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行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告
總計畫:無障礙生活環境科技輔具之研發
子計畫一:具有多重控制能力的電動輪椅之研發與應用(III)
The development and application of an electrical wheelchair with
multiple-control (III)
計畫編號:
NSC90-2614-E-002-002-執行期限:自民國 90 年 8 月 1 日起至民國 91 年 7 月 31 日 主 持 人:國立臺灣大學醫學院 復健科 賴金鑫 教授 協同研究人員:國立臺灣大學 電機工程學系 郭德盛 教授 國立臺灣大學醫學院 復健科 王顏和 醫師 一、計畫中文摘要 本計劃的目標為發展一套具有多 重輸入控制介面的電動輪椅，以提供 不同程度的失能者可以依其失能情況 自行選擇控制方法；同時，亦可依外 在環境狀況調整電動輪椅的控制方 式。目前優先的選擇，包括以即時性 (real-time)的肌電圖 (electromyographic，簡稱 EMG)辨識控 制系統、以及語音辨識控制系統。 第二年業已發展出包括前述兩 種控制方式的數位信號處理輪椅控制 器，同時亦發展出切換命令輸入方法 的法則。第三年主要之工作為加強其 安 全性並 合併 其他 子 計 劃 之部份 成 果。經實驗後已達預期之效果，可實 際應用在符合條件之失能者。 關鍵詞：電動輪椅、肌電信號辨識、 語音信號辨識 二、計畫英文摘要
The purpose of this project is to develop a multiple-control electric wheelchair which could be provided selective control methods for different disabled users and could be switched among these control methods according to the environmental change. The input command set is based on pattern recognition of the electromyographic (EMG) and vocal signals.
In the second year a improved prototype wheelchair with a digital
signal processing (DSP) control system which contained two control methods is developed and new algorithm was
designed for switching command
sources according to the environmental requirement. The goal of third year was to improve the safety and to combine with the input devices which designed by other subprojects. Clinical validation of this intelligent DSP control system is also performed. This new system will be helpful to severe physically disabled such as cervical cord injured patients Keywords：electric wheelchair, myoelectric signal recognition, speech control signal recognition
三、背景及目的 電 動 輪 椅 是 在 1940 年 代 誕 生 的，由於電動輪椅提供了使用者更大 的獨立性，對使用者在生理上及社交 上 都 有正 面的 影響 。 最 初的電 動輪 椅，只是原先可折疊式手動輪椅加上 馬達和電瓶。一直到 1970 年代，電動 輪椅才發展成人們所滿意的程度。 一般而言，電動輪椅之構造與組 成可分為下列三大部份[1,2] : 1 . 電控驅動部份 : 包括控制箱、搖 桿、電池等。 2 . 傳動系統部份 : 包括馬達、減速 齒輪箱等。 3 . 車架底盤部份 : 包括輪椅本體 及其它等。 在 1990 年時，美國維吉尼亞大學
2 復健工程研究中心 Brown 等人指出， 未來十年的電動輪椅將朝向下列三個 方向發展[1] : 1 . 馬達的分析與設計。 2 . 控制器的數位化。 3 . 新形態的控制方法。 而在另一方面，臨床上常針對一 些肢體障礙病人（如截肢和脊髓損傷 者）設計一些特殊的輸入方式。常見 的命令輸入方式可分為兩大類：一類 是邏輯式(logical type)，另一類是比例 式(proportional type)。邏輯式輸入法的 是指依使用者的輸入進行邏輯判斷， 再下達命令。常見的如按鍵－當使用 者 按下按 鈕 後 ， 由電 路判 斷是 否按 下。如果確實按下，則執行按鈕所定 義的功能；如未按下，則不動作。此 外還有聲音、搖桿、和肌電圖信號… 等都是此類。而比例式輸入法則除了 判斷使用者下達命令與否外，還要依 命令下達的強度大小給予受控制的機 械等比例的控制強度－如搖桿即是。 當 搖 桿被 推動 時， 除 給 予方 向命 令 外，亦同時給予強度的命令。此外還 有方向盤，踏板…等都屬此類[3-6]。 由於現今市售的電動輪椅系統多 是以搖桿的比例式輸入法來驅動。然 而這種輸入方式並不適用於頸髓損傷 造成的四肢癱瘓病人，也不適用於其 他原因造成手部功能喪失的輪椅使用 者。因此本研究的目的在於研發一套 能提供多種輸入，利用重度失能者的 殘餘功能(如頭頸部的肌電信號、語音 信號等)作為命令輸入裝置的電動輪椅 系統，並且以數位化的控制系統來增 加這套輪椅系統的穩定性，以造福現 今無法方便使用電動輪椅的重度殘障 者。 四、研究方法及進行步驟 延續第二年的成果，本計劃在第 三年主要的工作包括不同命令切換的 整合，以避免系統過於複雜；以及進 一步的臨床實驗。系統的架構如圖 1 所示，依功能不同主要分為五大部 分:DSP 控制板、使用者控制及訊息顯 示板(含吹氣模組)、語音辨識模組、肌 電圖使用之前級放大濾波電路、以及 馬達控制電路。其中 DSP 控制板是以 TI 公司的 TMS320C32 數位信號處理 器為核心的 STC-32 控制板(圖二)。其 中包括兩個通道的 ADC 和兩個通道的 DAC ，並以 8254 構成控制馬達所需 要的 PWM 信號來源，一方面可以透過 IO port 接受操作人員在鍵盤下達的命 令，並經由 LCD 顯示重要的訊息。 使用者控制及訊息顯示板包含一 個文字型 LCD 和一個 4*4 的鍵盤。主 要用途為透過文字型 LCD 顯示關於操 作流程的重要訊息，包括訓練和辨識 階段的選擇、各對應動作的指定、辨 識結果等。操作者則依據 LCD 顯示的 訊息，在鍵盤下達適當的命令。 前級放大濾波電路則包括具有高 輸入阻抗的儀表放大器 AD620、高通 和低通濾波器(3dB 截止頻率分別設定 在 10Hz 和 800Hz)、以及主增益區。整 個電路的功能一方面為以極高輸入阻 抗的儀表放大器作輸入端，以去除肌 電信號在人體皮膚高阻阬下可能導致 的失真，一方面則將肌電圖信號作高 通濾波以去除人體的 DC offset，作低 通濾波以濾除信號不必要的頻帶並防 止取樣失真(aliasing)，並將信號強度放 大 60dB 以配合 ADC 的動態範圍 (dynamic range)。 語音辨識裝置基於效能的考量， 採用微大公司製作的 VRM-100_9 語音 辨識模組。這個語音辨識模組是利用 濾波器組(filter bank)來進行語音的特 徵擷取，其特點是能夠找出語音訊號 在不同的時間中的頻率分布，從而擷 取出語音中隨時間變化的頻譜分布， 利用頻譜排列的式樣，來分辨不同音 素很重要的區段特徵。目前可辨識 9 組語音命令，辨識時間約需 0.5 秒，辨 識率能達到 90%以上，並且能藉由再 訓練來改善本來辨識率不佳的幾個命
3 令。 在馬達控制電路方面，在 DSP 控 制器輸出波寬調變(PWM)後，直接驅 動橋式馬達控制電路來控制馬達的速 度，所謂的 PWM 是利用調整馬達接受 電源電流的時間來控制馬達轉速。馬 達控制電路包括兩個部分，分別是馬 達驅動電路及馬達測速裝置。 電動輪椅控制器的程式大部份是 由 C 語言撰寫的，利用德州儀器公司 的 C 譯碼器編譯成 TMS320C3x 機器語 言，燒錄於 ROM 中。本程式的主要組 成有主程式及兩個由計時器中斷觸發 的中斷副程式。其控制系統流程圖如 圖 4。 就臨床測試結果，目前可控制輪 椅於迴轉半徑 60 公分內進行迴轉，並 於命令下達之後二公尺內完全停止。 以上結果完全符合 ISO7176 有關輪椅 之安全規範。 圖 1 多重控制電動輪椅系統方塊圖 圖 2 STC-32 數位訊號控制器（左） 以及其他輸入整合控制箱（右） 圖 3 輪椅外觀及實驗進行狀況 start check new voice command speed1=total pulse1
clear total pulse 1
speed2=total pulse2
clear total pulse 2
Yes
set speed and control mode according to this command and control mode
check control mode =EMG speed=EMG speed Yes send PWM 1 send relay1 send PWM 2 send relay 2 PID control return 圖 4 控制系流程圖 五、計畫成果自評 本計畫的第三年目標為進一步改 進利用頭頸部的肌電圖信號以及語音 信號作為命令輸入裝置的電動輪椅系 統，並增強控制系統來增加這套輪椅 系統的穩定性，且在臨床初步驗證其 實用性。 目前本研究初步的臨床評估結果 證實其為一可使用的系統，確可改善 重度肢體障礙，無法方便操控傳統電 動輪椅者的困擾，安全度亦較第二年 有顯著的提昇，操作亦更簡便。具體 研 究實作 內 容 資 料準 備完善 申請專
4 利，並發表論文。
六、參考文獻
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implementation, and testing of an adaptable optimal controller for an electric wheelchair,” IEEE Trans. Indust. Appl. vol. 26, pp.
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[2]. S. Linnman, “M3S: the local network for electric wheelchairs and rehabilitation equipment,” IEEE Trans. Rehabil. Eng. vol. 4, pp. 188-192, 1996.
[3]. D. Graupe, J. Salahi and D. Zhang, ”Stochastic analysis of myoelectric temporal signatures for multifunctional single-site
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pp. 18-29, 1985.
[4]. B. Hudgins, P. Parker and R. N. Scott, ”A new strategy for
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Cline, ”Functional separation of EMG signals via ARMA
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