為了計算上肢關節作用力與力矩，過去實驗室開發出可量測輪椅推進時，手 部動態施力過程的測力輪椅，而為了改善傳統手輪機械效益不彰的問題，過去提 出一項專利(呂東武 2004)，針對輪椅的施力元件改良所出的省力把手。本章節主 旨在說明測力輪椅之構造、省力把手之設計、量測校正方法以及力學資料的擷取 與分析。
測力輪椅
測力輪椅包含了輪椅（康揚）、六軸力規（Model UFS-45E15A, JR3, Inc., Woodland, CA）、編碼器（RI58, Hengstler, Germany）、資料擷取系統（Wizard, Inc.）。
六軸力規
力規X-Y 軸（in-plane）的最大負載為 1100 N，z 軸（out-plane）的最大負載 為2200 N。最大力矩負載各方向皆為 125 N-M。輪椅推進力產生的力與力矩(Asato, Cooper et al. 1993)皆在力規的最大負載之內。力規被安置在輪椅的膠輪與手輪面 間（圖2-2），除了與手輪面為同一剛體外皆不與其他元件干涉，且力規與膠輪的 相對位置固定，其x、y 軸與輪面平行，z 軸與輪面垂直，與輪子共軸。其輸入電 壓為12V 鉛蓄電池透過變壓器轉換成 110V 驅動電源供應器，輸出為電壓，其訊 號透過一旋轉接頭連接至力規之訊號濾波與放大器，旋轉接頭其主要功能為避免 訊號線因輪子旋轉而扭曲並將訊號傳送到資料擷取系統儲存。後續處理將經由廠 商提供之校正矩陣轉換成力與力矩。
圖2- 2（左圖）六軸力規與其局部座標系統定義
（右圖）六軸力規輪椅配置與輪椅局部座標系統定義 (X 向前、Y 向下、Z 沿輪軸向內)。
X Z Y
Z X
Y
資料擷取系統
16 bit 的記錄器，記錄來自力規的電壓值（Analog）與編碼器的脈衝值（Digital）。
擷取頻率設定為500Hz，其儲存媒介為 Compact Flash Card，於實驗結束後離線將 資料下載至個人電腦，透過同步訊號與Vicon 資料整合，以利後續的分析。
圖2- 3 資料擷取系統，圖片下方為電源線，右側黑色接頭為力規訊號線連接埠，
上方兩個白色為編碼器訊號線連接埠，可接收兩個編碼器的訊號輸入。
編碼器
10000 pulses 之工業規格編碼器，其透過四倍解析角度精確度可高達 0.009°，
編碼器提供輪椅動態過程，力規與輪椅之間旋轉的角度量值，除了用以推算力規 x, y 方向力量的校正值，還可將動態過程力規量測的力量值轉換到相對於輪椅的 座標系統，便於後續逆向動力學的分析。
圖2- 4 編碼器，藉由輪軸之齒輪（尺數 38）驅動編碼器之齒輪（尺數 18）旋轉，
由編碼器pulse 數量可換算輪子旋轉之角度值。
測力輪椅元件配置
如圖2-5 所示，輪椅推進過程，力量透過手輪/省力把手傳遞至力規上。力規 將量測到的訊號經由一旋轉接頭傳至放大器，放大器將處理完的力規訊號輸出至 資料擷取系統。資料擷取系統會同時接收來自力規與編碼器的訊號，同步記錄於 CF 記憶卡中。力規的電力由一顆 12V 的電池經過變壓器轉換至 110V 所提供，資 料 擷 取 資 統 則 由 另 一 顆 12V 的 電 池 提 供 電 力 。 12V 的 電 壓 經 過 穩 壓 IC (MC-7809CT)降轉至 9V 後輸入。編碼器的電力則由資料擷取系統提供。
圖2- 5 測力輪椅系統配置圖
力規量測值校正
校正的原因，其一是由於力規的配置是連接於手輪/省力把手輪子之間，因此 不但會量測到輪椅推進過程手所施予手輪/省力把手的力與力矩，還會額外量測到 手輪/省力把手的重力、質量與轉動慣量在移動與轉動過程對輪軸中心造成的力與 力矩。必須予以扣除以得求得手部的淨施力。在本研究中考慮輪椅推進過程，線 性加速度與角加速度並不大，是故忽略後兩者對力規造成的額外受力，只扣除力 規在X, Y 軸因重力所額外量測到的力。其二是由於力規是固定在輪軸上伴隨輪椅 前進與輪子同步旋轉，因此在輪椅推進過程力規的X, Y 軸方向是不斷在改變的。
為了得知每個瞬間力規局部座標系統的方位，本測力輪椅設置一歸零裝置，透過 編碼器，可以計算出輪椅在歸零後旋轉的角度，並透過校正取得歸零瞬間力規局 部座標系統X, Y 軸方位與輪椅局部座標系統之間的相位角，便可將每一瞬間力規 Handrim / Handle
Wheel
Amplifier
Power Supply
12V Battery Load cell
Data Logger
Encoder Rotary
Connector
12V DC to 110V AC Converter
規一側的輪子使其空轉(正/逆轉)，速度盡可能接近輪椅推進過程輪子的旋轉速度，
其中θ為已知，使用最佳化的方法，設計變數為 a、b、ψ、C1、C2，個別找到 最符合實驗資料的參數值，代入作為後續校正所用的基礎線函數（baseline function）。
力規訊號處理
load cell Fx signal baseline
力規的訊號，經過歸零後，x, y 軸的力量，再扣除手輪/省力把手組件的重力 值(如圖 2-6 所示)，剩餘的力與力矩，即為輪椅推進過程，手部的淨施力。使用快 速傅利葉轉換（Fast fourier transform）找出在頻率域強度最大的頻率，為輪椅推 進過程手部施予手輪/省力把手的頻率值，其值落於 0.8 至 1Hz，使用 Butter worth 濾波器，經測試後設定低通濾波頻率12Hz，可濾除不必要的高頻雜訊，並保留手 部施力時接近原貌的訊號型態，再藉由編碼器所提供的角度量值，將力規量測的 力與力矩值轉換到相對於輪椅的座標系統。沿水平面前進方向為正x 軸方向，重 力方向為正y 軸方向，沿輪軸由外指向內側為正 z 軸方向。經過轉換後，力規所 量測到的力與力矩在相對輪椅座標系統下的值如下圖所示。
圖2- 7 經過訊號處理與座標轉換後的力規訊號
動態過程輪椅的座標系統相對實驗室座標系統的關係藉由黏貼於輪椅上的反 光標記點所定義（圖 2-12），將力規的訊號轉換到相對於實驗室的座標系統，完
Load Cell Data
Fx Fy Fz Mx My Mz
輪椅省力把手之設計
省力把手是採用附加的方式，取代輪椅原本手輪的位置，從輪軸附掛而上的 一項機構設計（圖 2-8a）。把手本體由復位配重塊、支架與握把所構成，透過兩 個滾珠軸承固定於輪軸上並可相對旋轉（圖2-9）。由於復位配重塊的設計，可讓 把手於推進階段結束後，因重力產生的復位力矩而讓把手旋轉恢復到初始位置，
不用額外施加力量。握把與支架間可伸縮調整長度，以符合不同身材尺寸的輪椅 使用族群。
省力把手的旋轉是滑設在環狀手輪的突起導軌上，在導軌內側貼有磨砂紙以 確保足夠之摩擦力，在手推進過程，當握把開始施力使把手機構旋轉時，復位配 重塊會因力臂的增加而增加一反向的扭矩，當固定於握把關節上的彈簧不足以扺 抗這反向的扭矩時便會讓關節旋轉，從而使下方的橡膠片與環狀手輪的導軌接觸
（圖 2-8c），使從握把端施力的力量，經由與環狀手輪剛性的結合，而能將向前 推進的扭矩直接傳遞到接地輪，傳動輪椅前進。當握把端不再施力時，彈簧驅動 桿件復位，鬆開與環狀手輪的結合，把手因復位配重塊的反向力扭而逆轉，回復 到初始位置，完成一個輪椅推進的週期。
（a） （b） （c）
圖2- 8（a）輪椅裝配省力把手完成圖（b）省力把手正視圖（c）省力把手嚙合組件
圖2- 9 省力把手爆炸圖
此省力把手的設計具有幾項優點，一、手部的施力方向近乎於切線方向，手 部的施力藉由機構的傳遞，可達到非常有作動效益的輪椅推進，二、使用者也因 此減少不良施力，不再需要額外的正向力以產生與手輪間足夠的摩擦力或因應手 輪的位置必須讓上肢斜向施力，三、減少上肢骨骼系統系統的負擔。四、輪椅操 作者手臂或衣物不再因為扺靠接地輪體旁邊，而常被輪體磨損、沾汙。