本系统主要是为生理模拟系统，也可以称作仿生模拟系统，目前可以看到绝大部分的生物医学与工程的学术计画方向主要是设计机器机构，或是以生理讯号的控制与分析应用在臨床医療仪器上，而我们的目标是要结合生理讯号的特性，配合肢体障碍者的狀况，设计一套模拟情境，以达到模拟控制机器装置的情形，让肢体障碍者可以在家中测试该系统，并达到基本动作复健训練的效果。因此，我们设计以眼部周围的讯号眼电图（Electro-oculogram；EOG）与手部的肌电讯号肌电图（Electromyography；EMG）做为输入的生理控制讯号，以电脑程式介面及实体机器模型车辆作为跟生理讯号相对应的实体介面，让使用者可以一边玩游戏一边达到基本复健训练的效果，我们期望此创意能够激发更多人来开发肢体障碍者的辅具，让更多肢体障碍人士透过本模拟系统更勇于尝试，快速地与社会接轨。

系统功能

为达成身心障碍者能够适度应用在各种环境，因此，本系统主要分成三个模式，如图一所示，为系统的架构图，使用者可以选择在三种不同模式下练习以渐进式的学会各项功能操作，初步以简易的显示机构学得与系统的互动，再来透过游戏的练习做综合的训练，接下来再以实际的训练应用于远端操控，以判定使用者能够经历的过程，那么以下就针对三种模式做进一步的功能说明。

《图一　系统架构图》

单机显示训練模式

肢体障碍者可以利用EOG与EMG的变化，透过生理讯号模组板[4]以及微控制器处理所接收到的生理讯号，并显示在单机的显示器上，单机显示训練模式比较简单，只要照着单机显示器所显示的动作，在人体作出相对应的生理讯号所需的动作即可，让肢体障碍者方便应用在做简易动作的训練。

游戏动画显示训練模式

透过电脑程式端所设计的一串游戏动画，让肢体障碍者可以透过手臂的肌电讯号或是眼部周围的讯号来答题，若是答对，便会显示过关的游戏动画，让肢体障碍者的情绪可以比较兴奋，也可让肢体障碍者对于比较简易的动作训練不会感到排斥，并从中获取一些自信心，进而达到简易复健的功效。

进阶远端系统控制模式

肢体障碍者可以透过手臂的肌电讯号或是眼部周围的讯号来控制近端的生理辅具，如轮椅；或是远端的模型車辆，让不方便行走的肢体障碍者，可以利用自身的生理讯号透过无线传输的技术控制远端的移动装置，并把远端摄影机所拍摄到的影像回传到使用者端的显示器上，让肢体障碍者可以感受到更广阔的视野，渐渐的拓展生活区域，进而达到融入人群的生活。

工作原理

生理讯号在本系统中是占最重要的部分，讯号的接受的稳定度与否决定后端电路与程式的判定，以下针对两种生理感测器作介绍。图二分别是眼电感测与肌电感测的贴片位置示意图与电路方块图。

《图二 EEG & EMG测量方块图》 - BigPic:961x539

眼电讯号感测器

眼球的运动主要是受三对肌肉的控制，而眼球肌肉会受脑神经的刺激而产​​生电位变化，当眼球朝不同方向运动时，会激发相对应的眼球肌肉。因此本平台同时观察眼球滑动时的垂直和水平分量。在眼睛的上、下、左、右四个方位各放置不同的表面电极，而在额头处放置參考电极。电路设计可同步测量眼球之水平和垂直的分量。因此，当眼球分别朝左右（水平）或上下（垂直）移动时，相对的肌力分量会有明显的变化。其前置放大器使用仪表放大器，放大倍率为25倍，采用 JFET 型的运算放大器。带通濾波器的频宽设为0.05～30Hz，以利看出肌力的持续力，再将此微弱讯号放大500倍，即为眼球滑动讯号。

肌电讯号感测器

肌电讯号主要是测量一肌纤维活化时，所共同产生的活动电位的变化。在本系统特别针对骨骼肌的肱二头肌做测量，其主要支配的动作为前臂弯曲。电极摆放于肱二头肌上，參考电位之电极置于另外一手上之任意处。以表面电极置于上臂上，量取极微弱的肱二头肌电位变化，前置放大器使用仪表放大器，用于将肌电图的向量讯号撷取出单极讯号，其放大倍率为100，并采用JFET型的运算放大器。带通濾波器的频宽为90～1000Hz，再将此微弱讯号放大50～100倍，即为肌电讯号，再将此肌电讯号积分，此參數可用來评估出肌力大小。

系统设计与材料

为达到本系统的功能，从系统架构图得知我们需要三个处理核心，也就是需要两个控制器单元，以及电脑处理单元。 Device1为第一个控制器，是系统的主板，主要负责接收来自于使用者的生理讯号，以进行判定目前生理讯号反映的情况，同时侦测使用者的模式选择以切换到各个硬体控制。 Device2为第二个控制器，主要在接收由电脑传来的讯息并加以解码，再以指令控制自走车的移动，同时也可以下指令透过扬声器播出音效。电脑处理单元，为一般的家用电脑，主要在处理游戏动画显示训練模式与进阶远端系统控制模式，透过电脑介面程式的设计，控制介面呈现游戏动画或是撷取与呈现远端影像。

在控制器的选择上，我们选用盛群所生产的HT46RU24 8-bit晶片，电脑端软体则选择美商国家仪器的图控式软体LabVIEW作为使用者的操控与显示介面。为了让使用者可以看到外面环境即时的影像，将无线摄影机装设在自走车上，透过NI-IMAQ PCI 1405将摄影机的影像撷取到电脑画面上。

实验结果

图三为本系统的主电路与遥控车成品图，左图左边两块为EOG与EMG电路，透过连接线接到右端主板，主板会依串列介面收到的讯号进行处里与判断，判断结果会输出到单机的显示器做变化以及传送讯号给电脑。

《图三　主电路与遥控车成品图》

电脑端是以LabVIEW软体作为电脑端的人机介面，人机介面如图四所示，提供两种模式切换，本阶段实验主要是以使用者接上两种生理感测器，切换到动画模式，也就是透过生理讯号的撷取进行游戏动画显示训练，每一关总共有四个选项题，必须要依图片上方的图样作出该有的动作，如从左边算过来第一个图表示的是肌力讯号，所以使用者就必须手臂用力激励出讯号才能在进行下一个图样，只要系统有感测到生理的讯号，在右下角的地方就会让该灯号显示以表示确实有做到该动作，测验过程中，左下方的动画会摇摆，当每通过一项讯号检测，则动画就会变化，以此下去测试，最后全部答对就会出现激励使用者的过关动画。如图五所示的动画步骤。

《图四　电脑设计人机介面》 - BigPic:615x421

《图五　动画过关示意图》

结语

从以上实验结果，我们这套仿生模拟系统裡有两大特色。

• (1)模拟虚拟情境，让肢体障碍者透过一连串的动画、以玩游戏的方式让肢体障碍者对于復健产生更大动力，也可以达到基本复健训练的效果，进而达到持之以恒的功效。





• (2)实体机器車控制，透过肢体障碍者的手臂肌电讯号或是眼部周围的肌电讯号來控制模型车的一些动作，让肢体障碍者可以更加熟悉辅具的操作，进而让肢体障碍者未來在安装相关辅具时，比较不会有排斥的现象发生，且让肢体障碍者可以更快适应如何控制相关辅具。

根据内政部98年6月底统计領有身心障碍手册者有105万4457人，占总人口比率为4.57％，其中以肢体障碍者占37.63％最多（约396,753人），可以想像对于医療辅具的市场需求其实是非常大的，然而真正的医療市场产值并不适合我们现阶段评估，理由是许多肢体障碍者害怕与不信任仿生模拟辅具，以及目前未达水准的仿生模拟辅具的技术，所造成产业价值布如预期所致，反倒是我们可以先提升这些肢体障碍者的自我信心，以及对仿生模拟辅具的信任感，如本仿生模拟系统的建构，因此，本仿生模拟系统的开发，将可以视为仿生模拟科技的前端训練平台，以后有机会配合厂商的技术支援进行开发相关的仿生模拟辅具或装置，我们认为，在接受本系统初步训練后的肢体障碍者，将会更容易接受医疗用仿生模拟辅具。

---本文由盛群半导体提供；作者林俊宏、林世豪、陈耀煌为昆山科技大学电子工程系；汤士沧为铭传大学生物医学工程系---

参考资料：

• [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, LUR, Umakanthan, A., Vasuki, V., Munasinghe, SR, “Controlling a Wheelchair by Use of EOG Signal”, 4TH INTERNATIONAL CONFERENCE ON INFORMATION AND AUTOMATION FOR SUSTAINABILITY, pp.390 -395, Dec. 2008





• [3] 李醒飞, “利用肌电信号实现仿生关节运动控制的研究”,机械工程学报, Vol. 40（4）, pp.32~35, 2004





• [4] 席旭刚, 罗志增,“具有触觉临场感和肌电仿生控制功能的遥控机械手研究”, 机器人, Vol. 31（3）, pp.270-275, May. 2009





• [5] 林俊宏, 韩威如, 庄智元, “LabVIEW硬体介面-DAQ 感测器篇（含生理感测）”，高立图书有限公司