輔助性人因導向智慧型代理人系統---子計畫五：輔助性人因導向智慧型影像辨識代理人系統之研製(科技系統組)

行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告

輔助性人因導向智慧型代理人系統--子計畫五：輔助性人

因導向智慧型影像辨識代理人系統之研製(科技系統組)(第

3 年)

研究成果報告(完整版)

計 畫 類 別 ： 整合型 計 畫 編 號 ： NSC 95-2221-E-151-004-MY3 執 行 期 間 ： 97 年 08 月 01 日至 98 年 07 月 31 日 執 行 單 位 ： 國立高雄應用科技大學電子工程系 計 畫 主 持 人 ： 楊正宏 共 同 主 持 人 ： 張瑞昆 報 告 附 件 ： 出席國際會議研究心得報告及發表論文 處 理 方 式 ： 本計畫涉及專利或其他智慧財產權，2 年後可公開查詢

中 華 民 國 98 年 10 月 29 日

1

行政院國家科學委員會補助專題研究計畫

■ 成 果 報 告

□期中進度報告

重度肢障者生活輔助系統之研發

計畫類別：□ 個別型計畫 ■ 整合型計畫

計畫編號：NSC 96-2221-E-151-053-MY2

執行期間： 97 年 8 月 1 日至 98 年 7 月 31 日

計畫主持人：楊正宏

共同主持人：張瑞昆

成果報告類型(依經費核定清單規定繳交)：□精簡報告 ■完整報告

本成果報告包括以下應繳交之附件：

□赴國外出差或研習心得報告一份

□赴大陸地區出差或研習心得報告一份

□出席國際學術會議心得報告及發表之論文各一份

□國際合作研究計畫國外研究報告書一份

處理方式：除產學合作研究計畫、提升產業技術及人才培育研究計畫、

列管計畫及下列情形者外，得立即公開查詢

□涉及專利或其他智慧財產權，□一年□二年後可公開查詢

執行單位：國立高雄應用科技大學

中 華 民 國 98 年 8 月 6 日

2

行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告

重度肢障者生活輔助系統之研發

Development of a Life Aid System for Persons with Physical

Disabilities

計畫編號：NSC 96-2221-E-151-053-MY2

執行期限：97 年 8 月 1 日至 98 年 7 月 31 日

主持人：楊正宏 國立高雄應用科技大學電子工程系

共同主持人：張瑞昆 高雄長庚醫院復健中心

一、中文摘要 近年來，台灣身心障礙者人數有持續 增加的趨勢，其在社會上是屬於弱勢族 群，生存發展條件不如常人。為了幫助他 們自我學習、成長，並獲得獨立的生活能 力，本研究針對手部功能不便，如肌肉萎 縮症、腦性麻痺者或重度肢障者提出科技 輔具研發計畫。本年度計畫主要開發無線 嘴控輸入器並整合第一年計畫，透過無線 傳輸及接收器配合軟硬體的輔助，控制電 腦達到網際網路(Internet)存取的功能及操 作簡易的收發電子郵件系統，幫助身心障 礙者更方便且快速地使用摩斯碼與電腦溝 通。 關鍵詞：身心障礙者、肌肉萎縮症、腦性 麻痺者、重度肢障者、科技輔具、 摩斯碼 Abstract

Recently, the number of persons with Physical Disabilities is continued increased. They are a disadvantaged minority and their living is worse than normal persons. To help they to study, grow up and living themselves, this plan aim at the hand disabilities, such as muscular dystrophy (M.D.), cerebral palsy (C.P.) or serious physical disabilities to develop an aid tool of science and technology. In this year, we develop a mouth controller to control computer and integrate chinese morse code system to facilitate Chinese to operate and use. It employed adaptable algorithms to recognize morse code and provide a convenient input

interface to edit text. It aids the persons with physical disabilities to communicate with computer easily and rapidly.

Keyword: Persons with physical disabilities,

muscular dystrophy, cerebral palsy, serious physical disabilities, aid tool of science and technology, morse code

二、緣由與目的 目前在科技輔具方面的設計，結合電 腦的軟、硬體已是未來的趨勢。國內對此 方面的研究尚在萌芽階段，所設計的產品 亦不多，政府有鑑於此，已明訂醫療保健 產業為我國跨越廿一世紀政府科技發展重 點之一。障礙者如能藉由改良的各種生活 輔助設施，表達心中的意念和構想，改善 他們的生活品質及提高生活的獨立性，亦 可與常人一般正常的生活與工作，對提升 整體社會利益有不小的幫助。但目前所存 在的輔具並無法滿足國內這些障礙者。一 般而言，輔具可分為可代償使用者缺損或 喪失的功能與生活中長期使用等兩種，以 種類來分有生活、視覺、行動、聽覺及醫 療復健等。隨著科技的進步，科技輔具所 扮演的角色日漸重要，於各種科技輔具 中，以建構在電腦上的軟硬體設備最多， 因其可利用的功能包括提供訓練、教學、 學習與輔助設計等。在國外專為殘障者特 殊設計的電腦輔助輸入設備很多，如 head mouse, mini-keyboard, king-sized keyboard, trackerball, joystick, alternative keyboard, keyguard, touch screen, and single switch 等 [1]。對於手部功能不便，如肌肉萎縮症、 腦性麻痺者或重度肢障者，為幫助他們因

-3-無法使用標準鍵盤，替代性鍵盤(substitute keyboard)有其必要性。針對全身癱瘓行動 不便甚至無法言語的身心障礙人士，如 C4、C5 椎傷、運動神經元病變、小腦萎 縮、小兒麻痺、肌肉硬化症･･･等疾病均有 此 種 情 況 發 生 ， 透 過 瞳 位 追 蹤 系 統 (Eye-tracking System) 、 頭 控 系 統 (Head-control System)、吹控系統等可讓障 礙者們透過眼睛和頭部的些微移動控制電 腦，並使用相關開發之應用軟體，以協助 他們點選字母盤撰寫文章、使用語音資料 庫與外界溝通、甚至於空戰射擊遊戲之娛 樂功能，如此對身心障礙人士之生活品質 具有相當大的幫助，此類系統更成為他們 與外界溝通與表達的介面工具。 由於在各種科技輔具中，以建構於電 腦的軟硬體設備最多，在先進國家的醫療 方面學者專家，期許藉由電腦能幫助殘障 者補償較為不足的方面或提升自我能力。 部分障礙者是無法使用一般的電腦，他們 需要結合適當的輔具，而對於手部功能不 便者，如肌肉萎縮症、腦性麻痺者、高脊 椎損傷患者或重度肢障者，因他們無法使 用標準鍵盤，因此替代性鍵盤(substitute keyboard)必要的。本年度開發無線嘴控輸 入器並整合第一年計畫，透過無線傳輸以 及接收器配合軟硬體的輔助而控制電腦達 到網際網路(Internet)存取的功能及操作簡 易的收發電子郵件系統，幫助身心障礙者 更方便且快速地使用摩斯碼與電腦溝通。 三、設計方法 本研究於嘴控輸入器硬體電路的設計 上，採用可替換式操作介面的設計，此一 功能針對不同患者所適用的操作介面，可 降低購置不同輔具所需要經費。身心障礙 者可藉由本研究之嘴控系統透過無線傳輸 及 接 收 器 控 制 電 腦 而 達 到 網 際 網 路 (Internet)存取的功能，如圖 1。 圖 1. 身心障礙者之網際網路存取方塊圖 於發射端的電路上，所採用的是無線 傳輸的方式，以達到無障礙空間的狀況； 為了讓此一系統與家電做結合，設計上亦 加入液晶控制面版，透過液晶控制面版的 圖型化介面，讓患者更容易上手。下圖 2 說明使用的電路結構：

-4-無線發射端電路採用類似 AM 方式 的傳輸電路，並搭配 HT12E 編碼電路來 達成無線傳輸介面。無線發射電路如圖 3 所示，作為發射訊號用，並經由圖 4 的編碼電路，發射訊號給無線接收電路 接收。 圖 3. 無線發射電路 圖 4. 編碼電路 而無線接收端方面，採用類似 AM 方 式的接收電路，並搭配 HT12D 解碼電路 來達成無線接收介面。無線接收電路(如圖 5)，接收來自無線發射電路的訊號，並經 由圖 6 的解碼電路完成訊號的解碼。 圖 2. 電路結構圖 ATMEL AT89C51 MicroController Boost +5V Switch DC/DC Power Supply RF Frontend Circit HT12E Encoder Key Detect Circuit R.C Reset Signal A.A Battery x2 3V ATMEL AT89C51 MicroController RF Frontend Circit HT12D Decoder RS-232 Tranceiver PC R.C Reset Signal +5V Power Supply UART TX RX

-5-圖 5. 無線接收電路 圖 6. 解碼電路 與個人電腦的連接方面，採用目前普 遍使用的 USB 介面來達成控制的功能。下 列 為 PHILIPS 公 司 所 推 出 的 USB DRIVER-PDIUSBD11NB(如圖 7)，並搭配 ATMEL 公司的微控制器-AT89C2051(如 圖 8)，以完成與個人電腦端的資料傳輸。 圖 7. USB DRIVER 圖 8. 發射端微控制器 目前電路的操作上，嘴控操作介面模 組已達成初步的功能要求，本研究將加強 電路的穩定性，再進行後續電路功能補 強，包括簡單且方便患者操作的家電控 制，如電燈、電扇和電視等，並增加操作 介面模組，如頭控系統、吹控系統等。 而發射端完整電路，由無線發射電路 與 HT12E 編碼電路所完成，主要作為嘴控 輔具發射訊號用。接收端完整電路，由無 線接收電路與 HT12D 解碼電路所完成， 主要作為接收嘴控輔具所發射的訊號。 四、結果與討論 在本計畫中，我們開發了無線嘴控輸 入器並整合第一年計畫之中文摩斯碼輸入 系統，由於此摩斯碼輸入系統是用來替代 標準鍵盤，部分功能雖能以鍵盤操作但較 為麻煩，像是有些網頁為求較不一樣的視 覺效果，因此設計了許多的頁框，這對於 使用鍵盤來做選取連結的動作會較為因 難，因此在使用這些軟體時以此摩斯碼輸 入系統再配合上無線嘴控滑鼠來使用，可 以達到較佳的操作條件。在此我們以瀏灠 器的操作分成三部分來說明： 1. 網址的輸入：使用者於瀏灠器開啟 後 ， 可 使 用 無 線 嘴 控 滑 鼠 或 摩 斯 碼 鍵 入’Tab 鍵’(以下所提之輸入鍵均是指以摩 斯鍵盤輸入)來移動輸入焦點到位址列，再 輸入所需瀏灠之網頁位址，然後輸入’Enter

-6-鍵’，瀏灠器便會與該網站連線，並將網頁 內容顯現在其視窗工作區，如圖 8。 2. 連結的點選：在連線到網站後，使用 者真正的需求是可利用其瀏灠各個連結， 而不是只有主頁，我們可以使用無線嘴控 滑鼠直接點取或鍵入’Tab 鍵’來移動焦點 到各個連結的位置（若該網頁為多個頁 框，則可以’Ctrl 鍵’與’Tab 鍵’配合來切 換），若該連結文字或圖片為選取焦點，則 其周圍會有一虛線方框，此時再輸入’Enter 鍵’便可連結到該網頁。 3. 資料輸入：某些網頁會要求我們輸入 資料，如使用搜尋網時，便需要使用者輸 入搜尋關鍵字串，我們以第 2 點所述的方 式用無線嘴控滑鼠來將輸入焦點移到查詢 輸入列，再輸入所需查詢的關鍵字串， 如’disabled people’，再輸入’Enter 鍵’或以 滑鼠點選’查詢’功能，該網頁便會執行查 詢的動作，並將結果顯示出來，如圖 9。 圖 8. 使用無線嘴控滑鼠配合中文摩斯碼系 統輸入上網 本研究針對手部功能不便，如肌肉萎 縮症、腦性麻痺者或重度肢障者提出ㄧ嘴 控之科技輔具研發計畫，本年度針對中文 電腦的使用者，開發一套開發無線嘴控輸 入器，透過無線傳輸及接收器配合軟硬體 的輔助而控制電腦達到網際網路(Internet) 存取的功能及操作簡易的收發電子郵件系 統。整合第一年計畫之研發成果，提供適 合國人使用操作簡易的中文摩斯碼輸入系 統，並加入適應性演算法來辨識輸入的摩 斯碼，以提供身心障礙者良好的電腦溝通 界面，使其可以進行文字編輯，幫助身心 障礙者更方便且快速地使用摩斯碼與電腦 溝通。 圖 9. 使用無線嘴控滑鼠配合中文摩斯碼輸 入系統上網查詢 運用輔助性電腦科技來提供各類介面 讓身心障礙者自由地操作電腦，使其能自 我學習、成長，使之獲得獨立生活的能力， 安全而方便的使用各種環境，將可促進社 會及經濟等方面的適性發展。 五、結論與計畫成果自評 本年計畫針對中文摩斯碼做編碼設 計，開發一套無線嘴控輸入器，並整合身 心障礙者使用之中文摩斯碼輸入系統，加 入適應性演算法來辨識障礙者所輸入的摩 斯碼，以提供身心障礙人士良好的電腦溝 通界面，使其可以利用嘴巴進行文字編 輯。希望藉由本系統能夠幫助他們更方便 且快速地使用摩斯碼與電腦溝通，無障礙 地進入資訊領域而得到提供實際的助益， 讓他們也能享受電腦科技帶來的樂趣，提 升他們生存的意念，使其與正常人般的生 活不與社會脫節。 本計畫完成之工作項目及具體成果如 下: (1) 嘴控輸入器之完成：包含嘴控輸 入器之外觀、舒適性之設計，良 好的設計能幫助身心障礙者不容 易疲累，且持續使用。 (2) 完成嘴控輸入器之無線傳輸電路

-7-設計：良好的無線傳輸能在各種 環境下，保持資料的正確性，使 系統具備穩定度。 (3) 完成嘴控輸入器之無線接收電路 設計：良好的無線接收電路能夠 接收到正確的資訊，並濾除雜 訊，提高系統之正確性。 (4) 完成電腦週邊設備控制系統設 計：電腦系統週邊控制系統能幫 助硬體電路之正確運作，取得身 心障礙者輸入之資訊。 (5) 辨識功能改善：延續上一年的研 究進度，再針對辨識的效率與正 確性進行改善，提高無線嘴控輸 入器輸入資料之正確性。 對於參與之工作人員，其獲得之訓練 主要如下: (1) 暸解嘴控輸入器外觀及舒適 性的設計。 (2) 參與者可藉由與障礙者的接 觸，瞭解到不同障礙者間所需 的各種溝通方法及需求。 (3) 瞭解無線傳輸、接收的原理。 (4) 熟悉各種硬體輸入信號的處 理與實作。 (5) 訓練電路之規劃與設計。 本研究計畫之研發成果目前已經讓 相關病患進行測試及使用，並持續進行 改良之工作。未來，待本系統趨於穩 定，將進行其推廣及專利之申請。 六、參考文獻

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Journal of Biomedical Engineering-Applications, Basis, and

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Journal of Biomedical Engineering-Applications, Basis, and

Communications, Vol. 11, No. 6, 297-303.

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心 障 礙 處 境 報 告 ，

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[10] Yang, K. P., The effectiveness of learning Morse code by using a multimedia learning system (MLS) for people with sever physical impairment, Closing The Gap, 1993, 1-24.

[11] Russel, M. and Rego, R. A Morse code communication device for a deaf-blind individual, ICAART 88, 1988, Montreal.

-8-[12] Luo, C.-H. and Shih, C.-H., Adaptive

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Disabled, International Journal of Biomedical Computing, 41, 1996, 99-106.

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表 Y04

行政院國家科學委員會補助國內專家學者出席國際學術會議報告

2009 年 6 月 07 日 報告人姓名

楊正宏

服務機構 及職稱 國立高雄應用科技大學 教授 時間 會議 地點 2009.5.27 ~ 2009.5.29 Tokyo, Japan 本會核定 補助文號 95-2221-E-151-004-MY3 會議 名稱 (中文) 2009 電腦計算和資訊技術國際研討會

(英文) ICCIT 2009 : "International Conference on Computer and Information Technology"

發表 論文 題目

1. Primer design with specific PCR product using particle swarm optimization 2. Reducing SAGE Data Using Genetic Algorithms

3. A Novel Prediction Method for Tag SNP Selection using Genetic Algorithm based on KNN

表 Y04

本 次 會 議 由 科 學 、 工 程 和 技 術 世 界 協 會 (World Academy of Science, Engineering and Technology, WASET)舉辦。研討會的議場本次安排在東京-成田 市的假日酒店舉辦(Holiday Inn)。本次研討會，我們有三篇研究論文被錄取。本 次的會議共分為三日舉行，分別為五月二十七日至二十九日，本次會議接受的 論文高達二百多篇，作者分別是來至八個不同國家，且總共約有二百多位來自 世 界 各 地 的 專 家 學 者 參 與 本 次 盛 會 。 本 次 會 議 的 主 題 涵 蓋 了 ： Artificial Intelligence, Automated Software Engineering, Bioinformatics and Scientific Computing, Biomedical Engineering, Computational Intelligence, Control Systems, Data Mining, Expert Systems, Image Processing, Internet and Web Applications, Neural Networks, Parallel and Distributed Computing, Theoretical Computer Science and Wireless Communication and Mobile Computing 等等。

本次會議發表三篇論文，第一篇論文題目為Primer design with specific PCR

product using particle swarm optimization，主要是利用粒子族群最佳化演算法

(Particle Swarm Optimization, PSO)，在一條樣版序列中，針對聚合酶鏈鎖反應所 需之引子相關限制條件，及考慮引子間之二級結構特性，有效的設計出適用於

聚合酶鏈鎖反應實驗之引子。第二篇論文題目為 Reducing SAGE Data Using

Genetic Algorithms，則是提出一個簡易且便利的基因連續性分析(Serial Analysis

of Gene Expression, SAGE)工具軟體，提供一個獨特地多群組分析方式，並且呈 現一個明顯易懂的視覺化圖表，作為生物學家分析各種基因表現之分析平台。

第三篇論文題目為A Novel Prediction Method for Tag SNP Selection using Genetic

Algorithm based on KNN，應用了基因演算法(genetic algorithm, GA)結合 K 個最

近鄰居法(K-Nearest Neighbor, KNN)作為適應值的評估挑選含有豐富資訊量的 tag SNP，以降低 genotyping 所需的成本。 會議中，對於我們所發表的論文許多專家學者也提出他們想法與建議，藉 此機會我們得到從不同的觀點想法與研究方法。對於筆者相關研究領域範圍， 也在其他場次貢獻所學部分提出相關的意見與看法，與各國學者共同討論以啟 發及增進彼此的研究知識。整體而言，參加這次的研討會筆者在教學與研究工 作上學到甚多，不虛此行。最後參觀成田市區軟硬體建設的發展，並且到東京 著名景點參觀。最後感謝國科會的經費補助，順利出席本次會議，於此深感謝 意。