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「世大智科/天才家居」-我們創業囉
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作者:徐業良(2015-04-18)
附註:本文發表於國科會出版「工程科技通訊」第146

智慧型機器人輪椅技術開發與產業應用

1.     智慧型機器人輪椅的開發與關鍵技術

下肢行動障礙是高齡者常見的障礙類型之一,行動能力則是高齡者享有高品質的晚年生活,最基本的一項需求。輪椅則是最常見、最重要的行動輔具,根據相關調查,輪椅使用者中高齡者占了近60%,是使用輪椅最多的族群。然而使用輪椅的高齡者往往無法自行推動輪椅,還是需要照護者協助推動輪椅、以及提供各種基本生活協助,一般輪椅並無法幫助提升高齡者獨立生活能力,“endless waiting”經常是乘坐輪椅的高齡者的心情寫照。

在科技部「智慧型輕量化移動載具前瞻技術專案計畫」資助下,元智大學老人福祉科技研究中心團隊整合機器人相關技術,完成了「智慧型機器人輪椅(intelligent Robotic Wheelchair (iRW)」的開發(如圖1)。iRW的設計概念是由未來高齡者生活應用情境進行思考,重新定義輪椅成為高齡者行動、生活與健康照護中樞,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。這三項主軸技術的發展成果敘述如下:

1. 元智大學老人福祉科技研究中心完成了「智慧型機器人輪椅」的開發

(1)   全向移動載具

全向移動載具是iRW獨立行動的技術發展基礎,配置四個全向輪驅動iRW前進/後退、左/右平移、順/逆時針旋轉,並針對不同使用者(高齡者與照護者)於行動能力的需求,設計各類型的操控模式,包括搖桿控制、感知推把操作、遠端操控、與室內導航等。

(2)   多自由度座椅調整機構

輪椅座椅是使用者與輪椅之間最直接、也接觸最久的部分,但常見的座椅調整機構主要為坐姿調整,缺少轉位輔助功能。考量高齡者日常生活的座椅姿態變換需求,iRW採用自由度高、機構簡潔的史都華平台為座椅設計的基礎,擁有升降起伏(heave)、前後翻滾(pitch)、與左右橫移(sway)的自由度,能夠調整座椅高度、傾角、與左右平移,滿足使用者從輪椅上起身輔助、轉位輔助的需求,特別是座椅左右平移是一般輪椅沒有的功能。利用本座椅調整機構與鋪設有軟質壓力感測墊的人因工程設計座椅,iRW的座椅可根據使用者姿態自動地調整至合適的坐姿。

(3)   “Body-Cerebellar-Brain”控制架構與通訊協定

2所示,iRW開發過程中發展出將各項硬體(Body)與控制器(Cerebellar)和行動裝置軟體(Brain)清楚劃分的系統架構,硬體僅透過控制器接受指令,執行基本機械動作功能,大部分控制功能與顯示介面定義在行動裝置軟體App中;控制器亦將硬體各項資訊透過藍牙傳送給行動裝置App作即時顯示、運算與後續通訊,同時使用者亦可以利用行動裝置進行遙控。

2. “Body-Cerebellar-Brain”控制架構與通訊協定

“Body-Cerebellar-Brain” (BCB)架構提供高度客製化、參數化、以及修改、擴充彈性,適合多元應用與互動情境。BCB架構不僅是控制器架構的創新,更帶來後續可能營運模式上的創新。使用者自有的行動裝置下載、執行App即可使用,不需搭配專用機;軟體App功能不斷更新,可以增加應用的多樣性且延長硬體產品的生命週期;App更新功能或維護可透過Google Play應用程式商店進行全面自動更新,亦可透過Google Play所提供的評論平台取得使用者的回饋以進行即時的回覆與修正。

2.     智慧型機器人輪椅技術產業應用

iRW開發過程中元智大學老人福祉科技研究中心團隊獲得過相當多獎項與發明專利(如表1),顯見相關技術確實獲得肯定,同時並向科技部申請成立「智慧型機器人輪椅技術產學聯盟」負責產業推廣。

1. iRW獲得之獎項與專利

年份

獎項/專利

2011

慧型機器人產品創意競賽金牌獎

2012

智慧生活創意創業服務設計競賽銀牌獎

2012

第七屆龍騰微笑競賽佳作獎

2012

第十四屆全國創新機構設計比賽金牌獎

2013

台北國際發明暨技術交易展發明競賽銀牌獎

2013

徐業良、許博爾、涂超恒,智慧型機器人輪椅,中華民國專利發明第I415597

2013

徐業良、許博爾、涂超恒,智慧型機器人輪椅之史都華平台座椅機構及其控制方法,中華民國專利發明第I401070

2015

徐業良、許博爾、王竹安,導航環境之設置方法,中華民國專利發明第I474294

初期以iRW整機進行產業推廣,和國內主要電動輪椅廠商如康揚、國睦等洽談,然而過程並不順利。歸納其原因,主要是iRW整體技術與產品樣貌和現有電動輪椅產品相差太遠,產業公司有其既有之設計哲學、核心技術、與長期規劃的商品系列,且考量其產品化、生產、銷售所需投資,不容易接受iRW這樣完全不同的產品。因此後來元智大學老人福祉科技研究中心團隊改變推廣策略,改以「技術模組」而非整體產品的形式,推廣相關技術。與產業合作具體成果包括協助天群醫療企業股份有限公司爭取經濟部SBIRCITD計畫,開發「智慧型安全照護爬梯機」、「多功能站立轉移位復健機」,以及協助世大化成股份有限公司通過科技部產學計畫,進行起身輔助座椅開發等。

以「模組技術」形式進行產業推廣,固然比較容易配合廠商產品需求,但iRW原先設計理念的整體價值也消失了。因此元智大學老人福祉科技研究中心也希望將機器人輪椅模組技術與團隊在老人福祉科技領域的專業和經驗結合,期望況展iRW相關技術的上的應用層面與價值,從智慧型機器人輪椅技術推廣,逐漸擴展到居家照護機器人、智慧家庭、遠距居家照護系統等更廣泛之老人福祉科技相關技術。

在這個轉變下,除原先密切合作之中小型公司外,較大型公司與法人如台達電、華碩、鴻海、工研院等,也都直接成立產學計畫或密切洽談可能之合作。元智大學老人福祉科技研究中心搭配科技部產學聯盟資源,發展出「中期介入」產學合作模式,在科技部學術研究計畫研發成果之基礎上,配合公司發展方向、產品需求,提供會員公司(1)技術諮詢、產品規劃,(2)專利分析、市售產品調查,(3)協助申請SBIRCITD等計畫,(4)成立產學合作計畫,(5)合作申請國科會產學計畫,(6)技術移轉與商品化,(7)設立虛擬研發中心等服務。