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作者:徐業良、許博爾(2009-07-17);推薦:徐業良(2009-07-17)

智慧型機器人輪椅概念設計

本計畫原計畫書中已對智慧型機器人輪椅概念及所需關鍵技術作了初步定義,在概念設計部分工作對輪椅技術作了完整專利檢索與分析,並整理、比較市售電動輪椅重要規格,以對現有技術有更全貌性瞭解;接著本計畫利用「德菲法(Delphi Method)」進行專家問卷調查與分析,以對智慧型機器人輪椅之功能需求作進一步確認,並以質化研究的焦點座談法以獲得參與專家更豐富的想法和深度資料;本計畫並數次實地拜訪敏盛醫療體系怡德養護中心與蘆竹養護中心,以及財團法人桃園縣私立脊髓損傷潛能發展中心,實地觀察輪椅使用情境。

經過完整的需求探討與應用情境思考後,確認了本計畫智慧型機器人輪椅定位、特徵、功能及基本規格,並依此結論進一步完成了智慧型機器人輪椅造型及應用情境概念設計影片。概念設計工作的成果,同時也更完整定義出11項本計畫需要建立的關鍵技術。

1.         智慧型機器人輪椅概念和特徵的調整

本計畫原計畫書中已對智慧型機器人輪椅作了概念及功能的定義,但在概念設計過程中有許多發現與調整,敘述如下:

(1)    使用者設定由高齡者擴展至脊髓損傷及其他下肢障礙者

本計畫設定的智慧型機器人輪椅使用者為「部分生活必需依賴他人照護的高齡者」,在照護產業專家焦點座談中提出脊椎損傷患者對於輪椅的需求與期待可能較高齡者更高,本計畫拜訪財團法人桃園縣私立脊髓損傷潛能發展中心,觀察脊髓損傷者多為後天意外受傷,年紀較輕、科技接受度高,改善自身生活之意願確實也更強。

本計畫仍以未來高齡化社會整體家庭生活情境構思,但對潛在使用者範圍擴大為「意識清楚,具有自我控制能力之輪椅使用者」,除高齡者外也脊髓損傷及其他下肢障礙者,而核心目標「重新定義輪椅成為行動、生活與健康照護中樞」則維持不變。

需求探討的過程中,許多建議希望本計畫開發之智慧型機器人輪椅能在戶外道路使用。然而經過計畫會議討論,戶外環境需求差異頗大,且本計畫應與市售電動代步車有明顯區隔,故目前規劃使用環境的設定仍以室內為主。

(2)    「智慧型管家」、「人性化的對話功能」等機器人特徵的強調

「智慧型管家」、「人性化的對話功能」幾乎是產業專家焦點座談中一致的意見,本計畫智慧型機器人輪椅也將強調機器人的特徵。在技術層面上,輪椅不再是完全被動、單向接收命令的行動輔助,而是具有機器人的特徵,能夠自主判斷、與使用者對答、配合使用者意願,進而以互動性協同控制機制共同完成輪椅的作動;在情感面上,智慧型機器人輪椅不再只是輪椅,而都由使用者賦予特定的“暱稱”(例如「伙計」),使用者可以藉由口語化的方式與機器人下達指示,建立起使用者與機器人輪椅間特殊的情感牽聯。

在這樣的思考下,本計畫智慧型機器人輪椅決定以語音控制作為主要的人機互動介面,外型設計及應用情境構思上也以「智慧型管家」的角色構思,例如機器人輪椅僅會針對說出“暱稱”的使用者進行反應,並以閃光或是聲音的方式回應、互動,機器人輪椅能由照護者輸入之作息資料,主動提醒使用者等。

(3)    細微的位置移動與轉位的輔助

獨立行動能力的輔助上,本計畫原本較重視導航、避障等功能,以降低使用者操作負擔為主要考慮。需求探討的過程中,發現使用者在行動能力上更困難的問題,是室內環境狹小、障礙物多,傳統輪椅或電動輪椅不易進行細微的位置移動;此外使用者在如廁、上下床等轉位過程相當不便,因此本計畫獨立行動能力輔助的設計,應更重視細微的位置移動控制與轉位的輔助。

在工程技術對應上,本計畫智慧型機器人輪椅採用「全向輪底盤(omni-directional wheelbase)」做為行走驅動機構的設計基礎,相較於傳統輪椅的左右兩輪驅動方式,有無迴轉半徑和能朝任何方向行走等優點,更適合擁擠與狹小之空間中使用,與細微位置移動控制。本計畫也利用「史都華平台(Stewart platform)」作為座椅姿態調整、轉位輔助機構的設計基礎,具有剛性高、體積小、調整自由度大等特點。

(4)    降低成本與高度模組化的需求

需求探討過程中,成本是本計畫智慧型機器人輪椅能否實用最重要的考慮。許多建議把各項功能模組化,使用者依其需求選擇配備,把機器人輪椅分成「陽春型」、「豪華型」、「尊貴型」等。除了成本考量之外,模組化另一個重點,是希望部分功能(如遠距照護、環境控制)能獨立於機器人輪椅之外使用。

本計畫智慧型機器人原本就規劃是網路化的“IP Machine”,具有移動式資料伺服器供遠端照護者透過網際網路讀取資料,並以嵌入式系統建置核心控制子系統以降低成本。在高度模組化的需求之下,更決定每一個模組都有獨立之乙太網路(Ethernet)與網際網路(Internet)等通訊功能,每一模組都可脫離機器人輪椅獨立運作。模組之間的通訊架構不採用常見的I2CCan Bus,而是在機器人輪椅內部建立一個區域網路(Local Area Network, LAN),採用TCPHTTP兩種通訊協定進行溝通。

2.         智慧型機器人輪椅基本功能整理

從硬體建置角度來看,本計畫研發之智慧型機器人輪椅整體架構規劃如圖1所示,共計11項子系統。綜合本計畫原計畫書規劃,以及需求探討過程中概念和特徵的調整,本計畫智慧型機器人輪椅基本功能及待建立之關鍵技術整理如下:

1. 機器人輪椅硬體架構

(1)    機器人輪椅行動載具

Ÿ    室內行駛為主,行駛速度平均約30cm/s

Ÿ    具敏捷行動能力及細微的位置移動控制能力è全向輪底盤控制技術

Ÿ    具舒適、可調整姿態及高度之座椅,並提供起身輔助、協助如廁、協助上床等姿態變換功能è史都華平台定位與控制技術

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è磷酸鐵鋰(LiFePO4)電池電源管理技術

(2)    環境感知子系統

Ÿ    使用環境具備無線感測網路(Wireless Sensor Network, WSN)」,各個感測節點皆具有多重用途,整合感知周遭環境狀況(溫度、濕度、照度)、室內定位與導航系統感測網路、電燈等電器控制的需求èIEEE802.15.4 ZigBee低功率無線感測網路通訊技術

(3)    智慧型行車子系統

Ÿ    具備室內導航功能,能夠自動到達使用者指定位置è室內定位與導航技術

Ÿ    具有偵測障礙物、避障功能和動態規劃路徑的能力è超音波避障技術

(4)    生理訊號量測子系統

Ÿ    具有血壓、血糖量測具記錄功能

Ÿ    具有血氧濃度連續脈動訊號量測功能,並可萃取心跳、呼吸等衍生性生理訊號è生理訊號量測與分析技術

(5)    生理狀況評估子系統

Ÿ    具有血壓、血糖、血氧濃度、心跳、呼吸等五項生理指標的評估功能

Ÿ    具有事件警示功能,對於異常之生理訊號能以e-mail或手機簡訊方式警示遠端照護者è生理訊號遠距監測系統技術

(6)    環境控制子系統

Ÿ    具有控制環境燈光的開啟或關閉,以及電視的選台及音量調整功能

(7)    人際互動溝通子系統

Ÿ    具有網路視訊與語音通訊功能,並有快速撥號、免持聽筒等便利功能

Ÿ    具有緊急呼救功能,使用者能按下機器人輪椅上的求救按鈕,以電話通知設定之聯絡人

(8)    網際網路通訊

Ÿ    具有3.5G行動數據網路(mobile data network)

Ÿ    具有移動式資料伺服器,遠端使用者能透過網際網路讀取智慧型機器人輪椅位置及活動資料

Ÿ    具有遠距照護功能,遠端照護者能透過網際網路讀取使用者生理訊號

(9)    人機協同控制介面

Ÿ    具備面板觸控、語音聲控、手動操控等三種人機介面

Ÿ    使用者可賦予智慧型機器人輪椅特定的“暱稱”,並以語音指令控制è語音控制技術

Ÿ    機器人輪椅可以語音、閃光等方式對說出“暱稱”的使用者產生反應

Ÿ    機器人輪椅能由照護者輸入之作息資料,主動提醒使用者

(10)核心控制子系統

Ÿ    以嵌入式系統建置核心控制子系統èARM Linux嵌入式系統應用技術

(11)系統通訊架構及協定

Ÿ    智慧型機器人每一個模組都有獨立之乙太網路與網際網路等通訊功能

Ÿ    在機器人輪椅內部建立一個區域網路,模組之間的採用TCPHTTP兩種通訊協定進行溝通èLAN模式建構嵌入式系統之網路通訊架構技術

3.         智慧型機器人輪椅外型設計與基本規格

在需求探討同時,本計畫也開始進行智慧型機器人輪椅造型設計。圖2、圖3是智慧型機器人輪椅造型設計兩個循環一系列發展過程。

2. 機器人輪椅造型設計第一循環發展過程

3. 機器人輪椅造型設計第二循環發展過程

4是初步定案之造型設計概念,幾項重要特徵說明如下:

(1)   機器人外型採用理性溫柔的線條曲面,帶出人文關懷的科技感;漸進式的包覆椅背增加乘坐的舒適性與安全感。

(2)   直立的大型輪拱強調移動性,同時給人安全、穩重的感覺。藉由輪拱上方的情境光亮裝置與使用者互動,顯示其狀態、心情等。

(3)   隱藏式的觸控面板、麥克風、喇叭等,減少外觀視覺元素;可以調整角度的扶手,減少轉位輔助時的干擾,並結合傳統操作搖桿。

4. 智慧型機器人輪椅初步定案之造型設計概念

2-1是根據人體計測資料庫以及Human factor in engineering and design[Sanders, 1993]一書中建議原則,整理出來的智慧型機器人輪椅座椅基本尺寸。該書所引用的資料中,可調式座椅的高度應考慮鞋高或腳踏板高,以降低對大腿底邊的不當壓力,椅面高度建議為46~48cm,配合人體計測資料庫查詢,智慧型機器人輪椅定義椅面高度為48cm;椅面深度與寬度考慮小腿所需之間隙與大腿底邊壓力,則椅面深度不宜超過43cm、椅面寬度不可小於40cm,其中ANSIAmerican National Standards Institute,美國國家標準局)更進一步定義椅面深度為38~43cm、椅面寬度為45cm;椅面傾角調整可增加生物力學(biomechanics)的效益,如肢體運動、神經肌肉控制等可應用於輪椅之設計,書中文獻所建議的椅面傾角為5°~15°的前傾、5°的後傾。

在椅背部分,其椅背長度建議最小值為50cm,而為能完整包覆使用者之背部,則更進一步查詢人體計測資料庫男性胸上點至恥骨聯合的第95百分位數的長度,定義椅背長度為64公分;椅背的傾角調整能有效降低椎間盤的壓力,其建議90°~120°為理想之調整範圍。此外,扶手高度是查詢人體計測資料庫男性肘肩點下緣到座面的第95百分位數的距離,再加上椅面高度定義為76cm;而餘下之座椅規格也同樣根據該書與人體計測資料庫制訂。

1. 智慧型機器人輪椅座椅基本尺寸

項目

規格(cm)

頭枕長度

26

頭枕寬度

20

椅背長度

64

椅背寬度

40

椅面高度

49

椅面寬度

45

椅面深度

43

腳踏板與椅面距離

46

腳踏板高度

15

扶手高度

76

椅背與椅面夾角

100°

腳踏板與椅面夾角

40°

參考資料

Sanders, M. S., Human factor in engineering and design, McGraw-Hill, 1993.