打造照護型電動輪椅用個人化輔助式控制系統

十月 19, 2017
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英國倫敦大學學院的PAMELA實驗室使用 NI CompactDAQ LabVIEW 測試並檢驗照護型電動輪椅
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已安裝馬達的後輪

隨著醫療技術越來越進步,英國人的平均壽命也延長了。 然而,85% 的 70 歲以上老年人口有行動受損的問題,25% 有心血管疾病和骨關節疾病的老年人口也因為行動不便的問題而需要輔助裝置。 因此,行動不便的老人家經常使用的照護型輪椅有助於大符提高老年生活的便利性。
隨著人口平均年齡增加,同時年輕勞動人口和退休人口的分布變得對退休人口較為有利,所以年輕的輪椅看護人力變得越來越少。 通常老年配偶會有一方擔任看護。 取決於輪椅類型和使用者的體重,輪椅的重量可能達到 100kg 以上,不但難以操作,還可能會對使用者和看護造成危險。 此外,看護會盡力保護乘員安全,而且有時候必須行經上坡或非平坦路面,造成背部、肩膀、手軸等部位過度施力或疼痛。 所以我們想要替看護減少推動輪椅的負擔。

在輪椅上安裝電動輔助裝置可以減少推動輪椅的負擔。 大部分這類的電動輔助裝置都可以提高輪椅的操作效能。 然而,這種裝置卻無法優化輔助力量與個人能力之間的關係,因此不能替看護節省力氣,這個議題近期受到廣大矚目,大家都很期待輔助式控制系統能夠提高生活品質。 這種現象的主要原因是輔助裝置常見的控制方式僅是運用和推進力成比例的輔助力。 老年人口的推進力差異很大,所以很難針對個人力量調整現有的控制系統參數。

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因此我們規劃一種隨需輔助控制系統,運用個人的力量與速度(FV)關係,其中包含下列特色:

  • 如果看護的自然推進能力不足的話,即可提供輔助
  • 在低推進負擔的情況下運用看護的自然推進能力,藉此節省力氣
  • 針對個人能力或推進效能輕鬆調整

我們研究這種高效能控制器,希望能協助看護在平面上推進輪椅的行為,並且把 PAMELA 平臺(圖2)的縱向斜度設計成 6.5%(3.6 度)、9.0%(5.0 度)和 12.0%(6.9 度)。

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PAMELA 平臺斜度設定

PAMELA平臺是?
該設備包含了一個由電腦控制的可設定平臺、調整式照明、動態立體聲響系統。 PAMELA 的研究員使用眼球追蹤、人體運動分析、慣性運動、壓力量測、錄影與錄音系統、EEG、EMG、膚電反應、力量傳感器、測力板和其他設備,進一步擷取並分析透過 NI LabVIEW 軟體統整起來的資料。
我們在一輛 NHS 9L 標準輪椅上安裝了兩個聚胺酯前腳輪和後輪,同時配備 6 軸式 MC3A 力量感測器(量測看護的推進力量)、500 p/r 旋轉編碼器(量測輪椅速度)、距離感測器(量測看護與輪椅之間的距離),以及安裝足部開關的涼鞋(量測接觸足部的時間點)。 來自所有感測器的訊號都會連接至 NI 9205 C 系列模組,並且傳輸至 NI cDAQ-9174 機箱。 我們開發出一個 VI,以便擷取並記錄合適的訊號資料。
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輪椅儀器資料擷取與記錄 VI 人機介面

實驗人員會在水平面和三種斜度表面上推動輪椅,並且根據施力、輪椅速度、行走模式和姿勢,計算出每個人的推進能力, 最後透過 LabVIEW 量測實驗結果。結果顯示,看護的自然推進力大約介於個人最大力氣的 10% 到 30% 之間,而且會根據行走速度按比例降低。 看護的力量(施力)則是和輪椅負重(高達 96 kg)及傾斜度(高達 12%)成正比。 此外,看護必須跨大步並放慢節奏,才能施加更多推進力量。
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電動輪椅儀器

我們根據初步實驗,繪製出看護為達特定速度而施加的力量圖,推論相關參數之間的關係,最後設計出每個人的 FV 關係。我們把輔助範圍設定為看護 30% 的推進力量,並且在 NHS 標準輪椅的後輪上安裝 DC 電動馬達和鏈條驅動系統。 此外,安裝在輪椅座位後方的馬達驅動器與分流穩壓器則能夠控制馬達。 我們把 NI 9263 輸出模組加到最初的 NI 系統內,以便供應計算過的 FV 輸出電壓給電動馬達,必要時可直接供電給後輪。同步化 I/O 訊號則是測試並檢驗控制系統的成功關鍵。只有 NI 硬體和 LabVIEW 能幫我們達成此目標。
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已安裝馬達的後輪

我們建立了一個新的 VI ,加入輔助控制功能,以便在看護的推進力量超過之前 FV 關係實驗所定義的界限時,計算並產生輔助力量。我們使用此 VI 來測試當初假設的 FV 關係方式,以及常見的比例輔助控制器(簡稱 P 控制器)。 P 控制器會根據看護力量和輔助增益而產生輔助力量。 我們要求看護使用輔助控制器重複剛開始的實驗步驟。 有了靈活的 LabVIEW,我們即可輕鬆設定並調整看護推進表現的輔助界限與增益值,簡化在斜坡上推進輪椅的方式。
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電動輪椅儀器 VI 人機介面

實驗結果證實,低於輔助界限時,FV 控制方式並無法提供輔助力量,不同於隨時都可以提供輔助力量的 P控制方式。然而,只有在看護推進力量超過個人 FV 關係所定義的輔助界限時,全新的 FV控制系統才會提供輔助力量。

系統優勢我們所建置的控制系統僅運用了高達輔助界限的看護推進力量,而且也可根據個人的推進表現來調整輔助界限。 因此,該系統可確保只會在必要的時候運用輔助力量,進而大幅節省電力。相較於常見的比例輔助控制系統,這是非常關鍵的優勢。 此外,只要看護在必要時使用輔助力量,也可以把推輪椅當成某種溫和的運動。

研究結果證明,我們可以在提供充裕輔助力量的同時,針對長途使用減少電力、提高人員安全、降低看護負擔。 這麼做還可以提升乘員和看護的生活品質,尤其是老年人,之後就能夠在戶外和不同地面上輕鬆操作輪椅。

可​攜​式​學​生​裝​置​是​一​款​多​功​能​的​資​料​擷​取​與​控​制​儀​器,​可​協​助​學​生​隨​時​隨​地​量​測​與​分​析​即​時​訊​號,​並​設​計​實​際​可​用​的​複​雜​系統。
這個控制系統還可以針對個人能力,優化其他輔助系統、復健系統和訓練系統。

我們使用 NI CompactDAQ 和 LabVIEW 打造出這項解決方案,可以同時擷取/記錄資料,並且同步化 I/O 通道,遠超過我們原本的期待。 LabVIEW 可輕鬆整合第三方硬體,而且就算是我們這種新手,也可以輕鬆學會圖形化程式設計環境。

方便好用的人機介面有助於統整不同參數,例如輔助增益、時間常數和 FV 關係,以便輕鬆調整並控制輪椅上的輔助馬達。 如果沒有這項特色,我們就只能透過模擬輪椅來測試原先假設的控制功能

作者資訊:
Derrick Boampong
行人便利性與移動環境實驗室(Pedestrian Accessibility and Movement Environment Laboratory,PAMELA)是全球唯一的多重感官行人實驗室,隸屬於英國倫敦大學學院 (UCL)土木/環境/空間資訊學系的便利性研究團隊(Accessibility Research Group,ARG)。

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(提供:NI國家儀器)

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