行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告
電動輪椅連桿式底盤機構之設計研究
計畫類別： 個別型計畫 計畫編號： NSC94-2212-E-110-018- 執行期間： 94 年 08 月 01 日至 95 年 07 月 31 日 執行單位： 國立中山大學機械與機電工程學系(所) 計畫主持人： 許正和 報告類型： 精簡報告 處理方式： 本計畫可公開查詢中 華 民 國 95 年 10 月 24 日
電動輪椅連桿式底盤機構之設計研究
On the Design of Linkage-type Chassis Mechanisms
for Power Wheelchairs
計畫編號：NSC 94-2212-E-110-018 執行期限：94 年 8 月 1 日~95 年 7 月 31 日 主 持 人：許正和 國立中山大學機械系教授 E-Mail：chohsu@mail.nsysu.edu.tw 一、中文摘要(關鍵詞：電動輪椅、底盤機 構、創新設計、運動設計) 輪椅是一種提供脊椎受傷的人、慢性 病患或腿部機能退化的老年人，在日常生 活中用以代步的醫療輔具。其中因電動輪 椅具有省力與易操作的優點，因此漸漸成 為輪椅的主流商品。電動輪椅底盤機構為 椅座與輪子之間支撐的介面，好的電動輪 椅底盤機構應提供良好的支撐性、貼地 性、轉向性、舒適性與跨障能力。故本計 畫之主要目的即在於發展六連桿電動輪椅 底盤機構的創造設計理論，並完成性能優 異之底盤機構的開發。首先進行專利文獻 的構造與運動分析，以釐定設計需求。其 次以機構運動學理論，推導底盤機構的分 析理論，並發展成電腦輔助分析程式。接 著根據機構構造設計學理論，進行底盤機 構的構造創新設計。然後應用最佳化理論 發展一可行的運動設計程序，決定輪椅底 盤機構的主要參數。最後運用CAE 軟體進 行模擬，以驗證設計結果。本計畫之研究 成果將可提供六連桿電動輪椅底盤機構的 完整設計理論。
英 文 摘 要(Keywords: Power wheelchair, Chassis mechanism, Creative design, Kinematic design).
The wheelchair is one kind of the medical assistive devices and is used to ride instead of walk in daily life for vertebra injured person, chronic patient or old people whose function of leg degenerated. The power wheelchair has the advantage of saving effort, so it becomes the most popular wheelchair gradually. According to the 2004
reports of Ministry of Interior, the number of aged people of our country has already reached 9.38% of total number of national people. In addition, the persons of limbs obstacle reach as high as 370,000, make the demand for the power wheelchair improve thereupon. Its relevant research becomes very urgent. The chassis mechanism of power wheelchair is the mechanism located between chair seat and wheels. A good chassis mechanism should provide the following characteristics including good support, high stability, easy steering, high comfort for rider, and has the capability of traversing step obstacles. Therefore, the purpose of this study is to develop the basic theories of analysis and design of six-link chassis mechanism of power wheelchairs, and produce the prototype of some novel chassis mechanisms. First, the kinematic analysis of six-link chassis mechanisms is derived, and then a computer program is developed. Next, the structural and kinematic characteristics of chassis mechanisms proposed in patent documentation are investigated and clarify. Then, the structures of six-link chassis mechanisms are synthesized based on the creative design methodology of mechanism. The optimization theory is used to develop a feasible designing program such that the dimensions of the chassis mechanism can be determined. Finally, CAE software is used to verify the design result. The results of this study could provide a complete theory for the systematic design of six-link chassis mechanisms for power wheelchairs, and promote the design competency of the domestic industrial circle.
二、計畫緣由與目的 輪椅是一種提供下肢障礙者在日常生 活中用以代步的醫療輔具，使脊椎受傷的 人、慢性病患或腿部機能退化的老年人， 維持一定的行動能力。輪椅早期以手臂力 量做為前進的動力來源，但因為效率低 [1-4]，加上輪椅使用者普遍存在手臂肌力 不足的情況，使手動輪椅的使用受到限 制，因此以馬達驅動的電動輪椅逐漸被廣 泛地使用[5, 6]。此外，根據內政部統計處 九十三年度最新資料顯示[7]，我國近年來 老年人口不斷增加，已達全國總人口數的 9.38%，且人口老化的趨勢日益嚴重，使 得我國正式邁入高齡化社會，加上高達37 萬的肢體障礙者，使電動輪椅的需求量與 重要性隨之提高，其相關的設計研究變得 刻不容緩。 電動輪椅的發展已具有相當的歷史， 電動輪椅係由驅動輪、轉向輔助輪、機架、 椅座、馬達與控制器所組成。電動輪椅的 最初設計是在平坦道路的行駛，如圖一(a) 所示，以四輪配合單一結構件的輪椅機架 為主[9]；後來，為了增加行駛穩定性，Finch 等人[10]將輪椅的前後輪軸距增長，如圖 一(b)所示，會造成迴轉半徑變大的缺點。 近幾年，無障礙空間雖然受到重視，但落 實的情況卻不盡理想，人行道常有突然的 高度變化情形，使電動輪椅的跨障功能成 為設計重點之一。考慮跨障能力的同時， 亦不能失去輪椅應具備的支撐性與貼地 性，以及乘坐舒適性，故電動輪椅的機架 從單一結構件演變至機構式，輪子數目也 從四輪演進至六輪，方能滿足各項需求。 圖一 電動輪椅的種類 由於對電動輪椅的需求與基本特性的 深入瞭解，電動輪椅的座椅與輪子間開始 安裝連桿機構，我們稱之為「電動輪椅底 盤機構」。有關電動輪椅底盤機構的設計已 有一些專利成果被提出[11-24]，如圖二與 圖三所示分別為二連桿底盤機構，在桿 1 與桿2 間配掛一根彈簧吸收外界振動並幫 助回復。圖四所示為三桿底盤機構，可視 為圖二與圖三所示之二連桿底盤機構的組 合設計。 圖二 二桿電動輪椅底盤機構[13] 圖三 二桿電動輪椅底盤機構[14] 圖四 三桿電動輪椅底盤機構[18] 圖五所示為美國Invacare 公司於 2004 年所提的M71 型四連桿底盤機構，它是各 研究成果中最具突破性與創新性的設計， 底盤機構由機架1、驅動輪連桿 2、前輪架 連桿3 與連接桿 4 所組成。經過初步的運 動分析結果顯示：M71 型四連桿底盤機構 的最大特色在於當前輪跨越階梯時，前輪 相對於車體會產生後縮與提高的動作，可 減少前輪碰觸階梯的阻力，使輪椅易於跨 越階梯。此外，兩條彈簧的配置可調配各 輪的負載，使前輪、驅動輪與後輪的相對 位置隨地形的變化而自行調整，保持貼地 性。但它有跨障時椅座傾角變化大，易造 驅動輪 3 1 2 前進方向 2 3 1 (b)對應的運動簡圖 (a)側視圖 2 1 前進方向 2 1 (b)對應的運動簡圖 (a)側視圖 (b)對應的運動簡圖 驅動輪 1 2 1 2 前進方向 (a)側視圖 驅動輪 轉向輪 (a) 轉向輪 驅動輪 (b)
成使用者的不適，以及跨越較高階梯時， 前輪有離地的危險性等二個缺點。圖六所 示為五連桿底盤機構，雖然機構桿件數高 達五桿，但在跨階過程中前輪卻無法後 縮，只能以直接衝撞的方式跨階，故跨越 階梯的功能較差。 圖五 M71 型四桿電動輪椅底盤機構[19] 圖六 五桿電動輪椅底盤機構[20] 綜觀前述之電動輪椅底盤機構專利的 設計，進一步歸納電動輪椅底盤機構應具 備下列的基本需求： 1.支撐性：支持使用者與電動輪椅的重量 負載，維持電動輪椅的剛性。 2.貼地性：使所有輪子在各種狀態下皆與 地面保持接觸，並維持一定的 支承負載，以防止輪椅傾倒。 3.轉向性：須能輕易地改變電動輪椅的行 進方向。 4.舒適性：能將外界的振動隔離並吸收的 避震功能，和避免椅座傾角變 化過大使乘坐者感到不舒適。 5.跨障能力：能以最小的驅動扭力使輪椅 跨越最大階梯高度。 由於相關設計理論尚欠缺，主持人為 了提升國內產業技術水準，應用機構構造 設 計 理 論[8] 協 助 光 陽 工 業 股 份 有 限 公 司，進行四連桿電動輪椅底盤機構的創新 設計，合成出三型構造的底盤機構，其中 一型構造為美國Invacare 公司所提的 M71 型四連桿底盤機構[19]；另一型為美國 Invacare 公司的 M71 型四連桿底盤機構專 利宣告範圍所保護；第三型構造則是創新 設計，由於其於前輪跨障時具有後縮提高 的動作，在相同的機構尺寸規格與跨階高 度下，可減少約25%的椅座傾角變化量， 且其防傾能力佳，證實為一可行的四連桿 電動輪椅底盤機構，故主持人已將該技術 轉移給光陽工業股份有限公司。該公司已 著手申請我國與美國專利，並試製。 經由已完成的初步研究發現，四連桿 電動輪椅底盤機構尚無法同時具備良好的 支撐性、貼地性、轉向性、舒適性與跨障 能力，因此六連桿電動輪椅底盤機構的設 計與開發研究成為刻不容緩的任務。故本 計畫之目的在於發展六連桿電動輪椅底盤 機構的創造設計理論，做為國內電動輪椅 產業的設計與開發基礎。計畫內容包括需 求與基本特性的釐定，底盤機構的構造設 計，六連桿底盤機構的性能分析與運動設 計，和六桿電動輪椅底盤機構的雛型試製 等任務，並建立相關的設計理論。本計畫 之研究成果將可提供六連桿電動輪椅底盤 機構的完整設計理論，並能提出數個創新 型六連桿底盤機構專利，提昇國內電動輪 椅產業界的設計能力與競爭優勢。 三、研究方法與成果 本研究一開始進行了設計任務的釐清， 並訂出合理的性能規格書做為設計需求。 然後根據設計需求，其後續各階段的研究 方法及成果分別說明如下： 3.1 連桿式底盤機構之構造合成 3.1.1 機構構造創新設計程序 本研究應用如圖七所示的構造合成程 序合成電動輪椅底盤機構，各步驟說明如 下。 步驟1、釐清電動輪椅底盤機構的功能需求與 基本特性，確定機構的自由度(F)與獨 立迴路數(L)。 步驟2、由基本特性與需求決定所對應的設計 3 2 4 1 地面 (b)對應的運動簡圖 1 2 3 4 (c)跨階示意圖 1 2 4 3 驅動 前進方向 地面 (a)側視圖 4 3 2 1 5 前進方向 4 3 2 1 5 A B A、B 為扭力支撐迴轉 對，功能類似回復彈簧。 (b)對應的運動簡圖 (a)側視圖
限制，並分成內在設計限制與外在設 計限制。 步驟3、根據機構所需的自由度與獨立迴路數 列出連桿運動鏈目錄，並依照內在設 計限制列出所有可能的可用運動鏈。 步驟4、針對每一個可用連桿運動鏈以一般化 規則配合外在設計限制，決定輪椅底 盤機構的車架、前輪架、驅動輪架及 後輪架之所在位置，可得到所有可行 且不同構造的輪椅底盤機構之構想。 步驟5、將所得到的一般化機構繪製成可供選 用的機構簡圖，得到完整的輪椅底盤 機構簡圖構造圖集。 圖七 電動輪椅底盤機構之創新設計程序 3.1.2 構造特性與設計限制 電動輪椅底盤機構構造特性為： (1) 底盤機構是一個自由度為一，基本迴 路數為一或二的平面機構。 (2) 底盤機構有前輪架、驅動輪架和後輪 架等三個不同的機械構件。 (3) 底盤機構之車架以雙接頭連桿為宜。 (4) 車架不得與前輪架或驅動輪架為同一 構件。 (5) 底盤機構的驅動輪架不可同時和前輪 架與後輪架相鄰接。 (6) 底盤機構為基本迴路為二之運動鏈 時，其前輪架與後輪架不屬於同一基 本迴路且為雙接頭連桿。 (7) 機構不含任何贅餘構件。 電動輪椅底盤機構的內在設計限制可 歸納為： (1) 自由度為一 (2) 基本迴路為一或二的平面機構。 基於第二個至第七個構造特性，電動 輪椅底盤機構的外在設計限制可歸納為： (1) 前輪架、驅動輪架和後輪架為三個不同 的構件。 (2) 車架為一雙接頭連桿。 (3) 車架與前輪架或驅動輪架相附隨。 (4) 驅動輪架不可同時與前輪架和後輪架 相互鄰接。 (5) 前輪架與後輪架為雙接頭連桿。 (6) 基本迴路為二之平面機構，車架、前輪 架、驅動輪架和後輪架不在同一個四桿 迴路內，且前輪架與後輪架不得位於同 一個四桿迴路內。 3.1.3 底盤機構之構造創新 由內在設計限制可知，底盤機構為自 由度一，基本迴路一或二的平面機構，其 可用的連桿運動鏈，有一個為四連桿、四 接頭運動鏈，與四個六連桿、七接頭運動 鏈；本文僅選用單接頭運動鏈進行底盤機 構的創新設計，如圖八所示。 圖八 四桿與六桿之可用運動鏈 根據外在設計限制依序決定輪椅底盤 機構的車架、前輪架、驅動輪架和後輪架 的所在位置，可得到所有不同構造的底盤 機構。其內容分別敘述如下： 步驟 1：選定車架。對每一個可用的運動 鏈，選定一根雙接頭連桿做為車 架，並以編號1 標示，得到不同 構的機構。 步驟 2：選定前輪架。對每一個機構，選 定一根雙接頭連桿做為前輪架， 並編號2 標示。 步驟 3：選定驅動輪架。選一根連桿做為 (b) (c) (a) 一般化機構 電動輪椅底盤機構簡圖 運動鏈目錄 一般化規則 內在設計限制 外在設計限制 可用運動鏈 基本需求
驅動輪架，並以編號3 標示。 步驟 4：選定後輪架。對每一個四連桿機 構指定與車架相同的連桿做為後 輪架，即車架與後輪架為同一結 構件(與原始機構相同)，並以編 號4 標示；對每一個六連桿機構 找出一根雙接頭連桿做為後輪 架，並以編號4 標示，其中驅動 輪架不可同時與前輪架和後輪架 相互鄰接。為了避免贅餘構件， 車架不得與前輪架、驅動輪架、 後輪架形成一個四桿迴路。 最後可得到三個四桿電動輪椅底盤機 構與十八個六桿電動輪椅底盤機構。其繪 製成機構簡圖如圖九所示為有可能的四桿 底盤機構圖集；如圖十所示為有可能的六 桿底盤機構圖集。 Invacare US20040060748 必翔 CNS M244070 光陽 CNS I255177 圖九 四桿底盤機構構造圖集 由底盤機構構造圖集與底盤機構專利 比對，發現三個四桿機構皆為現有機構， 其 中 Type 4-1 與 美 國 Invacare 公 司 US20040060748 專利的底盤機構同構； Type 4-2 與中華民國必翔公司 M244070 專 利的底盤機構同構；Type 4-3 與中華名國 光陽公司 I255177 專利的底盤機構同構。 至於六桿底盤機構，Type6-1 至 Type6-18 型皆為創新機構，在初步篩選與評定後， 較佳之六連桿底盤機構為6-6、6-8、6-9、 6-10、6-13 以及 6-14 等六型。 底盤機構配置一拉伸彈簧來輔助支撐 提高穩定性、防傾能力與節省驅動輪所需 的跨障力矩。本研究將拉伸彈簧的兩端 圖十 六桿底盤機構構造圖集(2/2) 點，配置於車架桿件 1 與驅動輪架桿件 3 上，如此可減少需動輪所需的驅動力矩 外，亦可增加前/後輪的正向力以提升輪椅 的穩定性，並且有助於跨障時的後縮抬高 作用。 3.2 運動分析 以較佳的 6-10 型輪椅底盤機構為例 說明其運動分析過程： 3.2.1 位置分析 本研究根據向量迴路法(Vector loop 6-9 2 4 1 3 4 4 1 3 6-10 4 2 1 3 6-11 4 2 1 6-12 3 6-13 4 4 1 3 6-14 4 1 3 2 6-15 1 4 2 3 4 2 1 3 6-16 4 4 3 1 6-17 4 2 1 3 6-18 4 2 1 3 6-1 6-2 2 4 3 1 6-3 2 1 4 3 4 2 1 3 6-4 2 1 4 3 6-5 2 4 1 3 6-6 2 4 1 3 6-7 1 4 2 3 6-8 4 4-1 2 3 1 4-2 3 2 1 4 2 3 4 1 4-3
method)進行輪椅底盤機構的位置分析， 6-10 型輪椅底盤機構的向量迴路如圖十一 所示，將原點O 定在路面上，可列出六個 獨立的機構之向量迴路方程式： 0 cos cos cos cos 21 31 31 51 51 61 61 21 1=r θ +r θ +r θ −r θ = F (1) 0 sin sin sin sin 21 31 31 51 51 61 61 21 2 =r θ +r θ +r θ −r θ = F (2) ( ) cos cos( ) 0 cos cos 11 32 31 31 41 41 62 61 6 11 3=r θ −r θ −α +r θ +r θ +α = F (3) ( ) sin sin( ) 0 sin sin 11 32 31 31 41 41 62 61 6 11 4=r θ −r θ −α +r θ +r θ +α = F (4) ( ) ( ) 0 sin sin sin sin 32 31 33 31 31 2 21 22 21 21 5 = − + + + + + + + + = Fy Dy O O r r r r r r F α π θ θ α π θ θ (5) ( ) sin sin( ) 0 sin 31 32 42 42 62 61 6 33 6=rODy+r + + +r +r + −rOBy = F θ π α θ θ α (6) 整個底盤機構系統共有θ11、θ21、 31 θ 、θ41、θ51和θ61等六個未知，透過(1) 至(6)式等六條獨立方程式剛好可以解得 六個未知。由於六條方程式為高度非線 性，欲以解析法求解並不可行，因此本研 究以 Newton-Raphson 的方法逐步執行求 解，可解得六個未知的數值解。 OD OF OB βF βD RF RD RB X Y x OD rr B O rr y OD r r O CF CD CB β B F O r r 21 r v 22 rv r42 v α2 α4 A B E F 11 r v 32 r v 31 rv 33 rv 51 r v 61 r v r62 v α6 α31 C D G 41 r v OD XD YD α33 α32 GU GF α11 α12 S1a α13 S1b α34 GM 圖十一 6-10 型底盤機構向量迴路圖 3.2.2 靜力分析 假設所有的輪子與路面為不滑動接觸 且不計機架以外之桿件重量，然後於驅動 輪軸心輸入一驅動力矩MD使底盤機構維 持靜力平衡，故可視為電動輪椅以趨近於 0 的速度跨越障礙之情況，因為輪椅的動 能為 0，驅動所需的能量完全由驅動馬達 瞬間提供，可模擬輪椅實際作動過程中最 不利的情況。 考慮使用者重量m 、機架及電池重量U F m 、馬達及變速箱重量mM。6-10 型底盤 機構的分離自由體圖如圖十二所示，分別 取桿件分離自由體： βF F C Fr F O Fr − 7 t1 n1 βD D Mr D C Fr D O Fr − 8 t2 n2 βB B C Fr B O Fr − 9 t3 n3 2 1 F Fr G Fr GU j g m F U U G G r r − = GF FGF mGFgj r r − = 1 K Fr − S1a F Fr − B O Fr E Fr − 4 A Fr FG r − D Fr D O Fr GM 1 K Fr 3 j g m F M M G G r r − = A Fr − B Fr − 2 F O Fr E Fr D Fr − C Fr 6 C Fr − B Fr 5 圖十二 6-10 型底盤機構分離自由體圖 機架1 0 0 ⇒ + − 1 = = ΣFx FGx FFx FKx (7) 0 0 ⇒ + − − − 1 = = ΣFy FGy FFy FGU FGF FKy (8) x K y y K x F x U x Gx FGy Gy FGx F F F g m g m F r F r M 1 1a 1 1a F U FG FS FS FG r r r r 0 − + + = − ⇒ = ∑ (9) 前輪架2 0 0 ⇒ − + = = ΣFx FAx FBx FOFx (10) 0 0 ⇒ − + = = ΣFy FAy FBy FOFy (11) 0 r r r r - 0⇒ ABx + ABy + AOFx − AOFy = = ∑MA FBy FBx FOFy FOFx (12) 驅動輪架3 0 0 ⇒ + + − + 1 = = ΣFx FODx FAx FDx FGx FKx (13) 0 0 ⇒ + + − + 1 = = ΣFy FODy FAy FDy FGy FKy (14) y K x x K y M x Gx Gy Dx Dy Ax Ay O F F g m F F F F F F M D 1 1b D 1 1b D M D D D D D D D S O S O G O Gy O Gx O Dy O Dx O Ay O Ax O r r r r r r r r r 0 × − + = + − − + − ⇒ = ∑ (15) 後輪架4 0 0 ⇒ − + = = ΣFx FEx FFx FOBx (16) 0 0 ⇒ − + = = ΣFy FEy FFy FOBy (17) 0 r r r -r 0 ⇒ OBEx + OBEy − OBFx + OBFy = = ∑MOB FEy FEx FFy FFx (18)
輔助輪架5 二力構件⇒FB−FC=0 (19) 輔助輪架6 0 0 ⇒ − + = = ΣFx FCx FDx FEx (20) 0 0 ⇒ − + = = ΣFy FCy FDy FEy (21) 0 r r r r
0 ⇒ CDx + CDy + CEx − CEy = = ∑MC FDy FDx FEy FEx (22) 前輪7 0 sin cos F 0 ⇒ OFx+ 1 − 1 = = ΣFx FCFt βF FCFn βF (23) 0 cos sin F 0 ⇒ OFy+ 1 + 1 = = ΣFy FCFt βF FCFn βF (24) 0 F r 0 ⇒ OFCF× CF = 1 = = ∑MOF RFFCFt r r (25) 驅動輪8 0 sin cos F 0 ⇒ ODx + 2 − 1 = = Σ x C t D C n D D D F F F β β (26) 0 cos sin F 0 2 2 Dy O + + = ⇒ = ΣFy FCDt βD FCDn βD (27) 0 M 0 2 D+ = ⇒ = ∑MOD RDFCDt (28) 後輪9 0 sin cos F 0 ⇒ OBx+ 3 − 3 = = ΣFx FCBt βB FCBn βB (29) 0 cos sin F 0 ⇒ OBy+ 3 + 3 = = ΣFy FCBt βB FCBn βB (30) 0 F r 0 ⇒ OBCB× CB = 3= = ∑ O B Ct B B R F M r r (31) (7)至(31)式這 25 條靜力平衡方程式 中包含MD、 O x D F 、 O y D F 、F 、Ax F 、Ay FB、 C F 、F 、Dx F 、Dy F 、Ex F 、Ey F 、Fx F 、Fy F 、Gx Gy F 、 O x F F 、 O y F F 、 O x B F 、 O y B F 、 1 t CF F 、 1 n CF F 、 2 t CD F 、 2 n CD F 、 3 t CB F 與 3 n CB F 等25 個未知， 將其表示成AX=B 之矩陣形式，利用高斯 消去法求解驅動力矩MD與其餘未知數。 3.3 電腦輔助運動設計 3.3.1 目標函數 六輪電動輪椅底盤機構進行運動設計 時本研究所考慮指標包括：椅座傾角最大 變化量、最大驅動力矩、最大穩定性等指 標，雖然最大跨障高度不在考慮的指標之 列，但其值須落在設計規格書所規定的範 圍內。故可列出目標函數： * ) / 1 ( ) / 1 ( * ) / 1 ( ) / 1 ( * ) ( * * ) ( * Min _ _ _ _ 3 _ _ _ _ 2 _ _ _ _ 1 Max tab Max Max tab Max tab Max tab Max D Max Max D Max D Max D Max seat Max Max seat Max seat Max seat S S S S M M M M F − − ⋅ + − − ⋅ + Δ − Δ Δ − Δ ⋅ = α α θ θ θ θ α (32) 其中α1,α2,α3分別為椅座傾角最大變化 量、最大驅動力矩和最大穩定性等目標函 數的權重，依性能重要程度給予不同的權 重 ， 本 研 究 設 定 α1 =α2 =α3 =1 ； * _ Max seat θ Δ 和
(
)
Max Max seat _ θ Δ 分別為以椅座 傾角變化量單一指標進行最佳化時的最佳 及最差解;MD_ Max *和(
)
Max Max D M _ 分別為 以驅動力矩單一指標進行最佳化時的最佳 及最差解;Stab_ Max *和(
)
Max Max tab S _ 分別為 以穩定性單一指標進行最佳化時的最佳及 最差解。Δθseat _Max、MD_Max和Stab_Max分 別為行經測試地形椅座最大傾角變化量、 最大驅動力矩和最大穩定性。 3.3.2 運動設計程式 以基因演算法為基礎，本研究提出如 圖十三所示程序，做為輪椅底盤機構之電 腦輔助運動設計的依據。首先應用 Visual Basic. Net 程式語言，撰寫各型機構的運動 分析模組，然後配合圖十三所示程序，進 行電腦輔助運動設計程式的撰寫。 基因演算法與傳統搜尋法最大不同之 處在於它是採多點搜尋的方式在參數空間 中同時尋求問題最佳解，在尋找過程中僅 需藉由所定義的適合度函數值（Fitness） 作為演化過程中的性能指標依據，然後再 經 由 一 連 串 反 覆 演 化 程 序 的 複 製 （Reproduction）、交配(Crossover)、突變 (Mutation)，適切地調整搜尋的方向及區 域，使能逐漸搜尋到最佳解，其基本演化 流程如圖十四所示。 3.3.3 底盤機構性能指標評價 以最大椅座傾角變化量、跨障時所需 最大驅動力矩、所能跨越的極限高度、穩 定度與跨越障礙時輪子的正向力變化等五隨機產生初始解 違返設計限制? I = 100 是 I = I + 1 適應函數排序 J = J + 1 否 I = I - 1 基因運算 (複製、交配、突變) 違返設計限制? 參數解碼計算 適應函數(目標函數) J = J - 1 T = T + 1 滿足終止條件? ( T = 1000 ) 參數解碼計算 適應函數(目標函數) 優生解集合 否 是 否 是 否 是 否 J= 100 最佳化解 J = 5 I = J = 0 輸入設計變數範圍 產生初 始族群 開始 六桿底盤機構圖集 運動分析 程式模組 運動分析 程式模組 基因 運算 測試邊界條件 是 圖十三 輪椅底盤機構運動設計流程 代數k=0 產生初始族群P(0) 最佳參數解 複製過程 交配過程 是否滿足終止條件? 將P(k)中染色體解 碼成對應參數並求 出適應函數值 否 是 k=k+1 演化 Pc Pm 突變過程 適應函數 P(k+1) 越好的擁有 越高的機率 取樣 圖十四 輪椅底盤機構運動設計流程 項性能指標評價，設定恰好符合設計規格 的指標分數為2 分，滿分為 5 分，來進行 整體之行駛性能進行評價。其中以 4-1 型 (M71)與六桿底盤機構做性能上的比較， 如圖十五所示，顯示六桿底盤機構在各項 性能的表現上，皆較優於四桿底盤機構。 最 後 應 用 現 有 的 CAD 繪 圖 軟 體 ProE，考慮空間層疊配置與干涉問題下， 將運動設計的結果加以具體化，得結果如 圖十六所示；並製作成壓克力模型，例如， 6-10 型底盤機構的模型如圖十七所示。 最大椅座傾角(2.00) 最大驅動 力矩(2.00) 跨障高度 (4.52) 穩定度 (2.06) 正向力變 化量(2.00) 4-1 型 最大椅座傾角(4.92) 最大驅動 力矩(4.13) 跨障高度 (4.52) 穩定度 (3.92) 正向力變 化量(3.13) 6-6 型 最大椅座傾角(3.83) 最大驅動 力矩(3.47) 跨障高度 (4.40) 穩定度 (3.50) 正向力變 化量(3.37) 6-8 型 最大椅座傾角(3.74) 最大驅動 力矩(4.30) 跨障高度 (4.40) 穩定度 (4.10) 正向力變 化量(3.76) 6-9 型 最大椅座傾角(4.86) 最大驅動 力矩(3.81) 跨障高度 (4.40) 穩定度 (2.30) 正向力變 化量(4.11) 6-10 型 最大椅座傾角(4.21) 最大驅動 力矩(3.03) 跨障高度 (4.04) 穩定度 (3.98) 正向力變 化量(3.94) 6-14 型 最大椅座傾角(4.51) 最大驅動 力矩(4.50) 跨障高度 (4.52) 穩定度 (3.92) 正向力變 化量(2.17) 6-13 型 圖十五 各構型的性能指標圖 3.4 研究成果 綜合本計畫之研究內容，可歸納下列 之具體成果： 1.針對電動輪椅底盤機構的基本需求與特 性進行探討，歸納其構造時所需的設計 限制。 2.應用「創造性機構構造設計程序」進行 六輪電動輪椅底盤機構的創新設計，得 到21 型六輪電動輪椅底盤機構並繪製成
構造圖集以供參考；其中四連桿構型有3 型為現有專利，其餘18 型六連桿構型均 為創新構型。最後加以分級找出 6 個可 行性較高的創新機構進行運動設計。 3.根據機動學基本原理，推導 6 型六連桿 電動輪椅底盤機構的運動分析理論，然 後應用Visual Basic.Net 程式語言將其電 腦化。運動分析程式可針對底盤機構於 跨越斜坡、高台、方塊和壕溝等地形時， 就椅座傾角變化量、驅動力矩、穩定度、 跨障高度和正向力變化進行分析。 4.以一底盤機構運動設計程序，然後採用 遺傳基因演算法，應用 Visual Basic.Net 程式語言建構一套電腦輔助運動設計程 式。 5.藉電腦輔助運動設計程式進行 6 型六連 桿底盤機構的運動設計，其設計結果均 符合性能規格書的規範，其中M71 性能 表現比六連桿構型中最不佳的性能表現 還差(6-14 型)，顯示所有設計後的六桿底 盤機構均能在椅座傾角變化量、跨障最 大驅動力矩與穩定度等性能指標上，獲 得有效的提升。 6.應用現有 CAD 繪圖軟體 ProE 做為具體 化輔助設計工具，將運動設計的結果， 在不產生干涉的空間層配置與符合設計 空間範圍的原則下進行底盤機構的具體 化，最後得到6-6 型、6-8 型、6-19 型、 6-10 型、6-13 型與 6-14 型等新型六輪電 動輪椅底盤機構之具體化結果，並製作 模型測試，並申請專利。 四、結論 本計畫首先針對專利與相關文獻分 析，探討出電動輪椅底盤機構的基本需求 與特性，並依據其特性歸納其設計限制， 應用運動鏈的一般化構造合成理論，進行 電動輪椅底盤機構的創造性設計。其次應 用靜力學與機動學理論推導電動輪椅底盤 機構的運動分析理論，並加以電腦化輔助 分析。然後採用最佳化遺傳基因演算法進 行六桿底盤機構的運動設計。最後經過評 價篩選得到6 型性能優異的六連桿式底盤 機構，並申請專利。 6.6 型 6.8 型 6.9 型 6.10 型 6.13 6.14 圖十六 底盤機構之實體化 圖十七 6-10 型底盤機構壓克力模型 五、參考文獻
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