本系統主要是為生理模擬系統，也可以稱作仿生模擬系統，目前可以看到絕大部分的生物醫學與工程的學術計畫方向主要是設計機器機構，或是以生理訊號的控制與分析應用在臨床醫療儀器上，而我們的目標是要結合生理訊號的特性，配合肢體障礙者的狀況，設計一套模擬情境，以達到模擬控制機器裝置的情形，讓肢體障礙者可以在家中測試該系統，並達到基本動作復健訓練的效果。因此，我們設計以眼部周圍的訊號眼電圖（Electro-oculogram；EOG）與手部的肌電訊號肌電圖（Electromyography；EMG）做為輸入的生理控制訊號，以電腦程式介面及實體機器模型車輛作為跟生理訊號相對應的實體介面，讓使用者可以一邊玩遊戲一邊達到基本復健訓練的效果，我們期望此創意能夠激發更多人來開發肢體障礙者的輔具，讓更多肢體障礙人士透過本模擬系統更勇於嘗試，快速地與社會接軌。

系統功能

為達成身心障礙者能夠適度應用在各種環境，因此，本系統主要分成三個模式，如圖一所示，為系統的架構圖，使用者可以選擇在三種不同模式下練習以漸進式的學會各項功能操作，初步以簡易的顯示機構學得與系統的互動，再來透過遊戲的練習做綜合的訓練，接下來再以實際的訓練應用於遠端操控，以判定使用者能夠經歷的過程，那麼以下就針對三種模式做進一步的功能說明。

《圖一　系統架構圖》

單機顯示訓練模式

肢體障礙者可以利用EOG與EMG的變化，透過生理訊號模組板[4]以及微控制器處理所接收到的生理訊號，並顯示在單機的顯示器上，單機顯示訓練模式比較簡單，只要照著單機顯示器所顯示的動作，在人體作出相對應的生理訊號所需的動作即可，讓肢體障礙者方便應用在做簡易動作的訓練。

遊戲動畫顯示訓練模式

透過電腦程式端所設計的一串遊戲動畫，讓肢體障礙者可以透過手臂的肌電訊號或是眼部周圍的訊號來答題，若是答對，便會顯示過關的遊戲動畫，讓肢體障礙者的情緒可以比較興奮，也可讓肢體障礙者對於比較簡易的動作訓練不會感到排斥，並從中獲取一些自信心，進而達到簡易復健的功效。

進階遠端系統控制模式

肢體障礙者可以透過手臂的肌電訊號或是眼部周圍的訊號來控制近端的生理輔具，如輪椅；或是遠端的模型車輛，讓不方便行走的肢體障礙者，可以利用自身的生理訊號透過無線傳輸的技術控制遠端的移動裝置，並把遠端攝影機所拍攝到的影像回傳到使用者端的顯示器上，讓肢體障礙者可以感受到更廣闊的視野，漸漸的拓展生活區域，進而達到融入人群的生活。

工作原理

生理訊號在本系統中是佔最重要的部分，訊號的接受的穩定度與否決定後端電路與程式的判定，以下針對兩種生理感測器作介紹。圖二分別是眼電感測與肌電感測的貼片位置示意圖與電路方塊圖。

《圖二　EOG & EMG測量方塊圖》 - BigPic:961x539

眼電訊號感測器

眼球的運動主要是受三對肌肉的控制，而眼球肌肉會受腦神經的刺激而產生電位變化，當眼球朝不同方向運動時，會激發相對應的眼球肌肉。因此本平台同時觀察眼球滑動時的垂直和水平分量。在眼睛的上、下、左、右四個方位各放置不同的表面電極，而在額頭處放置參考電極。電路設計可同步測量眼球之水平和垂直的分量。因此，當眼球分別朝左右（水平）或上下（垂直）移動時，相對的肌力分量會有明顯的變化。其前置放大器使用儀表放大器，放大倍率為25倍，採用 JFET 型的運算放大器。帶通濾波器的頻寬設為0.05～30Hz，以利看出肌力的持續力，再將此微弱訊號放大500倍，即為眼球滑動訊號。

肌電訊號感測器

肌電訊號主要是測量一肌纖維活化時，所共同產生的活動電位的變化。在本系統特別針對骨骼肌的肱二頭肌做測量，其主要支配的動作為前臂彎曲。電極擺放於肱二頭肌上，參考電位之電極置於另外一手上之任意處。以表面電極置於上臂上，量取極微弱的肱二頭肌電位變化，前置放大器使用儀表放大器，用於將肌電圖的向量訊號擷取出單極訊號，其放大倍率為100，並採用JFET型的運算放大器。帶通濾波器的頻寬為90～1000Hz，再將此微弱訊號放大50～100倍，即為肌電訊號，再將此肌電訊號積分，此參數可用來評估出肌力大小。

系統設計與材料

為達到本系統的功能，從系統架構圖得知我們需要三個處理核心，也就是需要兩個控制器單元，以及電腦處理單元。Device1為第一個控制器，是系統的主板，主要負責接收來自於使用者的生理訊號，以進行判定目前生理訊號反映的情況，同時偵測使用者的模式選擇以切換到各個硬體控制。Device2為第二個控制器，主要在接收由電腦傳來的訊息並加以解碼，再以指令控制自走車的移動，同時也可以下指令透過揚聲器播出音效。電腦處理單元，為一般的家用電腦，主要在處理遊戲動畫顯示訓練模式與進階遠端系統控制模式，透過電腦介面程式的設計，控制介面呈現遊戲動畫或是擷取與呈現遠端影像。

在控制器的選擇上，我們選用盛群所生產的HT46RU24 8-bit晶片，電腦端軟體則選擇美商國家儀器的圖控式軟體LabVIEW作為使用者的操控與顯示介面。為了讓使用者可以看到外面環境即時的影像，將無線攝影機裝設在自走車上，透過NI-IMAQ PCI 1405將攝影機的影像擷取到電腦畫面上。

實驗結果

圖三為本系統的主電路與遙控車成品圖，左圖左邊兩塊為EOG與EMG電路，透過連接線接到右端主板，主板會依串列介面收到的訊號進行處裡與判斷，判斷結果會輸出到單機的顯示器做變化以及傳送訊號給電腦。

《圖三　主電路與遙控車成品圖》

電腦端是以LabVIEW軟體作為電腦端的人機介面，人機介面如圖四所示，提供兩種模式切換，本階段實驗主要是以使用者接上兩種生理感測器，切換到動畫模式，也就是透過生理訊號的擷取進行遊戲動畫顯示訓練，每一關總共有四個選項題，必須要依圖片上方的圖樣作出該有的動作，如從左邊算過來第一個圖表示的是肌力訊號，所以使用者就必須手臂用力激勵出訊號才能在進行下一個圖樣，只要系統有感測到生理的訊號，在右下角的地方就會讓該燈號顯示以表示確實有做到該動作，測驗過程中，左下方的動畫會搖擺，當每通過一項訊號檢測，則動畫就會變化，以此下去測試，最後全部答對就會出現激勵使用者的過關動畫。如圖五所示的動畫步驟。

《圖四　電腦設計人機介面》 - BigPic:615x421

《圖五　動畫過關示意圖》

結語

從以上實驗結果，我們這套仿生模擬系統裡有兩大特色。

• (1)模擬虛擬情境，讓肢體障礙者透過一連串的動畫、以玩遊戲的方式讓肢體障礙者對於復健產生更大動力，也可以達到基本復健訓練的效果，進而達到持之以恆的功效。





• (2)實體機器車控制，透過肢體障礙者的手臂肌電訊號或是眼部周圍的肌電訊號來控制模型車的一些動作，讓肢體障礙者可以更加熟悉輔具的操作，進而讓肢體障礙者未來在安裝相關輔具時，比較不會有排斥的現象發生，且讓肢體障礙者可以更快適應如何控制相關輔具。

根據內政部98年6月底統計領有身心障礙手冊者有105萬4457人，占總人口比率為4.57％，其中以肢體障礙者占37.63％最多（約396,753人），可以想像對於醫療輔具的市場需求其實是非常大的，然而真正的醫療市場產值並不適合我們現階段評估，理由是許多肢體障礙者害怕與不信任仿生模擬輔具，以及目前未達水準的仿生模擬輔具的技術，所造成產業價值佈如預期所致，反倒是我們可以先提升這些肢體障礙者的自我信心，以及對仿生模擬輔具的信任感，如本仿生模擬系統的建構，因此，本仿生模擬系統的開發，將可以視為仿生模擬科技的前端訓練平台，以後有機會配合廠商的技術支援進行開發相關的仿生模擬輔具或裝置，我們認為，在接受本系統初步訓練後的肢體障礙者，將會更容易接受醫療用仿生模擬輔具。

---本文由盛群半導體提供；作者林俊宏、林世豪、陳耀煌為崑山科技大學電子工程系；湯士滄為銘傳大學生物醫學工程系---

參考資料：

• [1] Butner S. E., Ghodoussi M., “Transforming a surgical robot for human telesurgery”, IEEE TRANSACTIONS ON ROBOTICS AND AUTOMATION, Vol.19（5）, pp.818-824, Oct. 2008





• [2] Yathunanthan, S., Chandrasena, L. U. R., Umakanthan, A., Vasuki, V., Munasinghe, S. R., “Controlling a Wheelchair by Use of EOG Signal”, 4TH INTERNATIONAL CONFERENCE ON INFORMATION AND AUTOMATION FOR SUSTAINABILITY, pp.390-395, Dec. 2008





• [3] 李醒飛, “利用肌電信號實現仿生關節運動控制的研究”,機械工程學報, Vol. 40（4）, pp.32~35, 2004





• [4] 席旭剛, 羅志增,“具有觸覺臨場感和肌電仿生控制功能的遙控機械手研究”, 機器人, Vol. 31（3）, pp.270-275, May. 2009





• [5] 林俊宏, 韓威如, 莊智元, “LabVIEW硬體介面-DAQ 感測器篇（含生理感測）”，高立圖書有限公司