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作者:翁啟軒、許博爾、張程皓、徐業良(2013-04-25);推薦:徐業良(2013-04-25)
附註: 本文發表於2013福祉科技與服務管理國際研討會暨大師級講座,元智大學,桃園,台灣,20130425

應用於電動輪椅之四軸史都華座椅調整機構友善操控策略

1.     研究背景與目的

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,而輪椅是最常見、最重要的行動輔具。輪椅座椅是使用者與輪椅之間最直接、也接觸最久的部分。常見的座椅調整機構主要為坐姿調整(如升降與傾角調整),缺少橫向移動的功能,使用者在輪椅與環境間進行轉位時會遇到困難,例如從輪椅至床鋪或馬桶時會因間隙造成不便。考量高齡者日常生活的座椅姿態變換需求,元智大學老人福祉科技研究中心採用自由度高、機構簡潔的史都華平台為座椅設計的基礎,發展有別於一般輪椅的座椅調整機構(如圖1所示),並配合感測器,開發智慧型座椅調整功能,滿足高齡者對於長期乘坐的座椅舒適度及起身、如廁、上床等轉位輔助的需求(許博爾等,2012)。

1. 四軸史都華座椅調整機構

如圖1所示,本設計配合座椅自由度需求將史都華平台的六軸簡化為四軸,並利用接點自由度設定與其中一支線性致動器(Actuator 3)不同的角度配置,將座椅限制在穩定的狀態。控制四支線性致動器的長度變化,即可達成升降、傾角調整以及平移轉位輔助之需求。然而座椅調整機構動作必須平穩、安全、操作簡單,本文目的即在探討四軸史都華座椅調整機構的友善控制策略。

2.     研究方法

四軸史都華座椅調整機構友善操控設計所要達成的目標如下:

Ÿ   操作簡單:有別於史都華機構須先輸入預期位置座標的數位控制方式,本座椅調整機構使用類比式按鍵,操作方式更為人性且直覺,使用者可以隨時啟動、停止、或進行微調。

Ÿ   機構平穩:本座椅調整機構在升降、傾角調整以及平移轉位等動作都必須保持平穩。在機構設計上,如圖1所示,升降、傾角調整時1234號致動器同步等速作動,平移轉位輔助時則因特殊配置的3號致動器角度不同,必須控制運動速率隨著伸長量不同改變以保持座椅平穩,另外三支則維持等速,線性致動器長度與時間之關係如圖2

2. 線性致動器長度與時間曲線圖

Ÿ   安全規則:在安全性的考量下,本座椅調整機構動作轉換訂定二組基本安全規則,包括座椅平移在外時不得進行升降與傾角調整、座椅傾斜時不得向外平移等,若有衝突時先將座椅回歸至中線或水平再進行預期動作。此外,座椅調整機構利用線性致動器本身的長度限制作為極限設定,平移時因 3號致動器的作動方向與另外三支不同會首先到達極限位置,但其餘三支仍可繼續作動將導致座椅呈非水平狀態,因此設定當3號致動器接近垂直時即鎖定平移動作。安全規則之程式流程如圖3所示。

3. 控制程式流程圖

3.     結果與討論

四軸史都華座椅調整機構不僅結構簡潔,其升降、傾角調整與平移轉位輔助功能提供高齡者日常生活中常見之困難的協助,其座椅的高度改變範圍約370mm490mm、傾角調整範圍約正22度至負15度、平移範圍最大時約140mm。四軸史都華座椅調整機構利用硬體的特殊配置與軟體的控制來達成平穩、安全、操作簡單之需求,利用類比式按鍵讓使用者簡單的操控,並針對特殊配置的3號線性致動器作速率控制以及動作轉換規則與座椅極限設定,確保作椅調整機構在動態時的穩定性與安全性。

4.     參考資料

1.      許博爾,徐業良,張程皓,翁啟軒,曾吉宏(2012)四軸史都華平台應用於輪椅座椅多自由度調整機構設計。福祉科技與服務管理學刊, Vol. 1, No. 1, pp. 125-132, 2012/12.

2.      Hsu, P. E., Hsu, Y. L, Lu, J. M., Chang, C. H., “Seat adjustment design of the intelligent robotic wheelchair based on the Stewart platform,” International Journal of Advanced Robotic Systems, Vol. 10, 168., 2013/01.