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研究生:張志雄
研究生(外文):Chih Hsiung Chang
論文名稱:施力感測電子拐杖設計
論文名稱(外文):Design of Electrical Cane with Handle Force Sensing
指導教授:廖駿偉詹曉龍詹曉龍引用關係
指導教授(外文):J. W. LiawH. L. Chan
學位類別:碩士
校院名稱:長庚大學
系所名稱:醫療機電工程研究所
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2009
畢業學年度:97
論文頁數:107
中文關鍵詞:手杖應變規握力
外文關鍵詞:canegripstrain gauge
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手杖幾乎是大部分的行動不便者不可缺少的輔具,也是最常被使
用的輔具。對手杖的相關研究開發大多以機械機構以及材質相關研
究,使手杖更為輕便,堅固耐用,甚至對人因工程做研發。若在其手
杖上增加電子功能,可以提高其手杖的附加價值。
本研究目的開發施力感測的電子手杖,利用OLED(Organic Light
Emitting Diode)顯示握力及一些人體行動之情況,也可以將這些數
據資料儲存於SD(Secure Digital)記憶卡,從電腦把資料讀出可做
為醫護人員診療的參考依據。
對於握力感測及人體行動感測部分,握力感測以應變規(Strain
Gauge)及Load Cell 做為感測元件;人體行動以加速規做為感測元件。
Canes are frequently used as a tool to assist ambulation. Most
research about designing a cane focuses on ergonomics, mechanics and
material science. A cane equipped with electronics may have better value
and function.
The goal of this study is to develop an electrical cane which can
sense and display gripping forces and body activities by OLED. The
sensed information can be stored in a SD memory card for further clinical
assessment.
The sensing components include a strain gauge, a load cell and an
accelerometer. The strain gauge and the load cell are for measuring
gripping strength. The accelerometer are for detecting body motions.
指導教授推薦書…..................................................................................
口試委員會審定書..................................................................................
授權書....................................................................................................... iii
誌謝........................................................................................................... iv
中文摘要................................................................................................... v
英文摘要................................................................................................... vi
目錄…………………………………....……………………………... ..vii
第一章 研究背景動機與目的 1
1-1 研究背景與動機 1
1-2 研究目的 8
第二章 文獻回顧 9
2-1 功能型電子拐杖 9
2-2 加速規應用於人體活動狀態相關研究 10
第三章 硬體架構電路設計 13
3-1 應變規 13
3-1-1 電阻變化與應變理論 14
3-1-2 應變規分類 14
3-1-3 應變規內部電阻變化探討 18
3-2 應變規之電路設計 22
3-2-1 電位計(Potentiometer Circguit) 23
3-2-2 惠斯登電橋(Wheatstone Bridge)電路理論 23
3-2-3 長導線於惠斯登電橋的影響 32
3-3 惠斯登電橋之驅動電路 33
3-3-1 定電壓驅動法 33
3-3-2 定電流驅動法 35
3-4 定電流驅動電路 36
3-5 放大與濾波電路解析 40
3-5-1 放大電路 40
3-5-2 低通濾波器 41
第四章 電子拐杖開發結果與討論 44
4-1 整體拐杖構想設計 44
4-2 系統硬體電路設計 46
4-3 電子拐杖感測類比電路架構 47
4-3-1 零準位調節電路設計 50
4-3-2 零準位辨識電路設計 51
4-3-3 低通濾波電路測試結果 56
4-3-4 定電流驅動法研究的問題 57
4-3-5 電子拐杖數位控制電路架構 60
4-4 壓力感測實驗測試 62
4-4-1 壓力與輸出電壓的關係 63
4-5 記憶卡紀錄資料讀出結果 70
4-5-1 使用者拿拐杖走路 70
第五章 結論與未來展望 81

圖目錄
圖1-1 多功能拐杖_1[3] 2
圖1-2 多功能拐杖_2[3] 2
圖1-3 高齡者行動輔具 iStick by model[15] 3
圖1-4 智慧白手杖[16] 4
圖1-5 高齡者的智慧手杖iTrust[16] [16][18] 5
圖2-1 C型布登管[10] 6
圖2-2 螺旋型布登管[10] 6
圖2-3 蝸旋型布登管[10] 7
圖2-4 系統架構圖[1] [2] 9
圖2-5 施力於拐杖上與跌倒現象[1] [2] 10
圖2-6 人體活動狀態[7] 11
圖2-7 加速規感測方法[7] 11
圖2-8 人體活動狀態與加速度變化[7] 12
圖3-1 直線金屬圓柱體[18][19] 14
圖3-2 單軸應變規[9] [23] 16
圖3-3 雙軸應變規[9] [23] 16
圖3-4 45°三軸向應變規[9] [23] 17
圖3-5 其他三軸向應變規[9][23] 17
圖3-6 特殊樣式應變規[9] 18
圖3-7 axial strain[19][9] 18
圖3-8 transverse strain[19][9] 19
圖3-9 shear strain[19][9] 19
圖3-10 thermal output characteristics[23] 22
圖3-11 電位計 23
圖3-12 惠斯登電橋 23
圖3-13 惠斯登電橋(各個電阻為變數) 24
圖3-14 惠斯登電橋(一個有效應變規(Active Gauge)) 25
圖3-15 惠斯登電橋(一個有效應變規和一個虛設應變規) 26
圖3-16 惠斯登電橋(二個有效應變規) 27
圖3-17 惠斯登電橋之二個有效應變規(不同軸,相同應變) 28
圖3-18 惠斯登電橋之二個有效應變規(不同軸,應變等比率) 29
圖3-19 惠斯登電橋之二個有效應變規(同軸,應變等比率) 30
圖3-20 惠斯登電橋(四個有效應變規) 31
圖3-21 轉換器的伸縮部 31
圖3-22 長導線對惠斯登電橋的影響 32
圖3-23 定電壓驅動電路[11] 33
圖3-24 定電流驅動電路[11] 35
圖3-25 OPA與電晶體之定電流驅動_1 37
圖3-26 OPA與電晶體之定電流驅動_2 37
圖3-27 OPA與FET之定電流驅動 38
圖3-28 單一OPA構成之定電流 39
圖3-29 放大電路 40
圖3-30 INA2332基本內部架構圖 41
圖3-31 Sallen-Key的單一增益法 42
圖3-32 Sallen-Key的等值元件法 43
圖4-1 拐杖握把實體(俯視圖) 44
圖4-2 硬體架構 45
圖4-3 系統大體架構 46
圖4-4 系統硬體電路實體 46
圖4-5 感測類比電路架構 47
圖4-6 感測類比電路(正面)方塊圖 48
圖4-7 感測類比電路(正面) 48
圖4-8 感測類比電路(背面)方塊圖 49
圖4-9 感測類比電路(背面) 49
圖4-10 未零準位調節的輸出信號 50
圖4-11 已做零準位調節的輸出信號 51
圖4-12 零準位調節電路 52
圖4-13 未零準位調節的輸出信號及實體比較 54
圖4-14 已零準位調節的輸出信號及實體比較 54
圖4-15 應變規橋式電路的零準位調節比較 55
圖4-16 Load Cell內部橋式電路的零準位調節比較 55
圖4-17 定電流驅動之低通遽波結果 56
圖4-18 定電壓驅動之低通遽波結果 57
圖4-19 單一OPA定電流驅動 58
圖4-20 單一OPA定電流驅動的零準位電位提升,無法下降 58
圖4-21 單一OPA定電流驅動的零準位電位無法調節 59
圖4-22 握力感測系統控制電路 60
圖4-23 實體俯視圖 61
圖4-24 數位控制電路(正面) 61
圖4-25 數位控制電路(背面) 62
圖4-26 拐杖握把 62
圖4-27 手部於握把的大約面積 63
圖4-28 小面積施力,應變規於彈簧片下面(輸出電壓,重量) 64
圖4-29 小面積施力,應變規於彈簧片上面(輸出電壓,重量) 65
圖4-30 大面積施力,應變規於彈簧片下面(輸出電壓,重量) 66
圖4-31 大面積施力,應變規於彈簧片下面(座標圖) 67
圖4-32 Load Cell(輸出電壓,重量) 68
圖4-33 輸出電壓依照MCU的A/D轉換之解析度 69
圖4-34 實驗環境 71
圖4-35 使用者_1第一次實驗的總資料 71
圖4-36 使用者_1第一次實驗的壓力感測資料 72
圖4-37 使用者_1第一次實驗的加速規感測資料 72
圖4-38 使用者_1第一次實驗的壓力感測單段資料 73
圖4-39 拿拐杖走一步伐順序 73
圖4-40 使用者_1第一次實驗的加速規感測單段資料 74
圖4-41 使用者_1第二次實驗的總資料 75
圖4-42 使用者_1第二次實驗四個信號的單段資料 76
圖4-43 使用者_1第二次實驗的壓力感測單段資料 76
圖4-44 使用者_1第二次實驗的加速規感測單段資料 77
圖4-45 使用者_1第二次實驗的加速規單段資料(高通濾波) 78
圖4-46 使用者_1於休息時第一次用力握握把的壓力變化 79
圖4-47 使用者_1於休息時第二次用力握握把的壓力變化 79
圖4-48 使用者_1拿拐杖正常走路突然拐杖倒下 80


表目錄
表2-1 姿勢變化與加速度關係[25] 12
表3-1 應變規電阻材料的種類與性質[12] 15
表3-2 基座材料選接著劑的適合性[12] 15
表3-3 Strain Sensitivity for common strain-gauge alloys[10][12] 20
表4-1 零準位辨識電路輸出LED變化表 53
表4-2 小面積施力,應變規於彈簧片下面 64
表4-3 小面積施力,應變規於彈簧片上面 65
表4-4 大面積施力,應變規於彈簧片下面 66
表4-5 大面積施力,應變規於彈簧片上面 67
表4-6 Load Cell 68
表4-7 感測元件的壓力每增加公斤與輸出電壓關係 69
表4-8 系統的每個感測元件與預估最施力之關係 70
[1] Todd Hester, Delsey M. Sherrill1, Mathieu Hamel,Karine Perreault, Patrick Boissy, and Paolo Bonato, “Using Wearable Sensors to Analyze the Quality of Use of Mobility Assistive Devices”, Proceedings of the International Workshop on Wearable and Implantable Body Sensor Networks (BSN’06) , IEEE, 2006.
[2] Todd Hester, Delsey M. Sherrill, Mathieu Hamel, Karine Perreault, Patrick Boissy, and Paolo Bonato, “Identification of Tasks Performed by Stroke Patients Using a Mobility Assistive Device”, Proceedings of the 28th IEEE EMBS Annual International Conference New York City, USA, Aug 30-Sept 3, 2006.
[3] URL:http://repat.moi.gov.tw/index.asp
[4] Akselrod, S., D. Gordon, F.A. Ubel, D.C. Shannon, A.C. Barger and R.J. Cohen, "Power spectrum analysis of heart rate fluctuation : a quantitative probe of beat-to-beat cardiovascular control," Science, vol. 213, no. 10, pp. 220-222, 1981.
[5] Pomeranz, B., R.J.B. Macaulay, M.A. Caudill, I. Kutz, D. Adam, D. Gordon, K.M. Kilborn, A.C. Barger, D.C. Shannon, R.J. Cohen and H. Benson, "Assessment of autonomic function in humans by heart rate spectral analysis," Am J Physiol, vol. 248, pp. H151-153, 1985.
[6] BH.Brown, Medical Physics and Biomedical Engineering, IOP Publishing Ltd, 1999.
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[10] 羅仕炫,林獻堂,《感測器原理與應用(含實驗)》,新文京開發出版有限公司,台北,民國92年
[11] 盧明智,盧鵬任,《感測器應用與線路分析》,全華科技圖書公司,台北,民國85年
[12] 高偉傑,《非拘束式心率與人體動作感測系統設計》,長庚大學,碩士論文,民國96年
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[14] 林俊賢 ,《心率與活動狀態之記錄與分析系統設計》,長庚大學,碩士論文,民國91年
[15] 唐玄輝,(高齡者行動輔具 iStick by model),《2008國科會前瞻工程科技概念設計》,URL:http://www.scribd.com/doc/3295462/2008NSCDESIGNPROJECTFINAL.PPT
[16] 黃飛龍,(智慧白手杖),《2006視障生活用品設計競賽》,URL: http://www.cefb.org.tw/backend/visualdesign/visualdesign.htm
[17] 工研院量測技術發展中心網站資料URL:http://www.itri.org.tw/chi/index.asp
[18] 台灣科技大學機械系,曾垂拱教授,光電實驗室,URL:http://www.me.ntust.edu.tw/dgteaching/cgtseng/
[19] 台灣科技大學機械系,曾垂拱教授,光電實驗室,URL:http://homepage.ntust.edu.tw/cgtseng/
[20] 國家實驗研究院儀器科技研究中心,URL:http://www.itrc.org.tw/
[21] 電子零件材料,URL:http://www.100y.com.tw/
[22] 惠達科技股份有限公司,URL:http://www.fedtec.com.tw/
[23] Vishay廠商,URL:www.vishaymg.com
QRCODE
 
 
 
 
 
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                               
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