIS)、全球定位系統(GPS)、與人工智慧運算方法,以達到智慧型運輸的目的,包括結合地理圖資訊息給予車輛相關行車環境資訊,如距離、速度、彎道等,並經由智慧型模糊類神經網路,使車輛可經由行駛過程中建立依據行車道路特性建構自主學習控制策略,並以FPGA實現。

在本計畫中,黃英哲教授將擔任子計畫三「機器人輪椅智慧型行動控制方法開發與實現」主持人,以其在自動控制、機器人、與嵌入式系統方面豐富的研究經驗,負責本計畫機器人輪椅室內導航功能之開發。

子計畫四主持人:機械系謝建興教授

謝建興教授專長是醫學工程,於1991年在英國雪菲爾大學自動控制暨系統工程系所攻讀博士學位,即從事麻醉醫學工程自動控制之研究。於1995年取得博士學位後,曾留在英國一年擔博士後研究的工作,繼續從事腦波在麻醉自動控制的研究。於1996年三月回國,在台大醫學院醫學工程研究中心擔任二年半博士後研究的工作,延續在英國所學繼續從事麻醉自動控制的研究,並與台大醫院麻醉科暨神經外科加護病醫師們密切合作。於1998年八月至元培醫事技術專科學校擔任助理教授,且於1999年二月至元智大學機械系擔任助理教授,並順利於20028月升等為副教授暨於20068月升等為教授。歸納近五年來之醫學工程研究如下:

(1)     建立一個多感測系統暨模擬系統來監視麻醉的深淺度,進而進行麻醉系統自動控制。此系統可大大減輕麻醉科醫生的工作量,可避免麻醉科醫師因過度勞累而導致的人為疏忽。本研究證實所設計的系統用於麻醉自動控制是可行的,但在成為日常使用輔助麻醉科醫生之前,仍必須持續進行進一步的臨床試驗。

(2)     以非侵入方式量測病患生理訊號,利用類神經網路建立起病人顱內壓模型。不過由於顱內壓被許多可預期和非預期等因素影響,若僅以類神經網路對於非線性的特性仍嫌不足。因此本研究以往復式網路的架構為基礎,發展新的類神經網路演算方式,稱為“Simple Recurrent Network Through Time” (SRNTT),再以此架構針對時間延遲的因素做一比較,並就其中差異性對模型學習效益進行評估。同時本研究設計了一個模糊控制器來控制顱內壓,並與臨床醫師經驗式控制器做比較,另外也利用血壓的變化和腦血流的變化相關資料來監測病人的自身調節系統(auto-regulation system),以作為臨床症狀的判斷與使用藥物的參考。

(3)     藉由非察覺(non-conscious)的量測方式,發展出一個智慧型的收集裝置能收集居家健康老人活動監測系統,再藉由網際網路與資料傳輸機制,經遠端的智慧型診斷系統綜合評估,可提供子女與照顧者對健康老人身體健康的客觀指標。

(4)     患者自控止痛術(Patient-Controlled Analgesia, PCA)是為了在手術結束後能夠有效的抑制病患疼痛情形發生所使用的技術,主要方式為患者藉由一台PCA機器主動的操作注輸止痛劑,而另一方面此機器也可以記錄患者之所有止痛劑注射的歷程。本研究除了將原本PCA以有線傳輸方式(RS-232)至電腦之外,再建立一個「自控麻醉資料庫」,將所有使用PCA儀器的醫療院所之使用紀錄藉由Internet傳輸到自控麻醉資料庫,累積龐大的統計分析資料量。為了使麻醉醫師巡房更加便利、迅速以及有效率,本研究將原本只能在個人電腦或是桌上型電腦執行的資料庫系統,縮小至PDA中,不只代替麻醉醫師或是護士拿著記錄本巡房的傳統方式,更可以迅速將病歷資料彙整分析,方便臨床及學術研究。

在本計畫中謝建興教授將擔任子計畫四「智慧型生理訊號監測及遠距居家健康照護系統之建立」主持人,以其醫學工程的背景和生醫訊號處理、智慧型控制專長,為本計畫構思如何在機器人輪椅上建置非侵入式之生理訊號監測及評估系統,並進而實現遠距健康照護功能。

子計畫五主持人:工管系江行全教授

江行全教授目前擔任元智大學副校長,在品質工程及人因工程的學術研究方面有豐富的經驗及卓越的成就,曾獲國科會傑出研究人員計畫(2008-2011)、國科會傑出研究獎(2004-2006)、有庠講座教授獎(2007)、有庠傑出教授獎(人文科技類,2004)、中國工業工程師獎章(2002)、教育部執行產學合作教育計畫績優獎(2000)、中華民國品質學會「品質論文獎」(2001)、國科會研究優等獎(1994)甲等獎(1995~2000)、美國Outstanding Young Manufacturing Engineer Award, SME (1990)、美國Professional Engineer (AL 16497)等。教授近年的研究著重在高齡者遠距居家照護領域,以主持或參與整合型計畫,以及加強與業界合作為主,分述如下:

(1)     96年度起主持三年期的國科會整合型計畫:「建立居家環境下高齡者跌倒監測與風險評估之遠距監測系統」,該計畫與美國哈佛大學醫學院合作,並於97年八月共同舉辦「2008老化與科技」研討會。

(2)     93年度協助爭取並共同主持一三年期之整合型計畫─「建立居家環境下高齡者心臟病復發預警評估系統」該計畫參與人員包括四系六位教授,引進“遠端居家照護”的概念,藉由非侵入式生理訊號監測系統、非察覺式健康監測系統、心臟病患生活品質評估與輔助系統等三個層級,知識管理系統之架構,長期性、全方位地蒐集、評估健康評估數據,並結合醫療專業建立心臟病之預警因子,以提供專業醫師與高齡心臟病患心臟病預警、評估功能,並提供醫生在診斷時更完整、長期的監測資訊,最後並透過遠端照護系統的開發,提供緊急狀況告知和即時妥善的治療與照護。

(3)     90年度爭取並共同主持一三年期之整合型計畫─「建立高齡者生活品質之智慧型系統」。該計畫參與人員包括四系六位教授,並與美國威斯康新大學「智慧型維護系統中心(Center of Intelligent Management Systems)」合作,引進“智慧型維護”概念、遠端感測、及“degradation watchdog agent”技術,應用於高齡者生活品質之智慧型維護。

人因工程是本計畫在整體工程設計「以高齡者為核心」的思考上非常關鍵的一環,江行全教授將從人因工程的專長出發,擔任子計畫五「機器人輪椅因應高齡者需求之人因工程設計與使用評估」主持人,為本計畫機器人輪椅進行人因工程設計並做人因工程之評估。

2.         研究計畫之背景及目的

2.1 輪椅是重要的高齡者行動輔具

高齡化社會現象與輔具

聯合國分析世界各國人口結構所用的定義,是將65歲以上人口占總人口比例在7%以上的國家,稱為「高齡化社會(aging society)」,14%以上稱為「高齡社會(aged society)」,20%以上則進入「超高齡社會(super aging society)」。根據內政部的人口統計資料,我國在199365歲以上人口即已超過7%,正式邁入「高齡化社會」,依據內政部200712月底的人口統計資料報告,65歲以上的老年人口數為2,343,092人,佔總人口的10.21%。以近幾年趨勢來看,我國高齡人口的比例和總數,都在持續快速增加當中。行政院經建會推估2018年我國65歲以上老年人口比例將達14.36%,進入「高齡社會」,到了2026年,台灣更將走入「超高齡社會」,老年人口比例達20.63%。值得注意的是,台灣由「高齡化社會」進入「高齡社會」歷時約25年,與日本相當,但與法國歷時長達115年、美國72年、英國47年相較,時程快了一倍以上。

許多先進國家人口老化過程所引發的各種問題已經顯現,包括生產力降低、醫療和照顧費用提高等經濟面問題,以及老人安養、國民年金等社會福利問題,高齡族群的快速成長所伴隨的生活支援與健康照護的需求,在少子化的趨勢下已經無法單純由增加照護者人數來達成,此外高齡者的社會參與、休閒、終身學習等需求,都應該予以關注。從科技面來看,如何應用各種科技輔助,開發適合高齡者使用的科技產品、服務以及生活環境,使得生理機能漸趨衰退的高齡者仍然能夠健康、舒適、安全地享受生活,是非常值得重視的重要課題

老化帶來的身體機能衰退,可能從單純生活上的不便,逐漸演變成「身心障礙」,儘管老化和身心障礙意義並不相同,但因老化導致身心障礙的趨勢則相當明顯。表2-1整理自內政部統計處發佈民國九十五年底台閩地區各年齡層身心障礙人口數(領有身心障礙手冊者),及佔該年齡層之人口比例(即「身心障礙率」)。九十五年底國內身心障礙者約98萬人中,年齡在65歲以上者達35.71%,而以身心障礙率來看,0~14歲組每百人有1.16人為身心障礙者,隨年齡逐漸上升至15~64歲組每百人有3.54人為身心障礙者,到65歲以上大幅增加為每百人有15.32人為身心障礙者。國內身心障礙者總數在九十六年六月底已經正式突破一百萬人,身心障礙人數快速增加(近幾年每年增加超過四萬人),相信也和國內人口結構快速老化有關。

2-1. 台閩地區九十五年身心障礙人口數及身心障礙率 [http://www.moi.gov.tw/stat/index.asp]

 

0-14

15-64

65歲以上

總計

身心障礙者人數(a)

48,031

582,620

350,364

981,015

總人口數(b)

4,145,631

16,443,867

2,287,029

22,876,527

身心障礙率(a/b)

1.16%

3.54%

15.32%

4.29%

高齡者因老化造成的身心障礙,可以靠提供適切的生活環境和輔具加以克服使用輔具不但能有效補償高齡者身體機能老化或行動受限的能力,也可降低執行日常生活功能之困難度,保持獨立自主的生活機能,減輕子女與社會的照護負擔,進而重建高齡者的自我控制感,而高齡者本身也越能享受長壽所帶來的樂趣。

1988年美國聯邦政府通過「身心障礙個人科技相關輔助法案(Technology-Related Assistance for Individuals with Disability Act)」,1998年修訂成為「輔助科技法案(Assistive Technology Act, ATA, Public Law 105-394)」,將「輔助科技」的內涵作了很大的擴展:

“任何物件、設備或產品系統的一部分,無論是直接從商店購買,或者經過改造或客製化,用來提升、維持或改進身心障礙者之機能者”

“Any item, piece of equipment or product systems, whether acquired commercially off the shelf, modified, or customized, that is used to increase, maintain, or improve functional capabilities of individuals with disabilities”

在此廣泛的定義下,輔具大體可分為個人醫療輔具、訓練技能輔具、矯具與義具、個人照顧與保護輔具、個人行動輔具、居家輔具、住家和其他場所之家具與改造、溝通與資訊及信號輔具、處理產品與貨物輔具、環境改善與工具及機器之輔具與設備、休閒輔具、其他綜合類輔具等十二大項(參考ISO9999:2002(E))。輔具或輔助科技已是非常成熟的領域,國內有許多網站(如內政部支持建立的輔具資源入口網,http://repat.moi.gov.tw/)及豐富文獻,介紹各類輔具。

適合高齡者的「科技輔具(assistive technology device)」設計,是老人福祉科技中很重要的一環。下肢行動障礙是高齡者常見的障礙類型之一,輪椅則是最常見、最重要的行動輔具,輪椅方面之設計、研究、與專利技術更是十分豐富。

國內輪椅相關專利技術現況

檢索近二十年(1988101920081019止)中華民國專利公報資料庫之發明與新型於早期公開和公告專利,輪椅相關專利多達793件,附件三為輪椅相關之中華民國專利技術完整之專利分析,分析結果擇要歸納如下。

從中華民國專利分析中發現,儘管輪椅相關技術發展甚久,但由「專利技術生命週期圖」中比對專利件數與專利權人數,仍可結論我國輪椅專利技術仍處在技術發展期。其次由國內輪椅技術之「專利權人分析」,利用專利件數、活動年期、發明人數、平均專利年齡、以及相對研發能力值等競爭指標,分析重要公司投入輪椅技術之發展狀況,可以發現國內在輪椅技術上相對研發能力前三名的公司是康揚股份有限公司(相對研發能力100%)、必翔實業股份有限公司(相對研發能力59%)、和漢翔航空工業股份有限公司(相對研發能力54%)。

在輪椅技術領域中,康揚股份有限公司的專利件數高達41件,占整體專利的5%,其專利活動年期有13年,投入之發明人數22位,為投入最多研發資源的專利權人,且擁有顯著的研發成果。該公司平均專利年齡6年,檢視其專利技術內容,可發現其研發內容大部分為輪椅的硬體結構開發,如坐墊、遮陽棚、輪圈、煞車結構等,另有協助使用者姿勢變換,如輔助站立、坐姿調整、與躺臥功能等,也有關於輪椅摺收、爬階輔助、和其他與電動輪椅相關的少數專利技術發展。

必翔實業股份有限公司在輪椅技術領域中共產出29件專利,專利活動年期有9年、發明人數4位、平均專利年齡4年,相較於康揚股份有限公司對輪椅技術發展的多樣性,必翔實業股份有限公司較集中於電動輪椅相關技術進行研發,如各項結構的強化、動力啟動裝置、與輔助輪結構等。

漢翔航空工業股份有限公司在輪椅技術領域中共產出21件專利,其專利活動年期為5年、發明人數14位、平均專利年齡6年。檢視其專利技術內容,可發現其研發模式與康揚股份有限公司類似,大部分為輪椅的硬體結構開發,如軀體的止護結構、扶手調整、安全帶結構等,另有協助使用者姿勢變換,如輔助站立,也有關於輪椅摺收、爬階輔助、與電動輪椅等相關專利技術產出。

個人發明者中,黃舜男為我國較早進行輪椅技術開發者,曾以「輪椅構造調整裝置總成」獲得1996年德國紐倫堡國際發明展金牌獎,後亦創辦了祥巽企業有限公司。其專利主要針對輪椅之各項結構,如輪圈、煞車、與本體結構等進行改良,少部分對協助變換姿勢進行開發。此外國內在輪椅相關專利技術重要公司還包括財團法人自行車工業研究發展中心、日立製作所股份有限公司、成光科技股份有限公司及國內較早進入輪椅產業的龍熒企業股份有限公司等。

輪椅技術專利五階IPC(國際專利分類,International Patent Class)分析前五名的技術分類及內容,可以得知A61G5/10專門適用於病人或殘障人士之椅子或專用運輸工具者,如輪椅的部件、零件或配件)專利件數最多,為主要的技術領域。由輪椅技術IPC專利技術歷年件數分析得知A61G5/10A61G5/04(專門適用於病人或殘障人士之椅子或專用運輸工具者,如輪椅,其中以馬達驅動者)為較早發展之二項技術,但A61G5/10是所有技術中唯一持續發展者,其餘三項技術分類則在較晚時開始發展,同時其發展狀況甚為零散。由此可以了解我國之輪椅技術發展,是以輪椅結構的部件、零件或配件為主軸,從早期開始發展、且持續延續至今日,而在功能性的發展,如爬階輔助與協助使用者姿勢變換等,則以零散的方式進行發展。

輪椅對高齡者的輔助可遠遠超過單純的行動輔具

綜合國內輪椅專利技術的研發內容,可發現國內大部分的輪椅技術發展皆集中於輪椅結構及其延伸的應用功能基本上僅將輪椅視為單純的行動輔具。此外目前國內在輪椅輔具的開發,不管是在復健醫學治療層面,或是生產、設計、行銷廠商方面,大多還是以身心障礙者為主要對象,而非以高齡者為主要對象。身心障礙者和高齡者有許多不同的地方,身心障礙者在機能障礙部分需要輔助,而其他部分仍維持其年齡應有的身體機能,且通常障礙程度穩定,對外在環境的適應力也比較強。相對的高齡者整體身體機能都老化衰退,雖然不見得達到「障礙」的程度,但這種機能衰退是以全面、持續的方式進行著,且高齡者適應新環境的能力也較弱。

大部分輔具的設計都比較著重在輔助基本的「日常生活活動(Activity of Daily Living, ADL),像是輔助高齡者行動、洗澡、如廁、飲食等,強調的目標是讓高齡者能夠獨立執行這些基本的ADL而不需要他人協助。輔助高齡者能夠「獨立生活」,確實應該是高齡者使用科技輔具的重要目標。然而對於很多高齡者來說,僅僅能夠獨立執行基本ADL,並不算是真正的「獨立生活」,高齡者仍然希望像年輕人一樣能夠自主地決定自己的生活,決定自己要做什麼事、如何做、何時做,同時並保有完整的社交生活,且和他人有充分的互動。

除了能夠進行基本的日常生活活動之外,成功的獨立生活需要高齡者有能力進行「工具性的日常生活活動(Instrumental Activity of Daily Living, IADL),像是用藥或自我健康管理、自行操持家務、為自己準備營養的飲食、乃至於理財等;此外作為一獨立存在的個人,活躍的高齡者也需要有意願接受新的挑戰,例如參與社團、安排休閒或旅遊、進行終身學習活動等,這個部分稱作「強化的日常生活活動(Enhanced Activity of Daily Living, EADL)

總而言之,高齡者科技輔具的設計應該有更廣泛的目標,除了要支持基本的ADL之外,還應思考對高齡者IADL的輔助,使得高齡者能夠在自己家中安全而便利地居住,並且能適切地做自我健康照護,如此高齡者才能盡量在社區居住而不需進入安養機構。最後則是思考科技輔具對EADL的協助,支持高齡者的社會參與、人際互動,以及與家人和朋友的溝通。

從這樣的高齡者科技輔具設計思考來看,對於使用輪椅的高齡者來說,輪椅可以發揮的功能可以遠遠超過單純的行動輔具。觀察許多老人安養院的實際生活應用情境,輪椅已幾乎是每一個老人行動與生活的核心,如圖2-1所示,每一位老人(不管是否無法行走),幾乎都在輪椅上進行一天生活中所有活動,如吃飯、聊天、閱讀書報、看電視、接受健康照護等。觀察居家環境中高齡者也有類似情境,老爺爺在家中經常有一個專屬座椅,一天之中很長的時間在專屬座椅(通常並非輪椅)上度過,各種生活休閒活動都在專屬座椅上進行。由未來高齡化社會整體生活情境構思,輪椅除了提供高齡者獨立行動等ADL輔助之外,更應思考整合生活、娛樂、通訊、乃至健康照護的IADLEADL的需求

2-1. 安養院中的高齡者常以輪椅為生活與行動的核心(照片由怡德養護中心提供)

2.2 機器人輪椅的概念與研究

「行動能力(mobility)」是高齡者要能享有高品質的晚年生活,最基本的需求之一,然而使用輪椅的高齡者往往上肢也過度虛弱而無法自行推動輪椅,還是需要照護者協助推動輪椅,使用一般輪椅並無法幫助提升高齡者獨立行動能力

使用者上肢力量無法自行推動輪椅時,使用電動輪椅是一個可能的選擇,然而操控電動輪椅時操作者必須能夠準確感測周遭環境、預測可能的障礙或危險,然後操作一支搖桿或其他輸入裝置來控制電動輪椅,對大部分使用者來說,電動輪椅的操控方式困難度仍然相當高Fehr等人[2000]曾經針對200位接受過電動輪椅操作訓練的重度障礙者進行調查,發現9%~10%的重度障礙者認為電動輪椅幾乎無法協助他們一般日常生活的需求;若更進一步詢問電動輪椅是否能夠協助他們完成如移動至目的地等特定事項,則有40%的重度障礙者認為幾乎無法協助。這項調查中發現,使用電動輪椅的重度障礙者常因視力、力量與運動能力受損,無法順利操作電動輪椅,類似的困難預期也會發生在高齡使用者上。

為了改進這些輪椅操作上的困難,近年來輪椅的研究方向上開始將輪椅由完全被動、由使用者操控,轉變至賦予輪椅部份「自主行為(autonomous behaviors)」能力,使輪椅本身擁有類似機器人之感測、判斷能力,能配合輪椅操作者的意願做出自主動作,同時並將具有互動性的「協同控制機制(collaborative control scheme)」融入輪椅控制介面中

最早在1995年,美國MITRE公司的兩位工程師MillerSlack在研究文獻中提出“robotic wheelchair”這個名詞,他們的論文中描述了兩個robotic wheelchair的原型,將原先使用在機器人身上的各項感測、導航技術,應用在輪椅操作上,能夠輔助操作者迴避障礙物、到達預定地點、穿過擁擠環境等[Miller and Slack, 1995],開創了「機器人輪椅(robotic wheelchair)的研究領域。

機器人輪椅自動導航功能的發展

移動輔助是輪椅最基本的功能,因此自動導航(automatic guidance)也是機器人輪椅研究上最主要的目的之一Prassler等人[2001]設計了名為“MAid (Mobility Aid for elderly and disabled people)”的機器人輪椅,如圖2-2所示。MAid上裝有各式感測器,用來偵測四周環境、障礙物、人員等狀況,高齡者不須精巧的控制能力,即可輕鬆地駕駛輪椅進入狹窄空間。MAid還具有路徑自動規劃功能,以自動載送高齡者通過擁擠人群。

2-2. MAid通過擁擠人群[Prassler et al., 2001]

西班牙的Espinosa等人[2001]也發展了一套結合最佳化控制與模糊控制的機器人輪椅智慧型控制系統,此系統除自動導航功能外,亦具有軌跡追蹤(trajectory tracking)功能,能追蹤地面貼紙控制行動路徑(如圖2-3),系統中並考慮負載、致動器極限等控制條件,以與人的協同控制改善使用者安全性與舒適性。Argyros等人[2002]發展了一個具有追蹤移動物體與閃避障礙物功能的半自主行為能力機器人輪椅。如圖2-4所示,此輪椅利用聲納偵測周遭障礙物距離,並以全景式攝影機(panoramic camera)追蹤移動物體。

2-3. Espinosa等人開發之機器人輪椅具有軌跡追蹤功能[Espinosa et al., 2001]

2-4. Argyros等人所開發之機器人輪椅追蹤移動物體畫面[Argyros et al., 2002]

近年來在機器人輪椅的研究,則更著重在室內導航方法與操作方式的改進。圖2-5Galindo等人所開發的機器人輪椅SENA是以市售電動輪椅為基礎所開發而成[Galindo et al., 2006b]SENA裝配有紅外線感測器、雷射測距儀、攝影機等以達成自動導航的功能,同時並採用語音控制人機互動介面(如圖2-6),讓使用者操作更為便利。ChowXu[2006]模仿人類的導航技巧,開發具有部分學習能力的機器人輪椅導航方法,其透過多個超音波感測器進行環境感測,並減少控制核心的即時運算量,以降低硬體需求(如圖2-7)。Zeng等人[2008]所發展的機器人輪椅是以「可合作的輪椅助理(collaborative wheelchair assistant, CWA)」為概念,採用低成本的條碼系統做為各種虛擬路徑(virtual path)規劃的感測器,同時其操作介面簡單,使用者無須一直操控輪椅(如圖2-8)。

2-5. Galindo等人所開發之機器人輪椅SENA[Galindo et al., 2006]

2-6. SENA的語音控制[Galindo et al., 2006]

2-7. ChowXu所開發之機器人輪椅[Chow and Xu, 2006]

2-8. Zeng等人所開發之機器人輪椅[Zeng et al., 2008]

機器人輪椅協同控制架構的發展

除了前述機器人輪椅導航、避障等自主行為能力的發展之外,人機協同控制(man-machine collaborative control)架構的發展也是機器人輪椅研究上的重要議題,經由人與機器人輪椅在肢體、資訊、與心智等三種不同層面上的互動,可以完成兩者皆無法獨力完成的工作[Katsura and Ohnishi, 2004; Galindo, et al., 2006]

早在1998BourhisAgostini便認為使用者與機器人輪椅相互配合與合作,將能提升機器人輪椅在導航方面的成效。他們將使用者與輪椅的合作關係分為行為(behavior model)、使用者(man supervisor)、與機器人輪椅(robot supervisor)三個部分討論,進而開發了機器人輪椅VAHM(如圖2-9[Bourhis and Agostini, 1998]Tahboub[2001]發展了一個具有半自主(semi-autonomous)行為能力的機器人輪椅控制架構,機器人輪椅並非主控者而是扮演協助者(collaborator)的角色,而使用者則可依據自己的需求給與或修改機器人輪椅的自主行為能力,甚至重新定義機器人輪椅的行為。該機器人輪椅的另一個特徵是採用全向輪(omni-directional wheel)底盤以具有靈活的移動能力(如圖2-10)。

2-9. 機器人輪椅VAHM[Bourhis and Agostini, 1998]

2-10. Tahboub所開發之機器人輪椅及其全向輪底盤[Tahboub, 2001]

也有研究者利用使用者身體的姿態作為機器人輪椅的控制輸入,如圖2-11所示Takahashi等人[2002]設計的機器人輪椅利用倒單擺(inverse pendulum)原理,感測使用者身體傾斜造成重心位置的改變,控制機器人輪椅前進與後退,並可協助使用者越過約7公分高的障礙。Katsura[2004]主要針對結合使用者與機器人輪椅的能力進行設計,利用反作用力矩感測器(reaction torque observer)得知環境中的各項干擾,以配合荷重元(load cell)進行雙輪轉速的控制,讓使用者的操控更加輕鬆(如圖2-12)。

2-11. 利用重心位置的改變,控制機器人輪椅前進與後退[Takahashi et al., 2002]

2-12. 利用荷重元進行雙輪轉速的控制[Katsura, 2004]

前述Galindo等人發展的機器人輪椅SENA,採用一個多重代理人的控制架構(multi-agent control architecture),其特色是將各種不同的功能以類似代理人的方式進行分類(如圖2-13),不同的使用情境有不同的代理人需求,以降低控制的運算量。此架構除具有多重功能外,也透過與人機整合(human-robot integration)的互動方式,使機器人輪椅更能與使用者合作,於各種環境下協助使用者[Galindo et al., 2006a]

2-13. 多重代理人控制架構[Galindo et al., 2006a]

機器人輪椅研究小結

由本節對機器人輪椅研究文獻的討論,可歸納出機器人輪椅研究領域中,以機器人輪椅導航、避障等自主行為能力的發展,以及人與機器人輪椅之間的人機協同控制模式的發展為兩項主要研究議題。大部分的機器人輪椅在硬體機構設計上反而著墨不多,大多是以市售輪椅作為硬體基礎,在其上裝設各式感測器與控制核心以完成發展。

機器人輪椅導航、避障功能的開發,主要是利用條碼系統、雷射測距儀、超音波、紅外線、與攝影機等感測裝置,作為感知、建構機器人輪椅周遭環境的工具。Fernandez-Madrigal等人[2004]認為,單以機器人輪椅上的各式感測器配合環境建構、路徑規劃等的演算法,容易造成演算量過於龐大、環境建構不完整、與硬體需求提高等缺點,Zeng等人[2008]則進一步說明,若環境中也具備部分能與機器人輪椅溝通的感測器,如此機器人輪椅的環境建構完整性將能提高,且其硬體需求也將大幅下降。感測器除感測四周環境外,也有相關研究將感測對象擴展為使用者,使協同控制的人機互動過程更為自然與簡單。

在人與機器人輪椅之間的人機協同控制模式的發展上,一方面使用者的感知(sensor)、運動(motor)及認知(cognitive)能力均有限制,另一方面機器人輪椅應扮演協助者的角色而非主導者的角色[Tahboub, 2001],因此應設計符合使用者需求與生理狀況的人機互動(Human-Robot-Interaction, HRI)介面以及協同控制方式,讓使用者在接受其協助時可根據當下的情況進行機器人輪椅行為的調整,使得機器人輪椅能夠確實協助使用者達成目標。

2.3 以智慧型機器人輪椅作為高齡者行動、生活與健康照護中樞

本計畫的核心目的,即是以智慧型機器人輪椅作為技術發展的主軸,思考未來高齡者生活應用情境,重新定義輪椅成為高齡者行動、生活與健康照護中樞

2-14敘述本計畫開發之機器人輪椅的整體設計概念。如圖所示,本計畫智慧型機器人輪椅的設計以高齡者為設計思考的核心,透過針對高齡者在感知、運動控制和認知能力上的限制而設計的人機介面,智慧型機器人輪椅整合了行動載具、感知與控制系統以及資通訊系統,提供高齡者獨立行動、生活休閒、與健康照護三種類型功能。

利用這樣的智慧型機器人輪椅,希望能輔助高齡者更積極、有效地和周遭環境互動,包括實際行動、肢體上的互動(physical interaction)以及對環境的控制(environmental control),資訊的交換(information exchange),以及最重要人際互動溝通(interpersonal communication),進而能提升高齡者的生活品質(Quality of Life)

2-14. 本計畫「機器人輪椅」設計概念

高齡者可依身體狀況及其衍伸的照護需求區分為四種類型【陳燕楨,2007】,分別是(1)完全健康的高齡者;(2)有慢性病,但仍可獨立生活的高齡者;(3)有慢性病,部分生活必需依賴他人照護的高齡者;(4)有慢性病,生活已完全需要他人全天候照護的高齡者。

在上述四類的高齡者中,第一類與第二類的高齡者可保有完整的社交生活,且和他人有充分的互動,能自行滿足ADLIADL、與EADL的各項需求;第三類的高齡者則意識清楚,但可能因生理機能退化,如常見的行動能力退化,導致部分生活需要他人照護,無法自行滿足ADLIADL、或EADL的各項需求;第四類的高齡者因意識不清或無意識(如植物人),導致其生活已需要他人全天候照護,對於醫療上的需求遠高於ADLIADL、與EADL等的輔助。

本計畫設定的機器人輪椅使用者為上述第三類部分生活需要他人照護之高齡者。如前所述,本計畫在未來高齡化社會整體生活情境構思上,期望智慧型機器人輪椅能提供此類高齡者ADLIADL、乃至於EADL的輔助,本計畫規劃了獨立行動、生活休閒、與健康照護三種類型的功能,初步設計構想敘述如下:

(1)    獨立行動

本計畫開發之機器人輪椅目標是在居家或安養院環境使用,可在室內或室外短途(如在庭院內散步)行駛。機器人輪椅擁有敏捷的行動能力,能在狹窄、擁擠的環境裡,以便利、自動化的「人機合作」方式行駛操作;機器人輪椅具備室內導航功能,能夠自動到達使用者指定位置;機器人輪椅具有偵測障礙物、避障和動態規劃路徑的能力,以適應居家或安養院環境中動態的環境變化。

(2)    生活休閒

在提升高齡者獨立行動能力的基本功能之外,本計畫也希望將機器人輪椅的自主行為能力擴張至生活休閒的需求。機器人輪椅是一個舒適的座椅,可根據使用者的意願自動調整姿態,並提供起身輔助、協助如廁、協助上床等姿態變換;機器人輪椅具備環境控制功能,能夠根據使用者的控制與環境變化,作相對應的環境控制,如燈光、空調、電器的開啟或關閉,電視的選台及音量調整等;機器人輪椅結合網際網路通訊,使用者坐在輪椅上即能與外界作影音溝通與資訊交換。

(3)    健康照護

最後本計畫開發之機器人輪椅是高齡者健康照護中樞。機器人輪椅上設計有易於配戴、非侵入式、甚至非察覺性的生理訊號量測方式,本計畫目前的構想是以血氧濃度連續脈動訊號量測裝置,結合以經驗模態分解法為基礎的訊號分離技術,從血氧濃度連續脈動訊號中萃取出呼吸、脈博及心率等生理訊號。更進一步由這些生理訊號獲得相關的生理狀況評估指標,同時結合資通訊系統,實現高齡者遠距健康照護與管理的目標。

3.         研究方法、進行步驟及執行進度

3.1 本計畫之整體架構、跨領域特性以及各計畫間之關聯性與配合狀況

配合圖2-14中本計畫開發之機器人輪椅的整體設計概念,本計畫規劃之整體計畫架構如圖3-1所示。本計畫共分為五項子計畫,主要研究團隊包括五位教授和一位產業界人士,整合了包含機械設計、老人福祉科技、老人社會學、老人福利、自動控制、機器人、嵌入式系統、醫學工程、智慧型控制、人因工程設計等本計畫所需要的各項領域專長,跨領域特性十分明顯。各子計畫間之關聯性與配合狀況詳述如下。

3-1. 本計畫整體架構

子計畫一「高齡者照護科技輔助需求之探討與機器人輪椅使用評估」由元智大學社會系陳燕禛教授主持,將由老人社會學、老人福利服務、老人照顧等人文學者的觀點,探討高齡者在「獨立行動」、「生活休閒」、與「健康照護」上的科技輔助需求,以及如何提升高齡者對科技的接受度。如圖3-1所示,本子計畫是其他工程類型子計畫和實際使用者應用情境間的橋樑,具體工作項目包括(1)探討高齡者對科技輔助的需求,配合其他子計畫關鍵技術的建立,完整定義出本計畫機器人輪椅對高齡者提供的科技輔助功能;(2)探討高齡者對科技接受度,瞭解高齡者使用科技產品時所經歷的困難,研究如何從設計、訓練或兩者結合來加以克服,並對如何提升其接受度提出具體建議;(3)建構評估模式,在計畫後期對總計畫整合完成之機器人輪椅原型進行實際使用的評估。

子計畫二、三、四為工程類型子計畫,主要任務在負責圖2-14中機器人輪椅在「行動載具」、「感知與控制系統」以及「資通訊系統」所需關鍵技術的建立,並根據子計畫一的對機器人輪椅功能需求的定義,具體設計製作所需模組,交由總計畫作進一步系統整合。

工程類型子計畫中,子計畫二「機器人輪椅載具建立及與資通訊系統整合」由元智大學機械系徐業良教授主持,教授將由機械設計、老人福祉科技、遠距居家照護技術等三項專長,在此子計畫中根據子計畫一規劃之高齡者的獨立行動與生活休閒需求,設計與製作機器人輪椅行動載具及相關模組,並與資通訊系統整合。具體工作項目包括(1)設計建置具敏捷行動能力之機器人輪椅行動平台;(2)設計建置機器人輪椅姿態調整機構;(3)設計建置機器人輪椅上對周遭環境控制系統;(4)結合網際網路通訊,讓使用者坐在輪椅上即能與外界作影音溝通與資訊交換

子計畫三「機器人輪椅智慧型行動控制方法開發與實現」由元智大學電機系黃英哲教授主持,教授專長在機器人及自動控制,在此子計畫中將以人機合作與協同控制的概念,建立感知與控制系統,具體工作項目包括(1)開發並實現機器人輪椅室內導航功能;(2)開發並實現機器人輪椅偵測障礙物、避障和動態規劃路徑的功能。子計畫三關鍵技術之開發,要特別注意能夠結合於子計畫二設計之機器人輪椅行動載具中。

子計畫四「智慧型生理訊號監測及遠距居家健康照護系統之建立」由元智大學機械系謝建興教授主持,教授的專長為醫學工程,在此子計畫中將依據子計畫一規劃之高齡者健康照護需求,完成以下兩項工作:(1)建立非侵入式甚至非察覺性生理訊號監測技術;(2)由這些生理訊號獲得相關的生理指標,並結合子計畫二之行動載具和資通訊平台,在機器人輪椅上實現遠距居家照護。

子計畫五「機器人輪椅因應高齡者需求之人因工程設計與使用評估」屬於設計類型計畫,由元智大學工管系江行全教授主持。主要工作有三:(1)因應高齡者在感知、運動控制和認知能力上的限制,提供人因工程設計原則給子計畫二、三、四作為硬體設計依據;(2)考慮機器人輪椅人機協同控制的原則,進行適用於高齡者之機器人輪椅人機介面(human-robot-interface)設計;(3)設計各項實驗,在計畫後期對總計畫整合完成之機器人輪椅原型進行實際使用評估。

總計畫由機械系徐業良教授主持,主要工作包括(1)整體計畫行政管理工作,包括經費、人員、時程與研發成果智慧財產申請與管理,及(2)機器人輪椅的系統整合。本計畫除各項關鍵技術開發之外,一開始即設定為要產生能夠實際應用於產業之機器人輪椅產品,因此總計畫將統整所有子計畫團隊以產品開發的程序進行機器人輪椅原型建置。為能夠確實配合高齡者照護產業之需求,本計畫已與敏盛醫療體系之怡德養護中心簽訂合作意願書(如附件一),並邀請敏盛醫控股份有限公司長照事業部陳蓬萱副總經理擔任總計畫協同主持人,以其在高齡者照護豐富實務經驗對本計畫提供諮議。陳蓬萱副總經理將從高齡者照護產業的觀點,在計畫全程中對於本計畫產品實際在高齡者照護產業應用、商品化、後續推廣等,持續給予建議,使本計畫成果能更符合產業要求。

在本計畫進行初期,總計畫將統整個相關子計畫,在怡德養護中心實際探討高齡者在居家及安養院使用機器人輪椅之需求,瞭解目標使用者的期望與家庭應用環境的限制,進行應用情境設計。在子計畫二、三、四之硬體原型及功能測試完成之後,總計畫第二階段重要工作在負責機器人輪椅的系統整合,完成機器人輪椅原型。最後總計畫亦將統籌各子計畫進行實際測試與評估,如子計畫一將在怡德養護中心進行機器人輪椅使用者接受度及使用成效測試,子計畫五則將進行機器人輪椅人因工程評估,實地測試、評估結果再回饋給子計畫二、三、四,反覆修正設計。

3.2 研究方法與進行步驟

本計畫總計畫及各子計畫研究方法與進行步驟分述如下:

總計畫:以智慧型機器人輪椅作為高齡者行動、生活與健康照護中樞

1.    計畫管理工作

總計畫將負責整體計畫之行政管理工作(包括經費、人員、時程與研發成果智慧財產申請與管理),以及各子計畫之溝通、協調工作,這部份工作將利用元智大學「老人福祉科技研究中心(Gerontechnology Research Center, GRC)的架構與資源下進行。GRC正式成立於2003年一月,位於元智大學對面元智科學園區內,總面積共44GRC曾經整合研究團隊執行三次國科會三年期整合型計畫,及經濟部UCare等大型計畫,計畫管理經驗豐富。在本計畫中GRC將提供機器人、輪椅設計開發所需的場地、設備及工具,以及秘書、會計等事務性工作支援。同時依據「元智大學研究團隊計畫配合款補助作業要點」,元智大學研發處也會對此類大型、團隊型計畫提供計畫總金額15%之配合款,作基礎研究設施之建置支援。

如前所述,本計畫已與敏盛醫療體系之怡德養護中心簽訂合作意願書(如附件一),並邀請敏盛醫控股份有限公司長照事業部陳蓬萱副總經理擔任總計畫協同主持人,將以怡德養護中心相關資源,提供本計畫實際探討高齡者在居家及安養院使用機器人輪椅之需求、進行應用情境設計,以及機器人輪椅原型使用者接受度及使用成效測試。

2.    機器人輪椅系統整合

總計畫最重要的任務是負責機器人輪椅的系統整合工作,統整各子計畫之研究成果,實際建置出機器人輪椅原型。從硬體建置角度來看,本計畫研發之機器人輪椅整體架構如圖3-2所示,共計11項子系統,各子系統負責之子計畫以及目前規劃之基本功能定義敘述如後。

3-2. 機器人輪椅硬體架構

(1)機器人輪椅行動載具

機器人輪椅行動載具由子計畫一提供設計需求、子計畫五提供人因工程設計原則、子計畫二負責硬體設計建置,初步規劃具體功能需求包括:

Ÿ    具敏捷行動能力

Ÿ    舒適、可調整姿態之座椅

Ÿ    提供起身輔助、協助如廁、協助上床等姿態變換功能

Ÿ    以電池為動力源,需考慮充電方便、工作週期比(工作時間/充電時間)高、電池週期壽命長

Ÿ    需考慮承載其他各項子系統之空間、結構、動力等需求,結構輕量化亦是重要考慮

(2)環境感知子系統、(3)智慧型行車子系統

環境感知子系統搭配智慧型行車子系統,由子計畫一提供設計需求、子計畫三負責硬體設計建置,初步規劃具體功能需求包括:

Ÿ    具備室內導航功能,能夠自動到達使用者指定位置

Ÿ    具有偵測障礙物、避障和動態規劃路徑的能力

(4)生理訊號量測子系統、(5)生理狀況評估子系統

生理訊號量測子系統搭配生理狀況評估子系統,由子計畫一提供設計需求、子計畫五提供人因工程設計原則,以總計畫提供之核心控制子系統為演算平台,由子計畫四負責生理訊號量測裝置及生理指標評估子系統的建置,初步規劃具體功能需求包括:

Ÿ    建構非侵入式血氧濃度連續脈動訊號量測裝置

Ÿ    在經驗模態分解法的基礎上,開發血氧濃度連續脈動訊號之衍生性生理訊號分離技術

Ÿ    具備各項生理指標的評估能力

(6)環境控制子系統

環境控制子系統由子計畫一提供設計需求、子計畫五提供人因工程設計原則、子計畫二負責硬體設計建置,初步規劃具體功能需求包括:

Ÿ    使用者坐在輪椅上即能控制周遭環境,如燈光、空調、電器的開啟或關閉,電視的選台及音量調整等

Ÿ    機器人輪椅可感知周遭環境變化,作相對應的環境控制

(7)人際互動溝通子系統、(8)網際網路通訊

人際互動溝通子系統搭配網際網路通訊建置,由子計畫一提供設計需求、子計畫二負責硬體設計建置、子計畫五負責人機互動介面設計,初步規劃具體功能需求包括

Ÿ    使用者坐在輪椅上即能與外界作影音溝通與資訊交換

Ÿ    網際網路通訊的建置亦需考慮子系統(4)(5)遠距居家照護功能之需求

(9)人機協同控制介面

人機協同控制介面由子計畫五負責建構,初步規劃具體功能需求包括:

Ÿ    使用者能透過人機介面接受各子系統傳來訊息、發出控制指令至各子系統、連結人機互動子系統與外界溝通

Ÿ    介面設計應考慮高齡者在感知、運動控制和認知能力上的限制

Ÿ    介面設計應考慮機器人輪椅人機協同控制的原則

(10)核心控制子系統

核心控制系統由總計畫負責建構,主要功能在統整各子系統傳來訊號,並接受由人機協同控制介面發送之指令,經由各類演算法判讀、計算後,發出控制指令給相關子系統,對機器人輪椅作控制動作。

考慮系統開發的便利性,計畫初期將採用筆記型電腦作為機器人輪椅之核心控制子系統開發平台,計畫後期則考慮體積、耗電量、及商品化可行性,將把測試完成系統程式移植到嵌入式系統。

(11)系統通訊架構及協定

為能整合各子計畫開發子系統,使機器人輪椅系統內部各種感測訊息、控制指令等能夠順暢傳輸,同時考慮子系統(4)(5)遠距居家照護功能和子系統(7)人際互動溝通功能中,機器人輪椅需與外界環境做溝通,總計畫一開始必須先選定共通之通訊架構與通訊協定。

3.    進行步驟與中短期技術路程圖

3-3是本計畫進行步驟規劃。本計畫機器人輪椅的開發將分為三年三階段進行,第一階段主要工作在建立未來生活情境下機器人輪椅的概念設計及所需關鍵技術,總計畫具體查核點為完成一應用情境模擬影片,描述高齡者使用機器人輪椅之未來的生活型態及使用情境,同時完整定義機器人輪椅之功能。

第二階段則在整合子計畫二、三、四之成果,實際進行機器人輪椅原型整合與建置。總計畫具體查核點為完成三部以上的機器人輪椅原型,並完成相關功能測試及完整技術文件。完成多部原型的目的除提供多人測試所需外,也在建立整體技術之可複製性。

第三階段則在實際應用環境中進行機器人輪椅測試、評估,並統整子計畫二、三、四進行設計修正,並作商品化準備。本計畫目的除各項前瞻技術建立外,更希望機器人輪椅成品能定位為家電產品,重視使用者操作介面與在居家使用之便利與可靠度,設計過程中也十分強調成本、製造過程等考量,期望成品能夠迅速商品化。

3-3也規劃了各子計畫在各階段中主要工作和查核點,詳細工作內容將在以下各子計畫之計畫書中詳述。為發展整理前述機器人輪椅各項子系統之功能,圖3-4中訂定了本計畫之「中短程技術路程圖(technology roadmap),圖中以機器人輪椅獨立行動、健康照護、生活休閒的需求為技術分類,執行計畫的三個年度及機器人輪椅提供從ADLEADL輔助為軸線,將本計畫需要發展的技術項目佈於其上。各項技術內容及如何達到此中短期技術路程圖的細節方法,亦將在以下各子計畫之計畫書中詳述。

3-3. 本計畫進行步驟整體規劃

3-4. 中短期技術路程圖

子計畫一:高齡者照護科技輔助需求之探討與機器人輪椅使用評估

1.    高齡者照護思潮演進與對科技輔助需求的探討

人口老化是人口轉型的必然趨勢,它反映出近代社會急速變遷的樣貌,也引發新的社會需求,急需相對的政策、因應與福利措施,才能有效解決高齡者需求,讓人類晚年生活維持尊嚴與自主。有鑑於此,聯合國早於1991年通過「聯合國高齡者綱領」,制訂「獨立、參與、照顧、自我實現、尊嚴」五個要領,做為實施高齡者照顧服務之目標,希望每一個高齡者都能擁有高品質的晚年生活。

審視當前世界的福利思潮,老人福利政策已從過去「保障高齡者的基本生活」提升為「維護尊嚴和自主的老年」,高齡者不再只是被救濟的對象,而是擁有經濟、安全、醫療保健、居住安養、社會參與就業、教育休閒及持續性、完整性照顧等需求和權益,高齡者的基本權益包括:(1)選擇權利;(2)隱私權利;(3)獨立自主權利;(4)生活品質權利;(5)保護與安全權利【陳燕禎,2007】,這些權益是任何一個老人都應受到國家保護的基本權益。我國政府也於2007130再度修正公佈「老人福利法」,修正條文除著重老人照顧津貼、年金、住宅、保護、專責人力等規劃外,更希望能協助因身心受損,日常生活功能需他人協助的老人,讓老人獲得持續性、完整性之照顧服務。

高齡者照顧問題,在現代社會中的迫切性也更加凸顯。就高齡者而言,因老化帶來身體機能衰退導致生活模式、心理和社會互動必須被迫改變;就照顧者而言,家庭照顧人力資源和社會資本都受到衝擊。因此如何因應高齡者的照顧需求,開發、創新設計科技產品,介入、輔助繁重的高齡者照顧工作,讓高齡者得以在有尊嚴又獨立自主的生活原則下,解決日常生活的依賴需求,是高齡化社會的重要挑戰。

不同的人口族群和年齡層的高齡者有極大不同的生活狀況和需求。Bradshaw[1972]針對福利需求分為四個面向來探討:(1)規範性需求(normative need)(2)感覺性需求(felt need)(3)表達性需求(expressed need)(4)比較性需求(comparative need),其中感覺性需求滿足是高齡者主觀幸福感的重要指標,故高齡者需求的探討,首重針對高齡者基本生理需求(例如因老化造成的身心障礙)進行模擬試驗,以獲取最適合高齡者自主行動的生活機能需求之服務。

高齡者因老化造成的身心障礙,可以靠提供適切的生活環境和輔具加以克服。如前所述,高齡者科技輔具除了要支持基本的日常生活活動(ADL)之外,還應更進一步思考對高齡者工具性日常生活活動(IADL)的輔助,使得高齡者能夠在自己家中安全而便利地居住,並且能適切地做自我健康照護,如此高齡者才能盡量在社區居住而不需進入安養機構。最後則是思考科技輔具對強化日常生活活動(EADL)的協助,支持高齡者的社會參與、人際互動,以及與家人和朋友的溝通。

當前台灣失能者照顧問題面臨家庭照顧資源變遷和人力嚴重短缺的現象,因此身心功能嚴重失能者轉向醫院、護理之家、養護中心等接受專人照顧,或使用居家服務、或申請外籍看護等做為因應管道。這些因應管道措施,都是為協助家庭照顧失能者之迫切需求,然而這些照顧供給也因人力、費用、時間、空間等因素之考量,形成「照顧不足」的現象,而照顧服務也集中在協助環境清潔和身體清潔(沐浴)等基本生活,並無法完整提供高齡者每日自我身體健康維護管理(如生理訊號量測與健康狀況評估),以及隨心的身體移動,協助進行社會互動等。不管住在家裡或機構的失能長者,「等待」、「依賴」的場景是最常見的畫面,藉助新科技力量介入長期照顧之服務使用,將成為不可避免之趨勢【陳燕禎,2004】。若照顧服務系統能整合老人福利、科技和產業,共同研發高齡者一部方便操作移動和生活互動的行動工具,除可隨時自我掌握身體健康機能的變化,亦可做為日常生活的陪伴,增加社會互動之機會,減少生活孤單與寂寞。

本計畫設計之智慧型機器人輪椅,即在使意識清楚但行動不便的高齡者不管住在機構或社區居家環境下,均可自由、便利地移動,並具有健康、休閒、資訊與心理互動之功能,以增進高齡者生活福祉和社會互動品質。如圖3-1所示,本子計畫是其他工程類型子計畫和實際使用者應用情境間的橋樑,將扮演評估(evaluation)、連結(linking)倡導者(advocate)的角色,評估主要在瞭解服務的成效,亦即是否達到預期的成果以作為未來訂定服務計畫的參考;連結的目標在連結案主與服務,並確保服務之使用,根據計劃進一步幫案主作有效的接觸、溝通與整合之作用,以減少彼此間之衝突和增加網絡之效率;倡導者是有時資源不存在或拒絕提供給案主時,必須努力爭取使案主獲得所需之協助。本子計畫目的在由前述高齡者照護思潮演進,完整探討高齡者在「獨立行動」、「生活休閒」、與「健康照護」上的科技輔助需求,以及如何提升高齡者對科技的接受度,並建構科技輔助使用評估模式,在計畫後期對總計畫整合完成之機器人輪椅原型進行實際使用的評估。

2.    高齡者照護科技輔助評估研究方法

如前所述,本子計畫具體工作項目包括(1)探討高齡者對科技輔助的需求,完整定義出本計畫機器人輪椅對高齡者提供的科技輔助功能;(2)探討高齡者對科技接受度,並對如何提升其接受度提出具體建議;(3)建構評估模式,對機器人輪椅原型進行實際使用的評估。相關工作之研究方法敘述如下:

(1)   高齡者照護科技輔助需求評估

研發產品和服務輸送要成為優質高齡者照顧的供給介面,自然必須先思考照顧兩個基礎問題:「誰的需求?」和「誰的供給?」【陳燕禎,2007。以產品設計的工程語言來說,高齡者照護科技輔助需求評估需要思考兩個構面:“Who are the customers?”以及“What are the customers’ needs?”

應用科技的輔助、介入高齡者照顧生活,具有多方受益的效果。Robin[2000]曾表示落實「在社區照顧(care in the community)」,必須重視「社會照顧三角形(social care triangle)」(如圖3-5),除服務使用者外,還包括服務供給者形成之長期照顧體系,如醫師、護士、藥師、復健、營養、社工師、志工等「正式部門照護者」「非正式部門照護者」。因此高齡者照護需求的評估,也應同時考慮這三類「顧客(customer)」的需求,並與使用環境結合,產生三合一的綜效。

3-5. 社會照顧三角形

高齡者對科技又有什麼需求呢?麻省理工學院“AgeLab”的創辦人Coughlin教授將高齡者對科技的需求整理成以下五個項目[Coughlin, 1999],十分值得參考:

(a)    終生的交通需求(lifelong transportation)能從一個地點旅行到另一個地點的能力對日常生活是十分關鍵的。

(b)    健康的家庭(healthy home):家庭應該是科技應用主要焦點,研究利用科技協助高齡者避免受傷,取得所需的服務,且進行日常生活中必要的活動,讓高齡者能在家中安全、獨立的生活,使得家庭可以成為高齡者更好的終老處所。

(c)    個人通訊(personal communications):高齡者最大的風險不見得是健康狀況問題,而是孤立(isolation),高齡者需要能經常和朋友、親人、照護者聯繫溝通。資通訊科技的進步,應該能讓高齡者以可行且負擔得起的方式與周遭的世界保持聯繫,資通訊科技並能支援遠距照護,讓遠端照護者對高齡者的問題和需求能即時反應。

(d)    有生產力的工作空間(productive workplace):新的事業,更多收入,或只是讓自己保持活躍,都是許多高齡者退休後持續工作或擔任志工的原因。年紀較大的工作者也對工作環境帶來了新的挑戰,利用科技可重新設計工作環境,以協助高齡工作者身體動作、安全、操作、視力、聽力、學習新技能上的困難,讓高齡工作者保持生產力和競爭力。

(e)    對照護者的支持(support the caregivers):現代社會中高齡者的照護者通常也同時擔負了多重責任,除對高齡者本身的支持外,科技對照護者的支持將是未來高齡者照護的關鍵元素。

本計畫也將從此五個面向探討高齡者對科技輔助的需求,歸納出本計畫之設計主題機器人輪椅可能提供的功能,並在安養院進行實地需求評估。

(2)   高齡者對科技接受度的探討

除了功能性外,在高齡者科技輔具的設計上,高齡者對科技的接受度可能是最重要的思考。一般的經驗裡,高齡者對新科技的接受度比較低,主觀上比較排斥使用新科技,許多研究也證實,高齡者在適應新科技時比較緩慢,通常需要比較多時間學習使用新科技。美國喬治亞理工學院心理學教授Rogers,為了瞭解高齡者使用科技產品時所經歷的困難,在1998年做了一項研究,訪問了一批65歲到80歲的高齡者,詢問他們在日常生活中使用科技產品所遭遇的沮喪和困難。高齡者所提出的每一項困難都可概分為兩類,一類是從產品的人因工程設計改良上可以解決的問題,例如改進訓練方式及產品說明,改良系統或環境的設計,以及訓練和設計改良兩者之結合。高齡者所提出的另一類的困難,則被歸類為訓練和設計改良都沒有辦法解決的問題,在這項研究中高齡者提出的困難有47%屬於第二類,例如高齡者的健康問題、功能障礙、或醫療問題,均無法從產品的人因工程設計改良加以解決[Rogers, 1998]。然而剩下53%的困難還是可以從設計、訓練或兩者結合來加以克服。在人因工程設計的思考方面,設計者必須瞭解高齡者在感知、運動控制和認知能力上的限制,特別是這些能力如何因年齡的變化而改變;而在訓練因素方面,高齡者記憶力、感知能力和空間能力的下降,對於技術學習上會有所影響。針對高齡者做適當的教學設計,強調利用高齡者未受損傷的學習能力,並且補償高齡者學習能力下降的部分,是很有必要的。

就學習使用新科技而言,研究中也發現,如果高齡者清楚瞭解到新科技帶來的好處和便利,高齡者似乎願意投資更多時間、資源和金錢學習使用這項新科技。這裡所謂新科技帶來的好處,主要是和先前可以完成同樣活動所使用方法相比較,以及新方法、新科技和個人價值、經驗和需求符合的程度。影響高齡者對科技輔具接受度上還有一些重要的心理因素。很多經驗顯示,如果高齡者在輔具決策過程中沒有參與的機會,而只是單純被交付輔具使用,高齡者可能會拒絕使用甚至丟棄輔具。設計和評估科技輔具過程中,能夠有一個參與性的程序,讓高齡者可以積極參加從需求評估到產品評估所有過程,是很必要的。此外高齡者通常沒有固定的薪資收入,因此科技輔具的選擇和使用上,輔具的成本和高齡者有無足夠財務資源來支付所需輔具,也是高齡者對科技輔具接受度的關鍵因素。

本子計畫將探討高齡者對科技接受度,以類似前述調查方法瞭解高齡者使用科技產品時所經歷的困難,進而結合子計畫五研究如何從設計、訓練或兩者結合來加以克服,並對如何提升本計畫開發機器人輪椅對高齡者之接受度提出具體建議。

(3)   建構評估模式,對機器人輪椅原型進行實際使用的評估

西方國家的在地老化照顧策略和服務輸送主張「開放」、「彈性」及「非結構式」的照顧模式,結合民間力量,以截長補短的概念提供照顧,強調以「使用者需求」為中心,尊重「當事人主義」的選擇權和自主權,設計以安全化、人性化、多樣化的服務輸送方案為基礎,因此服務需求方案的輸送架構之設計以「5A’s」原則:服務提供的「可用性(availability)」、「充足性(adequacy)」、「適當性(appropriate)」、「可接受性(acceptability)」和「可近性(accessibility)」做為重要評估指標[Moxley, 1989]Anthea[2000]指出推展社區或居家所提供長期照顧之選擇,需考慮下列數項要點進行評估:可行性(feasibility)、可接受性(acceptability)、成效(effectiveness)、經濟成本(economics costs)。在服務品質之檢驗,確保服務輸送之效益上,ParasuramanZeithamlBerry[1988]提出之「PZB模型」中建議以有形性(Tangible)信賴度(Reliability)反應力(Responsiveness)保證(Assurance)同理心(Empathy)等五項「SERVQUAL量表」進行評估。DeRuyter[1995]曾經提出評估使用輔具後所得成效的五大指標,也可以做為參考:臨床效果(clinical results)、機能狀態(functional status)、生活品質(quality of life)、滿意或愉悅(satisfaction)、成本(cost)

綜合以上文獻,本計畫機器人輪椅使用者評估,絕非僅止於單純的功能評估,而是整體服務方案的評估,將採用以上所述各類評估指標建立評估方法,進而檢視機器人輪椅是否是能激發高齡者生活行動自主性(autonomy)和培力(empowerment)的生活輔具,讓高齡者得以行動自如與家庭社區調適互動,減少對他人的依賴,保有「尊嚴、自主、獨立」的自我照顧能力。

本子計畫將依機器人輪椅使用之高齡者進行使用需求與結果評估,進而再就家庭相關對象進行多元評估。評估對象為(1)使用者(高齡者、失能者);(2)照顧者(機構照顧者、居家照顧者);(3)產業界(老人安養機構),評估項目預計將採前述「5A’s」+3作為產品設計供給和使用者之間連結效益的評估指標,其中3”是指可責性(accountability)、可負擔性(affordability)、品質性(quality)【陳燕禎,2007】。圖3-6為本子計畫之高齡者需求與智慧機器人輪椅使用互動之評估圖,研發產品之主要評估對象和評估項目敘述如下:

(a)    使用者(行動不便之高齡者、失能者):意識清楚之中度失能老人或身心障礙者,使用機器人輪椅前後之行動範圍之路線和空間幅度、自我健康檢測管控程度、自我生活品質滿意度、資訊獲取度、休閒娛樂和社會互動程度之需求項目,並評估其使用前後之移動功能和生活品質之比較。

(b)    照顧者:本子計畫亦就產品研發過程和結果針對照顧者(養護中心之照顧人員、家庭主照顧者)進行評估,如評估喜歡被協助的項目、對高齡者、失能者未來可能發展的情形之瞭解、喜歡產品對工作之協助項目、協助照顧壓力之紓解程度、對高齡者日常活動和社會互動之改善程度,以及任何特定的壓力源或照顧者發現行動不便者特別困難的照顧項目,及對該產品服務功能之認同。而在中國孝道文化影響下,即使社會、家庭結構變遷,高齡者照顧仍以家庭照顧為重心,故需評估家屬對該產品之使用便利性、可用性、可及性、可責信,及費用之可負擔性等均進行評估和查核,做為未來邁向市場化生產和推廣之發展目標。

(c)    產業(老人安養機構):評估該產品對使用之產業其人力資源之協助(業者願意購買機器人輪椅取代一般輪椅)、高齡者和家屬之對該產品提供後對機構之服務滿意度或抱怨次數是否增減、照顧之員工和家屬對機構服務滿意度改變與否,以及機器人輪椅之訊息和公開展示後社會認同之情形等。

3-6. 本子計畫之高齡者需求與智慧機器人輪椅使用互動之評估圖

服務計畫或方案之評估模式有傳統模式、社會科學研究模式、產業檢查模式、黑箱評估、目標檢核評估、不設定方案目標評估、財務評估、責信模式、專家意見模式、自然觀察模式、充權評估、理論導向的評估、聚焦於方案改進等諸多評估模式。本子計畫為使「使用者」及「照顧者」能充分參與計畫之成效,服務使用者(高齡者、家屬)部分將採用「充權評估」;供給者所設計提供的機器人輪椅之成效檢核,則採用「目標檢核評估」模式和「聚焦方案改進評估模式」。圖3-7高齡者使用機器人輪椅之需求與可能遭遇問題之處理。

3-7. 高齡者使用機器人輪椅之需求與可能遭遇問題之處理

3.    預期完成工作項目及查核點

配合整體計畫,本子計畫將分成三年三個階段進行,第一階段將探討高齡者對科技輔助的需求,並歸納出本計畫設計主題機器人輪椅可能提供的功能配合其他子計畫關鍵技術的建立,本子計畫在第一階段結束時將完整定義出本計畫機器人輪椅對高齡者提供的科技輔助功能。

本子計畫第二階段主要在做高齡者對科技接受度的探討,瞭解高齡者使用科技產品時所經歷的困難,同時結合子計畫五第一階段在機器人輪椅人因工程設計探討上的結論,研究如何從設計、訓練或兩者結合來加以克服高齡者使用機器人輪椅可能的困難,及如何提升其接受度提出具體建議,並回饋評估結果給子計畫二、三、四,做硬體系統設計之修正。最後本子計畫第三階段則將與敏盛醫療體系之怡德養護中心合作,評估高齡者使用機器人輪椅之後的成效。各階段具體工作項目及查核點敘述如下:

第一年:探討高齡者對科技輔助的需求,完整定義出本計畫機器人輪椅對高齡者提供的科技輔助功能

Ÿ         就國內外文獻探討高齡者、失能老人之科技輔助之需求與期待,並就目前老人生活需求、行動不便失能老人生活需求之相關文獻進行全面行評估分析;

Ÿ         針對於居家老人之需求和合作產業機構照顧之失能老人,進行日常生活內容需求之認知狀況、行動需求、自我健康管理、社會心理、休閒之需求,及生活環境之實質障礙和行動空間之限制等作探討;

Ÿ         就本計劃研發狀況及設計之機器人輪椅之需求與期待進行實地情境訪視和評估分析;

Ÿ         進行情境模擬,提供相關子計畫研發設計之概念。

查核點:完整定義出本計畫機器人輪椅對高齡者提供的科技輔助功能

第二年:探討高齡者對科技接受度,並對如何提升本計畫開發機器人輪椅接受度提出具體建議

Ÿ   調查瞭解高齡者使用科技產品時所經歷的困難;

Ÿ   進一步與高齡者養護機構之工作人員、居家照顧家屬、高齡者事業機構業者等進行機器人輪椅需求期待之溝通;

Ÿ   結合子計畫五研究如何從設計、訓練或兩者結合來加以克服高齡者使用機器人輪椅可能的困難,及如何提升機器人輪椅接受度提出具體建議。

查核點:提出提升本計畫開發機器人輪椅接受度之具體建議,回饋給子計畫二、三、四做硬體系統設計之修正

第三年:建構評估模式,對機器人輪椅原型進行實際使用的評估

Ÿ   以使用者、照護者、產業(怡德養護中心)為評估對象,採5As3”作為產品設計供給和使用者之間連結效益的評估指標,對機器人輪椅原型進行實際使用的評估

Ÿ   由使用者評估結果對機器人輪椅提出具體設計修正建議

查核點:提出提升本計畫開發機器人輪椅使用者評估結果及具體設計修正建議,回饋給子計畫二、三、四做硬體系統設計之細部修正

子計畫二:機器人輪椅載具建立與資通訊系統整合

1.      系統需求與硬體架構

子計畫二中將根據子計畫一規劃之高齡者的獨立行動與生活休閒需求、以及子計畫五提供人因工程設計原則,設計與製作機器人輪椅行動載具及相關模組,並與資通訊系統整合。

如前所述,本計畫開發之機器人輪椅目標使用者為意識清楚,但部分生活需要他人照護的高齡者,目標使用環境則是在居家或安養院環境使用,可在室內或室外短途(如在庭院內散步)行駛。目前初步規劃與本計畫相關的功能需求包括提升高齡者獨立行動能力和輔助高齡者生活休閒需求兩方面:

(1)     提升高齡者獨立行動能力:機器人輪椅擁有敏捷的行動能力,能在狹窄、擁擠的環境裡,以便利、自動化的「人機合作」方式行駛操作

(2)     輔助高齡者生活休閒需求:機器人輪椅是一個舒適的座椅,可根據使用者的意願自動調整姿態,並提供起身輔助、協助如廁、協助上床等姿態變換;機器人輪椅具備環境控制功能,能夠根據使用者的控制與環境變化,作相對應的環境控制,如燈光、空調、電器的開啟或關閉,電視的選台及音量調整等;機器人輪椅結合網際網路通訊,使用者坐在輪椅上即能與外界作影音溝通與資訊交換。

本子計畫細部需求尚待子計畫一作進一步規劃。目前初步規劃具體功能需求整理如下:

Ÿ    具敏捷行動能力

Ÿ    舒適、可調整姿態之座椅

Ÿ    提供起身輔助、協助如廁、協助上床等姿態變換

Ÿ    以電池為動力源,需考慮充電方便、工作週期比(工作時間/充電時間)高、電池週期壽命長

Ÿ    需考慮承載其他各項子系統之空間、結構、動力等需求,結構輕量化亦是重要考慮

Ÿ    使用者坐在輪椅上即能控制周遭環境,如燈光、空調、電器的開啟或關閉,電視的選台及音量調整等

Ÿ    機器人輪椅可感知周遭環境變化,作相對應的環境控制

Ÿ    使用者坐在輪椅上即能與外界作影音溝通與資訊交換。

如圖3-2所示,本子計畫要負責建構三項子系統(1)機器人輪椅行動載具、(2)環境控制子系統、以及(3)人際互動溝通子系統。以下即對這三項子系統的初步設計構想分別作細部敘述。

2.      機器人輪椅行動載具設計構想

機器人輪椅行動載具由電源系統、輪椅機構與行走驅動機構等三個主要元件所構成,各元件的初步設計構想敘述如下:

(1)    電源系統

一般電動輪椅常採用鉛酸電池做為動力來源,雖然具有高電動勢、結構簡單、價格低廉等優勢,但鉛酸電池體積龐大、重量較高、不適合快速充放電等缺點。機器人輪椅使用的電池考慮重點為高工作週期比、電池週期壽命長、與重量輕,因此本子計畫規劃採用有高能量密度與高電動勢的磷酸鐵鋰(LiFePO4)電池為本機器人輪椅的電力來源。磷酸鐵鋰電池除上述的優點外,最大的特徵為支援高倍率充放電且電池週期壽命長,表3-1為元智大學老人福祉科技研究中心過去發展之「遠端臨場機器人」[Tsai et al., 2007]以鉛酸電池及磷酸鐵鋰電池為電力來源,在同樣負載重量(10公斤)下的使用狀況,由該表可以得知磷酸鐵鋰電池的工作週期比(約為1.3~1.6之間)相較於鉛酸電池(約為0.8~1之間)為高,同時磷酸鐵鋰電池具有重量輕、體積小等優點,所以機器人輪椅將選擇磷酸鐵鋰電池為電力來源,並配合電源系統之控制電路,進一步提升電池的工作週期與週期壽命。

3-1. 電池使用狀況比較

磷酸鐵鋰電池

鉛酸電池

負載重量

10kg

負載重量

10kg

電池尺寸

21×9×6cm

電池尺寸

15×6.5×9.4cm

電池重量

1kg

電池重量

3kg

電池規格

DC12.8V, 10Ah

電池規格

DC12V, 10Ah

運作時間

120~150min.

運作時間

120~150min.

充電時間

90min.

充電時間

150min.

充電電流

1.5~2A

充電電流

0.8~1A

(2)    輪椅機構

本子計畫輪椅機構的設計,主要希望達成座椅各種舒適姿態之調整,並提供起身輔助、協助如廁、協助上床等姿態變換功能,結構輕量化亦是重要考慮。在附錄二的專利分析中,輪椅機構的研究開發非常豐富,許多機構設計都可以作為本計畫之參考,然而在各項輪椅機構專利中,尚未看到以「史都華平台(Stewart platform)」為基礎的輪椅機構設計。考慮機器人輪椅機構必須重量輕、結構剛性高、又有多樣姿態變換功能,本子計畫目前初步思考將採用擁有高精度定位能力、剛性高、體積小、承載能力高的史都華平台做為座椅機構設計的基礎

史都華平台是一封閉式結構,基本原理如圖3-8,整體結構包含一固定板(base)、可動板(platform)、與6根可變長度的連接桿[Fichter, 1986],固定板與可動板和連接桿以球接頭或萬向接頭連接,由6根連接桿不同長度的變化,可動板在空間中擁有可操作的6個自由度,當6根連接桿長度固定時,可動板便不再移動。史都華平台由於其並聯式的結構,有以下優點[Fichter, 1986; Dasgupta and Mruthyunjaya, 2000]

a.       連接桿只承受軸向力,剛性高;

b.      可動板上所承受壓力由6根連接桿負擔,且結構簡單,負載重量比(force-to-weight)

c.       關節誤差平均分散至各連接桿,不會累積誤差,有較高的定位精度;

d.      具有6個自由度的運動能力。

3-8. 史都華平台原理

史都華平台自由度的判斷可利用寇氏(Kutzbach)判斷法,如表示式(1)

                                                                                (1)

其中為自由度,表空間運動,為連桿數目,為關節數目,為第個關節的自由度數目。設定可動板與連桿是以球接頭連接,固定板與連桿是以萬向接頭連接,機構連桿包含可動板、固定板與可變長度連接桿,連桿總數,機構關節包含球接點關節、連桿關節與萬向接頭關節,總關節數目,而可變長度連桿有1個滑動自由度,球接頭有3個自由度,萬向接頭有2個自由度,則,因此史都華平台的自由度為6,包括3個平移自由度運動與3個旋轉自由度運動,應可符合機器人輪椅協助姿態變換的要求。

3-9為史都華平台運動學基本模型。以逆向運動學進行史都華平台運動學分析,在給定可動板的位置與方向後,求取6根連桿的長度,便可作為史都華平台控制的方法。若已知可動板的姿態為可動板在三度空間中的座標位置,為可動板對各軸的旋轉角度,則由圖3-9所對應的各驅動連桿長度如式(2)

                                       (2)

其中可動板座標系統上任一點座標旋轉矩陣轉換至固定板座標系統後表示為,而定義為可動板座標系統對固定板座標系統之旋轉矩陣,定義為可動板對固定板座標系統之X軸旋轉一(yaw)角度,再對固定板之Y軸旋轉一(pitch)角度,再對固定板之Z軸旋轉一(roll)角度,關係式如式(3)

                                                                         (3)

所以當給定可動板的座標位置,先計算可動板座標系對固定板座標系的齊次變換矩陣,再將可動板座標系統上的六個接點座標經轉換至固定板座標系,便可計算6根連桿的長度以進行史都華平台控制。

3-9. 史都華平台運動學基本模型

對照圖3-8,初步構想機器人輪椅機構將以固定板為機器人輪椅底座、可動板為座椅,由可變長度連桿的長度變化產生各種座椅位置及角度變化,以此為基礎、輔以椅背角度調整機構,達成各種姿態變化,預期承載重量為100公斤。本子計畫將針對高齡者的起身輔助、協助如廁、協助上床等姿態變換等三種姿態變換進行設計,為降低整體重量及簡化控制方式,本機器人輪椅機構將不需6個自由度,可以三軸的史都華平台簡化形式進行設計,應用式(1)作簡化後的自由度分析,並由式(2)(3)推倒簡化後的控制方式。

(3) 行走驅動機構

為使機器人輪椅擁有敏捷的行動能力,能在狹窄、擁擠的環境裡自由行走,本子計畫目前初步思考將採用的「全向輪底盤(omni-directional wheelbase)」做為行走驅動機構設計的基礎

3-10為全向輪底盤示意圖,全向輪底盤是以三輪驅動,與一般雙輪驅動電動輪椅相較,有無迴轉半徑和能朝任何方向行走等優點。如圖所示,全向輪底盤三個驅動輪之間的夾角皆為120度、且與旋轉中心距離等長,透過逆向運動學進行全向輪底盤的運動學分析,即可求得三輪之間的速度關係。若給定全向輪底盤的速度為V,則V可依x, y方向的速度與角速度分為,而各驅動輪的速度之關係則如式(4)

                                                                        (4)

其中因此在全向輪底盤控制時,只需要輸入速度()、方向()、與角速度(),即可根據式(4)得知各驅動輪的速度以進行底盤控制。

3-10. 全向輪底盤示意圖

3.      環境控制子系統與人際互動溝通子系統設計構想

本子計畫將配合子計畫一所定義之機器人輪椅對高齡者提供的生活休閒上的功能需求,建立環境控制子系統與人際互動溝通子系統,其中機器人輪椅上應用的資通訊技術選擇,是很重要的一環。對照圖3-1,機器人輪椅在資通訊技術應用上,有兩個主要需求,一是透過網際網路與遠端環境溝通,包括高齡者與遠端照護者或親友進行人際互動溝通,以及子計畫四開發之遠距居家照護系統與遠端照護者進行健康資訊交換等;另一個需求,則是本子計畫開發之環境控制系統,對近端環境設備的控制。

由於機器人輪椅是移動設備,通訊技術自然應採用無線技術。考量頻寬、使用者家中通訊環境、經濟負擔、與機器人輪椅使用環境(以室內為主但亦可在室外短途行駛)等因素,較可行的行動通訊技術為以家中最常見的ADSL網路,搭配家中環境與機器人輪椅上的無線基地台(Access Point, AP),建立無線區域網路。另一種可能,是直接在機器人輪椅上使用3G3.5G行動數據網路(mobile data network)技術,網路架構將更簡化。本子計畫未來將以此兩項技術作為評估、選擇項目。

近端環境控制方面,本子計畫預期將以IEEE802.15.4 ZigBee低功率無線通訊技術,建構居家環境下的「無線感測網路(Wireless Sensor Network, WSN)ZigBee是一項新興的無線傳輸技術,具有低成本、低耗電、小體積、容易佈建等特色,非常適合短距離、低資料量的無線傳輸。ZigBee使用頻段為2.4GHz,傳輸距離約數十公尺(取決於輸出功率和環境參數),傳輸速度10kps~250kbpsZigBee支援大量網路節點與多種網路拓撲(星形、樹形、網狀等三種通訊架構),每個ZigBee裝置都可以擔任中繼路由器(intermediate router),彼此透過多重跳點(multi hop)的方式傳遞資訊,可用於佈建無線感測網路,應用在數位家庭控制、安全監控、環境資訊收集等領域,在遠距居家照護系統的應用上也有非常大的潛力。

前段機器人輪椅研究文獻探討曾提到,若環境中也具備部分能與機器人輪椅溝通的感測器,如此機器人輪椅的環境建構完整性將能提高,且其硬體需求也將大幅下降[Zeng et al., 2008]。在此概念下,本子計畫在環境控制子系統設計的初步構想,是以Zigbee無線收發模組結合家中的各類型電器與感測器為節點,達到高齡者可在機器人輪椅上進行環境控制的功能。進一步發想,本子計畫之環境控制系統,也可設計家中燈光與電器使用狀況提醒,當家中部分空間無人活動卻有電器未關(如燈光、空調等)之狀況,使用者可從人機互動介面獲知此訊息,並直接於機器人輪椅上關閉該電器。同時感測器網路並將配合子計畫三所開發之居家定位系統,使環境能根據使用者所在位置自動變化,如使用者操控機器人輪椅從臥房到客廳時,臥房的空調與燈光會自動關閉,客廳的空調與燈光則會自動開啟,甚至燈光開啟的位置、空調溫度等,甚至還可依據使用者的習慣或當時環境的狀況(如早上、氣候等)而有所不同,使機器人輪椅也成為家庭智慧屋(smart house)的控制中樞

本子計畫之人際互動溝通子系統目前初步構想,將利用現有遠距視訊(tele-conference)技術,在機器人輪椅適當位置設置揚聲器、麥克風、與攝影機等,並與手機電話結合,使高齡者坐在機器人輪椅上便能直接與外界作影音溝通與資訊交換。電視是家庭環境中最主要的娛樂與資訊來源,本子計畫也預期將電視的選台、音量控制功能,整合入人際互動溝通子系統,甚至將電視聲音以紅外線方式(現已有商用產品)直接傳至機器人輪椅上的揚聲器,讓高齡者毋須因為聽力退化而需要將電視音量開大,造成其他家人的困擾。

4.      計畫時程與查核點

配合整體計畫的時程,本計畫將分為三年三階段執行,各階段具體工作項目及查核點敘述如下:

第一年:機器人輪椅行動載具關鍵技術的建立,包括電池、輪椅機構與行走驅動機構等

Ÿ   建立磷酸鐵鋰電池配合電力系統之控制電路,作為機器人輪椅的電力來源;

Ÿ   行走驅動機構之全向輪底盤建立與測試評估;

Ÿ   輪椅機構之史都華平台建立與測試評估;

Ÿ   電池、輪椅機構與行走驅動機構整合。

查核點:完成機器人輪椅行動載具開發與驗證

第二年:環境控制功能與人際互動溝通平台開發,並進行機器人輪椅原型建置

Ÿ   建立Zigbee感測器網路與使用者環境控制功能;

Ÿ   建立人際互動溝通子系統;

Ÿ   配合定位功能建立智慧屋式環境控制功能。

查核點:完成環境控制功能與人際互動溝通平台,並整合至機器人輪椅

第三年:完成系統整合,同時致力於機器人輪椅行動功能、生活功能、通訊功能的測試與評估

Ÿ   配合總計畫,完成與其他子計畫間的系統整合;

Ÿ   配合總計畫在怡德養護中心實地進行使用者測試與設計修正。

查核點:完成人際互動溝通功能及機器人輪椅行動載具之測試與評估,並依評估結果進行設計修正

子計畫三:機器人輪椅智慧型行動控制方法開發與實現

1.    計畫動機與規劃

本子計畫主要任務在開發機器人輪椅的智慧型行動控制方法,並以嵌入式系統實現,使機器人輪椅具備室內導航功能,能夠自動到達使用者指定位置;機器人輪椅具有偵測障礙物、避障和動態規劃路徑的能力。考慮目標使用者的身體機能與對機器人輪椅操控能力的影響,本子計畫將行動控制方法與「人機協同控制」概念結合,開發智慧型行動控制方法。

配合整體計畫執行,本子計畫將分成三年三個階段進行。第一階段將發展智慧型行車方法,在自行設計的模擬環境下,模擬實際行車情況。本機器人輪椅的行車模式設計,預計有手控模式與自動模式。在手控模式時,由使用者即時操作控制輪椅的行動;在自動模式時,輪椅可自動遵行使用者輸入之命令,前往預先設定之目的地。

在智慧型行車方法中,本子計畫將發展模糊類神經網路,結合感測器如超音波感測器,GPS接收器及網路攝影機的使用,偵測障礙物,作最佳化的路徑規劃,並即時自動調整行車啟動加減速以及行車轉動角度,進而達到路徑追蹤之目的。其中包含對周遭環境做基本的學習,對環境的障礙物與突然出現的人或動物或物體,均有自動避障的功能,對高齡者提供安全與舒適的行車控制。與純粹只有類神經網路或模糊邏輯系統的方法比較,本模糊類神經網路方法結合了類神經網路具有學習能力,及模糊邏輯系統具有人類思考推論模式的優點,使類神經網路低層次的學習和計算權值轉入模糊系統,並且用模糊系統提供高層次的人類思考和推論模式轉入類神經網路架構。

第二階段則是建立具體之機器人輪椅原型。配合其他子計畫,此時本計畫機器人輪椅對高齡者提供的科技輔助功能定義以及機構設計均已完成,本子計畫合作完成機器人輪椅原型,其中包含嵌入式系統的實現,將各個子計畫的相關應用程式整合在嵌入式系統中。本子計畫將整合現場可規劃邏輯閘陣列(FPGA)控制晶片,以SOPC(System on Programmable Chip)方式來發展嵌入式系統程式設計。行車控制設計主要有ADC控制、PWM、感測器應用、智慧型行車控制演算法等。

最後本子計畫第三階段則將與敏盛醫療體系之怡德養護中心合作,配合其他子計畫的實驗方法,實地進行機器人輪椅原型使用之行車操控,與在實際使用情境下本智慧型控制系統可靠度的評估,並做軟硬體系統設計之有效修正。

2.    智慧型行動控制方法的開發

本子計畫進行智慧型行動控制,首先必須決定環境預設定點,本子計畫將使用無線射頻身份辨識(RFID)來設定每個位置(例如客廳、餐廳、臥房等),以利於機器人輪椅方便辨識固定位置[Zhen et al., 2004; Shih et al., 2004; Chon et al., 2004; Ni et al., 2003]。為了使機器人輪椅得知在居家或是養護中心的相對位置,並移動至預設的指定處,應用RFID標籤對區域空間進行定位,標籤的數量依照標籤所能接受的範圍及機器人輪椅需移動的環境大小為計算,並依照使用者需要的精密度來調整標籤的數量。如圖3-11所示為受控區域,利用到達時間差定位法(DTOA),用多個自Tag接收到的到達訊號時間差來計算Reader位置,亦即輪椅所在位置。本子計畫採用這種方式,可以比其他的定位法節省硬體,而計算過程比較複雜,為極具前瞻性與挑戰性的思維。

3-11. RFID定位及智慧型避障的示意圖

如圖3-11所示,預設位置所在座標如客廳(1, 3)、餐廳(4, 3)、臥室(6, 5)需先行輸入在微電腦記憶中。當使用者指定位置時,機器人輪椅開始偵測與計算最短移動之距離,並朝指定位置所在標籤移動,直到機器人輪椅移動到指定處所在的標籤位置,進入指定處所在標籤位置後,再配合超音波及紅外線感測器移動到更精確的位置。機器人輪椅會發出主動式信號搜尋定點所在位置。在得到定點RFID回傳信號後,系統將信號強度進行微分,以取得信號變動量與信號變動量的加速度。

當機器人輪椅在行進中遇到障礙物時,主要利用超音波及紅外線感測器進行避開障礙物的動作。當超音波及紅外線感測器偵測到障礙物時,將建立虛擬地圖,使得下次路徑規劃直接避開障礙物的所在地;若障礙物被移開,經過附近時,也能將虛擬地圖的障礙物標示清除。要注意的是,超音波以立體錐形方式散播,利用都普勒效應測距。雖然超音波與紅外線相比是沒有方向性的,但超過±15°就衰減的非常快,仍然有方向的限制。所以若要進行全域偵測,需使用15個環狀超音波發射器,但因此也會造成互相干擾。同時超音波對於牆角、地面等角落地區,會出現干擾、折射等問題,造成訊號無法處理或量測錯誤。因此本技術的研發便具有非常大的突破效益與前瞻性。

在利用超音波及紅外線感測器協助避障時,本子計畫將計算最短路徑繞過障礙物,如圖3-12所示,利用標籤之間的距離,由畢氏定理算出機器人輪椅至移動至目標的最短路徑。當遇到障礙物時,進行避障,同時以最小轉向角度朝目標前進,待繞過障礙物後,重新計算最短路徑,至指定處所在標籤(1, 1),即以直線移動至目的地。

3-12. 避障時計算最短路徑示意圖

本子計畫著重於機器人輪椅之智慧型行動控制,初步規畫包含手控模式和自動模式。手控模式為使用者透過一搖桿來操作機器人輪椅前進、後退、左轉、右轉。有多個超音波感測器及紅外線感測器安置於機器人輪椅周圍,這些感測器就相當於是汽車的防碰撞雷達,防止機器人輪椅誤撞到牆壁或是障礙物。倘若使用者依然使用搖桿強制往障礙物行進,則控制器會依據障礙物分布情形,提出最短路徑判斷,並使機器人輪椅自主式閃過障礙物,繼續朝使用者所指定目標前進。

自動模式為使用者利用人機介面,以手指直接點選預設位置或是結合聲音辨識直接指定位置,經由電腦透過模糊類神經網路計算出最佳路徑,再告知嵌入式系統驅動機器人達到指定位置。如果使用者在居家環境操作的話,常見的預設位置包含客廳、餐廳、臥房、浴室等;若使用者於養護中心操作的話,預設位置將會是房間、交誼廳、電話亭和花園等。當機器人輪椅移動時,依然結合RFID、超音波及紅外線感測器來確保機器人輪椅的安全行駛。

在探討行車的軌跡追蹤控制時,本子計畫將利用模糊類神經網路(Fuzzy Neural Network, FNN)演算法提供正確的輪椅行車角度,及輪椅速度,以達到路徑之追蹤效果[Feipeng et al., 2003]。欲控制機器人輪椅使其行進間更為順暢穩定,控制器核心採用模糊類神經網路架構,並以倒傳遞(back-propagation)理論,使模糊類神經網路對最佳的行車速度及轉彎角度有學習調整之能力。圖3-13所示為模糊類神經網路架構,第一層為輸入層,表現網路的輸入變數;第二層為隸屬函數層,表現輸入處理神經元之間的交互影響運算;第三層為規則層,表現輸入處理神經元之間的交互影響運算;第四層為輸出層,表現網路的輸出變數。

3-13. 模糊類神經網路架構圖

使用倒傳遞網路演算法則的模式進行角度追蹤,初始設定包含倒傳遞演算法之學習率、隸屬函數層之高斯函數中心值與寬度值,以及輸出層之權重值等參數。為了使機器人輪椅往目標前進,需考慮行車的角度及速度。由RFID知道目標位置,透過計算可知目前機器人輪椅與目標位置的角度差及距離差。我們將這些資訊輸入模糊類神經網路控制器,透過類神經網路運算之輸出,提供輪椅之動力裝置移動角度與速度的參考,使得輪椅朝目標位置移動。輪椅的位置與目標位置的距離差及角度差做為類神經網路參數進行調整,經由不斷修正網路參數得到一組最佳化類神經網路參數,使得系統輸出與參考輸入之誤差和誤差變化量趨近於零,達到路徑追蹤之目的。

3.    嵌入式系統的實現

在以電腦完成所有系統並能驗證後,下一步驟為嵌入式系統的實現。嵌入式系統最初是為了工業電腦而設計,在資訊產品普及與數位家電興起後,嵌入式系統已逐漸普及到人們日常生活中,從資訊家電、網路產品到可攜式裝置,都看得到它的蹤跡。為了提高系統設計的整合程度,由於ARM微處理器並沒有提供FPGA形式IP,因而Altera公司以在FPGA內部嵌入ARM922T微處理器硬體電路,本研究中若整合FPGA控制晶片Nios®SOPC方式來發展嵌入式系統是一個方便可行的途徑。以Altera公司之SOPC Builder整合設計環境為例,可以規劃CPU的種類,如圖3-14所示,本子計畫將以ARMNios®IP(以VHDLVerilog語言軟體形式嵌入CPU)為首選。

本子計畫將進行的SOPC系統發展流程如圖3-14所示。第一步驟是定義系統,這包括定義處理器、記憶體介面、周邊元件、仲裁器(Arbitrator)以及客戶指令(Custom Instructions)等方面。定義完系統後,進入系統產生階段。這個階段可以使用SOPC Builder來完成這項工作。系統產生之後,分成兩個方面進行設計,一是硬體設計,另外一個是軟體設計。在軟體設計時,使用Quartus II軟體對硬體描述語言原始程式及EDIF檔進行邏輯電路合成之編譯,在軟體設計時,使用GNUPro軟體發展工具和軟體資源(如Header檔、程式庫、監督程式與周邊驅動程式等)來產生與編輯應用程式碼,並配合使用Debug/Profile 進行程式除錯的工作。為了確保軟硬體設計正確性,還可利用ModelSim 軟體進行模擬,一旦發現錯誤,便可回到系統產生階段SOPC Builder 修改系統並產生系統,直到正確無誤為止,再將硬體設計與軟體設計依序下載至發展電路板或雛型電路板做電路驗證。

這樣整合的好處有以下幾項:(1)加速開發時程,並兼顧設計彈性;(2)採用單晶片的解決方案,電路板可以縮小,節省相關成本;(3)產品測試將變得較為容易;(4)單一晶片整合大量IP(Intellectual Property),提供晶片加值功能。

3-14. SOPC發展流程

5.      計畫時程與查核點

配合整體計畫的時程,本計畫亦分為三年三階段執行,各階段具體工作項目及查核點敘述如下:

第一年:發展RFID定位方法以及各項機器人輪椅行動輔助方法,並以模糊類神經網路演算法整合

Ÿ   建立RFID標籤所對應之區域空間,並開發時間差定位法(DTOA)之演算法,以達到機器人輪椅的定位功能;

Ÿ   開發障礙物自動閃避功能與最短路徑規劃功能;

Ÿ   開發軌跡追蹤控制功能,並RFID定位方法與各行車功能以模糊類神經網路演算法整合。

查核點:完成機器人輪椅之智慧型行動控制方法

第二年:嵌入式系統之實現與機器人輪椅原型建立

Ÿ   整合現場可規劃邏輯閘陣列控制晶片,以SOPC方式來發展嵌入式系統程式設計;

Ÿ   將各個子計畫的相關應用程式整合於嵌入式系統中。

查核點:完成各子計畫之應用程式整合,並實現於嵌入式系統,完成機器人輪椅原型

第三年:完成系統整合與智慧型行動控制方法,並進行機器人輪椅行動功能的測試與評估

Ÿ   配合總計畫,完成與其他子計畫間的系統整合;

Ÿ   配合總計畫在怡德養護中心實地進行使用者測試與設計修正。

查核點:完成智慧型行動控制方法及可靠度測試與評估,並依評估結果進行演算法設計修正

子計畫四:智慧型生理訊號監測及遠距居家健康照護系統之建立

1.      計畫動機與需求

由於世界人口結構與健康服務型態的改變醫療與健康服務均驅向減少病人留院時間除了在外科醫療逐步增加採用術後出院(out patient)的手術方式以逐步擺脫以醫院為中心的照顧模式外慢性老化及需要長期照護的病人都朝向以社區與家庭為中心的醫療照顧型態。在這樣的照護型態下,隨著通訊技術的發展與普及,透過網路通訊的「遠距居家照護(home telehealth)成為最具發展潛力的健康照護服務系統。

本計畫的機器人輪椅使用對象即設定在居家或住在安養中心,能依賴輪椅具備部份活動能力的高齡者,這類型高齡者多數身患慢性疾病、或因老化及行動不變造成的機能退化,需要居家照護及即時的生理狀況評估以滿足其醫療及健康服務的需求,將本計畫開發之機器人輪椅建立成為高齡者健康照護的中樞,並結合子計畫二之行動載具和資通訊平台,在機器人輪椅上實現遠距居家照護

考量機器人輪椅針對的高齡使用者僅具備有限的活動能力,複雜的生理訊號監測系統並不容易讓病人自行配戴、操作,再者過多的生理訊號監測設備容易造成高齡者的不便、不適與不安。從工程設計層面考量,整個生理訊號監測系統若過於複雜,則會增加整個機器人輪椅設計的複雜度及電源供應的需求。因此,本子計畫的智慧型生理訊號監測系統的設計理念,即希望藉由單一的生理訊號萃取出不同的生理狀況評估指標,同時此子系統所監測的生理訊號之訊號的取得必須是非侵入式、感測元件應容易配戴且不易脫落、能持續監測並降低病人的不適感、訊號的量測技術已臻成熟且訊號本身隱含不同生理機制的影響。在前述條件下擷取之生理訊號,藉由訊號處理及分析技術,即可獲得需要的生理指標。

2.      血氧濃度的連續脈動訊號量測及其衍生的生理訊號

基於前述的各項需求條件,血氧濃度的連續脈動訊號具備下列優點,是本子計畫的最佳選擇

(1)   血氧濃度的監測可以脈動血氧計(pulse oximemter),採用紅外線穿透人體的方式量測血氧濃度,是一種非侵入式的量測方法[Enderle et al., 2000; 劉勝義,2004]

(2)   穿透式探頭可以配戴於手指頭上,具備使用方便、可以重複使用、並且可以長期監測等優點,對使用者而言並沒有不適感,絕大多數的使用輪椅的病患都能自行或在他人協助下配戴探頭

(3)   脈動血氧計市面上已是成熟的商品,國內廠商也有相關的產品。本子計畫擬與大同公司合作,一方面借重其已臻成熟的量測裝置(如圖3-15所示),另一方面可以讓量測到的訊號作多元的分析,分析之結果與技術可以技術轉移的方式與廠商建立合作伙伴關係。

(4)   由圖3-16所示之人體組織紅外線吸收率組成中,可以發現除了靜脈血流(venous blood)、動脈常駐血流(residual arterial blood)和缺血組織(bloodless tissue),動脈的脈波也影響紅外線的吸收率,直接反應在血氧濃度的連續脈動訊號中[Enderle et al., 2000]。因此從血氧濃度的連續脈動訊號中,除了可以直接獲得病人的血氧濃度外,從連續的脈動訊號可以獲得心臟跳動的節律(即心率變異,Heart Rate Variability, HRV)及呼吸的訊號,符合生理訊號本身隱含不同生理機制的影響。

採用血氧濃度為本子計畫的生理訊號監測訊號,除了血氧濃度本身即是一個極重要得生理指標外,血氧濃度的連續脈動訊號也可以運用適當的訊號處理技術,分離出心率變異及呼吸等衍生的生理訊號。另外,血氧濃度的連續脈動訊號本身及呈現動脈血流的波形,同樣的也具備動脈血流所隱含的生理機轉。因此除了血氧濃度外,本子計畫所監測的血氧濃度連續脈動訊號可以獲得動脈血流、心率變異及呼吸等三種衍生的生理訊號

大同公司醫材中心對本計畫由血氧濃度連續脈動訊號中萃取其他生理訊號的構想,也有濃厚的興趣,已與元智大學老人福祉科技研究中心就本計畫合作簽訂合作意願書,並希望在計畫開始執行後能進行更正式的合作,將本子計畫所開發的技術作後續產業應用。

3-15. 大同公司的脈動血氧計(引用自該公司產品網頁)

3-16. 血氧濃度的連續脈動訊號可由紅外光的吸收率呈現出來,除了靜脈血流(venous blood)、動脈常駐血流(residual arterial blood)和缺血組織(bloodless tissue),動脈的脈波也影響紅外線的吸收率,直接反應在血氧濃度的連續脈動訊號中[Enderle et al., 2000]

進一步探討如何運用這三種衍生的生理訊號來進行不同的生理指標評估。根據現有的文獻,心率變異單獨即可以用來進行自主神經系統作動的評估(即交感神經與副交感神經的作動)[Kitney  et al., 1980; Akselrod et al., 1981; Akselrod et al., 1985];心率變異與呼吸間的跨頻譜分析(cross spectral analysis)已成功的用來分析評估病人的睡眠深度與睡眠呼吸中止[Thomas et al., 2005; Thomas et al., 2007];利用血氧濃度與心率可以獲得手術壓力指數(surgical stress index, SSI)評估術後的疼痛[Wennervirta et al., 2008; Huiku et al., 2007]動脈血流的脈波中可分離出血流的反射波進一步獲得循環系統的擴大指數(Augmentation Index, AI)用來評估循環系統與動脈血管的硬度[Mitchell et al., 2005; Vyas et al., 2007]

單就血氧的連續動脈訊號及其衍生的生理訊號而言,應用恰當的訊號處理及訊號分析方法,可以監測病人的意識狀態(睡著與否)、自主神經系統的作動、術後疼痛評估及循環系統的狀態評估。本子計畫規劃將這些生理訊號處理與分析的方法應用於量測的血氧濃度連續脈動訊號,以發展出智慧型生理訊號監測系統應用於使用機器人輪椅的病人。

3.      分析方法與生理狀況評估指標

本子計畫將從血氧濃度的連續脈動訊號中分離出心率變異及呼吸的訊號,並且進一步從這些生理訊號中分析出不同的生理狀況評估指標,因此訊號處理是最關鍵的步驟。過去兩年多來,本子計畫主持人致力於發展及應用黃鍔院士所提出的「經驗模態分解法(Empirical Mode Decomposition, EMD),成功的應用於非線性(nonlinear)且非穩態(non-stationary)的生理訊號分析中[Huang et al.,1998; Flandrin et al., 2003]。經驗模態分解法是一個創新的訊號處理方法,應用於分解一個複雜訊號的內建函數(intrinsic mode function, IMF),而每一個內建函數即對應於造成連續訊號變化某個特定作動機制所產生訊號變化的分量。本子計畫中亦規劃利用經驗模態分解法來達成從血氧濃度連續脈動訊號中解離出不同作動機制所產生訊號的分量

(1)    訊號處理部份-經驗模態分解法

基本的經驗模態分解法利用三次曲線(cubic spline)連接複雜訊號中局部的極大值與極小值,形成上下包絡線(envelop),訊號中高頻載波即可從由上下包絡線平均獲得的平均包絡線與原訊號間的差得到。從以三次曲線連接局部極值到從原訊號與平均包絡線的差得到訊號中高頻載波的步驟,稱之為「篩選程序(sifting process)」如圖3-17所示。當高頻載波滿足(a)訊號中跨零點(zero-crossing)的數目與極值的數目相等或差一個點、(b)平均包絡線的每個點均為零等兩個條件下,分離出來的高頻載波即為最高頻的內建函數,否則繼續對高頻載波進行篩選程序。原訊號與濾出的高頻內建函數之差為殘留訊號(residual),殘留訊號可以重複上述過程依次產生次高頻、次次高頻的內建函數,直到殘留訊號為單調函數,這就是經驗模態分解法。

3-17. 篩選程序示意圖: (a)原始訊號(b)上下與平均包絡線,(c)高頻的載波

但經驗模態分解法所得到的內建函數會因為原始訊號中無法預期的雜訊取代部份的內建模態函數的位置,進而造成被取代的原內建模態函數平移至下一個內建模態函數。這就造成得到的內建模態函數不一致的模態混合問題(mode-mixing)。為解決此一問題,以加入白色噪音(white noise)方式可以產生濾波的效果,解決模態混合的問題得到模態一致的內建模態函數,此一新的訊號處理方法稱之為「整合型經驗模態分解法(Ensemble Empirical Mode Decomposition, EEMD)[Wu et al., 2008]。本子計畫採用的生理訊號處理即是EEMD,而非原始的經驗模態分解法。

利用EEMD的方法,一方面可以從血氧濃度連續脈動訊號得到與心率一致的內建模態函數並得到心率變異的訊號;另一方面亦可以得到與呼吸頻率一致的內建模態函數代表呼吸的訊號。如此,便可以得到許多衍生的生理訊號,我們就可以從這些不同的生理訊號中看出測試者不同的生理狀態或疾病的對應關係。

(2)    生理狀況評估指標

子計畫中不同生理狀況評估指標可以藉由整合不同的生理訊號及使用不同的分析方法進行評估。其應用分述如下:

a.       自主神經系統:交感與副交感神經作動評估

傳統的心率變異經傅立葉轉換(Fourier transfer)得到能量頻譜。交感與副交感神經的作動可以用低頻(low frequency, LF:0.04~0.15 Hz)與高頻(high frequency, HF: 0.15~0.4Hz)不同的頻段能量來表示[Kitney  et al., 1980; Akselrod et al., 1981; Akselrod et al., 1985],而兩者間的比值可以作為交感與副交感神經作動的指標。本子計畫運用經驗模態分解法,從心率變異的中得到代表交感與副交感神經作動的內建經驗模態函數,如此可以獲得連續性的自主神經系統評估指標。

b.      睡眠評估指標

近年來,美國哈佛及麻省理工合作的睡眠研究當中,利用呼吸與心率變異兩者跨頻譜分析的方式來進行心肺藕合分析(cardiopulmonary coupling) [Thomas et al., 2005; Thomas et al., 2007]。該分析方法利用時間序列上高頻及低頻的藕合系數(如圖3-18所示)來分析睡眠深度與睡眠呼吸中止。這個分析技術不僅能追蹤高齡者是否在輪椅上沉睡,亦可以追蹤高齡者睡夢中是否呼吸中止,有助於高齡者的居家照護。

3-18. 心肺藕合分析結果

c.       手術壓力指數(Surgical Stress Index, SSI)

在手術過程中,手術壓力指數用來評估病人的疼痛指數。血氧濃度連續脈動訊號與心律變異的標準差以平均值進行常態化(normalize),得到兩個常態化的標準差值取不同的權重相加,即得到手術壓力指數[Wennervirta et al., 2008; Huiku et al., 2007]。手術壓力指數可以用來評估手術中的疼痛指數及麻醉的深度,其中疼痛的情形於1996年起,已被列為除了基本的血壓、心跳、呼吸速率暨體溫等四個基本生命訊號(vital signs)外的第五個基本的生命訊號[McCaffery et al., 1997; Merboth et al., 2000]。因此,子計畫中亦希望藉此研究對疼痛有進一步的了解,在生理狀況評估指標中能包含疼痛的指標,對高齡者的照護提昇到疼痛照顧的層次,享有更好的生活品質。

d.      循環系統的評估指標

由圖3-19的血氧濃度連續脈動訊號中包含了動脈血流訊號。在循環系統與動脈硬度(stiffness)的評估指標方面,擴大指數(Augmentation Index, AI)分析跟據動脈血壓訊號中的反射波壓力的比重來評估循環系統的狀況。傳統的擴大指數必需在血壓訊號中找到反射波作用的血壓擴大點(Augmentation Point),再計算血壓擴大點後血壓增加量的比重推算出擴大指數如圖3-19(a)所示。本子計畫利用經驗模態分解法可以分解訊號不同作動機制所產生訊號分量的特性,更精確的找出血壓因反射波產生的血壓分量而推算出擴大指數如圖3-19(b)所示,希望藉由分析血氧濃度連續動脈血流訊號得到擴大指數,進一步評估循環系統的狀況。

                (a) 傳統的擴大指數示意圖                               (b) 以經驗模態分解法得到反射波造成的血壓分量進而推算出擴大指數

3-19. 擴大指數示意圖,擴大指數 AI=100%×ΔP/P

除了上述四項生理狀況評估指標外,仍有許多生理狀況評估指標可以利用血氧濃度的連續脈動訊號所衍生的生理訊號加以評估。本子計畫亦希望能將更多有效的生理狀況評估指標納入智慧型的居家照護及生理狀況評估系統中。

最後為了讓機器人輪椅成為智慧型遠距居家照護系統的一環,本子計畫將與子計畫二建構之移動的機器人輪椅為平台,與資通訊系統結合,建立「遠距居家照護系統(home telehealth system)。元智大學「老人福祉科技研究中心」自2000年便開始整合研究團隊,進行遠距居家照護系統之研究,有成熟的系統和豐富的經驗,本子計畫中亦將以中心現有之「分散式遠距居家照護系統(decentralized home telehealth system)架構[Hsu et al., 2007]進行建構。系統透過無線傳輸網路,除整合本子計畫監測之各項生理訊號外,亦將整合子計畫三中各項位置、動作感測元件,達成照護者能在遠端監看、分析、儲存各項生理訊號、生理狀況評估指標、及部份ADL監測資訊的功能。

4.      計畫時程與查核點

配合整體計畫的時程,本計畫亦分為三年三階段執行,各階段具體工作項目及查核點敘述如下:

第一年:致力於關鍵技術的建立,包括血氧濃度連續脈動訊號的整合及衍生的生理訊號萃取與訊號驗證

Ÿ   以電腦連接介面讀取多維度生理訊號監測儀(MP 60,如圖3-20所示)的血氧濃度連續脈動訊號;

Ÿ   建立硬體連接介面以讀取合作廠商所提供的血氧量測裝置之量測訊號;

Ÿ   從血氧濃度連續脈動訊號萃取出心率變異訊號、呼吸的訊號、疼痛的指數、與評估循環系統的指標;

Ÿ   進行合作廠商提供的血氧量測裝置與多維度生理訊號監測儀之訊號驗證。

查核點:完成血氧量測裝置的硬體連接介面與血氧濃度連續脈動訊號萃取和訊號驗證

3-20. 多維度生理訊號監測儀-MP 60

第二年:致力於各種生理指標分析方法的開發與驗證,並將遠距居家照護系統整合於機器人輪椅中

Ÿ   各項生理指標的實驗設計與數據收集;

Ÿ   建立各項生理指標的分析方法並整合其結果;

Ÿ   將各種分析方法植入廠商提供的血氧量測裝置並進行測試與效力評估;

Ÿ   將具生理指標分析方法的血氧量測裝置與機器人輪椅整合,進行遠距居家照護系統功能建立與測試。

查核點:完成生理指標分析方法並整合至機器人輪椅,建立遠距居家照護系統

第三年:完成系統整合,並致力於系統使用者測試與設計修正

Ÿ   配合子計畫三之智慧型行動控制方法開發所採用機器人輪椅硬體系統,進行智慧型系統程式開發的工作;

Ÿ   配合總計畫,完成與其他子計畫間的系統整合;

Ÿ   配合總計畫在怡德養護中心實地進行使用者測試與設計修正。

查核點:完成智慧型生理訊號監測及遠距居家健康照護系統之測試與評估

子計畫五:機器人輪椅因應高齡者需求之人因工程設計與使用評估

1.      計畫動機與需求

工程設計必須考慮和使用者操作、使用上有關的各項因素,使所設計的產品對使用者來說操作方便、容易使用,同時也希望能夠改進使用上的安全性、降低使用者疲勞度或壓力、增加使用者的舒適度和接受度。在高齡者科技產品設計上,「人因工程(human factors)」的考量更為重要,設計者必須瞭解高齡者在感知、運動控制和認知能力上的限制,特別是這些能力如何因年齡的變化而改變,才能設計出高齡者適用的產品。

觀察許多老人安養中心與居家老人的實際情況發現,輪椅此項產品幾乎已經成為每一個老人生活中相伴時間最長的必需品,儼然成為生活與行動的核心。根據文獻與專利技術搜尋可知,國內大部分的輪椅技術發展皆集中於輪椅車體的各項結構用來調整座椅高度、椅背斜度、或是上下樓等有關便利性的功能,僅將輪椅視為高齡者的行動輔具。而總計畫之中心構想之機器人輪椅不同於一般市售之輪椅輔具,主要特點是輪椅本身具有類似智慧型機器人的感測與判斷能力,除了一般的行動能力之外更整合了日常生活中的通訊、環境控制與遠距健康照護的管理與功能,是一部具有科技化的機器人輪椅。希望透過此智慧型機器人輪椅可以提高輪椅使用者生活自理能力及生活便利性,輔助高齡者更有效的周圍環境互動。

子計畫五主要是以高齡者的使用需求為中心,以人因工程設計的角度來進行機器人輪椅的設計與使用評估。本子計畫主要工作有三:(1)因應高齡者在感知、運動控制和認知能力上的限制,提供人因工程設計原則給子計畫二、三、四作為硬體設計依據;(2)考慮機器人輪椅人機協同控制的原則,進行適用於高齡者之機器人輪椅人機介面(human-robot-interface)設計;(3)設計各項實驗,在計畫後期對總計畫整合完成之機器人輪椅原型進行實際人因工程評估。

2.      機器人輪椅的人機系統模型與人因工程設計原則探討

配合本計畫機器人輪椅設計的進程,本子計畫將分成三年三個階段進行。第一個階段在建立機器人輪椅的人機系統(human-machine system)模型,進而探討機器人輪椅的人因工程設計需求,包括視覺與聽覺等感官的設計原則、決策與學習能力的極限、人施加力量和扭矩的限制、人身體尺寸的不同等。本子計畫並特別強調高齡者因老化造成的身體機能變化,如高齡者視覺輸入的困難、聽力衰退、身體各部位觸覺敏感度漸漸降低、對於壓力覺察、粗糙表面以及空間感(如對於長度、方向的感知)都不再敏銳等問題,同時高齡者在操作產品或機器時所需反應時間較長,某些影響技術學習的能力(包括記憶力、感知能力和空間能力)也有所下降,高齡者力或扭力輸出的強度下降,動作的範圍、動作速度減小,動作的平滑度和協調性下降等等,規劃因應之人因工程設計考量。

機器人輪椅是否成功,除了技術功能的健全之外,尚須取決於產品的發展階段是否考慮高齡者的人因工程需求。產品設計者往往注重產品的功能性規格及生產規格,而忽略了規格是否能符合高齡者的需求與期望。品質機能展開法(Quality Function Deployment, QFD)與失效模式與效應分析(Failure Mode and Effects Analysis, FMEA)是解決此問題的好方法,透過顧客聲音(Voice of Customer, VOC)的參與,QFD可協助本子計畫於產品發展初期確認高齡者之人因工程需求,並將其轉換成技術需求與規格,這些資訊將整合於產品的設計概念中,以明確指出未來產品品質努力的目標,確保在產品發展的各個層面都能把高齡者的人因工程需求列為重要考量,使機器人輪椅的產品價值更高。

本子計畫將與敏盛醫療體系的怡德養護中心合作,本階段工作中將養護中心的高齡者進行訪談,以瞭解高齡者在居家環境或安養中心對於機器人輪椅在人因工程方面的實際需求與應用環境的限制。3-2為本子計畫根據相關文獻整理,輪椅可能之功能需求之分類。本子計畫將針對機器人輪椅分別依照操作型態、人因工程、功能性、品質需求四類進行品質機能展開(QFD)與失效模式與效應分析(FMEA)評估,以期第一年成果將可提供給子計畫二、三、四做為硬體系統設計之需求與規格依據,並將據以進行第二年的機器人輪椅操控系統人機介面設計與各元件評估之子計畫。

3-2. 機器人輪椅需求分類表

需求分類

操作型態

人因工程

功能性

品質需求

評估細項

動作複雜度

椅靠背高度

可否折疊

輕量化材質

累積性傷害

椅靠背角高度

折疊方式

維修容易

操作省力

扶手高度

防撞安全性

價格

上肢工作範圍

扶手寬度

重心平恆性

外觀

推移速度與效能

扶手長度

防止翻覆越功能

輪椅使用壽命

斜坡移動容易

椅面尺寸大小

跨越障礙功能

驅動機構方式

迴轉半徑大小

坐墊材質

骨架結構堅固

轉性機構方式

輪椅平版工作範圍

肢體固定設備

避震功能

組裝容易度

轉動效能與速度

輪軸長短

可擴充彈性

零件模組化

電池效能

乘坐舒適性

煞車功能

 

 

腳踏板高度

被背斜躺

 

 

椅座寬度

置物空間大小

 

 

椅座高度

 

 

 

椅座深度

 

 

3.      人機協同控制的原則下機器人輪椅人機介面設計

3-21所示為一個標準的人機系統模型,人(使用者)是經由感官輸入,如視覺、聽覺、觸覺、嗅覺、味覺以感知機械與環境的現況資訊,進而利用這些感官資訊做出決策,接著使用者施加力或扭力到機械上,以實際執行他們的決策。機械接受了這些控制訊號輸入後,執行使用者所要求之功能,並且顯示新的輸出。整個人機系統中依靠「人機介面(human-machine interface)做為人和機械的溝通。

人機介面泛指人(使用者)所“接觸”到機械的任何元件,也是人因工程設計上主要關切的部分。這裡所謂“接觸”包括實際身體的接觸,或是看、聽、聞等感官接觸,例如使用者按下開關打開機械人輪椅的電源,燈號亮起顯示“ON”的狀態,或者操控機械人輪椅的控制面版,讓機械人輪椅“知道”如何反應,開關、燈號、控制面版便是人機介面。總而言之,人機介面是人藉以與產品互動的所有方式。

3-21. 人機系統包含輸入與輸出在人機介面的互動

本子計畫第二階段將接續第一年階段的成果,考慮機器人輪椅人機協同控制的原則,進行適用於高齡者之機器人輪椅人機介面(human-robot-interface)設計,主要有以下三項重要工作:

(1)    對機器人輪椅整體功能的瞭解與使用者操控方式的設計

機器人輪椅整合了獨立行動、生活休閒、與健康照護等眾多功能,在機器人輪椅人機介面設計上,首先需充分瞭解各子計畫在第一年發展的各項功能與技術子計畫二則採用全向輪底盤設計概念,在居家或安養中心狹小擁擠的環境中有更好的操控性及便利性,並以史都華平台作為座椅機構設計,提高機器人輪椅的姿態調整能力與結構剛性;子計畫三則設計智慧型行車控制,預計有手動及自動模式,在手動控制時,可由使用者及時操控機器人輪椅的行動,在自動控制時,機器人輪椅會遵照使用者設定的命令與路線做最佳的路徑規劃,並及時自動調整行車速度與轉向角度,進而安全抵達目的地。子計畫四則以監測血氧濃度連續脈動訊號,進而獲得動脈血流、心率變異及呼吸等三種衍生的生理訊號,並與資通訊系統結合,達成遠距居家照護功能。充分瞭解這些功能之後,才能進而分類歸納,思考在使用者介面上何種使用者操控方式,最適合達成這些功能

(2)    機器人輪椅人機協同控制的原則

如前所述,操控電動輪椅時操作者必須能夠準確感測周遭環境、預測可能的障礙或危險,然後操作一支搖桿或其他輸入裝置來控制電動輪椅,對大部分使用者來說,電動輪椅的操控方式困難度仍然相當高。機器人輪椅中賦予輪椅部份「自主行為(autonomous behaviors)」能力,使輪椅本身擁有類似機器人之感測、判斷能力,能配合輪椅操作者的意願做出自主動作。

機器人輪椅人機互動介面設計上與一般輪椅或電動輪椅的重要考量,是所謂人機協同控制的原則,經由人與機器人輪椅在肢體、資訊、與心智等三種不同層面上的互動,可以完成兩者皆無法獨力完成的工作。然而機器人輪椅應扮演協助者的角色而非主導者的角色[Tahboub, 2001],因此本子計畫在機器人輪椅人機互動介面設計上設計上,必須考慮高齡使用者的感知、運動及認知能力均有限制,以及操作的方便性、安全性等問題,決定哪些功能應以機器人輪椅「自主行為」的方式主動提供、自主到何種程度、使用者如何可以隨時干預,以改變或停止這些自主行為,讓使用者仍保有主動操控感。

(3)    機器人輪椅圖形使用者介面設計

機器人輪椅的人機互動介面,必然將包括使用者直接操控的使用者介面(user interface)。本子計畫規劃採用圖形使用者介面(graphics user interface, GUI)配合觸碰螢幕與聲音警示進行系統操作介面設計。圖形使用者介面具有二項特點:

Ÿ    直接操控:藉由直接操縱螢幕上可視物件,以有如完成類似人類肢體的行動,造成系統狀態的改變;

Ÿ    隱喻互動:隱喻式理解是一種利用過去經驗或知識,與目前系統狀況類比,以進行新事物的學習。通常是運用熟悉的事物來傳遞抽象概念,在使用者的心裡建立起一致性的預期,使得各種圖像代表原先的抽象意義如同日常經驗的一部分,例如點選「à」箭頭,即表示請機器人輪椅往右移動等概念。

3-2為本子計畫整理機器人輪椅可能用到的操作介面型態分類,如電力顯示、大燈圖示、行進速度與方向等均以圖像說明操作意義。此外針對四肢行動不便操作者,亦思考規劃以語音辨識與口語操作的可能性。

3-2. 本子計畫整理機器人輪椅可能用到的操作介面型態分類

4.      機器人輪椅人因工程評估

本子計畫第三年進度則是接續前兩年之計畫成果,與敏盛醫療體系之怡德養護中心合作並配合各子系統測試調整。根據前兩年計畫針對機器人輪椅所做的人因工程設計評估原則,設計各項實地情境評估實驗方法,請高齡者在居家環境或安養中心實際使用機器人輪椅,進行原型使用之人因工程設計量測與使用情境下系統可靠度的評估。

評估過程中,本子計畫將再檢視第一年計畫之品質機能展開法(QFD)與失效模式與效應分析(FMEA)所得機器人輪椅之產品設計規格是否真正合乎高齡者使用上之需求。在硬體設計上需檢視如舒適及可調整姿態之座椅,提供起身輔助、協助如廁、協助上床等姿態變換以及其他子計畫系統之空間配置等。在軟體設計上需測試如室內導航功能,能夠自動到達使用者指定位置,具有偵測障礙物、避障和動態規劃路徑的能力,機器人輪椅可感知周遭環境變化,作相對應的環境控制等。在人機介面操作上需評估高齡者在感知、運動控制和認知能力上的限制基礎下,高齡使用者能透過人機介面接受各子系統傳來訊息、發出控制指令至各子系統、連結人機互動子系統與外界溝通如使用者坐在輪椅上即能控制周遭環境,如燈光、空調、電器的開啟或關閉,電視的選台及音量調整等。

本年度計畫除了進行設計規格與效用評估外,更依據學習度、效率、記憶性、錯誤、及滿意度等五個向度[Jakob Nielsen, 2000]進行系統操作介面評估。學習度指的是使用者可以很容易學會一個系統,這個向度與記憶性相當接近,記憶性指的是在學會使用過後,經過一段中斷未使用的時間,使用者仍能記得如何操作,而通常容易學習的系統也較容易記得。效率指的則是在學會後,系統中的作業能夠很快執行完成,好的系統除了讓使用者不易犯錯外,如果真有錯誤發生,也會提供最簡單的修正方法,特別是高齡的使用者較容易發生使用上的錯誤或誤解,因此系統使用度在錯誤方面的考量,除了避免易導致錯誤發生的傾向、錯誤發生後的修正方式之外,更須考慮錯誤發生的嚴重性。最後一項所討論的滿意度,是一個相對主觀也較無法量測的指標,本計畫將配合其他子計畫至怡德安養中心進行滿意度評估與系統修正。

5.      計畫時程與查核點

配合整體計畫的時程,本計畫亦分為三年三階段執行,各階段具體工作項目及查核點敘述如下:

第一年:致力於人機系統模型建立與人因工程設計原則探討

Ÿ   利用品質機能展開法與失效模式與效應分析確認高齡者之人因工程需求;

Ÿ   探討高齡者在感知、運動控制和認知能力上的限制,規劃因應之人因工程設計考量;

Ÿ   建立初步的人機系統模型,給子計畫二、三、四作為人機互動操控介面參考。

查核點:因應高齡者在感知、運動控制和認知能力上的限制,提供人因工程設計原則給子計畫二、三、四作為硬體設計依據

第二年:考慮機器人輪椅人機協同控制的原則,進行適用於高齡者之機器人輪椅人機互動介面設計

Ÿ   瞭解各子計畫在第一年發展的各項功能與技術,以思考最適合達成各功能的使用者操控方式

Ÿ   整合人機協同控制原則與人機互動介面之圖形使用者介面,進行系統操作介面設計。

查核點:完成符合人機協同控制原則的機器人輪椅人機互動介面

第三年:完成系統整合,並致力於機器人輪椅人因工程評估與設計修正

Ÿ   配合總計畫,完成與其他子計畫間的系統整合;

Ÿ   配合總計畫在怡德養護中心實地以學習度、效率、記憶性、錯誤、及滿意度等五個向度進行系統操作介面評估,並完成設計修正。

查核點:完成機器人輪椅人因工程評估與人機互動介面修正

4. 預期完成之工作項目及成果

本計畫書中總計畫和各子計畫預期完成之工作項目與具體查核點之內容與編號,完整整理如表4-1。對應表4-1中的工作項目編號,圖4-1整理三年計畫執行過程之時程規劃。

4-1. 總計畫和各子計畫預期完成之工作項目與具體查核點之內容與編號

編號

工作項目

編號

查核點

總計畫(A)

未來生活情境下機器人輪椅概念設計與關鍵技術建立

Y1C1

完成應用情境模擬影片

Y1A1

整合各子計畫,決定系統通訊架構及協定

Y1A2

整合子計畫一、五、與二,完成機器人輪椅行動載具

Y1A3

整合子計畫一與三,建立環境感知子系統、智慧型行車子系統

機器人輪椅原型設計製作

Y2C1

完成三部具有完整功能(具姿態變換輔助功能、模糊類神經網路行車方法、人際溝通互動功能、遠距居家照護系統等)之機器人輪椅原型

Y2A1

整合各子計畫,建立核心控制子系統以提供機器人輪椅原型核心控制平台

Y2A2

整合子計畫一、五、與四,於核心控制子系統實現生理訊號量測子系統、生理狀況評估子系統

Y2A3

整合子計畫一、二、與五,建立人際互動溝通子系統、網際網路通訊子系統、與環境控制子系統

機器人輪椅評估、設計修正、與商品化推廣準備

Y3C1

完成機器人輪椅相關技術的專利申請

Y3A1

整合個子計畫之控制介面,協助子計畫五建立人機協同控制介面

Y3A2

整合各子計畫,於怡德養護中心實地進行使用者測試與設計修正

子計畫一(S1)

S1-Y1W1

就國內外文獻探討高齡者、失能老人之科技輔助之需求與期待,並就目前老人生活需求、行動不便失能老人生活需求之相關文獻進行全面行評估分析

S1-Y1C1

完整定義出本計畫機器人輪椅對高齡者提供的科技輔助功能

S1-Y1W2

針對於居家老人之需求和合作產業機構照顧之失能老人,進行日常生活內容需求之認知狀況、行動需求、自我健康管理、社會心理、休閒之需求,及生活環境之實質障礙和行動空間之限制等作探討

S1-Y1W3

就本計劃研發狀況及設計之機器人輪椅之需求與期待進行實地情境訪視和評估分析

S1-Y1W4

進行情境模擬,提供相關子計畫研發設計之概念

S1-Y2W1

調查瞭解高齡者使用科技產品時所經歷的困難

S1-Y2C1

提出提升本計畫開發機器人輪椅接受度之具體建議,回饋給子計畫二、三、四做硬體系統設計之修正

S1-Y2W2

進一步與高齡者養護機構之工作人員、居家照顧家屬、高齡者事業機構業者等進行機器人輪椅需求期待之溝通

S1-Y2W3

結合子計畫五研究如何從設計、訓練或兩者結合來加以克服高齡者使用機器人輪椅可能的困難,及如何提升機器人輪椅接受度提出具體建議

S1-Y3W1

以使用者、照護者、產業(怡德養護中心)為評估對象,採5As3作為產品設計供給和使用者之間連結效益的評估指標,對機器人輪椅原型進行實際使用的評估

S1-Y3C1

提出提升本計畫開發機器人輪椅使用者評估結果及具體設計修正建議,回饋給子計畫二、三、四做硬體系統設計之細部修正

S1-Y3W2

由使用者評估結果對機器人輪椅提出具體設計修正建議

子計畫二(E2)

E2-Y1W1

以磷酸鐵鋰電池配合電力系統之控制電路,作為機器人輪椅的電力來源

E2-Y1C1

完成機器人輪椅行動載具開發與驗證

E2-Y1W2

行走驅動機構之全向輪底盤建立與測試評估

E2-Y1W3

輪椅機構之史都華平台建立與測試評估

E2-Y1W4

電池、輪椅機構與行走驅動機構整合

E2-Y2W1

建立Zigbee感測器網路與使用者環境控制功能

E2-Y2C1

完成環境控制功能與人際互動溝通平台,並整合至機器人輪椅

E2-Y2W2

建立人際互動溝通子系統

E2-Y2W3

配合定位功能建立智慧屋式環境控制功能

E2-Y3W1

配合總計畫,完成與其他子計畫間的系統整合

E2-Y3C1

完成人際互動溝通功能及機器人輪椅行動載具之測試與評估,並依評估結果進行設計修正

E2-Y3W2

配合總計畫在怡德養護中心實地進行使用者測試與設計修正

子計畫三(E3)

E3-Y1W1

建立RFID標籤所對應之區域空間,並開發時間差定位法(DTOA)之演算法,以達到機器人輪椅的定位功能

E3-Y1C1

完成機器人輪椅之智慧型行動控制方法

E3-Y1W2

開發障礙物自動閃避功能與最短路徑規劃功能

E3-Y1W3

開發軌跡追蹤控制功能,並將RFID定位方法與各行車功能以模糊類神經網路演算法整合

E3-Y2W1

整合現場可規劃邏輯閘陣列控制晶片,以SOPC方式來發展嵌入式系統程式設計

E3-Y2C1

完成各子計畫之應用程式整合,並實現於嵌入式系統,完成機器人輪椅原型

E3-Y2W2

將各個子計畫的相關應用程式整合於嵌入式系統

E3-Y3W1

配合總計畫,完成與其他子計畫間的系統整合

E3-Y3C1

完成智慧型行動控制方法及可靠度測試與評估,並依評估結果進行演算法設計修正

E3-Y3W2

配合總計畫在怡德養護中心實地進行使用者測試與設計修正

子計畫四(E4)

E4-Y1W1

以電腦連接介面讀取多維度生理訊號監測儀的血氧濃度連續脈動訊號

E4-Y1C1

完成血氧量測裝置的硬體連接介面與血氧濃度連續脈動訊號萃取和訊號驗證

E4-Y1W2

建立硬體連接介面以讀取合作廠商所提供的血氧量測裝置之量測訊號

E4-Y1W3

從血氧濃度連續脈動訊號萃取出心率變異訊號、呼吸的訊號、疼痛的指數、與評估循環系統的指標

E4-Y1W4

進行合作廠商提供的血氧量測裝置與多維度生理訊號監測儀之訊號驗證

E4-Y2W1

各項生理指標的實驗設計與數據收集

E4-Y2C1

完成生理指標分析方法並整合至機器人輪椅,建立遠距居家照護系統

E4-Y2W2

建立各項生理指標的分析方法並整合其結果

E4-Y2W3

將各種分析方法植入廠商提供的血氧量測裝置並進行測試與效力評估

E4-Y2W4

將具生理指標分析方法的血氧量測裝置與機器人輪椅整合,進行遠距居家照護系統功能建立與測試

E4-Y3W1

配合子計畫三之智慧型行動控制方法開發所採用機器人輪椅硬體系統,進行智慧型系統程式開發的工作

E4-Y3C1

完成智慧型生理訊號監測及遠距居家健康照護系統之測試與評估

E4-Y3W1

配合總計畫,完成與其他子計畫間的系統整合

E4-Y3W1

配合總計畫在怡德養護中心實地進行使用者測試與設計修正

子計畫五(D5)

D5-Y1W1

利用品質機能展開法與失效模式與效應分析確認高齡者之人因工程需求

D5-Y1C1

因應高齡者在感知、運動控制和認知能力上的限制,提供人因工程設計原則給子計畫二、三、四作為硬體設計依據

D5-Y1W2

探討高齡者在感知、運動控制和認知能力上的限制,規劃因應之人因工程設計考量

D5-Y1W3

建立初步的人機系統模型,給子計畫二、三、四作為人機互動操控介面參考

D5-Y2W1

瞭解各子計畫在第一年發展的各項功能與技術,以思考最適合達成各功能的使用者操控方式

D5-Y2C1

完成符合人機協同控制原則的機器人輪椅人機互動介面

D5-Y2W2

整合人機協同控制原則與人機互動介面之圖形使用者介面,進行系統操作介面設計

D5-Y3W1

配合總計畫,完成與其他子計畫間的系統整合

D5-Y3C1

完成機器人輪椅人因工程評估與人機互動介面修正

D5-Y3W2

配合總計畫在怡德養護中心實地以學習度、效率、記憶性、錯誤、及滿意度等五個向度進行系統操作介面評估,並完成設計修正

4-1. 三年計畫執行過程之時程規劃

本計畫預期成果中,機器人輪椅研發過程即以產品設計程序作開發,以實際在高齡者照護產業應用、商品化為主要目標之一。本計畫已與敏盛醫療體系之怡德養護中心簽訂合作意願書(如附件一)從高齡者照護產業的觀點,在計畫全程中對於本計畫產品實際在高齡者照護產業應用、商品化、後續推廣等,持續給予建議,使本計畫成果能更符合產業要求。此外,各子計畫中發展的各項單一技術及產品,均以關注高齡者照護為設計目的,亦應能對國內生活科技產業與整體科技發展有所貢獻。如大同公司醫材中心對子計畫四由血氧濃度連續脈動訊號中萃取其他生理訊號的構想,也有濃厚的興趣,已與元智大學老人福祉科技研究中心就本計畫合作簽訂合作意願書(如附件二),並希望在計畫開始執行後能進行更正式的合作,將本子計畫所開發的技術作後續產業應用。

本計畫團隊成員包含人文、工程及醫療照護領域,並將有二十位以上各領域研究生投入參與,在計畫執行過程中各子計畫在元智大學老人福祉科技研究中心的架構之下,能夠密切互動、溝通,對跨學門、領域之人才培育應能有所貢獻。

參考文獻

Akselrod S., Gordon D., Ubel F.A., 1981. “Power spectrum analysis of heart fluctuations: A quantitative probe of beat to beat cardiovascular control,” Science, v. 213, pp. 220-222.

Akselrod S., Gordon D., Madwed J.B., 1985. “Hemodynamic regulation: investigation by spectra analysis,” Am J Physiol., v. 249, pp. 867-875.

Argyros A., Georgiadis P., Trahanias P., Tsakiris D., 2002. “Semi-autonomous navigation of a robotic wheelchair,” Journal Of Intelligent & Robotic Systems, v. 34, pp. 315-329.

Anthea,T., 2000. “Are Alternatives To Family Care for older people a Realistic option,” in  UK & Singapore Seminar on Health care for the Elderly, UK Administration Press.

Bourhis G, Agostini Y., 1998. “Man-machine cooperation for the control of an intelligent powered wheelchair,” Journal of Intelligent & Robotic Systems, v. 22, pp. 269-287.

Boquete L., Barea R., Garcia R, Mazo M., Angel Sotelo M., 2005. “Control of a robotic wheelchair using recurrent networks,” Autonomous Robots, v. 2, pp. 5-20.

Chon H. D., Jun S., Jung H., An S. W., 2004. “Using RFID for accurate positioning” Journal of Global Positioning Systems, v.3, no. 1-2, pp. 32-39.

Coughlin J. F., 1999. “Technology needs of aging boomers,” Issues in Science and Technology, Fall 1999.

Dasgupta, B. and Mruthyunjaya T.S., 2000, “The Stewart platform manipulator: a review,” Mechanism and Machine Theory, v. 35, pp. 15-40.

Deruyter F., 1995. “Evaluating outcomes in assistive technology: Do we understand the commitment?” Assistive Technol., v. 3, pp. 3-16.

Espinosa F., Lopez E., Mateos R., Mazo M., Garcia R., 2001. “Advanced and intelligent control techniques applied to the drive control and path tracking systems on a robotic wheelchair,” Autonomous Robots, v. 11, pp. 137-148.

Enderle J., Blanchard S., Bronzino J., 2000. “Introduction to biomedical engineering,” Academic Press, pp. 162-167.

Fehr L., Edwin Langbein W., Skaar S. B., 2000. “Adequacy of powerwheelchair control interfaces for persons with severe disabilities: Aclinical survey,” J. Rehabil. Res. Develop., v. 37, pp. 353–360.

Feipeng Da, Wenzhong Song, 2003. “Fuzzy neural networks for direct adaptive control,” IEEE Transactions on Industrial Electronics, v. 50, no. 3, pp. 507-513.

Fernández-Madrigal J.A., Galindo C. Gonzalez, J., 2004. “Assistive navigation of a robotic wheelchair using a multihierarchical model of the environment,” Integrated Computer-Aided Engineering, v. 11, pp. 309-322.

Fichter, E.F., 1986, “A Stewart Platform-Based Manipulator: General Theory and Practical Construction,” The International Journal of Robotics Research, v. 5, no. 2, p. 157-182.

Flandrin P., Concalves P., Rilling G., 2003. “Hilbert-Huang transform: Introduction and applications,” World Scientific, pp. 57-74.

Galindo C., Cruz-Martin A., Blanco J.L., Fernández-Madrigal J.A., Gonzalez J., 2006a. “A multi-agent control architecture for a robotic wheelchair,” Applied Bionics & Bionmechanics, v. 3, pp. 179-189.

Galindo C., Gonzalez, J., Fernández-Madrigal J.A., 2006b. “Control architecture for human–robot integration: application to a robotic wheelchair,” Systems, Man and Cybernetics, Part B, IEEE Transactions on, v. 36, pp. 1053-1067.

Hon Nin C., Yangsheng Xu, 2006. “Learning human navigational skill for smart wheelchair in a static cluttered route,” Industrial Electronics, IEEE Transactions on, v. 53, pp. 1350-1361.

Hsu, Y. L., Yang, C. C., Tsai, T. C., Cheng, C. M., Wu, C. H., 2007. “Development of a decentralized home telehealth monitoring system,” Telemedicine and e-Health, v. 13, no. 1, pp. 69-78.

Huang N.E., Shen Z., Long S.R., Wu M.C., Shih H.H, Zheng Q., Yen N.C., Tung C.C., Liu H.H., 1998. “The empirical mode decomposition and the hilbert spectrum for nonlinear and non-stationary time series analysis,” Proc. R. Soc. Lond, v. 454, pp. 903-995.

Huiku M., Uutela K., Gils V. et al., 2007. “Assessment of surgical stress during surgical anaesthesia. Br. J. Anaesth, v. 98, pp. 447-455.

Katsura S., Ohnishi K., 2004. “Human cooperative wheelchair for haptic interaction based on dual compliance control,” Industrial Electronics, IEEE Transactions on, v. 51, pp. 221-228.

Kitney R.I., Rompelman O., 1980. “The study of heart rate variability,” Oxford University Press.

McCaffery M., Pasero C.L., 1997. “Pain ratings: the fifth vital sign,” Am. J. Nurs, v. 97, pp. 15-16.

Merboth M.K., Barnason S., 2000. “Managing pain: the fifth vital sign,” Nurs. Clin. Nor. Am, v. 35, pp. 375-383.

Miller, D., Slack, M., 1995. “Design and testing of a low-cost robotic wheelchair prototype,” Autonomous Robots, v. 2, pp. 77-88.

Mitchell G.F., Lacourcie`re Y., Arnold J.M.O., Dunlap M.E., Conlin P.R., Jr. Izzo J.L., 2005. “Changes in aortic stiffness and augmentation index after acute converting enzyme or vasopeptidase inhibition ,” Am. J. Hypertens, v. 46, pp. 1111-1117.

Ni L. M., Liu Y., Lau Y. C., Patil A.P., 2003. “LANDMARC: indoor location sensing using active RFID,” Proceedings of the First IEEE International Conference Pervasive Computing and Communications, pp. 407 - 415.

Prassler, E., Scholz, J., and Fiorini, P., 2001. “A robotics wheelchair for crowded public environment,” Robotics & Automation Magazine, IEEE, v. 8, pp. 38-45.

Parasuraman, Zeithaml A., V. A., Berry, L., 1988. “SERVQUAL: A multiple-item scale for measuring consumer perception of service quality,” Journal of Retailing, v. 64, pp. 13-40.

Robin. B., “Hosing and Care for the Silver Revolution,presented at UK & Singapore Seminar on Health care for the Elderly, UK, 2000.

Rogers, W. A., Meyer, B., Walker, N., Fisk, A. D., 1998. “Functional limitations to daily living tasks in the aged: A focus group analysis,” Human Factor, v. 40, pp. 111-125.

Shih D. H., Sun P. L., Yen D. C., Huang S. M., 2004. “Taxonomy and survey of RFID anti-collision protocols,” Computer communications, v. 29, pp. 2150-2166.

Tahboub KA., 2001. A semi-autonomous reactive control architecture,” Journal of Intelligent and Robotic Systems, v. 32, pp. 445-459.

Takahashi Y., Shinobu Ogawa S., Machida S., 2002. “Mechanical design and control system of robotic wheelchair with inverse pendulum control,” Transactions of the Institute of Measurement and Control, v. 24, pp. 355-368.

Thomas R.J., Mietus J.E., Peng C.K., Goldberger A.L., 2005. “An electrocardiogram-based technique to assess cardiopulmonary during sleep,” Sleep, v. 28, pp. 1151-1161.

Thomas R.J., Mietus J.E., Peng C.K., Gilmartin G., Daly R.W., Goldberger A.L., Gottlieb D.J., 2007. Differentiating obstructive from central and complex sleep apnea using an automated electrocardiogram-based method,” Sleep, v. 30, no. 12.

Tsai, T. C., Hsu, Y. L., Ma, A. I., King, T., Wu, C. H., 2007. “Developing a telepresence robot for interpersonal communication with the elderly in a home environment,” Telemedicine and e-Health, v. 13, no. 4, pp. 407-424.

Vyas M., Jr. Izzo J.L., Lacourcière Y., Arnold J.M.O., Dunlap M.E., Amato J.L., Pfeffer M.A., Mitchell G.F., 2007. “Augmentation index and central aortic stiffness in middle-aged to elderly individuals ,” Am J Hypertens, v. 20, pp. 642–647.

Wennervirta J., Hynynen M., Koivusalo A.M., Uutela K., Huiku M., Vakkuri A., 2008. “Surgical stress index as a measure of nociception/antinociception balance during general anesthesia, Acta Anaesthesiol,” Scand, v. 52, pp. 1038-1045.

Wu Z., Huang N.E., 2008. “Ensemble empirical mode decomposition: A noise-assisted data analysis method,” Advances in Adaptive Data Analysis.

Zeng Q., Teo CL., Rebsamen B., Burdet E., 2008. “A collaborative wheelchair system,” Neural Systems and Rehabilitation Engineering, IEEE Transactions on, v. 16, pp. 161-170.

Zhen B., Kobayashi M., Shimizu M., 2004. “To read transmitter- only RFID tags with confidence,” 15th IEEE International Symposium on Personal, Indoor and Mobile Radio Communications, v. 1, pp. 396-400.

陳燕楨,老人福利理論與實務-本土的觀點2007年初版,雙葉書廊。

陳燕禎,台灣地區老人長期照護模式發展之探討,香港,2004,全球華人孝親敬老研討會論文集,pp.130-144

劉勝義,臨床睡眠檢查學2004,合記圖書出版社。