臺灣博碩士論文加值系統

隨著人口老化與全民健保的實施，國人對醫療品質之需求逐年增加，因此近年來國內醫療器材市場規模持續穩定成長中。根據估計，目前我國醫療器材市場需求約新台幣200億元，其中大約有九成須仰賴進口，因此如何落實醫療器材本土化已是目前產、官、學界共同之課題。本研究主要目的即針對三項本土化醫療機械系統進行醫療機電整合系統開發設計。本研究所涉及之三項醫療設備分別為「輪椅使用者上下車自動搬運裝置」、「多功能外科手術用機械手臂」及「復健用重力適應腳踏步機」等。
論文之第一部份係自行開發設計一部可裝設於一般箱型車上提供輪椅使用者上下車之自動搬運裝置，研究之開發流程分別包括輪椅上下車自動搬運裝置機構概念設計、機構細部設計、機構運動模擬分析及實體製作與測試等。本系統設計上係採用單晶片微電腦回饋控制功能，利用脈波頻寬調變（PWM）訊號，使兩組直流電動缸同步致動升降平台，取代傳統油壓致動方式，減少油壓系統複雜的周邊設備，也可避免漏油、增加維修之便利性；且在安全設計上增加了緊急手動安全操控機制，可供斷電時切換為人工操作，使升降平台可安全起降；同時，升降平台離地自動驅動防滑落安全擋板，合乎安全規範也可增加系統之安全性。
論文之第二部份主要係配合本人指導教授所領導之研究團隊已完成之外科手術用機械手臂，進行控制介面設計、整合與測試。此型機械手臂主要應用於腹腔鏡手術中，可藉由機械手臂夾持操控內視鏡，俾便取代傳統由人工扶持，因而造成畫面晃動等缺點。本研究係以一部水平多關節型（SCARA）機械手臂為機械結構，其控制介面設計工作包括：五軸AC伺服馬達驅動、PLC控制程式設計、緊急停機、手動操控器設計以及RS232串列通訊介面之設計等，最後並進行系統整合與測試。
論文之第三部份同樣係配合本人指導教授所自行開發適合下肢運動功能障礙病患復健用之重力適應腳踏步機，進行控制介面設計、整合與測試。主要工作包括利用兩組伺服馬達推動腳踏板，並利用控制回路達成模擬人類正常步行之踏步頻率、踏步高度與速度等訓練參數，另外本研究也將整合腳踏板上薄膜式壓力感測元件即時擷取病患在踏步過程雙腳壓力變化，以定量方式提供醫師或護理人員做為評估復健療效之參考，另外也將透過電話網路之遠端數據傳輸功能，建立腳踏步復健治療參數遠端醫療傳輸機制，供日後慢性病患居家護理時使用。

Presently the barrier-free environment and the related facilities in the country are not too complete, particularly most of the transportation and architectural facilities are designed based on the normal people needs, and are rarely based on the considerations for serving the special needs of the wheelchairers and the senior persons. Taking the getting-in and —out of a vehicle as an example, currently the different kinds of transportation means are not equipped with wheelchair lifting devices, consequently the wheelchairers must rely on other people’s assistance to get in or out a vehicle, this is not only a time consuming but also a laboring process, in addition, this usually also poses potential perils to the wheelchairers during the lifting process. Therefore, this study is primarily targeted at designing and developing a sort of automatic wheelchair lift device that can be installed inside the back of a van, and allows the wheelchairer to control the lifting platform by himself without requiring other’s help, hence he can smoothly and safely get in and out the van together with the wheelchair. This design features a lifting platform which is synchronously actuated by 2 sets of electrical cylinders, a manual safe-control mechanism in the event of power failure, using same 2 sets of electrical cylinders for the operations of folding and lifting which will be executed in 2 stages, a single-chip microprocessor feed-back control function as well as a safety roll-stop, etc. The contents of this thesis will include: the conceptual design for an automatic wheelchair lifting device mechanism, the detailed design for the mechanism, the simulation and analysis of the mechanism motions, the practical fabrication and tests, etc.

第一章 研究背景、動機及目的…………………………………………..1
1.1 研究背景、動機…………………………………..………..……….1
1.2 研究目的……………………………………………………………….5
1.2.1 輪椅使用者上下車自動搬運裝置之設計與開發…………………..5
1.2.2 多功能外科手術用機械手臂控制介面之設計與系統整合…….….6
1.2.3 復健用重力適應腳踏步機控制介面之設計與系統整合……...….6
1.3 論文架構…………………………………………………….…………7
第二章 文獻調查……………………………………………………………8
2. 1輪椅使用者上下車自動搬運裝置安全規範與使用者需求相關文獻調9
2.1.1 使用者需求與車輛設施規範…………………………………..…..10
2.1.2 國內外輪椅使用者上下車輔助設施安全規範彙整…………..…..14
2.2 市售輪椅使用者上下車自動搬運裝置相關產品及技術資料調查……15
2.3 國內外相關專利及技術報告調查…………………………………....20
2.4 品質機能展開技術及設計文獻調查………………………………....26
2.5 多功能手術用機械手臂系統文獻調查……………………………....29
2.5.1 醫學用機械手臂之簡介與分類……………………………..……..29
2.5.2 內視鏡手術相關文獻………………………………………..…..…30
2.5.3 微創手術相關文獻調查……………………………………………..31
2.5.4 內視鏡手術運動模型相關文獻……………………………………..32
2.5.5 內視鏡手術用機械手臂之機構分類………………………………..34
2.6 復健用腳踏步機系統開發相關文獻…………………………….…….37
2.6.1 遠端醫療監控技術相關文獻調查…………………………………..38
2.7 文獻總結………………………………………………………………..39
第三章 輪椅上下車自動搬運輔助裝置之設計與開發……………….….41
3.1 市售廂型車類型及規格調查………………………………………....43
3.2 系統功能規格之訂定………………………………………………....46
3.3 QFD品質機能展開技術分析…………………………..…………....48
3.4 輪椅上下車自動搬運裝置機構概念設計、運動學分析與運動模擬…54
3.4.1 系統功能規劃………………………………………………...….…54
3.4.2機構概念設計…………………………………………………....….55
3.4.3 機構運動學分析……………………………………………………..62
3.4.4 Working Model機構運動模擬………………………………..….…63
3.5 輪椅上下車自動搬運裝置細部設計……………………………………68
3.6 雛形機製作與功能測試…………………………………………………82
3.7 結論………………………………………………………………………96
第四章 多功能手術用機械手臂系統發與設計……………………………98
4.1多功能手術用機械手臂系統硬體設計架構……………………....….98
4.2 PLC控制介面模組規劃………………………..………………....…103
4.3 PLC控制介面資料區塊規劃與設計……………………………………105
4.4 手術用機械手臂手動操作模組開發設計…………………………….107
4.5 手術用機械手臂控制介面軟體開發與設計……………………….…110
4.6 系統硬體與控制介面整合和功能測試……………………………….111
4.7 結論…………………………………………………………………….116
第五章 復健用重力適應腳踏步機控制介面設計與系統整合……………117
5.1 腳踏步機回饋監控系統硬體規劃與設計……………………….……118
5.1.1 重力適應腳踏步機本體機台及傳動機構介紹…………………...121
5.1.2 PLC控制器之選擇與配置設計……………………………………..122
5.1.3 極限定位開關與緊急開關之配置設計…………………….…....123
5.2 重力適應腳踏步機PLC控制軟體設計與開發………………………..124
5.3 腳底壓力量測系統開發設計………………………………………….128
5.3.1 腳壓量測鞋………………………………………………………...128
5.3.2 訊號轉換電路……………………………………………………...130
5.2.3 光耦合繼電器與PLC ANALOG模組…………………………….....130
5.4 遠端監控模組設計與開發………………………………………….…133
5.5 人機介面系統設計開發……………………………………………...135
5.6 系統整合與功能測試…...……………………………………………138
5.6.1 遠端監控系統功能測試……………………………..………..….138
5.6.2 踏步功能測試與腳壓訊號量測……………………………..…...139
第六章 結論和未來研究方向……………………………..………………144
6.1 輪椅上下車自動搬運裝置設計與開發………………………..…….144
6.2 多功能手術用機械手臂控制介面之設計與系統整合……..……….146
6.3 復健用腳踏步機控制系統介面設計與系統整合………………….…146
參考文獻……………………………………………………………….……148

【1】張永立，“台灣醫療儀器產業環境與市場競爭策略”，國立交通大學管理科學研究所碩士論文，86年
【2】內政部統計通報，“八十八年十九周─身心障礙者之年齡”，88年5月
【3】天下雜誌218期，“尋找台灣前進的力量Ⅱ前瞻21智慧型世紀”，1999.7
【4】劉雅菱譯，“職業復健之國際勞工標準”，pp1，1989
【5】交通部運輸研究所，“殘障者輔助設施規格及檢驗研究”，pp.57~85，1997
【6】SISTEAM SORA公司，RENAULT產品型錄，1989年
【7】Crow River公司，7684L/R-SA產品型錄
【8】Braun公司，Swing-A-Way產品型錄，1994年
【9】何秋明，“輪椅收取裝置”，中華民國專利公報，21卷32期，1993
【10】Scott C. Deacon , “Wheelchair lift” ,United States Patent ,1973
【11】Ronald W. Goodrich , “Dual hydraulic.Parallelog arm wheelchair lift” , United State Patent , 1992
【12】John C. Hall ,”Safety barrier/ramp actuating mechanism for wheelchair lift” , United State Patent,1994
【13】Russell j. Dorn , “Retractable wheelchair lift mechanism for storage compartment of a commercial vehicle , United States Patent,1995
【14】Raymond l. Smalley , “Lift Safety switch system” , United State Patent,1980
【15】William D. Sherman , ,”Lift platform automatic ramp barrier” , United State Patent , 1981
【16】Alfred L. Budd ; James R. Pierrou ; Barry E. Welff , “Spring assist system for gravity deployment of stowed platform wheelchair lifter” , United State Patent , 1997
【17】黃俊堯，“幾何式品質機能展開之研究”，國立交通大學碩士論文，1992
【18】Hauser,John R., “How puritan-bennett used the house quality,”Sloan Management Review,1993
【19】赤尾洋二，“新產品開發-品質機能展開之實際應用”，中國生產力中心QFD研發小組編譯，1991
【20】溫家俊、張義發編譯，“工業機器人”，高立圖書，民84年
【21】Deb, S.; Pal, A., “Robot-human cooperation for improved orthopaedic surgery”, Robot and Human Communication, 1995. RO-MAN''95TOKYO, Proceedings., 4th IEEE International Workshop on , 1995 , Page(s): 225 —230
【22】Dohi, T. ,” Medical application of robotics and mechatronics”,Biomedical Engineering Days, 1992., Proceedings of the 1992International , 1992 , Page(s): 46 —47
【23】林萍章，“微創開心手術-心臟病患福音”，中國時報，民國88年6月13日
【24】王景洸，“腹腔鏡定位用機械手臂之設計與製作”，中央大學機械工程研究所碩士論文，86年6月，pp.10
【25】Ikuta, K.; Nokata, “Two-lead-wire drive for multi-micro actuators [medical micro robots]”, M. Robotics and Automation, 1999. Proceedings. 1999 IEEE International Conference on Volume: 3 , 1999 , Page(s): 2378 -2384 vol.3
【26】Hurteau, R.; DeSantis, S.; Begin, E.; Gagner, ”Laparoscopic Surgery Assisted by a Robotic Cameraman: Concept and Experimental Results”, M. Robotics and Automation, 1994. Proceedings., 1994 IEEE International Conference on , 1994 , Page(s): 2286 -2289 vol.3
【27】Kwoh, Y.S.; Hou, J.; Jonckheere, E.A.; Hayati, S.,” A robot with improved absolute positioning accuracy for CTguided stereotactic brain surgery”,Biomedical Engineering, IEEE Transactions on Volume: 35 2 , Feb. 1988 , Page(s): 153 —160
【28】Lavallee, S.; Troccaz, J.; Gaborit, L.; Cinquin, P.; Benabid, A.L.; Hoffmann, “Image guided operating robot: a clinical application instereotactic neurosurgery”, D. Robotics and Automation, 1992. Proceedings., 1992 IEEEInternational Conference on , 1992 , Page(s): 618 -624 vol.1
【29】Davies B.L. et al, “A Surgeon Robot Prostatectomy-A Laboratory Evaluation”, Journal of Medical Engineering and Technology, Vol. 13, no.6, 1989, pp.273-2772
【30】Casals, A.; Amat, J.; Laporte, E., “Automatic guidance of an assistant robot in laparoscopic surgery”, Robotics and Automation, 1996. Proceedings., 1996 IEEE International Conference on , Volume: 1 , 1996 , Page(s): 895 -900 vol.1
【31】Funda, J.; Taylor, R.H.; Eldridge, B.; Gomory, S.; Gruben, K.G. ,”Constrained Cartesian motion control for teleoperated surgical robots”,Robotics and Automation, IEEE Transactions on Volume: 12 3 , June 1996 , Page(s): 453 —465
【32】Boudet, S.; Gariepy, J.; Mansour, S., ” An integrated robotics and medical control device to quantify atheromatous plaques: experiments on the arteries of a patient”, Intelligent Robots and Systems, 1997. IROS ''97., Proceedings of the 1997 IEEE/RSJ International Conference on Volume: 3 , 1997 , Page(s): 1533 -1538 vol.3
【33】Degoulange, E.; Urbain, L.; Caron, P.; Boudet, S.; Gariepy, J.; Megnien, J.-L.; Pierrot, F.; Dombre, E. ,’ HIPPOCRATE: an intrinsically safe robot for medical applications’, Intelligent Robots and Systems, 1998. Proceedings., 1998 IEEE/RSJ International Conference on Volume: 2 , 1998 , Page(s): 959 -964 vol.2
【34】Dimitri jevic MR, Larsson LE: Neural control of gait:Clinical neurophsiol ogical spects. Appi Neurophysiol 1981； 44 152-159.
【35】Visintin M, Barbeau H:The effects of body weight support on the locomot or ipattern of spastic patient. Can J Neurol 1989； 16:315-325.
【36】Bohannon RW:Gait performance of herniparetic stroke patients :selected variables.Arch Phys med Rehab 1987； 68: 777-781.
【37】Nelson AJ:Strategies for improving motor control. In:Rehabilitation of the Head-Injured Adult. Philadelphia, Pa:FA Davis 1983； pp.313-334.
【38】Bron DA, Debcher GA: Bicycle ergometer and electromyographic feedback for treatment of muscle imbalance in patients with spastic hemiparesis. Phys Ther 1987； 67: 1715-1719.
【39】Waagfjord J, Levangie PK, Certo CM: Effects of Treadmill training on gait in a hemiparetic patient. Phys Ther 1990；70：549-557.
【40】Benecke R, Conrad B, Meinck HM, Hohen J:Electromyographic analysis of bicycling on an ergometer for evaluation of spasticity of lower limbs in man. In:Motor Control Mechanisms in Health and Disease,New York:Raven 1983； 1035-1046.
【41】Butts NK,Dodge C, McAlpine M:Effect of stepping rate on energy costs duribg StairNaster exercise. Am J Sports Med 1992；20：378-382.
【42】Holland GJ,Hoffman WV, Mayer M, Caston A: Treadmill vs steptreadmill ergometry.Phys Sportmed 1990;18:79-85.
【43】Koszuta LE: Can fitness be found at the top of the stair? Phys Sportsmed 1987; 15:165-169.
【44】Brask B,Lueke RH, Soderberg CL:Electromyographic analysis of selected muscles during the lateral step-up exercise. Phys Ther 1984; 64:324-329.
【45】DeCarlo M, Porter DA, Gehlsen G, Bahamonde R: Electromyographic and cinematographic analysis of the lower extremity during closed and open kinetic chain exercise.Isokin Exerc Sci 1992;2:24-29.
【46】Cook TM,Zimmermann CL. Lux Km, Neubrand CM, Nicholson Td: EMG comparison of lateral step-up and stepping machine exercise. J Orthop Sports Phys Ther 1992; 16:108-113.
【47】Lee RG, Chen HS, Lin CC, Chang KC, and Chen JH (Mar 2000) Home telecare system using cable television plants: An experimental field trial.IEEE Transactions on Information Technology in Biomedicine 4(1) : 37-44.
【48】陳宏志，“遠端式生理參數傳送介面及糖尿病監控管理系統之研製，國立陽明大學醫學工程研究所碩士論文，1998年
【49】廖文輝、周至宏編著，“圖形監控，全華圖書股份有限公司，87年1月
【50】楊榮森，“復健醫學”，合計圖書出版社