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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」第二章。

第二章     全向移動電動輪椅平台設計

如圖2-1所示,本研究依據市售電動輪椅尺寸規格,使用鋁擠型做為主體結構,將全向移動載具和多自由度座椅調整機構組合,進行全尺寸全向移動電動輪椅設計與製作,目的在作為本研究後續結合行動裝置之全向移動電動輪椅控制器開發的功能測試與驗證平台。本章將就全向移動載具和多自由度座椅調整機構進行細部說明。

2-1. 全向移動電動輪椅平台

2.1    全向移動載具控制系統架構

如圖2-2所示,全向移動載具所使用的全向輪含有45°排列的自由滾子,當全向輪旋轉與地面接觸時會給予全向輪與轉軸夾45°的摩擦力,此摩擦力可分為X分量與Y分量,藉由全向輪的正反轉或停止,改變XY分量力的方向,可讓平台做各種方式的移動。

2-2. 全向輪分力狀況

2-1所示為全向移動載具的規格,本研究使用碩陽電機出產的直流馬達來搭配全向輪,電池則是必翔電能的磷酸鐵鋰電池。移動速度設定前進最高速度為50 m/min,後退最高速度考量操作電動輪椅後退時視野較差的因素,設定為40 m/min,而以智慧型行動裝置搖控時,考量使用者並非乘坐在電動輪椅上,因此設定的最高速度為20 m/min

2-1. 全向移動移動載具規格

項目

規格

L×W×H

920×610×1020 mm

前進速度

50 m/min (Max)

後退速度

40 m/min (Max)

左右平移和原地旋轉速度

25 m/min

搖控速度

20 m/min (Max)

全向輪尺寸

直徑25.4 mm (10 inches),自由滾子45

馬達工作電壓與電流

24 V / 3 A (Max)

C-LiFePO4電瓶

24 V, 9.6 Ah, 3.4 kg

400×133×72 (L×W×H, mm)

如圖2-4所示,全向移動載具提供兩項操控模式,分別是由乘坐者自行操控的搖桿模式和照護者協助操控的感知推把模式。以下分別說明:

2-4. 全向移動載具操控模式

(1)   搖桿模式

搖桿為電動輪椅最常見的操控方式。本研究全向移動載具使用類比式搖桿,以三種可變電阻偵測搖桿XYZ三種不同的操控方向,當使用者將搖桿往前/往後操作時,便能操作全向移動模組前進/後退;往左邊/右邊操作時,便能操作全向移動模組左平移/右平移;將搖桿往左旋轉/往右旋轉操作時,便能操作全向移動模組原地左旋/右璇;當使用者將搖桿往左前/右前操作時,全向移動模組則會往左前/右前方向移動、轉向;當使用者鬆開搖桿讓搖桿自動回到初始位置時,全向移動載具則會停止。

(2)   感知推把模式

感知推把模式的設計便是希望能提供照護者以直覺的方式(推或拉)來操控電動輪椅。如圖2-5所示,本研究在全向移動載具的握把上布置四組壓力感測器(pressure sensor)用以偵測手部的握力大小,而感知推把的操控方式是根據照護者手握的區塊和大小來控制全向移動載具的移動方向和移動速度。

2-5所示為感知推把使用情境,照護者在操控全向移動載具時只需像推動手推車或拉動手推車的方式來進行操控。當照護者雙手握住上方之感知推把且左右手施力相同,則全向移動載具將會前進,如果鬆開右手,則全向移動載具將會往左轉;反之鬆開左手,則全向移動載具會往右轉,而當照護者將雙手握在左右兩側之感知推把上,則全向移動載具則會後退。

2-5. 感知推把使用情境

2.2    四軸多自由度座椅調整機構

高齡者因為下肢機能的退化造成對於電動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。

在元智大學老人福祉科技研究中心所開發應用「史都華平台(Stewart platform)」設計多自由度輪椅調整機構[Hsu et al. 2013]擁有三個方向的自由度調整功能,以提供座椅「高度調整」、「傾角調整」、與「平移轉位」等三項調整功能。其中的「高度調整」能協助使用者在高台上工作、高處取物,甚至能與人做面對面的溝通時能有眼神上的交流;「傾角調整」之前傾功能可協助使用者更省力地起身,同時也可以減少照護者在協助使用者起身時所可能造成的職業傷害,後傾功能讓使用者以更舒適的角度休息,且能分散壓力的分佈[Sprigle et al., 1997; Henderson et al., 1994; Stinson et al., 2002];「平移轉位」功能可使得轉位兩平面無間隙,使用者能更方便的轉位。

2-6所示為應用於iRW上之多自由度座椅調整機構幾何形狀設計,線性致動器1220傾斜固定於y-z平面上,同時相對z傾斜7.4,使線性致動器運作時可以產生一水平分力以讓座椅進行左右平移。而線性致動器34一樣以20傾斜固定於y-z平面上,線性致動器4與也相對z傾斜7.4,而線性致動器3則是相對z傾斜10.6∘,以限制整體座椅的自由度。

然而如此幾何形狀的設計較不符合一般座椅型態,且根據目前市售線性致動器的規格,線性致動器最大推力比最大拉力能承受較大負載。本研究將四支致動器皆朝下且對稱排列(如圖2-6),致動器接點集中在下底盤上,較符合一般座椅型態,同時在進行座椅調整時致動器皆以推力的方式運作。

2-6. 應用於iRW之多自由度座椅調整機構前視圖和側視圖

2-7. 四軸多自由度座椅調整機構

2-7中四支線性致動器由前至後,由右至左分別編號1~4。如圖2-8側視圖所示,四支線性致動器皆以20∘傾斜角對稱安裝固定於y-z平面上,而如圖2-8正視圖所示,線性致動器12以倒梯形的方式相對z軸傾斜25∘排列,使線性致動器在運作時可以產生一水平分力以讓座椅進行左右平移;線性致動器34則是與線性致動器12相反,以正梯形的方式相對z軸傾斜25∘排列。

如圖2-9所示,為了讓前後兩組線性致動器之擺幅、傾角等都是兩兩對稱、同步作動,使前後兩組線性致動器所形成梯形之四個連接點始終維持在同一平面,本研究重新設計製作了一組新型「RR接頭」。

2-8. 四軸多自由度座椅調整機構前視圖、後視圖和側視圖

 

2-9. 前後兩組線性致動器所形成之梯形

一組RR接頭由四個零件組合而成(如圖2-10),有一共同底座(黑色)、一共同旋轉柱(藍色),以及兩個相同之套管(紅色)分別接在兩支線性致動器。RR接頭具備了兩個相互垂直的旋轉自由度,類似於萬向接頭,兩線性致動器可個別依x軸旋轉而不受影響,但當線性致動器依y軸方向旋轉時,便會因為共同旋轉柱的關係同步旋轉。本研究於四軸多自由度座椅調整機構的前後兩梯形中各裝設一組RR接頭,使得圖2-9中兩梯形在依y軸旋轉時必須為同步而互相限制,使上方可動板沒有依z軸旋轉的自由度。

2-9. RR接頭零件爆炸圖和實際成品

四軸多自由度座椅調整機構在整體結構上仍然有因為線性致動器和各零件的餘隙而導致晃動的現象,為解決此晃動現象,本研究在線性致動器34的前方設置檔塊(如圖2-11右)和後方設置支撐柱(如圖2-11左)來加強整體結構的穩定性。

2-11. 線性致動器34的前方設置檔塊和後方設置支撐柱

2-2所示為四軸多自由度座椅調整機構進行高度調整、傾角調整和平移轉位時,四支線性致動器的作動情形。當四支線性致動器同時伸長/縮短時,四軸多自由度座椅調整機構會上升/縮短,當前面兩支線性致動器縮短/伸長、後面兩支線性致動器伸長/縮短時,四軸多自由度座椅調整機構會進行前傾/後傾,當線性致動器14伸長/縮短、線性致動器23縮短/伸長時,四軸多自由度座椅調整機構則會進行左平移/右平移。

2-2. 致動器在高度調整、傾角調整和平移轉位時的作動情形

運作情形

致動器

1

2

3

4

上升

14

伸長

伸長

伸長

伸長

下降

15

縮短

縮短

縮短

縮短

前傾

16

伸長

伸長

縮短

縮短

後傾

17

縮短

縮短

伸長

伸長

左平移

18

伸長

縮短

縮短

伸長

右平移

19

縮短

伸長

伸長

縮短

2-3. 四軸多自由度座椅調整機構和LAN5線性致動器規格

裝置

項目

規格

線性致動器(上銀LAN5

螺桿型式

愛克姆螺桿

電壓/電流

24 V / 5 (A,Max)

推力/拉力/自鎖力

8000/4000/6000 (N,Max)

行程

150 mm

位置編碼器(Hall Sensor)

0.08 mm/pulse

轉速(有最大負載/無負載)

2 m/s / 3.5 m/s

重量

1.96 kg

下四軸座椅調整機構

L×W×H

920×610×1020 mm

初始座椅高度

530 mm

高度調整範圍

530 ~ 680 mm

傾角調整範圍

±35

平移轉位範圍

165 mm

(座椅高度為605mm

2.3    四軸多自由度座椅調整機構的控制架構

四軸多自由度座椅調整機構得以同時達成高度調整、傾角調整與平移轉位三個自由度的動作,為考量平台作動順暢及操作之安全性,本研究設定以下三項操作條件:

(1)       同一時間內只能進行一項座椅調整功能,如果同時有兩項按鈕被觸發,則不會發生任何座椅調整功能。

(2)       座椅平移在外時,不得進行「高度調整」和「傾角調整」。

(3)       座椅為傾斜非水平時,不得進行「平移轉位」。

2-12四軸多自由度座椅調整機構控制流程。當四軸多自由度座椅調整機構開啟時,四支線性致動器會先降低至最低高度後執行「初始化」動作,將座椅調整至水平;當使用者按下所需調整功能按鈕時,將先進行座椅位置的判別,如果座椅在平移狀態下使用者選擇升降或傾斜功能時,座椅將先從平移狀態回到中心垂直軸後繼續進行原功能,如果座椅在傾斜狀態下使用者選擇平移功能時,座椅會從傾斜狀態回復到水平狀態後繼續進行原功能。

Steward 流程圖

2-12. 四軸多自由度座椅調整機構的控制流程

參考資料

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

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).

Sprigle S., Sposato B., 1997. “Physiologic effects and design considerations of tilt and recline wheelchairs,” Orthop Phys Ther Clin North Am., v. 6, pp. 99-122.

Henderson J. L., Price S. H., Brandstater M. E., Mandac B. R., 1994. “Efficacy of three measures to relieve pressure in seated persons with spinal cord injury,” Arch Phys Med Rehabil., v. 75, pp. 535-539.

Stinson M., Porter A., Eakin P., 2002. “Measuring interface pressure: a laboratory-based investigation into the effects of repositioning and sitting,” Am J Occup Ther., v.56, pp. 185-190. [PMID: 11905303]