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作者:許博爾(2012-10-30);推薦:徐業良(2012-10-30)

使用者需求與電動助動輪椅關鍵技術設計需求報告

本文主要從提升使用者「行動能力(mobility)」的角度,針對電動助動輪椅之相關專利與研究文獻進行資料蒐集與歸納,期望在工業技術研究院所開發之輪轂馬達於電動助推輪椅的應用中,協助定義電動助動輪椅的關鍵技術與提供創新功能規劃之方向。文中將首先以輪椅的實際使用狀況,歸納與提升行動能力相關的輪椅使用特性與問題,之後由電動輪椅與馬達於輪椅之應用進行專利檢索與分析,了解目前產業實際的技術發展及電動助動輪椅的開發狀況,接著再與研究文獻進行比對,配合目前台灣輪椅相關產業現況,提出可能的關鍵技術設計及功能規劃方向。

1.       輪椅使用情況與相關需求

行動能力是人享有高品質生活最基本的一項需求,但其受到健康與身體機能狀況的影響而有變化。當人面對身心障礙或身體機能衰退時,常使用行動能力輔助科技(mobility assistive technology, MAT),如拐杖、助行器、手動輪椅(manual wheelchair, MWC)、電動輪椅(power wheelchair, PWC)、電動代步車(scooter)等,協助提升自身的行動能力,輪椅是最常見、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。

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。內政部統計處發佈2010年底台灣地區各年齡層身心障礙人口數(領有身心障礙手冊者),及占該年齡層之人口比例(即「身心障礙率」)。2010年底國內身心障礙者約108萬人中,年齡在65歲以上者達36.52%,而以身心障礙率來看,0~14歲組每百人有1.05人為身心障礙者,隨年齡逐漸上升至15~64歲組每百人有3.71人為身心障礙者,到65歲以上大幅增加為每百人有15.72人為身心障礙者。國內身心障礙者總數在20076月底即已突破一百萬人,身心障礙人數仍持續快速增加(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。下肢行動障礙是高齡者常見的障礙類型之一,根據美國國民健康訪問暨殘疾調查(National Health Interview Survey on Disability, NHIS-D)19941995年的資料顯示,65歲以上的高齡者約有90萬人使用輪椅(占總高齡者人口的19%);美國國家衛生統計中心(National Center for Health Statistics, NCHS)2004年美國境內的統計,手動輪椅的使用者約有57.5%為高齡者。雖然兩者的統計數據為多年以前,但同樣顯示高齡者為重要的輪椅(或手動輪椅)使用者族群

1是整理各項文獻針對輪椅的實際使用情形之評估結果。由該表可以得知,輪椅使用者每天乘坐輪椅的平均時間約為8.3~10.8小時,甚至更久;同時使用者操作輪椅進行移動的速度較一般人走路的速度(約為1.3 m/s)為慢,手動輪椅為0.44~0.64 m/s、電動輪椅為0.7 m/s。近年許多研究更利用連續的移動時間與距離等參數進行輪椅移動特性的描繪,發現使用者在操作輪椅移動是以短時間、短距離、與不連續的模式使用輪椅,手動輪椅最長的移動時間約為2.5~2.9分鐘,距離為182.2~215.6公尺;電動輪椅最長的移動時間則略長,約為4.2分鐘,距離為344.1公尺,其中Sonenblum[2008; 2012]等人將符合(1)移動時間至少持續5秒;(2)移動速度大於等於0.12 m/s(3)15秒內的移動範圍不長於0.75公尺等三項條件的輪椅移動模式,定義為“mobility bouts”以說明輪椅使用者的活動能力與可能的行為改變,依其評估的結果,手動輪椅每日約有90次的“mobility bouts”,電動輪椅則有110次;使用的環境以居家為主。

1. 輪椅使用情形

研究文獻

Cooper

et al. [2002]

Fitzgerald

et al. [2003]

Tolerico

et al. [2007]

Karmarkar et al. [2011]

Sonenblum et al.[2008; 2012]

評估人數

17

7

52

26 / 13

(MWC / PWC)

25 / 28

(PWC / MWC)

年齡分布

 

 

46.80 ± 13.30

62.50 ± 5.70/

66.90 ± 7.50

(MWC / PWC)

Median:

43 / 34.50

(PWC / MWC)

評估期間

(days)

5

28

13

30

14 / 7~14

(PWC/MWC)

使用時間 (hours/day)

20

 

8.30 ± 3.30

 

10.80 /

10.50 ± 5.20

(PWC/MWC)

速度(m/s)

0.30

0.44 ± 0.09

0.79 ± 0.19

0.64 ± 0.13 /

0.70 ± 0.30

(MWC / PWC)

0.48

(MWC)

最長連續行駛時間(min)

 

 

2.90 ± 1.40

2.50 ± 1.90 /

4.20 ± 2.80

(MWC / PWC)

 

最長連續行駛距離(m)

 

 

215.60 ± 119.80

182.20 ± 190.40 / 344.10 ± 324.90

(MWC / PWC)

 

備註

PWC / Indoor

MWC / Indoor

MWC / Indoor

Indoor

Mobility bouts / Indoor and outdoor

雖然輪椅是使用最為普遍的行動能力輔具,但使用者實際操作時,仍有許多的問題。加拿大統計中心於2000~2001年針對輪椅的使用情況調查報告[Shields, 2004]中指出,12~64歲的輪椅使用者有44%需要協助才能在家中環境中移動,而65~84歲的使用者則有59%需要協助,而84歲以上更有76%的輪椅使用者需要他人幫忙;其中女性輪椅使用者需要協助的比例高於男性,且兩者的差距隨著年齡增加有顯著減少的趨勢,在12~64歲的女性比例為58%、男性為32%65~84歲的女性為63%、男性為50%,而84歲以上的女性比例則為77%、男性則為73%。輪椅在實際使用上的問題普遍可分為可及性(accessibility)與操作性(maneuverability)問題兩類。約有三分之一的美國輪椅使用者有可及性相關的問題[Kaye et al., 2000],例如通道與門框過於狹窄、操作空間(如浴室、廚房、或臥室等)不足、環境中具有障礙物等;而操作性的部分,除關係到輪椅的設計,如輪椅過重導致無法推動、操作介面過於複雜、輪椅體積過於龐大[Berry et al., 1996; Meyers et al., 2002; Chaves et al., 2004]等問題外,使用者自身的身體機能狀況也影響輪椅的操作,如上肢力量不足、運動控制和認知能力的退化等,也同樣增加輪椅上使用的困難。

Koontz等人[2010]109位手動輪椅、89位電動輪椅、與15位電動代步車使用者,以四種常見的移動方式(包含有“L-turn”“U-turn with a barrier”“U-turn”“360°-turn”)分析各種輪椅所需的操作空間,結果顯示手動輪椅需要的操作空間明顯較其他二者為小,而後輪輪軸位於使用者肩膀後的輕量手動輪椅又為手動輪椅中所需空間最小者。雖然手動輪椅具有操作空間小的優點,能夠在較為狹小的環境中使用,但Ganesh [2007]等人評估99位手動輪椅使用者(平均年齡為65.68±12.90)後發現有61%的使用者對於自行推動手動輪椅有困難,同時許多其他的研究也指出手動輪椅的操作顯著地受使用者上肢力量、操作疲勞等身體機能的影響,並容易使得肩膀、手腕、與手臂等上肢部位疼痛,長期使用將造成肢體二次損傷[Cooper et al., 2001; 2002; Algood et al., 2004; 2005; Ikeda, 2010; Kloosterman et al., 2012; Arnet et al., 2012]

當使用者上肢力量不足以自行推動輪椅時,使用電動輪椅是一個可能的解決方案,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,同時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,這種操控方式的困難度仍然相當高。Fehr等人[3]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滿足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達成。這項調查發現,使用電動輪椅的重度障礙者常因視力、肌力與運動能力受損,無法順利操作電動輪椅;而除了生理能力的因素外,Young [2003]Hardy [2004]等人也分別指出當輪椅使用者的認知能力退化,電動輪椅的操作安全性即必須審慎評估,避免發生撞擊、傾覆等危險。

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。

大部分的機器人輪椅在硬體機構設計上著墨不多,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發展機器人輪椅導航、避障等自主行為能力,以及人與機器人輪椅之間的人機協同控制模式為兩項主要研究議題,可視為電動輪椅的進一步發展。但由於機器人輪椅的商品依舊不多,仍有使用者接受度與安全性的考量,因此有另一項研究領域針對使用上較為普及的手動輪椅進行操作性之改善,其利用馬達動力來輔助手動輪椅使用者自行推動輪椅,藉由提高使用者操作的方便性、降低操作的疲勞程度及上肢肌群的負擔,以增加使用者的行動能力促進其生活品質的提升。

早在1993年時,任職於Staodyn公司的Ahsing等人即以「電動助動輪椅」的設計取得美國專利(U.S. Patent 5,234,066 “Power-assisted wheelchair”),其利用力矩感測器(torque sensor)與方向感測器(directional sensor),偵測使用者於手扶圈(rim)的出力後,經由左右兩組馬達的驅動以輔助使用者自行推動手動輪椅,在此之後,Cooper等人於2001年發表了更進一步的電動助動輪椅設計,透過馬達控制的演算方法提升使用者於電動助動輪椅的使用滿意度。

目前電動助動輪椅已成功商品化,如YAMAHA公司的JWIISunrise公司的Quickie Xtender、與Ulrich Alber公司的E-motion等(如圖1),但售價皆超過台幣100,000元。配合工業技術研究院所研發之輪轂馬達於電動助動輪椅的應用,以下將從電動助動輪椅相關專利與文獻的角度,嘗試歸納相關資料中的欲解決問題(task)及對應的技術手段(method),協助工業技術研究院於電動助動輪椅開發過程中,對關鍵技術及設計參數之定義與創新功能規劃,以增加相關產業對於電動助動輪椅商品之投入,達到降低其售價與擴大市場,滿足使用者對於行動能力的需求。

1. 電動助動輪椅商品

2.       電動輪椅以及馬達於輪椅之應用技術專利檢索與分析

由於電動助動輪椅仍屬於電動輪椅的範疇,因此本節將先以電動輪椅以及馬達於輪椅之應用為標的,針對相關的應用與發展進行美國的專利檢索與分析,藉此完整了解整個輪椅產業的技術發展概況,同時找尋可能的功能應用,規劃電動助動輪椅之創新功能。以美國專利資料庫(United States Patent and Trademark Office, USPTO)作為優先檢索的地區,主要是著眼於美國市場需求性高、技術較為先進,並且USPTO為全球專利資料收納最為完整的資料庫,藉由此區專利資料的檢索與研究,可使本專利分析成果同時掌握廣度與深度、即時性、與發展性。

“wheelchair”“electric”“power”“motor”等詞彙為關鍵字,在摘要(Abstract)、習知技術與發明概要(SPEC)、與國際專利分類碼(ICL)中檢索,檢索日期從1976年至2012712日。由於各國專利權人所申請之專利多在美國有對應之專利,因此初步檢索範圍限制在USPTO中已公告的專利,表2總結此次專利檢索之背景設定。經人工篩選,得到電動輪椅以及馬達於輪椅之相關技術的美國公告專利共計637件,後續分析皆以已確認之美國公告專利為分析範圍,並針對此637件電動輪椅技術之美國公告專利製作專利管理圖表,詳細內容請參閱附件1,本節僅摘錄相關重要資訊。

2. 美國專利檢索背景設定

搜尋公司

不限

搜尋地區

美國

搜尋年份

1976年至2012712

搜尋欄位

專利摘要(Abstract)、習知技術與發明概要(SPEC)、國際專利分類碼(ICL)

搜尋語言

英文

資料庫名稱

USPTO專利資料庫

關鍵字

“wheelchair”“electric”“power”“motor”

檢索語法

ICL/A61$ AND ABST/((power$ OR electric$) OR motor) AND wheelchair

2.1  專利技術生命週期

3為電動輪椅技術專利之技術生命週期圖(以三年為計算單位),電動輪椅以及馬達於輪椅之相關技術在2000年到2003年達到發展的顛峰期,隨後專利權人數與專利件數都隨時間遞減。比對圖3與圖2可以推論,目前電動輪椅以及馬達於輪椅之相關技術已完成一個生命週期的循環,後續是否有新的技術以進入另一個新的生命週期循環仍須加以觀察

2. 技術生命週期圖

2.2   專利權人(公司)相對研發能力分析

3為電動輪椅以及馬達於輪椅之相關技術競爭公司相對研發能力值比較表。相對研發能力值最高第一名為美國的Invacare Corporation,設定其相對研發能力值為100%,其次為Yamaha Hatsudoki Kabushiki Kaisha,其相對研發能力值為25%

3. 競爭公司相對研發能力比較表(前五名)

公司名稱

相對研發能力值百分比(%)

Invacare Corporation

100

Yamaha Hatsudoki Kabushiki Kaisha

25

Pride Mobility Products Corporation

23

Everest & Jennings, Inc.

21

The Spastics Society

18

2.3   IPCUPC專利分類分析

4列出電動輪椅以及馬達於輪椅之相關技術專利五階IPC分析前五名的技術分類及內容,可以得知A61G005/00A61G005/04A61G005/10A61G003/00、與A61G003/06等五項分類為電動輪椅技術專利的重點領域,其中又以A61G005/00「診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」專利件次最多。

4. 五階IPC分析前五名的技術分類及內容

IPC分類

技術分類意義

專利件次

A61G005/00

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

338

A61G005/04

馬達驅動者

227

A61G005/10

部件、零件或配件

121

A61G003/00

車輛之救護方面;車輛具有運輸病人或殘障人士,或其專用運輸工具的專用設備,例如便於輪椅出入用的或裝載用的

101

A61G003/06

用坡道、升降機或類似用具搬運

65

5列出二階UPC分析前五名的技術分類及內容,可以得知配有馬達,並以馬達驅動的輪椅、有座椅輔助無行為能力者的載具、以電動馬達驅動的載具、能讓身心障礙人士行動的載具、與以手來驅動的有座椅載具等五項技術分類,為電動輪椅以及馬達於輪椅之相關技術專利的重點領域

5. UPC二階分類及內容

UPC分類

技術分類意義

專利件次

180/907

配有馬達,並以馬達驅動的輪椅

167

280/250.1

有座椅輔助無行為能力者的載具

79

180/065.1

以電動馬達驅動的載具

74

414/921

能讓身心障礙人士行動的載具

72

280/304.1

以手來驅動的有座椅載具

68

經由上述的技術分類分析結果,雖然UPC技術分類屬於輪椅或以馬達驅動的輔具,內容較為概略,但IPC技術分類的內容顯示,零件或配件與輪椅相關裝載、出入用等相關輪椅的部件占大部份的發展,為前五名IPC技術分類之33%

2.4   重要引證專利分析

6為電動輪椅以及馬達於輪椅之相關技術專利交互引證前5名之列表。由表6可以發現由Ahsing [1993]等人所取得之最早關於電動助動輪椅的源頭專利US Patent 5,234,066,也同為重要引證專利,顯示在專利技術發展中,電動助動輪椅的開發早為重要的技術開發領域之一

經由專利引證率分析,圖3為專利引用族譜圖(以專利為節點,引用關係為箭號)。在此說明圖3的引用關係圖並不完全,因其數量龐大,所以又以每一個引用群組中,被引證率較高之專利做為代表。完整的族譜圖包含了62件專利,佔全部專利(637件)的9.7%。從圖3可以觀察出該族譜圖具有某些特性,說明如下:

(1)     技術相依性

由圖3可發現,從前5名被引用率最高的專利出發,可以發現各專利間(節點與節點間),能夠找到至少一個或一組箭號所聯集而成的箭頭組,也就是說這些電動輪椅以及馬達於輪椅之相關技術專利間具有相當程度的相依性。

(2)     技術群聚性

電動輪椅以及馬達於輪椅之相關技術專利之間除具有相當程度的相依性外,仍可以由圖3觀察到某些專利具有源頭性,如U.S. Patent 4,634,941U.S. Patent 5,575,348、與U.S. Patent 4,513,832。同時因這些源頭專利所帶領之引證專利有多數重疊,因此將該3件源頭專利所包含的3群專利引用網路分為3群專利數目不同、技術相近、與架構近似之技術群聚。

6. 專利交互引證前五名

專利號

交互引證數

專利名稱

申請日

公告日

US 5,435,404

25

Powered mobility chair for individual

1994/08/02

1995/07/25

US 4,634,941

20

Electric wheelchair with improved control circuit

1985/04/10

1987/01/06

US 5,234,066

20

Power-assisted wheelchair

1990/11/13

1993/08/10

US 4,513,832

17

Wheeled chassis

1983/05/03

1985/04/30

US 5,575,348

16

Powered wheelchair with adjustable center of gravity and independent suspension

1994/04/15

1996/11/19

3. 重要引證專利族譜圖

透過重要引證專利族譜圖,發現電動助動輪椅的源頭專利US Patent 5,234,066屬於技術群聚C,而該群聚的源頭專利為U.S. Patent 4,634,941,其揭露了一種電動輪椅的電路設計,使用馬達電壓及電流訊號回授的方式,以控制電動輪椅。當使用者撥動操縱桿時,會產生一個速度和一個方向的信號給控制左右輪速度與方向的電位計,進而給予合適的電源輸入以推動左右輪的驅動馬達。

基於此控制方法之群聚,US Patent 5,234,066利用手扶圈上裝設扭矩感測器(torque sensor)與方向感測器(directional sensor),取代傳統撥桿(或搖桿),進行電動助動輪椅的控制架構發展,如圖4。同時,有別於一般電動輪椅,其將馬達驅動模組設計為可拆卸式模組,將其拆卸後就可以方便輪椅收折,使其易於攜帶外出(如圖5)。

4. U.S. Patent 5,234,066之控制架構

5. U.S. Patent 5,234,066之助動模組機構

3.       電動助輪椅之專利檢索與技術功效矩陣表

延續上節美國專利檢索結果,加入關鍵字“assist”及其變化形進行限縮,獲得電動助動輪椅相關專利共計20件,再以該群專利個別之專利家族進行擴充,最後總共獲得25件專利。除美國專利資料外,以相同的檢索語法於歐洲專利資料庫EPO-Espacenet進行檢索、篩選,總共獲得19件電動助動輪椅相關專利;而台灣電動助動輪椅的相關專利則以3組關鍵字於中華民國專利資訊檢索系統中的各別欄位,取其交集進行專利檢索,此3組關鍵字與其欄位分別為(1)“載具”、“輪椅”、“輔具”於所有欄位;(2)“輔具”於所有欄位;(3)“馬達”、“動力”於摘要及保護範圍,經由檢索、篩選,共獲得19件專利。

7為美國、歐洲、與台灣之電動助動輪椅專利技術功效矩陣表。該表是以各專利之保護範圍(claim)欄位作為技術發展依據,描述(description)欄位中的相關資料歸納可能達成之功效,完成專利技術功效矩陣表分類。電動助動輪椅於美國的主要發展公司為Yamaha Hatsudoki Kabushiki Kaisha公司,共有8件專利,之後為Sanyo Electric Co., Ltd.公司與Nabco, Ltd.公司,兩者同為2件專利;歐洲主要發展公司則為Ulrich Alber GmbHYamaha Hatsudoki Kabushiki Kaisha公司,分別共有7件專利;台灣主要的發展公司是三洋電機股份有限公司(Sanyo Electric Co., Ltd.)與財團法人自行車暨健康科技工業研究發展中心,兩者同為5件專利。各專利詳細內容,請見附件2

檢視電動助動輪椅美國專利技術的發展,大部分技術開發集中於硬體系統架構及各硬體元件之關係,並融入簡單的控制架構;而完全針對於控制架構與方法的發展則較少。在硬體架構中,其包含的元件除驅動元件/機構(含馬達)、車架、與電池外,也包含壓力、扭力、扭矩、速度、電位計(potentiometer)各類型感測參數(器);控制架構上,僅有US Patent 6,840,340針對減速時的控制方法進行發展,其他4件專利(US Patent 6,230,831US Patent 6,302,226US Patent 6,354,390US Patent 6,459,962)則與使用者的操作控制流程相關。電動助動輪椅歐洲專利技術的發展相較於美國,則較偏重於助動輪椅的控制方法,僅少部分針對馬達結構進行設計。控制方法從相對於使用者施力的輔助力、防止回滾(anti-rollback)、至整體的架構,皆有所涵蓋,同時其使用的感測器集中於扭力、扭矩、或電位計,並納入使用者操作分析模型(user analysis-operating mode)作為輔助時的判斷依據。台灣專利技術的發展則以偵測手扶圈受力與位移的感測器機構相關為主,硬體系統架構、馬達安裝機構、與控制方法等也有少部分發展。綜合上述技術發展,達成的功效包含有輔助力量及其介入時機、安裝簡單、操作簡化、機構簡單等。


7. 美國、歐洲、與台灣之電動助動輪椅專利技術功效矩陣表

 

輔助力大小

輔助力介入時機

操作簡化

機構簡單

重量輕

容易製造

速度

馬達出力

速度

馬達出力

馬達種類

輪轂馬達

 

 

5818189587882959274146112837EP0756856

EP0776647

EP0790049

EP0832632

58181896112837EP0790049EP0832632I306399M249637I291347

EP1737693I306399M249637M302359

649427868631417383904EP0945113EP1737693I291347

M249637590947581736

7383904I291347

一般馬達

 

 

44225155771988

6003627EP1972314

I301757555554

5234066601502160926156003627EP0891923

4125169M367000I244917

M367000I244917

M367000I301757I244917

 

感測器種類

壓力/扭力/扭矩

635439064599626494278680746568631417204328EP2206640EP0945112364844336169

630222664942786863141EP0687454EP0965828EP0879757

72043285818189587882959274146112837EP0756856

EP0776647EP0790049EP0832632EP0771721EP1972314M278389364844

630222663543906459962680746568403407383904523406640505335818189601502160926156112837EP0687454EP2206640EP0945112EP0790049EP0832632EP0879757EP0891923I306399M249637I291347535583

364844336169

 

 

 

 

位置

 

 

3961318

 

 

 

 

 

電流

6230831EP0925771555554

 

 

 

6230831EP0925771

 

 

 

壓力

372869

372869

372869

372869

 

 

 

 

Magnetostriction      磁性變化

 

6910543

M257184

6910543540371

 

 

 

 

馬達安裝方式

快拆/易拆裝

 

 

 

 

EP1737693I244917

649427868631416059060EP0945113EP1737693I244917

64942786863141EP0945113I244917I301757

 

部分機構置於驅動輪

 

 

5771988

I306399I291347

581818958788296112837EP0776647EP0790049EP0832632M249637

623083163022266354390691054373839045234066EP0687454EP0925771EP0945112EP1092407M249637I291347540371

69105435927414EP0756856M249637590947581736

73839045878829EP0776647I291347540371

機構置於車架

 

 

4422515

4050533

4125169

7204328M367000

7204328M367000I301757

 

 


4.       電動助動輪椅之研究趨勢

在對目前產業在電動助動輪椅的專利技術進行彙整後,發現許多技術細節及使用者需求並未有完整的揭露,因此本節針對學術領域於電動助動輪椅的研究現況進行文獻搜尋,以對技術細節與使用者需求有更為清晰的理解,便於規劃後續針對電動助推輪椅及創新功能開發的設計參數及方向。

“wheelchair”“power assist”為關鍵字,於Scopus資料庫中的標題(title)、摘要(abstract)、關鍵字(keywords)欄位中,搜尋正式文獻(article)與回顧文獻(review),共計54篇,剔除無法下載全文、非電動助動輪椅相關文獻後,最後共獲得26篇文獻。經過初步篩選,將該群文獻分為評估測試與技術研究兩類,如表8

從整體的評估測試結果,使用者操作電動助動輪椅與手動輪椅情況並無明顯的差異,但在能量消耗、肌肉活動範圍等方面,則有顯著下降的情況,顯示電動助動輪椅確實能夠顯著的改善手動輪椅易受使用者上肢力量、操作疲勞等身體機能影響的操作性問題。技術研究的發展是針對電動助動輪椅的控制演算法進行發展,而少有硬體、機構等的研究,如在減速、上下坡、啟動、傾斜等各種使用情況下,配合扭力、力矩等與手扶圈受力相關的感測器,開發助動輪椅控制演算法。

8. 電動助動輪椅之評估測試與技術研究文獻

評估測試

作者

發表年份

文獻名稱

Kloosterman et al.

2012

Comparison of shoulder load during power-assisted and purely hand-rim wheelchair propulsion

Lighthall-Haubert et al.

2009

Comparison of shoulder muscle electromyographic activity during standard manual wheelchair and push-rim activated power assisted wheelchair propulsion in persons with complete tetraplegia

Nash et al.

2008

Power-assisted wheels ease energy costs and perceptual responses to wheelchair propulsion in persons with shoulder pain and spinal cord injury

Karmarkar et al.

2008

Evaluation of pushrim-activated power-assisted wheelchairs using ANSI/RESNA standards

Algood et al.

2005

Effect of a pushrim-activated power-assist wheelchair on the functional capabilities of persons with tetraplegia

Algood et al.

2004

Impact of a pushrim-activated power-assisted wheelchair on the metabolic demands, stroke frequency, and range of motion among subjects with tetraplegia

Levy et al.

2004

Variable-ratio pushrim-activated power-assist wheelchair eases wheeling over a variety of terrains for elders

Cooper et al.

2001

Evaluation of a pushrim-activated, power-assisted wheelchair

技術研究

作者

發表年份

文獻名稱

Shibata et al.

2012

Power-assist control of pushing task by repulsive compliance control in electric wheelchair

Seki et al.

2011

Disturbance road adaptive driving control of power-assisted wheelchair using fuzzy inference

Oonishi et al.

2010

A new control method for power-assisted wheelchair based on the surface myoelectric signal

Seki et al.

2009

Novel regenerative braking control of electric power-assisted wheelchair for safety downhill road driving

Oda et al.

2009

Power assist control of robotic wheelchair based on visual feedback

Tashiro et al.

2008

Step passage control of a power-assisted wheelchair for a caregiver

Miyata et al.

2008

v–φ-coordinate-based power-assist control of electric wheelchair for a caregiver

Sehoon et al.

2006

Integrated motion control of a wheelchair in the longitudinal, lateral, and pitch directions

Seki et al.

2006

Novel straight and circular road driving control of electric power assisted wheelchair based on fuzzy algorithm

Katsura et al

2004

Human cooperative wheelchair for haptic interaction based on dual compliance control

Cooper et al.

2002

Performance assessment of a pushrim-activated power-assisted wheelchair control system

Aoshima et al.

2002

One-hand drive-type power-assisted wheelchair

with a direction control device using pneumatic pressure

Kakimoto et al.

1997

Development of power-assisted attendant-propelled wheelchair

Abe1, E.

1991

An evaluation of different designs of providing powered propulsion for attendant propelled wheelchairs

評估測試相關的文獻從早期的以使用者能量消耗驗證電動助動輪椅之優點,逐漸轉變為針對電動助動輪椅於各上肢部位的生物力學改善狀況進行討論。透過評估測試的結果,能夠了解使用者於電動助動輪椅的使用情況,同時配合本文第一節的輪椅使用概況,將有助於建立電動助動輪椅的使用者操作模型,規劃貼近使用者操作習慣的助動輪椅控制演算法與硬體設計,提高使用者的滿意度;此外也能對於電動助動輪椅的相關測試規範及評估流程進行了解,增加商品價值。以下即針對部分文獻進行摘要,詳細內容請參閱附件3

Cooper等人是最早針對電動助推輪椅的使用情況進行評估的研究團隊,其在2001年即以耗氧量(oxygen consumption)、心率(heart rate)等參數,在三種情況的不同操作速度及負擔下,評估受測者的代謝能量消耗(metabolic energy consumption),說明電動助動輪椅在操作上的優勢,並開始以ANSI-RESNA標準進行輪椅硬體的疲勞強度(fatigue strength)、衝擊強度(impact strength)、靜態強度(strength)、最大速度(maximum speed)、加速(acceleration)、煞車效率(brake effectiveness)、與動態穩定性(dynamic stability)等的測試。

雖然依據電動助動輪椅與手動輪椅之評估測試結果,兩者在相同的操作目標、速度低於0.9 m/s、與操作負擔少於10 W的情況下,推動手扶圈的頻率、角度、與輪椅移動速度等,並無顯著性的差異[Kloosterman et al., 2012; Levy et al., 2004],但受測者皆明顯的認為電動助動輪椅較手動輪椅容易操作[Levy et al., 2004];若速度與操作負擔高於0.9 m/s10 W(或4%8%的推行阻力),則推動手扶圈的頻率即明顯下降[Algood et al., 2004; Lighthall-Haubert et al., 2009]。而依據Kloosterman [2012]等人針對操作電動助動輪椅的肩部生物力學相關評估測試結果(如表9)顯示,電動助動輪椅的手扶圈在水平(horizontal, Fx)與垂直(vertical forces, Fy)方向上的受力明顯較小,峰值分別為35.1 ± 8.0 N29.0 ± 9.0 N,同時整體手扶圈的受力、肩部的盂肱關節(glenohumeral)活動角度皆較手動輪椅為小。

9. 電動助動輪椅的肩部生物力學評估測試結果[Kloosterman et al., 2012]

Kinematic outcome measures

Mean ± SD without PA

Mean ± SD with PA

Wilcoxon

(test statistic / significance level / effect size)

Fx peak (N)

48.3 ± 9.4

35.1 ± 8.0

1 / .015* / .81

Fy peak (N)

44.8 ± 7.9

29.0 ± 9.0

0 / .008** / .89

Fz peak (N)

12.7 ± 10.4

9.4 ± 6.6

3 / .109 / .53

MZ peak (Nm)

12.5 ± 1.2

7.5 ± 0.7

0 /.008** / .89

Peak resultant force on the rim (N)

66.5 ± 11.8

47.8 ± 8.8

0 / .008** / .89

Timing of peak force (%)

53.6 ± 9.1

47.3 ± 6.0

0 /.008** / .89

Extension angle (°)

10.5 ± 5.4

15.2 ± 8.0

2 / .110 / .53

Abduction angle (°)

35.6 ± 6.0

33.1 ± 6.2

4 / .286 / .36

Rotation angle (°)

8.6 ± 9.9

1.6 ± 10.2

1 / .015* / .81

註:*P < .05; **P < .01

1991Abe1發展電動助推輪椅開始,至今Ulrich AlberYamaha、或Sunrise等公司的商品,馬達已從1組變為2組,但馬達的總出力仍舊維持在100 W160 W之間。與專利技術研發內容包含有感測器機構、硬體系統架構、與馬達安裝機構等硬體的相關設計不同,技術研究內容的核心是電動助動輪椅的控制演算法,其使用的感測器主要以扭力或扭矩相關及速度或加速度相關,並且影響電動助動輪椅的控制演算法,形成以扭矩(torque-based)和速度(velocity-based)為基礎的兩類控制架構。以下即針對研究目標進行摘要,詳細內容請參閱附件4

以速度為基礎的控制架構為近年發展的主流[Shibata et al., 2012; Miyata et al., 2008],而除了速度之外,也有研究以其他感測器作為輸入,如視覺[Oda et al., 2009]、肌電流(electromyogram, EMG)[Oonishi et al., 2010]等,或不外加感測器而以馬達本身擁有的參數進行控制[Katsura et al., 2004]

基於對使用者在操作安全性與使用性的考量,電動助動輪椅的控制演算法主要針對各項使用情況進行發展,包含有煞車/減速[Seki et al., 2009]、轉彎[Seki et al., 2006]、斜坡[Sehoon et al., 2006]、上坡及崎嶇路面[Seki et al., 2011]、單手的控制[Aoshima et al., 2002]、與門檻跨越[Tashiro et al., 2008]。以上的控制演算法測試平台,大部分是利用YAMAHA公司的JWII進行驗證,該產品除具有電動助動的功能外,也裝設有距離感測器,用以協助使用者進行障礙物閃避。

5.       電動助動輪椅關鍵技術設計建議

在針對電動助動輪椅關鍵技術進行設計建議前,以下將先就台灣輪椅相關產業的發展作一概略性的說明,使工業技術研究院所開發之輪轂馬達於電動助推輪椅的相關應用產品能夠更符合產業與使用者需求。

根據BBC Research2010年全球輪椅市場規模的統計報告中顯示,市場規模為37.5億美元,輪椅總數為86萬輛,又以標準型手動輪椅為最多,高達71.7萬輛,之後依序為電動輪椅(6.7萬輛)、電動代步車(6.5萬輛)、特製輪椅(1.1萬輛)。而電動助動輪椅仍屬於電動輪椅的範疇,若針對電動輪椅進行調查,2008年美國電動輪椅的市場規模為9.4億美元,以年複合成長率9.0%計算,2013年將達到14.92億美元的規模;而歐洲2008年的全年市場規模為1.58億美元,以3年複合成長率3.2%計算,2015年將達到1.97億美元。

雖然就統計及預估報告來說,目前市場商機龐大,但從財政部關稅總局的統計資料檢視近5年台灣輪椅輔具的相關產品出口總值(如圖6),2011年的年度出口總產值為1.8億美元,較2010年的1.9億美元減少約1千萬美元,成長幅度已逐漸趨緩、甚至有部分萎縮的現象,但仔細檢視相關的數據可以發現主要的衰退來自於電動輪椅(機動者)的下滑。配合出口數量的比較,發現傳統手動輪椅(非機械推動者)的平均產品單價從2008年的171.1美元遞減至2011年的136.6美元;電動輪椅近4年則維持756.4美元的平均單價;輪椅零部件(失能人士用車之零件及附件)的出口則維持穩定且小幅成長的趨勢。顯示使用者需求仍在的情況下,台灣輪椅產業中高單價的電動輪椅已受到中國大陸廠商的低價競爭策略衝擊,無法單以電動輪椅創造高額獲利。若從占輪椅使用族群多數的高齡者與高齡化社會來進行思考,輪椅市場的需求已經不同於以往,正在逐漸改變,產品的型態也應接受這項改變並有所回應,從使用者的角度及現有輪椅設計與製造之經驗,推出更為符合市場需求的產品。

6. 5年台灣輪椅輔具的相關產品出口總值

國內輪椅產業於硬體的設計及製造已有相當完整的零組件供應鏈,表10列出部分零組件供應鏈公司與輪椅整車及品牌公司,可作為電動助動輪椅關鍵技術開發完成後的技術移轉對象。目前國內輪椅的整車廠仍是以採購英國PG公司與美國Dynamic公司的「控制器」為主,必翔與光陽所開發的控制器以內銷為主,中國端子公司則是內、外銷皆有;而其他的零組件,如馬達、電池等,國內廠商則擁有相當成熟的產品。

10. 國內輪椅產業之供應鏈、整車及品牌公司

零組件名稱

廠商名稱

變速箱、鋁輪圈

朝揚實業、必翔實業、新恆公司等

馬達、馬達接頭

東元機電、新幃電機、興益電機、大億科技、碩陽電機等

控制器

必翔、光陽、中國端子、新盛力

輪椅整車及品牌公司

廠商名稱

電動代步車

龍熒、台灣維順、康揚、國睦、成光、光陽、光星骨科、必翔、比歐、力豹、建迪、隴億科技慶優工業德森科技基益自遊實地球村力宏

電動輪椅

國睦工業、龍熒企業、必翔實業、康揚、台灣維順、建迪、成光科技、力豹、比歐、光陽工業、光星骨科、台灣力母富宥科技尼塔國際愛力美漢翔航空工業千立足科技

由於目前電動輪椅以及馬達於輪椅的應用之專利技術已完成一個技術生命週期的循環,基於如何應用輪轂馬達於電動助動輪椅以開啟另一個生命週期循環的思考下,配合前述對於專利技術與文獻的歸納,現有以下幾點關鍵技術開發之建議:

(1)     電動助動輪椅控制演算法

控制演算法開發之建議是從輪轂馬達的特點出發,利用其可偵測轉速、扭力等參數,建立電動助推輪椅控制與硬體上的競爭門檻。

從文獻的歸納,使用者推動手扶圈的頻率及角度能夠定義其是否開始移動輪椅及是否達到期望的速度,同時根據使用者操作輪椅具有短時間、短距離、與不連續的特性,控制演算法能夠針對計算合適的馬達輔助力、加減速、與持續時間,降低系統複雜度與助推的功能。若仍有設計上的考量,需要外加感測器於手扶圈上進行使用者的施力情況判斷,則仍可利用輪轂馬達的特點,針對不同的操作情況,如上下坡、崎嶇路面等,進行控制演算法發展。

(2)     電動助動輪椅之控制器

由於國內目前開發控制器之廠商仍少,且集中於電動輪椅,同時國內輪椅相關零部件的出口產值穩定,藉由電動助動輪椅控制器的發展,除可切入輪椅零部件產業之市場,也能耕耘輪轂馬達控制器及其應用市場。

從專利佈局的角度,由於美國、歐洲、與台灣於電動助動輪椅控制器的相關專利不多,因此取得專利的機會相對較高,能夠取得策略型專利,形成自身的專利佈局。

(3)     電動助動輪椅驅動模組之硬體

除了控制演算法與控制器外,考量切入零部件或升級(改裝)市場,硬體設計上可針對驅動模組相關的機構及輪轂馬達進行創新設計,如馬達結構、驅動輪或驅動輪轂馬達之快拆結構等,增加產品市場與適用性,並降低產品單價。

由於美國與歐洲專利較偏向整體硬體架構與控制方法,台灣專利則較針對感測器相關的機構進行保護,以驅動模組之相關硬體的設計,能夠增加專利核准之機會,建立市場的差異性。

當電動助動輪椅相關技術開發完成後,可參考Karmarkar [2008]等人針對3種不同的電動助動輪椅市售產品,依據ANSI/RESNA標準進行測試。除了對於技術開發提出相關建議外,以下將對可能的專利佈局策略提供幾點參考:

(1)     以關鍵技術做為策略型專利,並以相關專利技術進行包繞,形成包繞式專利佈局

專利權擁有者想要保有競爭優勢,就應該避免讓競爭對手有迴避設計的機會,否則該專利就容易完全失去價值。如圖7所示,策略型專利是一個具有較大阻絕功效的專利,像是某特定商品領域所必須之技術,其特點為阻礙性高,要進行迴避設計必須投入大量研發資源,如電動助推輪椅之輪轂馬達設計、控制演算法等,皆能為策略型專利。而多個以策略型專利為應用的專利,則可形成完整的保護範圍,增加專利數量,提高交互授權談判的籌碼,降低對手以包繞式專利佈局阻滯自身發展之機會。

7. 控制演算法可能之包繞式專利佈局

(2)     組合式專利佈局

可以各種結構和方式來形成如網路般的組合式專利佈局,藉以強化技術保護的強度或成為談判有利的籌碼。包繞式專利佈局模式就是個可參酌的模式之ㄧ,以一個基礎型專利包繞幾個次要的應用專利,甚至以多個包繞式專利佈局來形成緊密的專利網路,阻絕競爭者研發方向。如將控制演算法、控制器、機構設計等的包繞式專利佈局加以組合(圖8)。

8. 電動助動輪椅可能之組合式專利佈局