臺灣博碩士論文加值系統

本研究利用彎曲感測器彎曲時所造成不同電壓值的特性，對手部進行彎曲角度的量測，再結合3D列印機械手臂、Zigbee無線傳輸並以Arduino微控制器為基礎，設計開發一套手部功能復健機械手臂系統。
本研究提出兩個應用的大方向，一是機械手功能，讓本研究製作的3D列印機械手臂可以直接的透過資料手套控制，讓3D列印機械手臂像人手一樣，做出相同的手勢與動作；二是訓練功能，本研究設計了三種訓練的模式，分別符合不同病患的需求。在病患進行手部功能訓練的同時，利用資料手套與機械手臂進行互動達到手部功能復健的效果，也讓病患在復健的同時獲得樂趣，加速病患恢復的速度。
本研究用Arduino微控制器完成了所有的軟硬體架構，用以降低成本，實現互動式復健機械手臂的理念，讓病患可以透過資料手套進行各項手部功能的復健，完成了手部功能復健無線仿人形機械手臂系統的研發。

The aim of this study was to design and develop a remote-controlled electric hand consisted of flex sensor, gloves, Zigbee wireless transmission, Arduino Microcontroller, and a 3D printed hand. This remote-controlled electric hand can be used for rehabilitation treatment and prosthetic hand.
In this study, two general directions of application were presented: the function of robotic hand and the function of training. The function of robotic hand allows the 3D printing robotic hand could be directly controlled through the data glove, making the 3D printing robotic hand to be another human hand. Three training modes are designed in the function of training to satisfy the demands from different patients. The patients are able to play the interactive training game through the 3D printing robotic hand and the data glove in the rehabilitation system, and to finish the rehabilitation while having fun in the training game, speeding up the recovery.
In this study, the microcontroller Arduino was used to completed all the hardware and software to reduce costs and achieve the concept of interactive rehabilitation robot hand, allowing the patients to be able to make the rehabilitation of hand function through the data glove. The system of wireless humanoid robotic arm with function of human hand rehabilitation is well-designed.

目次
致謝 I
摘要 II
Abstract III
目次 V
圖目次 VIII
表目次 XI
第一章 緒論 1
1.1 研究動機 1
1.2 研究目的 2
1.3 研究架構 3
第二章 文獻回顧 4
2.1 人口老化趨勢 4
2.2 手的基本認識 5
2.2.1 手部的構造 5
2.2.2 手指的運動 6
2.2.3 手部的患病 7
2.3 資料手套的種類 8
2.3.1 電阻式資料手套 8
2.3.2 光纖式資料手套 9
2.3.3 機械式資料手套 10
第三章 研究方法 11
3.1 機械手臂 12
3.1.1 3D列印 13
3.1.2 機械手臂元件介紹 16
3.2 資料手套 18
3.2.1 資料手套之研製 18
3.2.2 資料手套元件介紹 19
3.2.3 資料手套電路設計 20
3.3 單晶片微控制器 21
3.3.1 Arduino簡介 21
3.3.2 Zigbee無線傳輸模組 23
3.4 手部功能復健軟體開發 26
3.4.1 資料手套訊號擷取模組 28
3.4.2 按鈕指令模組 29
3.4.3 立體聲播放模組 30
3.4.4 Zigbee無線傳輸模組 31
3.4.5 馬達控制模組 32
第四章 結果與討論 33
4.1 資料手套電壓與角度之關係 33
4.2 應用範例 40
4.2.1 機械手臂模式 41
4.2.2 簡單訓練模式 42
4.2.3 困難訓練模式 43
4.2.4 客製化訓練模式 43
第五章 結論與未來展望 45
5.1 結論 45
5.2 未來展望 46
參考文獻 47
 
圖目次
圖2.1 手部骨骼構造 5
圖2.2 手部關節位置 6
圖2.3 手指三個關節的活動範圍 7
圖2.4 電阻式資料手套原理 8
圖2.5 5DT Data Glove 5 Ultra 8
圖2.6 光纖式資料手套原理 9
圖2.7 5DT Data Glove 5 MRI 9
圖2.8 機械式資料手套原理 10
圖3.1 系統整體架構圖 11
圖3.2 系統硬體規劃 12
圖3.3 InMoov開發的3D列印機器人 12
圖3.4 3D列印機械手臂圖(左為左手，右為右手) 13
圖3.5 DA VINCI 1.0 15
圖3.6 XYZware軟體介面 15
圖3.7 TOWER PRO MG996R伺服馬達 16
圖3.8 伺服馬達尺寸圖 17
圖3.9 伺服馬達接線圖 17
圖3.10 自製資料手套實體圖 18
圖3.11 Flex sensor 19
圖3.12 Flex sensor尺寸圖 19
圖3.13 Flex sensor基本分壓電路 20
圖3.14 Arduino UNO 22
圖3.15 MCU與Arduino UNO開發板對應腳位圖 22
圖3.16 Xbee二代天線 23
圖3.17 Arduino UNO與XBee天線連接示意圖 24
圖3.18 SparkFun XBee Shield 24
圖3.19 X-CTU軟體介面 25
圖3.20 系統軟體模組規劃 26
圖3.21 Arduino軟體開發介面 27
圖3.22 Serial Monitor 27
圖3.23 資料手套訊號擷取模組流程圖 28
圖3.24 按鈕動作監測模組流程圖 29
圖3.25 elechouse mp3 shield 30
圖3.26 Zigbee無線傳輸模組流程圖 31
圖3.27 馬達控制模組流程圖 32
圖4.1 醫學用量角器 33
圖4.2 姆指電壓與角度的關係圖 37
圖4.3 食指電壓與角度的關係圖 37
圖4.4 中指電壓與角度的關係圖 38
圖4.5 無名指電壓與角度的關係圖 38
圖4.6 小指電壓與角度的關係圖 39
圖4.7 系統模式架構圖 40
圖4.8 機械手臂模式流程圖 41
圖4.9 機械模式中資料手套控制機械手臂圖 41
圖4.10 訓練模式示意圖 42
 
表目次
表2.1 主要國家2015-2050年65歲以上人口占總人口比率 4
表3.1 DA VINCI 1.0規格表 14
表3.2 MG996R伺服馬達規格表 16
表3.3 Arduino UNO開發板規格表 21
表3.4 WiFi、藍芽、Zigbee比較表 23
表4.1 姆指電壓與角度的關係 34
表4.2 食指電壓與角度的關係 34
表4.3 中指電壓與角度的關係 35
表4.4 無名指電壓與角度的關係 35
表4.5 小指電壓與角度的關係 36

參考文獻
[1]行政院經濟建設委員會，“中華民國人口推計（103至150年）”(2014)。
網址：http://www.ndc.gov.tw/Content_List.aspx?n=84223C65B6F94D72
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[3] Nordin, M., Frenkel, V.H., Foressen, K., Basic Biomechanics of the
Musculoskeletal System
[4] 林志勇，“虛擬實境輸入設備” 龍華科技大學多媒體與遊戲發展科學系課程投影片。 網址：http://www.me.lhu.edu.tw/~tin/g/VR/chap2.pdf
[5]5DT Data Glove 5 Ultra。
網址：http://www.5dt.com/products/pdataglove5u.html
[6]5DT Data Glove 5 MRI。
網址：http://www.5dt.com/products/pdataglovemri.html
[7]InMoov 3D Printed Robot project。
網址：http://www.inmoov.fr
[8]三緯國際立體列印科技股份有限公司。
網址：http://tw.xyzprinting.com/
[9]MG996R Tower-Pro。網址：http://www.electronicoscaldas.com/datasheet/MG996R_Tower-Pro.pdf
[10]Flex sensor。網址：https://www.sparkfun.com/datasheets/Sensors/Flex/flex22.pdf
[11] Arduino Corp。
網址：https://www.arduino.cc
[12] Arduino Shield List。網址：http://shieldlist.org
[13] ZigBee Alliance。
網址：http://www.zigbee.org
[14] Gerardo J. Ochoa，“A Swarm of Xbees! Arduino Xbee Wireless & More”(2011)。網址：http://bildr.org/2011/04/arduino-xbee-wireless/
[15] SparkFun XBee Shield。
網址：https://www.sparkfun.com/products/12847
[16] elechouse mp3 shield，網址：http://www.elechouse.com/elechouse/
index.php?main_page=product_info&products_id=2193