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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(2015-12-08)

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」第三章。

第三章    全向移動電動輪椅控制器之系統架構與App開發

本研究利用軟硬體清楚分離的“Body, Cerebellar & Brain”架構,期望將全向移動電動輪椅控制器變成一開放平台,藉由行動裝置中App的開發設計,來增加硬體設備本身功能的多樣性,同時經由App功能更因延長產品生命週期。本章將先描述“Body, Cerebellar & Brain”架構,說明硬體(Body)、小腦(Cerebellar)、神經元(Neurons)和大腦(Brain)各功能,接著將描述全向移動電動輪椅App介面及功能設計。

3.1    “Body, Cerebellar & Brain”架構

本研究的系統架構如圖3-1所示,在“Body, Cerebellar & Brain”的架構下, “Neurons”作為輸入/輸出兩端“Body”“Cerebellar”之間的媒介,將搖桿(joystick)、感知推把(handle bar)、行動裝置(Mobile device)和感測器(Sensor)等所產生的訊號和指令,以編碼的形式傳輸至Cerebellar中進行移動方向判別和速度演算,接著再將操控指令以相同編碼形式傳送至“Neurons”中來進行馬達(Motor)以及致動器(Actuator)的控制。

3-1. “Body, Cerebellar & Brain”架構

Brain則為使用者自身的行動裝置,使用者除了可以藉由行動裝置中的App來進行短距離的遠端操控,同時全向移動電動輪椅各輪的速度也將顯示在App中,另外使用者亦可以利用App來操控座椅調整機構進行轉位輔助等功能。

以下將針對“Body, Cerebellar & Brain”架構的各單元進行詳細功能和規格介紹:

(1)       Body

Body在整體架構中即屬於輸入和輸出兩端之硬體單元,主要的功能便是根據Neurons所傳來的指令進行動作,如馬達運轉以及搖桿的操作等。在本研究中馬達、致動器以及人機介面中的搖桿和感知推把即屬於Body,詳細規格已在第二章描述。

(2)       Cerebellar

Cerebellar主要作為控制核心,其中包含基本的控制演算法,將針對由Neurons傳來的訊號和指令進行移動方向判別和速度控制演算,接著將其轉換為編碼形式後透過Neurons來進行Body的控制。

在本研究中是使用Raspberry Pi來做為CerebellarRaspberry Pi是一款基於Linux系統的單板機電腦,其配備一枚700MHz博通出產的ARM架構BCM2835處理器、512MB內存記憶體、使用SD卡當作儲存媒體,且擁有一個Ethernet,兩個USB介面,以及HDMI(支援聲音輸出)和RCA端子輸出支援,但大小卻只有一般信用卡尺寸(如圖3-2)。因此藉由Raspberry Pi本身如同小型電腦般的規格來做為Cerebellar將可以增加整體架構的多元性和擴充性。

http://arduipi.com/wp-content/uploads/2014/05/RASPBERRY_PI_A_01.png

3-2. Raspberry Pi

(3)       Neurons

Neurons主要功能為BodyCerebellar之間的溝通媒介,其意義即等同於人體結構中的神經元,單純進行I/O訊號的控制和接收。本研究是使用作為Neurons,以腳位最多的Arduino Mega(如圖3-3)為例,本研究透過Arduino Mega來接收搖桿、感知推把和行動裝置的訊號和指令,將其轉換成編碼的形式後,傳輸給Cerebellar,同時Neurons也會根據Cerebellar回傳的操控指令來進行馬達和致動器的控制。

3-3. Arduino Mega

(4)       Brain

Brain即為行動裝置中的App,透過藍牙的方式來和電動輪椅控制器進行連結,讓電動輪椅控制器可以藉由App不斷地開發更新以及搭配行動裝置自身的功能如GPS、電子羅盤和攝影機等方式來增加整體生命週期,同時亦可以根據不同使用需求進行客製化的設計開發,以應用於更多元的使用環境。在3.2節將會針對代表Brain的行動裝置App界面和功能進行介紹。

3.2    全向移動電動輪椅App介面與功能開發設計

本研究是使用Android系統進行行動裝置軟體App介面和功能的開發設計,讓使用者可以藉由App來進行全向移動電動輪椅短距離的遙控和座椅調整機構的控制,同時全向移動電動輪椅的移動速度也將顯示在App中。圖3-4為全向移動電動輪椅App的運作流程圖,接下來將針對各介面和功能進行說明。

app流程圖

全向移動電動輪椅App的運作流程圖

A.    藍牙連結介面:

當使用者開啟全向移動電動輪椅App後,此介面將會跳出藍牙搜尋視窗提供使用者選擇全向移動電動輪椅控制器的藍牙進行連結(如圖3-5),如果藍牙連接失敗將無法進入操控介面(如圖3-6)。

B.     藍牙通訊Service

藍牙通訊Service為常駐在 App 內的背景服務,負責進行藍牙通訊的相關操作如藍牙通訊連結和指令訊息的傳送\接收。藍牙通訊ServiceApp的背景下同時也會進行藍牙通訊品質檢查,如果使用者在使用App的過程中發生藍牙通訊中斷的狀況時,藍牙通訊Service將自動跳出藍牙搜尋視窗讓使用者重新連結。

C.     操控介面:

在操控介面中提供兩項功能給使用者操作,分別是全向移動電動輪椅的遙控功能和座椅調整機構操控功能。

C1. 全向移動電動輪椅遙控介面:

在全向移動電動輪椅遙控介面中,使用者可以根據畫面上的操控介面進行全向移動電動輪椅的遙控,同時在遙控過程中,控制器也將定時回傳即時移動速度顯示在介面中,操控模式有前進、後退、左右平移和左右旋轉(如圖3-7)。

C2. 座椅調整機構控制介面:

在座椅調整機構控制介面中,使用者可以根據畫面上的操控介面進行座椅機構的調整,操控模式有上伸下降、左右平移、前後傾和回到初始位置(如圖3-8)。

D.    離開:

當使用者點選行動裝置中的任何按鈕(如Home鍵)導致App跳出時,App便會先傳送停止的指令至控制器中,確保全向移動電動輪椅的安全性後才會跳出,同時藍牙通訊Service也將會把藍牙通訊中斷。

Screenshot_2014-06-25-19-00-02

3-5. 藍牙連結介面

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3-6. 藍牙搜尋視窗

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3-7. 全向移動電動輪椅遙控介面

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3-8. 座椅調整機構操控介面