聪慧型行动辅助居家照护机器人研发

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聪慧型行动辅助居家照护机器人研发

聪慧型行動輔助居家照護機器人研發

楊谷洋國立交通大學電控工程研究所

計畫編號：NSC96-2620-E-009-161-MY3

一、摘要

面對台灣高齡化之社會的來臨，我們提出聪慧型行動輔助居家照護機器人系統，此機器人系統與欲輔助的銀髮族彼此之間會有密切的互動，因此如何合宜地處理彼此之間力覺的對應是相當重要。本計劃的一個重點，即在於建立其力感呈現，發展適當的力感控制策略，並建制力感測機構；另一方面，在神經復健的研究中論及，可利用外在的訓練來減緩銀髮族在感知運動協調能力的退化，而力覺相關的訓練有其功能，因此，我們也將運用此力感處理系統發展健康電腦遊戲，讓銀髮族能在愉悅的氣氛中增進其神經塑性與協調能力。

在此計畫中，我們針對機器人行動輔助、外出搬運、以及健康遊戲的任務，進行力感與操控分析，並建立軟硬體系統；我們也整合力感處理系統與生理訊號量測系統，同步觀察以力回饋訓練增強運動協調能力時，腦波與肌電波表現及其關連性分析，以並不複雜的機構與程式發展健康電腦遊戲，此遊戲系統有一定的生醫學理支持，具推廣價值，提供了銀髮族另一種訓練保健的選擇。所完成的系統經由實地的測試驗證其功能，並實地邀請銀髮族參與使用，提昇了系統的可行性與適用性。本計畫有助於建立具實用性的輔助型機器人，並能提昇銀髮族的生活品質與尊嚴。

二、計畫說明

在研發的進程中，我們首先由功能較單純的行動輔助機器人著手，以被動的方式提供銀髮族力感的資訊，賦予他們在行走時的支持與導引，接續提昇至半自主式的跟隨型機器人，可以在外出時自發地伴隨使用者，適時提供導引資訊與搬運協助，最終將成為全自主式的照護陪伴機器人，作為使用者與照護機構的介面，也設計可增進健康的互動式遊戲，陪伴銀髮族的家居生活。

我們的研究重點分別是照護機器人本體的機構設計與行為控制、嵌入式軟硬體平台設計、結合視覺與聽覺之感知互動介面研發，力感呈現與健康輔助系統開發，以及多語多模口語人機介面研發，在依序完成各子系統後，整合成完整的照護機器人系統，並進行田野測試，我們也執行社會面分析，據以瞭解台灣高齡化社會的人口分佈、健康狀況，以及醫療資源等，也邀請復健專長醫師擔任顧問，我們廣泛尋求銀髮族的協助，進行試用與評估，以期開發出符合台灣高齡化社會需求，具市場價值的系統，讓銀髮族能持續保持健康，自主愉悅地的生活。

圖一TalkingHead

圖二Webcam

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圖三小筆電

三、研究成果與現況1)聪慧型行動輔助器設計

設計供銀髮族使用的行動輔助器為本研究重點，我們設計的新型行動輔助器可以引導使用者到達各定點，此行動輔助器擁有良好的穩定度及支撐性，並配備有TalkingHead，Webcam，及小筆電，如圖一~三所示，除了有引導及速度控制以保護使用者的安全外，還可以利用臉部追蹤，聲音辨識等技術對使用者的意圖進行判定，做出相對應的正確動作。圖四為此行動輔助器與TalkingHead之整合圖，圖五為其與小筆電整合。

我們首先建立行動輔助器的數學運動模型，來分析行動輔助器在不同環境下對煞車性能的影響，並在行動輔助器後輪裝置電磁煞車，當行動輔助器的速度過快或接近障礙物時，控制器會送出訊號啟動電磁煞車將後輪鎖住，以避免使用者發生危險。而為防止行動輔助器滑動過快，在後輪也必須加裝阻尼裝置，可讓行動輔助器在行進間提供適當的阻力，也可以讓使用者感覺到較輕的重量，即使是肌力衰退的銀髮族，也可以選取適當的參數，輕鬆的操控此平台，並保護使用者的安全。

我們也發展了力導引策略，主要在於提昇使用者操作行動輔助器的安全性，由於使用者本身動作可能不穩，動態操作行動輔助器時，可能會因穩定性不夠而降低安全性，因此行動輔助器的設計應朝增加系統的穩定性來進行。為了有效發展具穩定性的力導引策略，基於本計劃所設計的被動式行動輔助器，在機構設計上，分別在手把的兩端加裝感應器，量得使用者的施力大小及方向，經由此使用者的意圖測定，應用電磁剎車改變系統阻尼，進而增加系統穩定性。

(a)

右側

(b)

左側

(c)正面圖四行動輔助器與TalkingHead整合圖

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(a)正面

(b)側面

圖五行動輔助器與小筆電整合圖

圖六行動輔助器結構圖

2)行動輔助器力導引分析

我們進行了行動輔助器的力導引分析，從圖六所示之行動輔助器的結構圖來看，其中AppliedForce為使用者施予輔助器的力/力矩，BrakeForce為兩輪伺服煞車器各別所輸出煞車力矩影響於整個輔助器上的煞車力/煞車力矩，其中xc、yc為兩後輪旋轉中心的座標，θ為朝向角。我們進行了行動輔助器力導引動態系統分析，其動態分程式可表示為

MvCvfhfb(1)

其中，v為速度，M為行動輔助器質量，C為未進行剎車時的阻尼係數，若忽略磨擦效應，C寻常為零，

fh為使用者施力，fb為進行力導引的剎車力，此剎車

力的作用為增加系統的阻尼係數，因此對使用者而言，操作系統的動態方程式可等效於

MdvCdvfh(2)

其中，Md為設計的等效質量，Cd為設計的等效阻尼係數。由方程式(1)與(2)，可得到剎車力與設計的等效質量、阻尼係數之關係為

fb(MdM)v(CdC)v(3)當MdM，

fb(CdC)v(4)

因此，只要設計適當的等效阻尼係數Cd

，我們即可利

用感測到的速度，計算得到剎車力進行馬達控制，完成聪慧型力導引之目的。3)利用超音波sensor之定點偵測

行動輔助器需要能把握環境的資訊，我們利用超音波sensor來偵測環境中的一些位置，系統中的microcontroller先發送一個初始脈波給超音波sensor，當sensor接受到訊號後，會發射出一個chirp，而chirp遇到定點會將能量反射產生一個echo，而

sensor接收到這個echo後回傳echotimepulse給系統，其利用聲速乘上時間而得到定點與sensor之間的距離，圖七顯示超音波sensor架構，其sensor配置如圖八所示，在半個圓上每隔22.50加裝上超音波sensor(U1~U9)，再區分為5個group(S1~S5)，以進行定點偵測。

四、創新技術說明

我們所研發的行動輔助器為被動驅動，以達到較高的安全性，而我們研發上的一個創意為利用被動驅動達到某種程度的導引，其觀念為利用左右輪的阻力誘導使用者推至規劃的位置。圖九和圖十分別展示我們的行動輔助器可以順利導引使用者到達某一定點

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或是經過一序列的點，此兩圖中，實線部份顯示較成功的導引，虛線部份呈現出略為偏移的現象。再者，我們建立出一套聪慧型力導引控制系統，使用者的意圖可藉由施力傳達至行動輔助器；而此行動輔助器在外型上採流線型設計，以提高使用者的接受度。

圖七超音波sensor架構

圖八超音波sensor位置配置

圖九行動輔助器導引至某一定點

圖十行動輔助器藉由多點進行導引

五、技術推廣及運用的價值

我們研發的新型聪慧型行動輔助器，可偵測環境資訊，可感知使用者意圖，並可藉由被動驅動達到導引的目的，實地的實驗驗證了我們所設計系統的可行性，其擁有高度的穩定性與安全性，在外型上也考慮