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「世大智科/天才家居」-我們創業囉
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第二章 產品設計架構與原型設計

2.1 TOIS設計架構

2-1. 互動式復健玩具TOIS之設計架構

目前依照互動式復健玩具之設計架構,完成了Rising Star(互動籃球框)、Remember(互動吹氣風車)、Racing(互動手持風車)三種玩具,簡單介紹如下:

Rising Star(互動籃球框,圖2-2):

2-2. Rising star原型設計

Rising Star是一種投籃遊戲,能訓練肢體的活動、認知的練習並提供多感官刺激;透過行動裝置App如圖2-3與籃球上的藍芽裝置連結,選擇遊戲模式、設定遊戲時間即可進行遊戲;將球放進籃框時會播放歡呼聲或球場情境音效、LED燈閃爍以及顯示分數。

2-3. Rising Star App介面

Remember(互動吹氣風車,圖2-4:

2-4. Remember 原型設計

Remember是一種風車遊戲,能進行肺活量訓練,認知練習並提供多感官刺激;對著對風車吹氣時,風車會開始轉動LED的燈數會開始累積;搭配音樂、燈光及水氧機;透過App如圖2-5並選擇遊戲模式,可設定風車遊戲的難易度、選擇播放長者熟悉的音樂及計時功能。遊戲結束後會把結果顯示在平板上。

2-5. Remember App介面

Racing(互動手持風車,圖2-6:

2-6. Racing 原型設計

Racing也是一種風車遊戲,能訓練肢體的活動、認知練習並提供多感官刺激等;當拿著風車走動時,風車會開始轉動LED的燈數會開始累積;搭配音樂、燈光;透過App如圖2-7並選擇遊戲模式、選擇播放長者熟悉的音樂及計時功能。三種玩具遊戲結束後會把結果顯示在平板上,可以上傳到Facebook與大家分享也可作為每天的活動紀錄。

2-7. Racing App介面

2.2 TOIS原型設計

TOIS亦採用本研究一致的“Body-Cerebellar-Brain”控制架構。實體的玩具(Body)與控制器(Cerebellar)和行動裝置軟體(Brain)於架構中清楚劃分,微處理器屬於“Cerebellar”,負責基本I/O訊號控制。智慧型行動裝置App“Brain”,大部分控制功能與顯示介面定義於此,提供使用者各項功能操作輸入和資訊整合顯示;結合Facebook“Body”端所獲得資訊發布到網路,將實體的物件與數位的資訊連結起來。以下分別對TOIS各項軟硬體設計進行細部敘述。 

Rising Star 硬體原型設計與工作原理

Rising Star的籃板配置圖如圖2-8,模型的尺寸長48.7cm、寬30.6cm、以及厚度3.4cm,籃框直徑20.7cm。整體模型以RhinocerosSolidWorks繪製再用3D列印機打印,前板和後板是用壓克力板鎖上,在模型頂端加上手把,可容易掛置在牆壁上。

2-8. Rising Sstar 前後版面配置圖

2-9Rising Star各項元件交互作用概要圖。當使用者打開開關,「電源盒」開始供電給「七段顯示器」和「降壓模組」;降壓模組會將9伏特電壓下降至5伏特,再將電流輸入「控制晶片(RB board)」並供電給「紅外線感測器」和「LED燈條」,所有元件均組裝在「籃板」中。當使用者將球放入籃框中,紅外線感測器將會偵測到並將訊號傳至控制晶片,便在七段顯示器做加分和讓LED燈條發亮,RB board同時也將訊號以藍芽傳到智慧型行動裝置中的「App」。

2-9. Rising Sstar 各項元件交互作用概要圖

內部電路控制板是運用Eagle繪製電路圖(如圖2-10),再交給廠商加工製作出PCB板,將所有電子零件焊接在PCB上。表2-1Rising Star原型電子零件的BOM表,主要包括七段顯示器的運算器74HC595、可以透過調整可變電阻將電壓降低至我們所需要電壓的降壓模組LM2560SRB BoardRB Board是將Arduino Pro MiniBLE hm10結合,提供藍芽連接;為達到可攜帶性的目的,Rising Star18650電池為基礎結合充電模組製作行動電源。

2-10. Rising star PCB

2-1. Rising Star原型電子零件BOM

名稱

單價

數量

價錢(NT)

RB board

200

1

200

18650 battery

70

3

210

LED燈條

300

1

300

七段顯示器

25

2

50

IR sensor

50

1

50

PCB

200

1

200

74HC595

70

2

70

cCharging mModule

200

1

200

總計

1280

Remember 硬體原型設計與工作原理

2-11Remember的外觀前端與後端模型配置圖,如圖2-12所示,將PCB板置入內部,底部分別由直徑17.5公分的主體和直徑9.2公分的水氧機組成,總高度為45.5公分;主體的部分有一圈LED燈條,上端部份則裝有麥克風感測器、直流馬達和LED燈環。Remember的模型是用RhinocerosSolidWorks繪製出,再用3D列印機列印出模型組裝而成;PCB板是應用和Racing一樣的PCB板,再焊接上RB Board、控制直流馬達的IC L293D、降壓模組LM2560S、控制水氧機的八腳繼電器和偵測聲音大小的麥克風感測器等電子零件組合而成。

2-11. Remember 後端與後端配置圖

2-12. Remember PCB板配置圖

2-13Remember各項元件交互作用概要圖。使用者打開開關,外接電源供電給「霧化片」和「降壓模組」;降壓模組會將24伏特電壓降至5伏特,再將電流輸入「控制晶片(RB board)」並供電給「麥克風感測器」、「直流馬達」和「LED燈環」。當使用者對著風車吹氣時,麥克風感測器將會偵測到並將訊號傳至控制晶片,驅動直流馬達使風車轉動並累積LED燈數,RB board同時也將訊號以藍芽傳到智慧型行動裝置中的「App」。

2-13. Remember各項元件交互作用概要圖

麥克風感測器雜訊過濾程式演算,聲音與吹氣量的感測器是使用麥克風感測器模組,在麥克風感測器模組的可變電阻值不變的情況下,感測其在靜止且安靜環境下參數白噪音為多少,進而設定其進入工作的閥值。最後得到白噪音的類比電壓值為40上下,然而實測後發現40的閥值對於稍微有點噪音(說話聲)的環境太過敏感,所以又於稍為吵雜的教室或實驗室等環境量測白噪音值,而後得到類比電壓值是170260之間,最後本研究將設定閥值為200。表2-2Remember原型的電子零件BOM表。

2-2. Remember原型電子材料 BOM list

名稱

單價

數量

價錢(NT)

RB board

200

1

200

aAtomizer plate

260

1

260

LED ring

200

1

200

DC motor (N20)

150

1

150

L293D

100

1

100

LM2560S

100

1

100

mMic sSensor

80

1

80

PCB

200

1

200

總計

1290

Racing 硬體原型設計與工作原理

2-14Racing的版面配置圖,底部的長為7公分、寬7公分、高度51公分;風車可以依使用者喜好更換葉片的樣式,葉片的材質是用PVC材質再以雷射切割出畫好的圖案;手持的部分和放置上方馬達的模型,是用RhinocerosSolidWorks畫出模型後,再運用3D列印機印出模型組裝成Racing。下方手持部位,內部放置PCB板以及23.7Vv18650,圖2-15RacingPCB,與RememberPCB板相同,但使用的電子元件有所不同,包括RB Board、控制馬達的IC晶片L293DLM2560S降壓模組,以及可以偵測加速度與角加速度的加速規MPU6050

2-14. Racing前端與後端版面配置圖

2-15. Racing PCB

2-16Racing各項元件交互作用概要圖,與Rising StarRemember架構十分類似,感測器為MPU6050加速規,主要目的為感測使用者是否正移動中。首先利用三軸所感測到的加速度平方相加開根號後,計算50毫秒前後差值aChangeVal,如果超過閥值則參數go上升,在閥值以內則下降;參數go起始值為5,達到10時馬達開始轉動,LED也會開始亮燈,則接下來在參數go下降為0之前Racing都不會停止工作,達到行走中穩定不忽然停止工作的情況,缺點是起步進入工作需要多一點時間。

閥值的設定則是取靜止時的白噪音和慢速等速穩定行走的值,靜止時的白噪音便是利用Arduino序列埠來取平均值,利用一組能穩定取aChangeVal的值並把該次數值與前次數值平均的程式,分別進行若干分鐘後取出了2.02.3上下的值,因此把閥值設為2.5較為敏感卻又不會太過失控。表2-3Racing的電子材料BOM表。

2-3. Racing 原型的電子材料BOM

名稱

單價

數量

價錢(NT)

RB board

200

1

200

18650 battery

70

1

70

LED ring

200

1

200

DC motor (N20)

150

1

150

L293D

100

1

100

MPU6050

140

1

140

Charging Module

200

1

200

PCB

200

1

200

總計

1260

2-16. Racing各項元件交互作用概要圖