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「世大智科/天才家居」-我們創業囉
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作者:張程皓 (2014-07-17);推薦:徐業良(2015-12-11)

附註:本文為102學年度元智大學機械工程研究所張程皓碩士論文「結合行動裝置之全向移動電動輪椅控制器開發」第一章。

第一章     研究背景與目的

行動能力(mobility)是高齡者享有高品質的晚年生活,最基本的需求之一;下肢行動障礙是高齡者常見的障礙類型,行動輔具是最常使用的輔具之ㄧ。

本章首先由「行動能力輔助科技(mobility assistive technology, MAT)」出發,進而討論高齡者使用輪椅或電動輪椅可能遇到的問題,並提出四輪全向移動載具的設計,以及智慧型行動裝置與電動輪椅控制器整合的需求。最後本章提出本研究之目的,和結合行動裝置之室內全向移動電動輪椅控制器之設計概念。

1.1    行動能力輔具科技-從拐杖到電動輪椅

高齡化社會現象在全世界都是越來越嚴重的問題。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」,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。根據內政部統計處發佈2012年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」),到2012年底國內身心障礙者達112萬人,其中年齡在65歲以上者增加了39.3%,為近10年來人數增加最多的年齡組群。而以身心障礙率來看,0~12歲身心障礙比率為1.18%12~18歲為1.75%18~65歲為3.94%65歲以上則達15.82%,而根據聯合國2012年的調查,全球有將近6.5億的人口擁有行動不便的問題,佔全球人口10%

行動不便者常經由「行動能力輔助科技(mobility assistive technology, MAT)」的幫助來改善自身的行動能力,像是柺杖、助行器、手推輪椅(manual wheelchairs, MWCs)、電動輪椅(power wheelchairs, PWCs)和代步車等[Souza et al., 2010]。其中拐杖和助行器是最為簡單的行動輔具,但由於拐杖和助行器在使用上必須依靠上半身的力量,對於長時間的移動而言,將會造成高齡者另一種負擔。而輪椅則是最常見、最重要的行動輔具,根據美國2008年的調查,有將近430萬的美國民眾使用輪椅[Simpson et al., 2008]

高齡者使用手推輪椅時多半需由照護者協助推動,自行操控手推輪椅對於肌肉力量不足的高齡者較為困難,因此電動輪椅是較適合高齡者使用的行動輔具。觀察目前市售電動輪椅構造,大多有一基座,基座上方為座椅,基座內放置馬達、電池,四周配置四輪,前二輪為自由輪,而馬達驅動後方二輪(如圖1-1)。使用者可藉由座椅手把上的搖桿操作輪椅,電動輪椅的控制器會根據搖桿的訊號來決定移動方向和速度,同時依靠電池的電力驅動馬達進行移動,轉彎時則利用後兩輪左右差速達成。

1-1. 電動輪椅基本構造

電動輪椅在日常生活中最常被使用到的轉向方式分別是90度的左右轉彎、180度的原地旋轉和左右平移[Kirby et al., 2008; Fliess-Douer et al., 2010],而兩輪電動輪椅在利用兩輪左右差速進行轉向時需有一定的迴轉半徑,同時也無法達到左右平移的功能。Further等人[2010]用四種輪椅操作性試驗(如圖1-2)來對109台手推輪椅、89台電動輪椅和15台代步車進行操作評估,他們認為絕大部分的輪椅在室內空間進行轉向時容易受到限制,同時有必要將室內空間改善為無障礙空間。

1-2. 四種輪椅操作性試驗

1.2    四輪全向移動電動輪椅

元智大學老人福祉科技研究中心所發表的「智慧型機器人輪椅(intelligent Robotic Wheelchair, iRW)[Hsu, et. al, 2013](如圖1-3),整合了全向移動載具、多自由度座椅調整機構以及資通訊系統,提供高齡者獨立行動、生活休閒、與健康照護三種類型功能。在此概念下,希望藉由iRW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、對環境的控制、資訊的交換、和最重要的人際溝通互動,進而提升高齡者的生活品質。

1-3. 智慧型機器人輪椅(intelligent Robotic Wheelchair, iRW)

iRW移動載具採用四隻全向輪Mecanum wheel(如圖1-4),使得iRW除了一般電動輪椅前進、後退和轉向等移動功能外,也能達到原地旋轉、左右平移的碎動調整,大幅提升使用方便性。如圖1-5及表1-1所示,四輪全向移動電動輪椅載具進行90度及180度轉向所需空間,比一般兩輪電動輪椅減少57%~72%,也因此iRW更能適應於狹小的居家室內環境使用。

1-4. Mecanum wheel全向輪

1-5. 全向移動載具與一般電動輪椅所需迴轉空間比較

1-1. 全向移動載具與一般電動輪椅迴轉空間計算

 

Turning

Turning radius(mm)

Dimensions of turning space (L×W, mm)

Area of turning space (mm2)

Commercial electrical wheelchairs

90°

500

1,730×1,730

1,667,450

800

2,030×2,030

1,969,280

Omni-direction vehicle

0

Circle of diameter 1m

785,400

Commercial electrical wheelchairs

180°

500

1,640×1,730

2,170,100

800

2,240×2,030

2,773,300

Omni-direction vehicle

0

Circle of diameter 1m

785,400

控制器是電動輪椅動作操控的核心,如dynamic®是生產電動輪椅控制器的知名大廠(http://www.dynamiccontrols.com/),許多市售兩輪電動輪椅均使用dynamic®的控制器。圖1-6是由dynamic®所生產的電動輪椅控制器LiNX LE架構,擁有兩組輸出埠用來連接馬達,一電源輸入埠和一搖桿輸入埠,而為了電動輪椅的組裝和生產的方便性,控制器和馬達、搖桿等零件的組合方式皆已經採取模組化設計,開發者甚至使用者自行將各零件連接至控制器即可。

1-6. dynamic®商品LiNX LE之架構

然而iRW的全向移動載具必須使用四顆獨立馬達進行控制,利用四顆全向輪轉動方向和轉速的搭配來達到全方向的移動控制,同時全向移動載具在移動過程中四輪受到地面的滑動摩擦力。因此全向移動載具無法直接由市售電動輪椅控制器控制,必須將馬達輸出埠改為四個外,同時要根據摩擦力的影響進行控制策略的設計。

針對全向輪的控制,Akira Shimade等人[2005]提出利用視覺感測器(vision sensor)來進行位置修正回授控制法(position corrective feedback control method),藉由CCD攝影機來辨別全向移動載具的方向,將其位置資訊回傳給電腦進行運算後來進行全向移動載具的移動修正(如圖1-7)。Keiji Nagatani等人[2006]也提出利用CCD攝影機的視覺感測器來進行全向移動載具的移動控制,但不同於A.Shimade等人使用位置修正回授控制法,Keiji Nagatani等人在全向移動載具上加裝CCD攝影機,並以45度的角度偵測地面狀況,將面回傳的光流(Optical Flow)資訊結合測距和視覺推算法(visual dead-reckoning)來修正全向移動移動中因為摩擦力所造成的影響(如圖1-8)。然而在電動輪椅的應用上,額外加裝攝影機來進行偵測可能增加整體電動輪椅的複雜性,也可能影響電動輪椅操控上的方便性。

1-7. 利用視覺感測器來進行位置修正回授控制法[Shimade et al., 2005]

1-8. 利用CCD攝影機來偵測地面光流(Optical Flow)資訊[Nagatani et al., 2006]

1.3    結合座椅調整機構之電動輪椅

高齡者因為下肢機能的退化,對於輪椅的需求預期將持續增加。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,大部分老人(不管是否無法行走),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,有相關文獻指出,輪椅使用者每天乘坐輪椅10.8 ± 2.9小時[Sonenblum et al., 2008]。而在觀察居家環境中高齡者時也有類似情境,行動不靈活的老人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。許多輪椅增加了各種調整機構,以協助使用者達成如高處取物、起身輔助、分散壓力、橫向轉位等功能,除提升乘坐舒適性外也可以相當程度的增加使用者的活動能力[Souza et al., 2010]

國內電動輪椅業者如康揚股份有限公司(http://www.karma.com.tw/)所開發的KP系列電動輪椅擁有座椅調整機構,其功能著重於使用者坐姿調整以減少使用者臀部壓力(圖1-9左)和起身輔助(圖1-9右)上,在機構上採用單一電動缸來驅動。國睦工業股份有限公司(http://www.merits.com.tw/)型號P323電動輪椅利用兩支電動缸的設計,使其電動輪椅能達到上升下降的座椅高度調整(圖1-10左)和前、後傾角度調整(圖1-10右),讓使用者方便拿取高處的物品和減少臀部壓力。針對座椅調整需求,dynamic®也有出產一款名為DX的電動輪椅控制器在基本電動輪椅控制器架構下,提供額外輸出埠做致動器的控制(如圖1-11)。

1-9. 康揚股份有限公司KP系列擁有座椅調整功能的電動輪椅

1-10. 國睦工業股份有限公司擁有座椅調整功能的電動輪椅(P323)

1-11. dynamic®商品DX之架構

1.4    電動輪椅控制器與智慧型行動裝置的結合

近年來智慧型行動裝置的興起,智慧型行動裝置多搭載高規格中央處理器、攝影機以及麥克風,以及配有加速規、GPS、電子羅盤等等感測器,簡單易學的操控方式也越來越容易被高齡者所接受,讓智慧型行動裝置結合移動載具變成類似行車電腦的可行性越來越高,搭配各類軟體程式App的開發,也更能延伸商品的附加價值。

dynamic®電動輪椅控制器軟體配件iPortal便是智慧型行動裝置和電動輪椅控制器結合的實例(如圖1-12),使用者可使用iPhoneiPadiPod免費下載iPortal App後,透過藍牙與電動輪椅配對,讓使用者可以在行動裝置中瀏覽電動輪椅的相關資訊如行進速度、電池電量、移動方向等,以及每次電動輪椅控制器所發生的故障訊息,並回報給開發人員做之後改良依據。另外iPortal也能和DX系列的控制器結合,藉由DX系列控制器擁有座椅調整機構的控制功能,讓使用者能夠了解座椅調整機構的狀態,此外iPortal也能讓電動輪椅使用者可以藉由搖桿操控行動裝置,如瀏覽網頁、按下緊急電話呼叫按鈕求援等。

iPortal的設計讓使用者不只是可以在電動輪椅上操作智慧型行動裝置,控制器透過智慧型行動裝置和網路連結,增加電動輪椅控制器發展的未來性,例如使用者有機會將電動輪椅資訊和意見回傳,讓開發人員能夠進行電動輪椅的改良,而這樣的模式讓使用者彷彿加入電動輪椅開發的行列,改變了電動輪椅使用者的角色。

1-12. dynamic®電動輪椅控制器之軟體配件iPortal

1.5    研究目的

本研究目的即在設計一結合行動裝置之全向移動電動輪椅控制器,並依據元智大學老人福祉科技研究中心所開發iRW之設計概念,以鋁擠型建立一擁有全向移動載具和多自由度座椅調整機構功能之平台,做為控制器功能開發與驗證平台;利用軟硬體清楚分離的“Body, Cerebellar & Brain”架構,將搖桿、握把或App的訊號或指令透過“Neurons”來傳輸至“Cerebellar”中進行演算,轉換成速度以及移動方向指令後,以編碼形式經由“Neurons”傳至全向移動電動輪椅(Body),以執行各項移動及座椅調整功能,而電動輪椅的移動速度狀態則透過藍牙回傳至App作即時顯示,同時使用者也可以藉由智慧型行動裝置來進行短距離的遙控。期望建立成為電動輪椅控制器開放平台,適用於各類電動輪椅產品,同時各種客製化、創新功能可以透過智慧型裝置App (Brain)不斷地更新達成。

本研究結合行動裝置的全向移動電動輪椅控制器有以下兩項主要設計重點:

(1)       “Body, Cerebellar & Brain”架構

本研究採用將電動輪椅各項硬體(Body)、控制器(Cerebellar)和智慧型行動裝置軟體(Brain)清楚劃分的系統架構。控制器屬於“Cerebellar”,負責將從各項硬體“Cerebellar”回傳的指令進行演算,轉換成控制指令來達到電動輪椅的控制,而智慧型行動裝置應用軟體App則為“Brain”,提供使用者各項功能操作輸入和資訊整合顯示。“Body, Cerebellar & Brain”架構不僅是控制器架構的創新,更帶來後續開發模式上的創新,使用者以自有的智慧型行動裝置下載App後便可以藉由藍牙與電動輪椅連結,以操控輪椅或顯示電動輪椅的資訊。在此架構下可依據不同的使用情境和需求開發適用的App,控制器可成為一開放式的平台,搭配不同應用軟體App便能應用於多元應用情境當中,更增加產品的多元性、擴充性,延長產品的生命週期。

本研究將使用Android系統進行智慧型行動裝置軟體App開發設計,讓使用者可以藉由App所開發之遙控功能進行電動輪椅短途的操控,同時移動速度也會顯示在App當中。另外App也有提供座椅調整機構控制功能,除了讓使用者自行操控外,也讓照護者可以藉由App來操控座椅調整機構,方便照護者協助使用者進行轉位,同時也可以減少照護者所可能造成的職業傷害。

(2)       全向移動電動輪椅移動控制策略

相較於戶外的代步車等長時間、長距離的移動輔具,電動輪椅使用距離較近、速度較慢,且常為不連續性地操控模式。Tolerico等人[2007]研究輪椅使用者在室內環境一天的使用情況後,結論出輪椅的平均移動速度為0.79 ± 0.19 m/s,平均移動時間和距離分別是2.9 ± 1.4 min215.6 ± 119.8 m。因此電動輪椅在移動控制上的考量將不同於代步車,如何讓使用者在短途且不連續性操控情況下,仍然可以舒適、順暢而沒有頓起頓停的感覺,是本研究全向移動電動輪椅移動控制策略開發的目的。

本研究移動控制策略將著重於起動與停止時加減速的控制,以及轉向時各輪速度的控制。另外在進行左右平移時,由於全向輪和地面有滑動摩擦力的關係,容易在低速移動時發生全向輪停滯的狀況,因此在左右平移的控制上將不只是速度控制,還要針對因為滑動摩擦力的所造成的停滯現象進行非線性速度補償。

本研究將在第二章描述本研究功能驗證平台全向移動模組和多自由度座椅調整機構的規格,第三章描述全向移動電動輪椅控制器的系統架構和App開發,第四章說明在全向移動電動輪椅控制器當中所使用的編碼形式,第五章描述全向移動電動輪椅移動控制策略和實驗測試結果,第六章則是結論與未來展望。

參考資料

內政部統計處(2013)2013年第24週內政統計通報。2012年身心障礙者福利統計。

United Nations Enable-Factsheet on persons with disabilities. 2012. Available at http://www.un.org/disabilities/default.asp?id=18 (last accessed June 2014).

Souza A., Kelleher A., Cooper R., Cooper R. A., Iezzoni L. I., Collins D. M., 2010. “Multiple sclerosis and mobility-related assistive technology: systematic review of literature,” J Rehabil Res Dev., v. 47, pp. 213-223. [PMID: 20665347]

Simpson RC, LoPresti EF, Cooper RA: How many people would benefit from a smart wheelchair? J Rehabil Res Dev 2008, 45(1):53–71

Kirby R. L., Cher S., Kim P., Donald A., Mike M. A., Paula W. R., François R., 2008. Wheelchair Skills Training Program (WSTP) Manual version 4.1. Wheelchair Skills Program, Dalhousie University.

Fliess-Douer O., Vanlandewijck Y. C., Manor G. L., Van Der Woude L. H., 2010. “A systematic review of wheelchair skills tests for manual wheelchair users with a spinal cord injury: towards a standardized outcome measure,” Clin Rehabil, v. 24, pp. 867-886.

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Hsu, P. E., Hsu, Y. L., Chang, K. W., & Geiser, C. (2012). Mobility Assistance Design of the Intelligent Robotic Wheelchair. Int J Adv Robotic Sy, 9(244).

A. Shimada, S. Yajima, P. Viboonchaicheep and K. Samura, “Mecanum-wheel vehicle systems based on position corrective control,” Proceedings of the IEEE Conference on Industrial Electronics Society, pp. 2077-2082, 2005.

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Sonenblum S. E., Sprigle S., Harris F. H., Maurer C. L., 2008. “Characterization of power wheelchair use in the home and community,” Arch. Phys. Med. Rehabil., v. 89, pp. 486-491. [PMID: 18295627]DOI:10.1016/j.apmr.2007.09.029

Tolerico M. L., Ding D., Cooper R. A., Spaeth D. M., Fitzgerald S. G., Cooper R., Kelleher A., Boninger M. L., 2007. “Assessing mobility characteristics and activity levels of manual wheelchair users,” J Rehabil Res Dev., v. 44, pp. 561-572.