//Logo Image
作者:涂超恒(2010-08-25);推薦:徐業良(2010-08-26)
附註:本文為九十八學年度元智大學機械工程研究所涂超恒碩士論文「智慧型機器人輪椅之史都華平台座椅機構設計研究背景與目的」第一章。

第一章 智慧型機器人輪椅之史都華平台座椅機構設計研究背景與目的

1.1    輪椅是重要的高齡者行動輔具

高齡化社會是目前許多國家所面臨的問題。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,成為身心障礙者的族群,儘管老化和身心障礙的意義與定義並不相同,但是高齡者在晚年生活所面臨的不只是身體機能衰退,對於面對外在危險的自我保護能力與身體回復能力,也會大幅下降。從數據中顯現出老化導致身心障礙的趨勢已經相當明顯,圖1-1為內政部統計處發佈歷年身心障礙者人數統計,民國九十八年底國內身心障礙者約107萬人中,年齡在65歲以上者達37.01%。圖1-2為內政部統計處發佈民國九十八年底身心障礙者人數結構按障礙類別分,65歲以上之身心障礙者則以肢體障礙者占39.19%最多、聽覺機能障礙者占18.31%次之,而肢體障礙者大多又以下肢障礙者居多。

1-1. 歷年身心障礙者人數統計【行政院內政部統計處,九十八年底列冊身心障礙者人數統計,2010年】

1-2. 身心障礙者人數結構按障礙類別分【行政院內政部統計處,九十八年底列冊身心障礙者人數統計,2010年】

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,而輪椅則是最常見、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如圖1-3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。

1-3. 安養院中的高齡者常以輪椅為生活與行動的核心(怡德養護中心提供)

1.2    輪椅座椅調整機構設計

對於長時間使用輪椅的使用者來說,輪椅除了移動輔助功能外,座椅調整機構如何能提供不同使用者最舒適的乘坐姿勢,並提供使用者上床、如廁之轉位輔助(transfer assist)姿勢調整,也是設計上重要問題。

輪椅方面之設計、研究、與專利技術十分豐富,然而在輪椅座椅機構設計上反而著墨不多。搜尋國內輪椅相關專利,大部分公司的研發內容為輪椅的硬體結構如坐墊、遮陽棚、輪圈、煞車結構等之設計,主要重點為拆卸和組裝方便、輕量化等;電動輪椅座椅機構調整功能設計較多,著重在椅背和腳靠的調整,例如調整腳靠而達到腿部位置改變,也有部分設計是改變座墊角度或位置,達到協助使用者姿態變化之功能,如協助站立。國內公司在電動輪椅座椅機構變化功能的開發大致整理如下:

Ÿ   康揚股份有限公司電動輪椅座椅機構調整功能,主要協助使用者姿勢變換之功能,以調整椅背與座墊讓使用者呈挺仰之姿態,座墊可電動微調仰躺38度,椅背可電動調整呈後躺至122度,可依個人舒適度做調整,分散使用者的臀部與背部之承重壓力,降低不適或褥瘡發生等情況。

Ÿ   龍熒企業股份有限公司電動輪椅座椅機構調整功能,主要是調整椅背角度之功能,此外在電動輪椅開發上還有站立式輪椅,協助使用者呈站立姿勢,讓使用者不致因長期坐於輪椅上而下肢關節攣縮或者產生壓瘡,協助站立訓練,重建站姿之能力。

Ÿ   必翔實業股份有限公司電動輪椅座椅機構調整功能,主要是提供使用者調整輪椅座墊垂直高度之功能,可依個人需求做調整。

Ÿ   向捷工業股份有限公司電動輪椅座椅機構調整功能,主要在調整座墊角度和伸縮腳踏板之功能,依個人需求做調整。

Ÿ   財團法人鞋類暨運動休閒科技研發中心在電動輪椅座椅機構發展,則有方便使用者轉位與移乘之功能,座椅可降低至距離地面20公分高度,方便使用者轉位,以及調整輪椅座椅高度之功能。

綜合國內電動座椅調整機構的研發,大部分集中於輪椅乘坐姿勢變化,例如椅背、腳靠調整,提供使用者可後躺,座墊調整則是注重在高度調整,還有椅背與座墊配合所提供之協助使用者起身功能,但如上床、如廁之轉位輔助姿勢調整功能則較缺乏輪椅使用者要從輪椅到上床的過程是很困難的,即使輪椅已經很靠近床邊,也有可能因為床邊與輪椅之間尚有些許空隙更加增加其困難程度。轉位輔助需要座墊同時作高度和左右橫移調整,座椅調整機構設計十分複雜,此外,使用者在姿態變化時必須考慮重心問題,整體重心有可能會超出輪子而造成輪椅有翻轉的危險,因此在結構與機構的設計相對是困難的[Hsu, M.H. et al., 2009]

1.3    研究目的

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,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。近年來輪椅的研究方向上也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。

本研究是元智大學老人福祉科技研究中心「智慧型機器人輪椅(intelligent robotic wheelchair, iRW」開發計畫的一部份。如圖1-4所示,iRW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,iRW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)。本研究主要目的即是開發iRW之座椅機構及其控制系統。

 

1-4. 智慧型機器人輪椅設計概念

iRW座椅機構主要需求是可作多自由度調整,期望提供iRW一個舒適的座椅,可根據使用者的意願作各種舒適姿態之調整,並提供起身輔助、協助如廁、協助上床等轉位輔助功能,此外結構輕量化亦是重要考慮。在此需求下,本研究採用史都華平台(Stewart platform)為基本設計概念,開發智慧型機器人輪椅之平台座椅機構及其控制系統。史都華平台是一結構剛性高、多自由度之工作平台,可同時作高度和左右橫移調整,其致動器同時也是結構件,符合智慧型機器人輪椅座椅機構轉位輔助多自由度調整功能及結構輕量化之設計需求,在輪椅座椅調整機構設計上是一創新之構想。

本論文第二章將敘述史都華平台工作原理,並以史都華平台為概念應用於座椅調整機構的初步設計;第三章則進行史都華平台控制器基本技術建立,特別是利用同步控制概念來解決史都華平台在作動過程中易發生不平順的問題,並實際設計及製作一套史都華平台進行測試;第四章考量iRW座椅機構所需之自由度,發展出四軸史都華平台座椅機構,實際建置一四軸史都華平台座椅機構實體原型,並討論座椅機構線性致動器之控制策略,以及具體達成方式;第五章為本研究之結論,敘述本研究四軸史都華平台座椅機構原型的初步測試結果,探討四軸史都華平台座椅機構的可行性,最後討論未來發展。

參考資料

[1]       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.

[2]       Hsu, M.H., Chen, H.Y., Liu, J.Y., Chen, C.L., 2009. "Dual-Purpose Wheelchair Mechanism Designs" International MultiConference of Engineers and Computer Scientists 2009., Vol. 2.

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

[4]       行政院內政部統計處,九十八年底列冊身心障礙者人數統計2010年。

[5]       康揚輔具http://www.karma.com.tw/index.asp

[6]       龍熒http://www.comfort.com.tw/

[7]       必翔實業http://www.pihsiang.com.tw/

[8]       向捷工業http://www.pro-walker.com.tw/

[9]       財團法人鞋類暨運動休閒科技研發中心http://www.bestmotion.com/frthome.asp