經 濟 部 科技專案成果 技術報告編號：97A1-01E

經濟部九十七年度科技專案技術報告

自行車暨衍生系統關鍵技術開發計畫(2/3)

互動式平衡訓練平台開發技術

總計畫主持人： 廖本彰

分項計畫主持人： 陳維隆

子計畫主持人： 張家昌

執行工程師： 江子朋

張家昌

財團法人 自行車暨健康科技工業研究發展中心

中 華 民 國 97 年 12 月

目 錄 一、摘 要.............................................................................................................................. 1 二、前 言.............................................................................................................................. 1

(一) 研究背景 ............................................................................................................... 1 (二)產業現況及需求(國內、外) .................................................................................. 2

1.現有產品分析..................................................................................................... 3 (三)研究目的 ............................................................................................................... 12 (四)研究範圍 ............................................................................................................... 12

三、研究方法...................................................................................................................... 13 (一)理論基礎 ............................................................................................................... 13

1. 文獻回顧......................................................................................................... 13 2. 平衡基本理論................................................................................................. 14 3.專利資料分析................................................................................................... 18 4. 可專利性設計的實施流程............................................................................. 19 5. 2.4GHZ射頻積體電路 .................................................................................... 20 6. 極限開關......................................................................................................... 22 7. Microchip PIC16F73 單晶片 .......................................................................... 24 8. MPLAB 整合開發環境.................................................................................. 26 9. HI-TECH PICC-16 C Compiler....................................................................... 27 10. 虛擬實境技術............................................................................................... 29

(二)限制條件 ............................................................................................................... 30 (三)系統架構 ............................................................................................................... 31 (四)研究步驟 ............................................................................................................... 32

四、研究成果...................................................................................................................... 33 (一)專利分析 ............................................................................................................... 33 (二)電控整合應用 ....................................................................................................... 36

1. 轉向訊號擷取/處理技術 .............................................................................. 36 2. 方向靈敏度.................................................................................................... 37 3. USB傳輸介面................................................................................................. 37 4. 數位可變電阻判斷方向程式......................................................................... 37 5. 介面電路......................................................................................................... 40

(三) 電腦端物理治療平衡訓練軟體 ......................................................................... 43 (四)平衡機構設計整合 ............................................................................................... 44

五、成果評估與應用.......................................................................................................... 46 六、後續工作方向.............................................................................................................. 48 七、結論.............................................................................................................................. 48 八、參考文獻...................................................................................................................... 49

圖 目 錄 圖 1 虛擬實境平衡訓練比對圖.......................................................................... 2 圖 3 KAT2000 平衡測定儀................................................................................... 4 圖 4 互動式平衡訓練機........................................................................................ 5 圖 5 飛碟形踏板機................................................................................................ 5 圖 6 美國專利US D495,015.................................................................................. 6 圖 7 iJoy平衡訓練機 ............................................................................................. 6 圖 8 BIODEX®平衡訓練器 .................................................................................. 7 圖 9 CTSIB平衡評估訓練器 ................................................................................ 8 圖 10 SMART balance master (Neurocom®)平衡評估訓練儀............................ 8 圖 11 Balance System............................................................................................ 9 圖 12 PROKIN平衡訓練儀................................................................................. 10 圖 13 Skipol 的操作很有真實感 ....................................................................... 10 圖 14 展館配置圖(FIBO官方網站).................................................................... 11 圖 15 VIBRAFIT S2 ......................................................................................... 11 圖 17 飛行模擬器.............................................................................................. 13 圖 18 閉眼單腳平衡測驗................................................................................... 16 圖 19 走平衡木之動態平衡測驗....................................................................... 16 圖 21 木梯及爬網遊戲........................................................................................ 17 圖 22 可專利性流程圖....................................................................................... 19 圖 23 CC2500 架構圖 ......................................................................................... 21 圖 24 CC2500 腳位圖 ......................................................................................... 21 圖 25 電門內部構造示意圖............................................................................... 22 圖 26 關表示符號................................................................................................ 22 圖 27 極限開關外形與表示符號....................................................................... 23 圖 28 旋轉開關................................................................................................... 24 圖 29 薄膜開關................................................................................................... 24 圖 30 PIC16F73 單晶片腳位 .............................................................................. 25 圖 31 MPLAB作業環境...................................................................................... 26 圖 32 Microchip ICD2 外觀圖 ............................................................................ 27 圖 33 PICC編譯流程圖.................................................................................... 29 圖 34 PICC編譯流程圖(續) ............................................................................. 29 圖 35 虛擬實境系統........................................................................................... 30 圖 37 互動式平衡訓練平台的整體研究架構................................................... 33 圖 38 電控板功能圖........................................................................................... 37 圖 41 MCP41010 的PDIP 和SOIC封裝形式 ................................................. 43

圖 43 規劃之虛擬實境場景(戶外、室內)........................................................ 44 圖 44 可連線之互動軟體................................................................................... 44 圖 45 系統架構圖............................................................................................... 44 圖 46 平衡訓練平台........................................................................................... 45 圖 47 橡膠墊....................................................................................................... 45 圖 48 平衡訓練機 3D設計示意圖..................................................................... 46

表 目 錄 表 1 專利技術矩陣表.......................................................................................... 18 表 2 平衡訓練器現有專利.................................................................................. 34 表 3 G-SENSOR(SMB380)特性 ......................................................................... 36

一、摘 要

本計畫係在商業或物理治療、職能治療用之醫療器材上，利用多種智慧感應之

技術，搭配人體生理反映等訊號回饋，透過人的肢體律動，再經由互動軟體來

進行患者能力評量及訓練處方，進而提高患者進行醫療訓練之動機與效果，以

縮短其身體康復之時間。

二、前 言

(一) 研究背景

巴金森氏病和阿茲海默氏症(老人失智症)是目前兩種最常見的神經退化疾

病，巴金森氏症好發在老年族群，多出現於六十歲以上的老人，據統計，目前

全球約有六百三十萬患者，平均 65 歲以上人口，每 100 名就有 1~2 名罹患巴

金森氏病，台灣也大約 3 萬人以上罹患此症，其發生率有隨著年齡增加而提高

的現象。近年來，對於巴金森症的照護需求量逐年升高，因此臺大醫院神經部

也於 2007 年 12 月正式成立巴金森症暨動作障礙中心（Center for Parkinsons

Diseaseand Movement Disorders），期許能提供巴病病患及家屬更完善的醫療

照護。

而對患有巴金森氏症的病患而言，跌倒是一個常見的問題，由於跌倒會造

成不必要的傷害，如骨折、以及心理障礙，如畏懼跌倒，這些結果都會降低巴

金森氏症病患參與活動的能力和意願，引發其他因活動量下降所造成的併發

症，如骨質疏鬆和肌力下降等，進而增加日後再跌倒的可能性，因此，「預防跌

倒」儼然成為提升巴金森氏症病患活動安全和生活品質的一大課題。研究指出

造成巴金森氏症病患跌倒的原因主要有兩項：姿勢不穩定和異常步態，此外，

也有研究指出巴金森氏症病患在維持姿勢穩定度上較正常老人需要較多的注意

力，因此若在站立時同時執行其他任務(即雙項任務)，往往會使得姿勢穩定度下

1

降。由於在日常環境中有許多機會分散我們的注意力，因此除了提升姿勢穩定

度外，增進執行雙項任務的能力對於預防跌倒亦扮演著重要的角色。

近年來由於電腦科技的進步，互動式虛擬實境被廣泛地應用在各個領域，

其中也包含物理治療領域。互動式虛擬實境應用在物理治療領域的原理主要是

依據動作學習的基本要素，分別為：反覆練習、回饋、增加動機以及認知負載。

許多研究指出，透過虛擬實境的訓練，患有腦中風以及腦傷的病人可以有效地

改善其上肢功能、行走能力以及平衡能力(Jang, 2005; You, 2005; Thorton,

2005)，此外，Bisson 等人於 2007 年的研究發現，24 位老年人接受虛擬實境

平衡訓練後，靜止站立同時回答的反應時間(verbal reaction time)顯著地增快，

顯示透過虛擬實境的訓練，能夠有效改善老年人執行雙項任務的能力。綜觀上

述研究結果，虛擬實境訓練除了能夠藉由提高受試者「反覆練習」的「動機」

並以「回饋」矯正動作表現外，虛擬環境本身所具有的「認知負載」可能有助

於改善雙項任務的表現。

圖 1 虛擬實境平衡訓練比對圖

(二)產業現況及需求(國內、外)

依據美國人口統計局資料顯示，美國身心障礙人口約為 5,400 萬人，其中

無法行走或控制肌肉動作者約有 1,630 萬人，而依據我國內政部的統計資料顯

2

示，截至 94 年年底，依據身心障礙者保護法領有身心障礙手冊者計有 93 萬

7,943 人，較上年底增加 3.22％。其中，身心障礙人口以肢體障礙者占 41.4％

最多，達 388,547 人，較 93 年底 380,732 人增加 2.05％（資料來源：內政部

統計資訊服務網(http://www.moi.gov.tw/stat/index.asp）；此外，隨著戰後嬰兒

潮世代年齡的逐漸老化，高齡者在全球各國的人口數量中，正急速增加著，如

美國老年人口目前約有 3,500 萬人，位居世界第一位，而日本約有 2,200 萬人，

英、德、法、瑞典四國加總也有超過 3,200 萬，蘇俄則接近 2,000 萬，在台灣

則有 200 萬左右的老年人口。顯然，隨著身心障礙者人數的增加及全球人口結

構特性的改變，支援其日常生活、社會參與最基本的復健生活輔具中的行動輔

具器材已隨著時間的推移而逐漸受到各方的重視。在歐盟市場需求方面，2000

年歐洲 65 歲以上的高齡人口約佔該地區總人口的 14.7％，達 1 億人以上，預

估到 2035 年後會超過 25%，意即全歐洲將有四分之一的人口為 65 歲以上的老

年人口，屆時該人口數將高達 1.7 億人（請參閱圖 2）。老年人口增加使得復健

醫療市場也跟著成長，在消費者對能提供居家復健與自我訓練產品的需求趨勢

下，居家復健等創新產品在歐洲銷售逐年成長，有效的讓病患於家中作訓練，

可以節省醫療的浪費產生。

資料來源：工研院 IEK-ITIS計畫(2003/10)

圖 2 歐洲高齡人口趨勢推移

1.現有產品分析

(1)KAT2000 平衡測定儀測試

3

http://www.moi.gov.tw/stat/index.asp

KAT2000 平衡測定儀（如圖 3）由美商 BREG 公司開發製造，結合平衡測

量台與 Katwin 應用軟體，主要運用在復健醫療使用方面。平衡測量台上有橫縱

座標之電子感應器，其所感應之數值以 X 軸和 Y 軸座標顯示，經軟體處理而獲

得平衡指數。測量時，先將受試者體重輸入電腦，電腦會自動依受試者體重調

整測量台下之充氣囊壓力大小，之後命受試者兩腳張開與肩同寬，站立在平衡

台上，雙手交叉於胸前，眼睛平視正前方之電腦螢幕。

測試過程中，電腦螢幕上會出現一圓點，此原點會在螢幕上繞圓圈。測試

前先讓受試者操縱游標跟著圓點繞一圈練習，再正式開始測驗，受試者需一直

控制游標跟著移動的圓點繞圈（儘可能使游標與圓點重疊）。共需進行三次測

驗，每次之測驗時間為 20 秒鐘，每次測驗結束後電腦會自動顯示其平衡指數，

其值越低則表示動態平衡能力越佳，反之則越差。

圖 3 KAT2000 平衡 測定儀

(2)互動式平衡訓練機

自行車研發中心設計的互動式平衡訓練機。產品特色：（如圖 4 所示）

a. 模擬滑雪運動，可訓練重心平衡。

b. 雙軸向運動，可前後滑動及左右轉動。

c. 模組化設計，可多自由度調整。

d. 可與多數滑板遊戲或競速遊戲連線運動。

e. 加強前庭平衡覺得刺激。

4

圖 4 互動式平衡訓練機

(3)飛碟形踏板機

法國 Huber 飛碟形踏板機，經由不規則的搖動來鍛鍊全身肌肉，且能訓練

平衡感（如圖 5 所示）。

美國專利US D495,015，名稱Rebalancing apparatus for the human

body；（如圖 6 所示）。

圖 5 飛碟形踏板機

5

圖 6 美國專利US D495,015

(4)室內滑板機

美國 interactive health 室內滑板機，（如圖 7 所示）；產品特色：

a. 依玩家對於滑板的熟悉度不同，共分快中慢三種速度。

b. 15 分鐘長的電腦設定模式，任由電腦變換滑板快慢節奏，挑戰玩家的應變能

力。

圖 7 iJoy 平衡訓練機

6

(6)BIODEX®平衡訓練器特色分析，（如圖 8 所示）:

圖 8 BIODEX®平衡訓練器

a. 訓練平衡測試站板為圓形，可做動態與 12 階段靜態平衡訓練，內建 5 種訓

練模式，支持表面的傾斜度可達任意方向 20 度，可做運動員膝蓋損傷評估。

b. 顯示器高度可調及扶手可旋轉放下，觸控螢幕可即時回饋顯示。

c. 搭配互動遊戲，有 game port 可接搖桿。

d. 測量結果可輸出及儲存。

(7)CTSIB 平衡評估訓練器，（如圖 9 所示）:

a. 平衡評估後可設計復健訓練方法。

b. 供骨科、運動醫學、神經內科、老年科、前庭功能復健用。

c. 長型測力板，可在上面跨步或上下樓梯平衡評估。

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圖 9 CTSIB 平衡評估訓練器

(8)SMART balance master (Neurocom®)平衡評估訓練儀 ，（如圖 10 所示）:

a. 對患者平衡之定量評估與訓練。

b. 動態測試力板。

c. 對患者平衡之定量評估與訓練。

d. 動態測試力板及視覺背景環繞。

圖 10 SMART balance master (Neurocom®)平衡評估訓練儀

(9).CHATTECX 公司的 Balance System，（如圖 11 示）:

a. 可動式腳底踏板-含 loadcell。

8

b. 測台高度 20cm。

c. 可 AP 向移動及傾斜。

d. 調速旋鈕。

圖 11 Balance System

(10)PROKIN 平衡訓練儀，（如圖 12 示）：

a. 四顆油壓式，十段式獨立調控 PK 圓盤傾斜阻力(1 最小、10 最大阻力)。

b. PK 圓盤除於站姿下做下肢平衡及本體感覺訓練外，於坐姿用來訓練軀幹核心

肌肉，尤其提供脊椎側彎患者多樣化運動治療。

c. PK 圓盤下裝置有前後左右及中間的重量感知器(load cell& strain gauge)，除

可分析八面向（A1-A8）力量分佈，也能同時得知當下 PK 圓盤上負重多少百分

比體重。

d. PK 圓盤配有支持架、盤外板及握桿等套裝設備，可用來進階難度訓練患者。

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圖 12 PROKIN 平衡訓練儀

(11)其他廠家平衡機

a. Polsport Bielsko-Biała

Skipol 則是完全移植滑雪動作，利用一特殊跑帶及可變化傾斜角度的平

台，模擬雪地的地形起伏，（如圖 13 所示）。

圖 13 Skipol 的操作很 有真實感

b. 平衡訓練器

(a) MFT 的平衡測試器可連線到電腦，可對身體的協調性與穩定性及平衡

10

不良作評估測試，（如圖 14 所示）。

圖 14 展館配置圖(FIBO 官 方網站)

(b)VIBRAFIT S2 也是一款平衡測試器，但它是由一個可前後傾斜及左右

旋轉的平台構成，是一個獨立機台，（如圖 15 所示）。

圖 15 VIBRAFIT S2

11

(三)研究目的

主要是針對神經物理治療、職能治療等需要進行四肢、心肺功能或是平衡

訓練的患者，如：正確擺位、轉位技巧、維持關節活動、抑制異常肌肉張力、

誘發神經肌肉活動、運動功能訓練(如坐姿平衡、站姿平衡、行走、爬斜坡、爬

樓梯)、姿態訓練、肌力訓練、耐力訓練、協調訓練等所開發出的一種平衡訓練

器互動電控介面系統。

(四)研究範圍

互動平衡訓練平台涵蓋範圍包(如圖 16 所示):

1. 訓練

2. 休閒

3. 復健

中心除了把產品實用性及市場的接受度，全方位完整的考慮進來外，更把生活、

健康和產品緊密的結合在一起，成為未來創新研發的新導向。

圖 16 數位內容涵蓋範圍

12

三、研究方法

(一)理論基礎

1. 文獻回顧

源自於航太國防工業中訓練飛行員的飛行模擬器之動感模擬系統技術，如

下圖所示，在一九八０年代中期被引入娛樂業，因此在模擬器的應用範圍上可

以區分為訓練及娛樂用途。就訓練用途來看，包含軍用及民用之各類模擬器，

如軍用的戰鬥機、直昇機、坦克、潛艦等等，以及民用的各類民航機、貨櫃吊

車、捷運系統等等，此用途之模擬器將可避免操作員需直接面對危險的載具，

並節省大量的訓練成本。而娛樂用途則是如目前當紅的電視遊樂器—Wii，或是

其它視覺系統所發展出來互動式控制介面，使用透過顯示器，根據畫面所出現

的場景下達指令，進而模擬真實情情況(包括姿態、速度、加速度、力道等)。這

些反應透過行為轉換與控制模組，可經由顯示器即時表現出來，讓使用者獲得

身歷其境的感覺。

圖 17 飛行模擬器

Wannstedt 在 1978 年利用聲音回饋訓練半側偏癱患者，使其站立時下肢

載重相等，研究者將壓力感測器安裝在患側鞋底，設定閾值為體重的一半。當

左右兩側未達相等承重時，儀器會發出聲音告知受測者，提示患側須增加承重。

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結果發現經回饋訓練後，大部分病人左右承重不相等的現象均能獲得改善；但

少數病人出現軀幹彎曲或頭部擺位偏健側等不正常的站立姿勢。

Winstein 在 1989 年設計一台站立回饋訓練器，由兩塊測力板、電腦和支

撐身體的輔具所構成。此研究利用視覺回饋訓練半側偏癱患者的站立平衡並與

傳統的平衡訓練做比較。結果顯示，視覺回饋的站立訓練比傳統治療對平衡的

表現有顯著的改善；但在步態的表現上，其效果並無統計上的差異。

李明義在 1996 年設計一台站立轉身平衡能力評估訓練復健設備。硬體包

括腳壓中心感測裝置、腳底板旋轉角度感測器、腳底板迴轉幹擾控制機構以及

臨床評估訓練用軟體。系統以燈號亮滅的順序引導病人做肢體旋轉的運動。並

可同時記錄 COP 的運動軌跡，作為評估之用。

Takasugi 等人在 1997 年研發坐姿平衡系統，於椅墊下放置壓力感測元

件，藉由電視中遊戲的進行，由病人移動身體，藉由偵測患者之重心，以使電

視中人像在場景中依循固定的軌跡轉彎前進，而作平衡訓練。至於在動態步行

的訓練方面，根據文獻(胡名霞 , 1998)指出，讓病人直接練習行走是臨床治療

不可取代的程式。根據 Hesse 在 1995 所發表的一份報告指出，利用跑步機訓

練病人，可以讓病人練習完整的步態，亦可減輕治療人員的負擔。在訓練效果

的比較上，跑步機練習在步態的成效上亦優於 Bobath 式的訓練

2. 平衡基本理論

(1) 何謂平衡

a. 有許多研究報告指出，長期從事運動訓練的選手，或平時養成規律運動習慣

的人們之平衡能力，會比一般沒有規律運動習慣的人們要好。而運動員與平衡

之間更是密切相關。因此，就有教練針對選手的前庭器官與運動器官加以訓練，

來提高選手的平衡能力。例如：在直線運動或迴旋運動中，做加速度的練習。

但是，由於感覺直線運動的加速度之前庭器官(vestibular apparatus)與感覺迴旋

運動的加速度之三半規管(semicircular canals) 間，所司掌的機能是各自獨立

的，故不能只鍛鍊直線方向的速度變化，也應做一些不同方向的迴旋運動，才

14

能培養全面性的平衡能力 (林正常，1973)。

b. 平衡（balance）是各個動作或姿勢中，能夠維持穩定狀態之能力。

DeOreo ＆ Keoch 在 1980 年時，將平衡分成四種：

(a) 姿勢平衡(postural balance)，指身體保持與地球上重力平衡關係的能

力，一個人要維持平衡，支撐點必須在重心線上，否則，不是跌倒就是必

須要有立即的補救動作。

(b) 靜態平衡(static balance)，即身體不動時，維持身體某種姿勢一段時間

的能力，如站立、單足站立、倒立、站在平衡木上維持不動，或（雙手）

倒立動作，皆屬靜態平衡。

(c) 動態平衡(dynamic balance) ，指身體在空間移動時，維持控制身體姿

勢的能力，動作中重心會不斷地改變，是移動性及操作性動作的主要因素。

如彈簧床、特技、溜冰與游泳等都需要這種平衡能力。

(d)技巧平衡(skilled balance) ，如體操運動員所表現出來的技巧性絕技及

結合複雜動作之平衡能力。(Hastad & Lacy＇ textbook, p. 203)

c. 影響平衡控制的感覺受器包含下列三大系統:

(a) 體感覺系統(somatosensory inputs):

促使中樞神經系統得知，任一瞬間身體各部位的相關位置，及身體與地

面的相對關係。

(b) 視覺系統(visual inputs):

提供身體與外界互動的訊息，引導身體做必要的反應。

(c) 內耳前庭系統(vestibular inputs):

經由半規管內淋巴液的流動，及內耳石的傾斜，得知頭部的位置、方向及

加速度的方向。[O＇sullivan , 1988 ; Anne , 1986]。

(2)簡易的平衡訓練方法

a. 單腳閉眼站立

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(a)以慣用腳單足站立，另一腳屈膝離地，雙手自然下垂，置於體側。

(c)聞「開始」口令後，立即閉眼，

保持身體之平衡，直至支撐腳的腳掌

移 動原來位置，隨即停止。

（如圖 18 所示）。

圖 18 閉眼單腳平衡測驗

b. 走平衡木

可以配合坐、站、爬行或跳步等動作來訓練（如圖 19 所示）。注意事

項包括：使用平衡木、平衡板等器材均可調整高度，但越高就越要注意輔

助用具及安全。

圖 19 走平衡木之動態平衡測驗

c. 單槓遊戲

目的是體會在空中時身體的平衡感，並以身體的局部來固定保持平衡。單

槓遊戲的技巧有：翻轉、懸掛、垂、懸等。應注意的是由於單槓遊戲有許多是

在空中完成動作的，所以在保護方面應特別注意，無論在戶外或室內都需備有

安全墊（如圖 20 所示）。

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圖 20 單槓遊戲

d. 木梯遊戲

走、爬、跳、鑽洞與跳躍等與在木梯間格內跑、雙腳行走等，可以培養平

衡，把握瞬間性、韻律感等。此外在運動場上所需要的機能，可由訓練中培養

高處的平衡感及消除恐懼感。必須提醒的是攀登有高度的梯子時，需要有安全

墊，做好保護措施。

e. 爬網遊戲

爬上搖動的網來訓練平衡感相當有幫助，能發展雙手雙腳動作之間的協調

能力，並消除攀登高處的恐懼感。值得注意的是攀登有高度的網子時，需要有

安全墊，做好保護措施（如圖 21 所示）。

圖 21 木梯及爬網遊戲

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3.專利資料分析

當專利資料檢索與收集完成後，即可針對已掌握的專利資料進行有系統的

整理分析，目前較常使用的方法有專利分析摘要法及專利地圖法，分別簡述如

下：

(1)專利分析摘要法

此方法主要是對每一件專利進行技術特徵的分解，要把創作的詳細部分仔

細瞭解之後，才能做出正確的分析摘要。而此方法分析的重點應包含以下幾點：

a. 標的物的次系統化，就是把創作技術元件分成多個子元件。

b. 各子元件間彼此結合成機構的技術手段方法(Ways)或各子元件彼此作

用時產生的功能(Functions)及產生功能後所能達到的創作目的，亦即結果

(Results)。

c. 確認專利的申請範圍。

綜合此三項後之具體產出為專利分析摘要表。

(2)專利地圖法

專利地圖（Patent）一方面將專利檢索所蒐集到的專利資料進行簡單分析

後，再轉換成簡潔易懂的專利經營資訊圖。另一方面係將專利分析摘要法

所搜尋到的二次專利資料作更進一步的分析而後轉換成專利範圍圖或專

利技術矩陣表，如表 2-2 所示。

表 1 專利技術矩陣表

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4. 可專利性設計的實施流程

在完成專利資料之蒐集與分析後，可進行可專利性設計分析，其實施流程

步驟可如下列五步驟：

(1)檢討專利請求項的每一技術特徵是否都為必要，假設沒有，則可以把這些多

餘的技術特徵予以刪除而達到可專利性的目的。

(2)尋找出每一技術特徵的限制用語，包含數字、形狀之空間位置與時間順序等

語句。

(3)列出屬於該專利的核心技術。

(4)運用專利迴避設計方法，如圖 22 所示，以專利迴避流程，透過產品或技術

發展政策、專利核心技術與限制用語之迴避，使迴避的技術特徵與專利所列的

技術特徵在功能、效果不同。

(五)確認與分析設計的結果，將設計所得到的結果與既有之專利做比對，檢驗彼

此間是否有一個以上技術特徵之差異並檢查其差異程度。

圖 22 可專利性流程圖

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5. 2.4GHZ 射頻積體電路

德州儀器 (TI) 新的 CC2500 和 CC1100 射頻收發器是用於低功耗無

線應用的業界系統成本最低的多通道無線電產品。這些器件的工作波段頻帶是

2.4GHz (CC2500) 和低於 1GHz (CC1100)，它們包括很多非常有用的數

字功能，例如，整個數據包處理、FIFO 緩沖器、空閒通道評估和無線電喚醒

等等。

特性:

一、使用兩層 PCB 且所有組件都放在同一面上的參考設計

二、尺寸非常小: ：4 x 4mm，20 個引腳 QLP 封裝

三、可編程數據速率，範圍是 1.2 到 500kbps

四、具有極佳選擇性和阻斷性能的強大可靠的解決方案

五、很少的外部組件

六、CC2500/CC1100 的耗流量極低︰

七、在 0dBm 為 21.2/16.0Ma

八、定價︰1.75 美元/1K

應用:

一、無線遊戲控制單元

二、無線鍵盤/滑鼠

三、自動抄表

四、無線電廣播

五、警報和安全系統

六、家庭和樓宇自動化

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CC2500/CC1100 器件方框圖，如圖 23，24 所示。

圖 23 CC2500 架構圖

圖 24 CC2500 腳位圖

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6. 極限開關

COMN/C

N/O

力量

回復彈簧

力量

回復彈簧

COMN/C

N/O

力量

回復彈簧

力量

回復彈簧

switch 用來控制電路的開與閉，機械式的 switch 內部是由接點開關、彈

簧、與切換搖柄所組成，如圖 25 所示。電路圖上 switch 可用簡單的符號來表

示，圖 26 為單軸單切(single pole single throw, SPST)、單軸雙切(single

pole double throw, SPDT)、雙軸單切(double pole single throw,

DPST)、雙軸雙切(double pole double throw, DPDT)等型式 switch 表示

符號。

圖 25 電門內部構造示意圖

單軸雙切單軸單切

雙軸單切 雙軸雙切

單軸單切 單軸雙切

雙軸單切 雙軸雙切

單軸雙切單軸單切

雙軸單切 雙軸雙切

單軸單切 單軸雙切

雙軸單切 雙軸雙切

圖 26 關表示符號

在 switch 中常可見到“N/C＂與“N/O＂的標示，如圖 27 首先可看出這個

電門符號有三個接點，其中“COM＂表示共接點，“N/C＂則表示「常閉

接點(Normally Closed)」，與 COM 一直保持通路；而“N/O＂則表示「常

開接點(Normally Open)」與 COM 一直保持斷路。在圖中有一彈簧連接著

22

開關，使開關保持向上位置，讓 COM 與 N/C 相接；若有外力作用於電門上時，

會使彈簧壓縮並使 COM 與 N/O 相通，若外力移除，則會回復成原來位置，這

樣的設計是方便使用 switch 開關者，依照需求選擇切換模式。

「極限開關(Limit Switch, LS)」也是一種常見的機械式 switch，常用

於運動機械中檢測動作訊號。極限開關外形與表示符號如圖 3-8 也有 COM、

N/C 和 N/O 三個接腳，當滑片或滾輪被觸碰到時，便會作 switch 的切換。其他

類型的開關還包括「旋轉開關(rotary switch)」，如圖 28 藉由旋轉軸帶動數個

開關接觸點金屬薄片，可以旋轉方式達成多重開關切換功能。圖 29 薄膜開關

(membrane switch)」，常用在如計算機等之資料輸入裝置。薄膜開關底層是一

個具有兩個開關接觸點的印刷電路板，其上是一層在每個開關位置有一個洞的

間隔層，第三層在每個開關位置有一個導電性的墊子，當鍵被按下時導電性的

墊子會連通底層兩個開關的接觸電，最外一層則是印有數字、彈性的防水薄膜。

圖 27 極限開關外形與 表示符號

23

圖 28 旋轉開關

圖 29 薄膜開關

7. Microchip PIC16F73 單晶片

由美國 Microchip 公司推出的 8 位元單晶片，特色是高性能、低價及小型

化，因此受到工業界的歡迎採用。而本論文採用此一單晶片主要是做為控制 PS2

專用 IC，讀取健身車控制面板及互動式虛擬實境場景所輸出之資料訊號，經過

PIC16F73 IC 處理後再做相關之功能轉換，以達到互動訓練之功能。圖 30 其腳

位圖。

24

圖 30 PIC16F73 單晶片腳位

關於 PIC16F73 的一些特色簡列如下：

1. RISC 的核心架構，時脈可達 20 MHz。

2.只有 35 個指令，應用簡單。

3. 8K Flash ROM，368 Bytes Ram，256 Bytes EEPROM。

4. 8 層硬體堆疊。

5.具有 POR（Power ON Reset）、BOR（Brown-Out Reset）WDT（Watch Dog）

功能。

6.有 8 組 8 bit 精度的 A/D conveter channel。

7. 2 組 CCP 模組（Capture/Compare/PWM module）。

8. 完 整 的 USART （ Universal Synchronous Asynchronous Receiver

Transmitter）。

9.支援 SPI 和 I2C 串列傳輸介面。

此外 PIC16F73 除 Microchip 公司本身有完整的開發工具，如 MPLAB

IDE、MPLAB Simulate、ICD2 外，更有許多的 Third Party 為其開發一系列的

ICE、Programmer、C compiler，各種開發所需的工具可謂是非常完整。

25

8. MPLAB 整合開發環境

MPLAB 是 Microchip 公司對 PIC 系列單晶片所發展的一套整合開發環境

(Integrated Development Environment , IDE) ，包含下列工具：

(一)MPLAB Editor─程式編輯器。

(二)MPASM Assembler─程式組譯器。

(三)MPLAB-SIM Software Simulator─軟體模擬器。

(四)MPLAB-ICE Emulator─硬體模擬器。

(五)MPLAB-ICD─ICD 元件的偵錯模擬環境。

本計劃利用 MPLAB 的發展環境，如圖 31 將組合語言(Code.ASM)透過

MPASM Assembler 編譯成Code.HEX程式後(.Hex - 16進制 ASCII 的輸出檔

( Intel Hex ))，之後再把程式載到 ICD2(如圖 32 內，由 ICD2 以 ICSP 的方式

將程式燒錄到 PIC16F73 的 Flash 中去執行。

C 的原始程式 工作項目

編譯輸出

暫存器顯示 變數觀察視

設定中斷點

狀態顯示列

圖 31 MPLAB 作業環境

26

圖 32 Microchip ICD2 外觀圖

9. HI-TECH PICC-16 C Compiler

如果使用 C 程式語言撰寫單晶片程式，則需另外使用 C 編譯器進行編譯。

本研究使用 HI-TECH PICC-16 C Compiler，因為軟體取得容易，並且有提供

Source Code 的使用範例說明，易於程式上的撰寫。

(一)PICC 介紹

1. 在 Hi-Tech 的開發環境下有兩種支援：

(1) PICC - Command Line Driver (CLD)， CLD 可以被視窗的應用程式呼

叫，例如: MPLAB IDE。

(2) HPDPIC - HPD ( H I-TECH C Programmer's Development environ-

ment )，由 Hi-Tech 公司開發的編譯系統，例如:Hi-Tech IDE。

2. PICC 編譯器透過適當的命令列功能選項，可以接受原始程式的檔案進

行編譯動作。

3. 有兩種原始程式可以在 PICC 被傳送：一種是 C 原始程式檔案– 附加

檔名為.c；另外一種組合語言程式檔案– 附加檔名為.asm。

4. PICC 也可將檔案加以連結，如 Relocatable Object Files – 附加檔名

為.obj 和 Library Files – 附加檔名為.lib。

5. Hi-Tech PICC 為 ANSI C 相容語法，系統容易攜帶與程式轉移。

(二) PICC 執行檔的說明

Hi-Tech PICC 是由多個應用程式組合而成，如圖 3-14，這些應用程式包

27

含:

1. CPP - The Pre-Processor，先行處理前置處理器的虛指令及移除程式的

註解說明。

2. P1 - The Parser，轉換原始程式為字母標記的幫助記憶符號，檢查原始

程式的程式語法。

3. CGPIC - The Code Generator，將原始程式轉換成幫助記憶符號的組合

語言型態，其內容包含各個獨立的程式節區。

4. ASPIC - The Assembler，將組合語言轉換成可重新定位址的目的

(Relocatable Object File)。

5. HLINK - The Linker，(1)安排變數在 RAM 的實際位址；(2)聯結資料庫，

並將各個獨立的程式節區的目的碼重新排定執行位址。

6. OBJTOHEX - The Output File Converter，產生一個可執行的 Hex 檔案。

7. CROMWELL - The Re-Formatter，產生原始程式除錯的相關訊息檔案。

28

圖 33 PICC編譯流程圖

圖 34 PICC 編譯流程圖(續)

本研究是利用 MPLAB 的整合開發環境， 將 HI-TECH PICC C 所編譯出

來的 C++程式碼， 經由圖 34 PPIC 編譯流程，經過 Objtohext 產生一.Hex 檔

案。

10. 虛擬實境技術

虛擬實境(Virtual Reality, VR)系統和電腦動畫軟體最大的不同在虛擬實境

是互動式(Interactive)和即時性(Real-time)的操作系統，而電腦動畫軟體則無法

做到互動式和即時性。所以在虛擬實境系統，人與電腦是互動的， 透過交談式

操作，電腦畫面是即時計算產生(Real-time rendering)，下一片刻的畫面是隨著

使用者當時輸入的資料而隨時變動，且為立體空間畫面。

虛擬實境系統基本上由下列五個部分所組成( 如圖 35):

(一)互動影片(Movice of interaction):本研究之互動影片為現場拍攝台灣各

大自行車道，以提供的虛擬環境。

(二)虛擬實境軟體(VR Software) :用來播放互動影片的系統軟體。

29

(三)電腦(Computer):虛擬世界存在於電腦中，而非真實世界中。

(四)輸入設備(Inputs):使用者操控虛擬世界的設備，如鍵盤、滑鼠或資料手

套(Data glove)等。

(五)輸出設備(Outputs):使用者感受虛擬世界存在的設備，如螢幕、顯像式

頭盔 (Head-Mounted Display, HMD)、位置或動作追蹤器 (Position/motion

tracker) 等。

圖 35 虛擬實境系統

(二)限制條件

平衡功能就是指人體在日常生活中維持或調整自身穩定性的能力。人體在

站立及進行日常生活活動和其他運動中，均需要保持良好姿勢控制及穩定性。

正常情況下，當人體重心垂線偏離穩定基底時，會經由感覺系統使身體重心垂

線返回穩定基底內，而感覺系統包括視覺系統、前庭系統、本體感覺系統，這

三種系統是人體維持平衡的訊息來源。人體平衡的正常維持依賴于是一個綜合

的神經肌肉過程，為了保持正常的平衡，大腦的肌肉神經中樞需要從視覺系統、

前庭系統、軀體本體感覺系統傳入感覺信息，依據對地球垂直線的精確感覺參

30

照物來的相關訊息，大腦可以發出信號給與平衡功能的肌群，來保持或調節身

體在足體提供支撐面上的重心，如果任何部位或系統出現危險因素失調都可能

引起暈眩和平衡功能障礙。如能設計一個互動式人體平衡訓練系統，協助使用

者在平衡訓練的過程中增加其使用樂趣，其功能齊全、性能優良協助醫師更容

易診斷病人，也因為其操作便利及價格便宜，若能讓每家醫院乃至於居家中均

有此一設備，平衡功能是否損傷就可從平常察覺到，而可達到病情尚未惡化時

就能及時發覺加以治療。

由於平衡訓練系統會有軟硬體整合上的不良現象，故測試時多少會有訊號

輸出誤差且訊號在空間中呈現非常複雜的雜訊狀態，故在量測時多少會有些許

的誤差。在進行量測實驗時先將實際問題的複雜情況予以簡化，以易量得的訊

號可為重要參考依據且不因這些現象而複雜化。假設條件如下：

機構搖擺角度限制 10 度以內。

假設在氣隙中的磁通密度均勻分佈。

控制器工作電壓 VR/BIKE 限定為 DC5V，VR/WC、VR/Race apparatus

限定為 AC110V，依照所需要的功率大小選用適當的變壓器和整流元件。

環境因素的限制，應考量使用地區是否太冷或太熱，並考量零件本身的使

用安全範圍，避免錯誤的設計。

(三)系統架構

本互動式平衡訓練平台系統架構包含了平衡訓練平台(可控制前、後、左、

右四方向控制)、PC 主機、虛擬實境場景電腦及無線互動介面電控盒等，系統

架構如圖 36。

31

使用者 平衡訓練平台

無線互動介面電控盒

前、後、左、右四方向

虛擬實境場景電腦

圖 36 系統架構圖

(四)研究步驟

國內外互動式平衡訓練系統技術發展趨勢解析

32

分項一：

元件解析及測試 分項二：

電路軟/硬體設計 分項三：

PC 軟體程式設計

◎解析至少 2 種以上市售常用的方向

控 制 元 件 或 模

組，須考量元件或

模組其訊號穩定

度、可偵測範圍、

環境影響等因素。

◎設計 G-SENSOR元件訊號擷取介

面電路及與電腦

間傳輸之傳輸介

面，通訊介面的傳

輸 速 度 至 少 為

9600bps 或以上。

◎規畫出五個以上之

PC 互 動 虛 擬 場景，撰寫 PC 端與平衡訓練器間的通

訊程式，傳遞資訊

包括前後左右方

向、強度等資訊。

◎系統試組裝完成

後需進一步行試

運轉測試及各種

臨床實驗之評量。

◎設計完成後的電

路進行 PCB 板的電路 Layout 及製作，並組裝置至平

衡訓練器。

◎撰寫 PC 端各種感測元件訊號擷取

程式，並完成虛擬

場景動線安排，及

操作計算時間與

碰撞次數。

完成平衡訓練器互動電控介面系統

圖 37 互動式平衡訓練平台的整體研究架構

在確立研究動機及目的後，本研究將以文獻回顧、建立系統架構及軟硬體

的製作為研究方法，其步驟如下:

一、搜集整理與遊戲互動、平衡訓練平台相關之文獻資料。

二、相關專利及現有產品蒐尋及分析，並設計一創新互動平衡訓練平台及做好

相關之專利迴避設計。

三、建構系統架構的軟硬體週邊設備，研究其設計、製作及開發流程。

四、整合系統軟硬體，完成互動平衡訓練平台之製作。

四、研究成果

本計畫主要成果為設計開發出一套可透過 USB 介面與 PC 有線或無線

(2.4G Hz)方式連結之互動電控介面系統，該系統具備了方向感測、RPM 速度

感測、3G 加速度感測及相關控制面板按鈕，本系統可直接應用於諸多機械式之

物理治療器材之互動介面，如平衡訓練器、上肢訓練器、下肢訓練器、輪椅訓

練器等等，而為能完整呈現並驗收本系統之功能、規格，本計畫配合廠商將自

行開發之機械式物理治療用平衡訓練器來進行系統整合，也可作為本計畫成果

後續商品化推動之試金石。

(一)專利分析

根據世界智慧財產組織(World Intellectual Property Organization, WIPO)

統計，全世界每年大約有 90% ～95%的專利文件會把技術創作揭露出來，但這

其中 80%以上的專利資料並不會公開於其他文件裡。因此，就產品設計上所需

的技術資訊而言，善用專利資料的確是成功踏上產品設計的第一步。

33

各專利資料庫所儲存的專利件數均非常龐大又包羅萬象，故資料庫的檢索

過程中一定要瞭解資料來源的完整性與代表性。若資料檢索有錯，將會使專利

資料不正確，如此一來就會使資料分析結果與技術資訊的傳遞產生嚴重的誤

差，而導致所研發出來的成果並不具有技術上的競爭力，甚至會有專利侵權的

行為產生。所以，在技術或產品研發過程裡，專利的檢索應屬首要的基礎工作。

專利檢索的進行主要包含三部分：

1. 專利資料庫的選擇：如 IBM 智權網、美國專利商標局（USPTO）、歐

洲及世界專利資料庫、中華民國專利資訊網等。

2. 檢索條件的設定：也就是檢索關鍵字(Key words)的選用。

3. 檢索結果篩選與重新設定適當檢索條件：專利檢索成功與否的關鍵在於

反覆檢索條件設定與篩選，技術關鍵字的掌握應為技術資料庫的重要部分，須

藉由專利檢索的經驗累積而得。

本論文之專利分析查詢資料庫以美國專利公報資料庫為準，資料來源為美

國專利商標局（United States Patent and Trademark Office , USPTO），查詢

日 期 為 1976~ 至 今 ， 查 詢 網 站 為 http://patft.uspto.gov/netahtml/search-

bool.html 。

首先利用「關鍵字」及「技術用語」做搜尋，另外以「UPC 美國分類號」

及「廠商名稱」做進一步的蒐尋，過程中建立關鍵字蒐尋歷史表作為參考，如

表 2 平衡訓練器現有專利。

表 2 平衡訓練器現有專利

專利號碼 專 利 名 稱

7,292,151 Human movement measurement system

7,121,982 Computer interactive isometric exercise system and method for operatively interconnecting the exercise system to a computer system for use as a peripheral

D510,391 Exercise device for controlling a video game

6,876,496 System and method for tracking and assessing movement skills in

34

http://patft.uspto.gov/netahtml/search-%20bool.htmlhttp://patft.uspto.gov/netahtml/search-%20bool.htmlhttp://patft.uspto.gov/netacgi/nph-Parser?Sect1=PTO2&Sect2=HITOFF&u=%2Fnetahtml%2FPTO%2Fsearch-adv.htm&r=1&f=G&l=50&d=PTXT&p=1&S1=((interactive+AND+rehabilitation)+AND+fitness)&OS=interactive+AND+rehabilitation+AND+fitness&RS=((interactive+AND+rehabilitation)+AND+fitness)http://patft.uspto.gov/netacgi/nph-Parser?Sect1=PTO2&Sect2=HITOFF&u=%2Fnetahtml%2FPTO%2Fsearch-adv.htm&r=8&f=G&l=50&d=PTXT&p=1&S1=((interactive+AND+rehabilitation)+AND+fitness)&OS=interactive+AND+rehabilitation+AND+fitness&RS=((interactive+AND+rehabilitation)+AND+fitness)http://patft.uspto.gov/netacgi/nph-Parser?Sect1=PTO2&Sect2=HITOFF&u=%2Fnetahtml%2FPTO%2Fsearch-adv.htm&r=8&f=G&l=50&d=PTXT&p=1&S1=((interactive+AND+rehabilitation)+AND+fitness)&OS=interactive+AND+rehabilitation+AND+fitness&RS=((interactive+AND+rehabilitation)+AND+fitness)http://patft.uspto.gov/netacgi/nph-Parser?Sect1=PTO2&Sect2=HITOFF&u=%2Fnetahtml%2FPTO%2Fsearch-adv.htm&r=8&f=G&l=50&d=PTXT&p=1&S1=((interactive+AND+rehabilitation)+AND+fitness)&OS=interactive+AND+rehabilitation+AND+fitness&RS=((interactive+AND+rehabilitation)+AND+fitness)http://patft.uspto.gov/netacgi/nph-Parser?Sect1=PTO2&Sect2=HITOFF&u=%2Fnetahtml%2FPTO%2Fsearch-adv.htm&r=8&f=G&l=50&d=PTXT&p=1&S1=((interactive+AND+rehabilitation)+AND+fitness)&OS=interactive+AND+rehabilitation+AND+fitness&RS=((interactive+AND+rehabilitation)+AND+fitness)http://patft.uspto.gov/netacgi/nph-Parser?Sect1=PTO2&Sect2=HITOFF&u=%2Fnetahtml%2FPTO%2Fsearch-adv.htm&r=18&f=G&l=50&d=PTXT&p=1&S1=((interactive+AND+rehabilitation)+AND+fitness)&OS=interactive+AND+rehabilitation+AND+fitness&RS=((interactive+AND+rehabilitation)+AND+fitness)http://patft.uspto.gov/netacgi/nph-Parser?Sect1=PTO2&Sect2=HITOFF&u=%2Fnetahtml%2FPTO%2Fsearch-adv.htm&r=18&f=G&l=50&d=PTXT&p=1&S1=((interactive+AND+rehabilitation)+AND+fitness)&OS=interactive+AND+rehabilitation+AND+fitness&RS=((interactive+AND+rehabilitation)+AND+fitness)http://patft.uspto.gov/netacgi/nph-Parser?Sect1=PTO2&Sect2=HITOFF&u=%2Fnetahtml%2FPTO%2Fsearch-adv.htm&r=19&f=G&l=50&d=PTXT&p=1&S1=((interactive+AND+rehabilitation)+AND+fitness)&OS=interactive+AND+rehabilitation+AND+fitness&RS=((interactive+AND+rehabilitation)+AND+fitness)http://patft.uspto.gov/netacgi/nph-Parser?Sect1=PTO2&Sect2=HITOFF&u=%2Fnetahtml%2FPTO%2Fsearch-adv.htm&r=19&f=G&l=50&d=PTXT&p=1&S1=((interactive+AND+rehabilitation)+AND+fitness)&OS=interactive+AND+rehabilitation+AND+fitness&RS=((interactive+AND+rehabilitation)+AND+fitness)

multidimensional space

6,824,499 Control console automatically planning a personal exercise program in accordance with the physical condition measured through the whole exercise session

6,790,178 Physiological monitor and associated computation, display and communication unit

6,425,764 Virtual reality immersion therapy for treating psychological, psychiatric, medical, educational and self-help problems

6,375,598 Exerciser and physical performance monitoring system

6,152,856 Real time simulation using position sensing

6,066,075 Direct feedback controller for user interaction

5,890,996 Exerciser and physical performance monitoring system

5,704,876 Wheelchair aerobic exercise trainer

5,702,323 Electronic exercise enhancer

5,649,883 Racer wheelchair trainer

5,618,247 Exercise leg device

綜合比較分析上述國內外於機台互動電控介面系統之技術及現有產品解

析，主要仍以應變規(Strain Gauge)或荷重元(load cell)做為感測元件為主，因

為這部分技術應用偏向實驗室設備，因此較難普及化，成本自然也比較高。鑑

此，本計畫擬採用目前商用市場較普遍之感測元件，並藉由 PC 開放式設計環

境之軟體通訊界面，將可大幅降低開發、製造成本，使本系統能夠更普及的應

用。當然要達成計畫預期目標仍有若干可能困難，目前可能遭遇之開發限制如

下：

1. 感測器之選用與配置方式，使可正確量测使用者之操控動作與強度。

2. 感測器訊號之擷取與運算處理，需搭配 PC 訓練軟體，使可正確顯示使

用者在虛擬情境之狀態。

3. 特定病患之物理治療需求與處方，需尋求醫護專業人員之協助與實驗

驗證。

35

http://patft.uspto.gov/netacgi/nph-Parser?Sect1=PTO2&Sect2=HITOFF&u=%2Fnetahtml%2FPTO%2Fsearch-adv.htm&r=19&f=G&l=50&d=PTXT&p=1&S1=((interactive+AND+rehabilitation)+AND+fitness)&OS=interactive+AND+rehabilitation+AND+fitness&RS=((interactive+AND+rehabilitation)+AND+fitness)http://patft.uspto.gov/netacgi/nph-Parser?Sect1=PTO2&Sect2=HITOFF&u=%2Fnetahtml%2FPTO%2Fsearch-adv.htm&r=21&f=G&l=50&d=PTXT&p=1&S1=((interactive+AND+rehabilitation)+AND+fitness)&OS=interactive+AND+rehabilitation+AND+fitness&RS=((interactive+AND+rehabilitation)+AND+fitness)http://patft.uspto.gov/netacgi/nph-Parser?Sect1=PTO2&Sect2=HITOFF&u=%2Fnetahtml%2FPTO%2Fsearch-adv.htm&r=21&f=G&l=50&d=PTXT&p=1&S1=((interactive+AND+rehabilitation)+AND+fitness)&OS=interactive+AND+rehabilitation+AND+fitness&RS=((interactive+AND+rehabilitation)+AND+fitness)http://patft.uspto.gov/netacgi/nph-Parser?Sect1=PTO2&Sect2=HITOFF&u=%2Fnetahtml%2FPTO%2Fsearch-adv.htm&r=21&f=G&l=50&d=PTXT&p=1&S1=((interactive+AND+rehabilitation)+AND+fitness)&OS=interactive+AND+rehabilitation+AND+fitness&RS=((interactive+AND+rehabilitation)+AND+fitness)http://patft.uspto.gov/netacgi/nph-Parser?Sect1=PTO2&Sect2=HITOFF&u=%2Fnetahtml%2FPTO%2Fsearch-adv.htm&r=21&f=G&l=50&d=PTXT&p=1&S1=((interactive+AND+rehabilitation)+AND+fitness)&OS=interactive+AND+rehabilitation+AND+fitness&RS=((interactive+AND+rehabilitation)+AND+fitness)http://patft.uspto.gov/netacgi/nph-Parser?Sect1=PTO2&Sect2=HITOFF&u=%2Fnetahtml%2FPTO%2Fsearch-adv.htm&r=22&f=G&l=50&d=PTXT&p=1&S1=((interactive+AND+rehabilitation)+AND+fitness)&OS=interactive+AND+rehabilitation+AND+fitness&RS=((interactive+AND+rehabilitation)+AND+fitness)http://patft.uspto.gov/netacgi/nph-Parser?Sect1=PTO2&Sect2=HITOFF&u=%2Fnetahtml%2FPTO%2Fsearch-adv.htm&r=22&f=G&l=50&d=PTXT&p=1&S1=((interactive+AND+rehabilitation)+AND+fitness)&OS=interactive+AND+rehabilitation+AND+fitness&RS=((interactive+AND+rehabilitation)+AND+fitness)http://patft.uspto.gov/netacgi/nph-Parser?Sect1=PTO2&Sect2=HITOFF&u=%2Fnetahtml%2FPTO%2Fsearch-adv.htm&r=22&f=G&l=50&d=PTXT&p=1&S1=((interactive+AND+rehabilitation)+AND+fitness)&OS=interactive+AND+rehabilitation+AND+fitness&RS=((interactive+AND+rehabilitation)+AND+fitness)http://patft.uspto.gov/netacgi/nph-Parser?Sect1=PTO2&Sect2=HITOFF&u=%2Fnetahtml%2FPTO%2Fsearch-adv.htm&r=30&f=G&l=50&d=PTXT&p=1&S1=((interactive+AND+rehabilitation)+AND+fitness)&OS=interactive+AND+rehabilitation+AND+fitness&RS=((interactive+AND+rehabilitation)+AND+fitness)http://patft.uspto.gov/netacgi/nph-Parser?Sect1=PTO2&Sect2=HITOFF&u=%2Fnetahtml%2FPTO%2Fsearch-adv.htm&r=30&f=G&l=50&d=PTXT&p=1&S1=((interactive+AND+rehabilitation)+AND+fitness)&OS=interactive+AND+rehabilitation+AND+fitness&RS=((interactive+AND+rehabilitation)+AND+fitness)http://patft.uspto.gov/netacgi/nph-Parser?Sect1=PTO2&Sect2=HITOFF&u=%2Fnetahtml%2FPTO%2Fsearch-adv.htm&r=30&f=G&l=50&d=PTXT&p=1&S1=((interactive+AND+rehabilitation)+AND+fitness)&OS=interactive+AND+rehabilitation+AND+fitness&RS=((interactive+AND+rehabilitation)+AND+fitness)http://patft.uspto.gov/netacgi/nph-Parser?Sect1=PTO2&Sect2=HITOFF&u=%2Fnetahtml%2FPTO%2Fsearch-adv.htm&r=31&f=G&l=50&d=PTXT&p=1&S1=((interactive+AND+rehabilitation)+AND+fitness)&OS=interactive+AND+rehabilitation+AND+fitness&RS=((interactive+AND+rehabilitation)+AND+fitness)http://patft.uspto.gov/netacgi/nph-Parser?Sect1=PTO2&Sect2=HITOFF&u=%2Fnetahtml%2FPTO%2Fsearch-adv.htm&r=31&f=G&l=50&d=PTXT&p=1&S1=((interactive+AND+rehabilitation)+AND+fitness)&OS=interactive+AND+rehabilitation+AND+fitness&RS=((interactive+AND+rehabilitation)+AND+fitness)http://patft.uspto.gov/netacgi/nph-Parser?Sect1=PTO2&Sect2=HITOFF&u=%2Fnetahtml%2FPTO%2Fsearch-adv.htm&r=34&f=G&l=50&d=PTXT&p=1&S1=((interactive+AND+rehabilitation)+AND+fitness)&OS=interactive+AND+rehabilitation+AND+fitness&RS=((interactive+AND+rehabilitation)+AND+fitness)http://patft.uspto.gov/netacgi/nph-Parser?Sect1=PTO2&Sect2=HITOFF&u=%2Fnetahtml%2FPTO%2Fsearch-adv.htm&r=34&f=G&l=50&d=PTXT&p=1&S1=((interactive+AND+rehabilitation)+AND+fitness)&OS=interactive+AND+rehabilitation+AND+fitness&RS=((interactive+AND+rehabilitation)+AND+fitness)http://patft.uspto.gov/netacgi/nph-Parser?Sect1=PTO2&Sect2=HITOFF&u=%2Fnetahtml%2FPTO%2Fsearch-adv.htm&r=37&f=G&l=50&d=PTXT&p=1&S1=((interactive+AND+rehabilitation)+AND+fitness)&OS=interactive+AND+rehabilitation+AND+fitness&RS=((interactive+AND+rehabilitation)+AND+fitness)http://patft.uspto.gov/netacgi/nph-Parser?Sect1=PTO2&Sect2=HITOFF&u=%2Fnetahtml%2FPTO%2Fsearch-adv.htm&r=37&f=G&l=50&d=PTXT&p=1&S1=((interactive+AND+rehabilitation)+AND+fitness)&OS=interactive+AND+rehabilitation+AND+fitness&RS=((interactive+AND+rehabilitation)+AND+fitness)http://patft.uspto.gov/netacgi/nph-Parser?Sect1=PTO2&Sect2=HITOFF&u=%2Fnetahtml%2FPTO%2Fsearch-adv.htm&r=42&f=G&l=50&d=PTXT&p=1&S1=((interactive+AND+rehabilitation)+AND+fitness)&OS=interactive+AND+rehabilitation+AND+fitness&RS=((interactive+AND+rehabilitation)+AND+fitness)http://patft.uspto.gov/netacgi/nph-Parser?Sect1=PTO2&Sect2=HITOFF&u=%2Fnetahtml%2FPTO%2Fsearch-adv.htm&r=42&f=G&l=50&d=PTXT&p=1&S1=((interactive+AND+rehabilitation)+AND+fitness)&OS=interactive+AND+rehabilitation+AND+fitness&RS=((interactive+AND+rehabilitation)+AND+fitness)http://patft.uspto.gov/netacgi/nph-Parser?Sect1=PTO2&Sect2=HITOFF&u=%2Fnetahtml%2FPTO%2Fsearch-adv.htm&r=47&f=G&l=50&d=PTXT&p=1&S1=((interactive+AND+rehabilitation)+AND+fitness)&OS=interactive+AND+rehabilitation+AND+fitness&RS=((interactive+AND+rehabilitation)+AND+fitness)http://patft.uspto.gov/netacgi/nph-Parser?Sect1=PTO2&Sect2=HITOFF&u=%2Fnetahtml%2FPTO%2Fsearch-adv.htm&r=47&f=G&l=50&d=PTXT&p=1&S1=((interactive+AND+rehabilitation)+AND+fitness)&OS=interactive+AND+rehabilitation+AND+fitness&RS=((interactive+AND+rehabilitation)+AND+fitness)http://patft.uspto.gov/netacgi/nph-Parser?Sect1=PTO2&Sect2=HITOFF&u=%2Fnetahtml%2FPTO%2Fsearch-adv.htm&r=48&f=G&l=50&d=PTXT&p=1&S1=((interactive+AND+rehabilitation)+AND+fitness)&OS=interactive+AND+rehabilitation+AND+fitness&RS=((interactive+AND+rehabilitation)+AND+fitness)http://patft.uspto.gov/netacgi/nph-Parser?Sect1=PTO2&Sect2=HITOFF&u=%2Fnetahtml%2FPTO%2Fsearch-adv.htm&r=48&f=G&l=50&d=PTXT&p=1&S1=((interactive+AND+rehabilitation)+AND+fitness)&OS=interactive+AND+rehabilitation+AND+fitness&RS=((interactive+AND+rehabilitation)+AND+fitness)http://patft.uspto.gov/netacgi/nph-Parser?Sect1=PTO2&Sect2=HITOFF&u=%2Fnetahtml%2FPTO%2Fsearch-adv.htm&r=49&f=G&l=50&d=PTXT&p=1&S1=((interactive+AND+rehabilitation)+AND+fitness)&OS=interactive+AND+rehabilitation+AND+fitness&RS=((interactive+AND+rehabilitation)+AND+fitness)http://patft.uspto.gov/netacgi/nph-Parser?Sect1=PTO2&Sect2=HITOFF&u=%2Fnetahtml%2FPTO%2Fsearch-adv.htm&r=49&f=G&l=50&d=PTXT&p=1&S1=((interactive+AND+rehabilitation)+AND+fitness)&OS=interactive+AND+rehabilitation+AND+fitness&RS=((interactive+AND+rehabilitation)+AND+fitness)http://patft.uspto.gov/netacgi/nph-Parser?Sect1=PTO2&Sect2=HITOFF&u=%2Fnetahtml%2FPTO%2Fsearch-adv.htm&r=50&f=G&l=50&d=PTXT&p=1&S1=((interactive+AND+rehabilitation)+AND+fitness)&OS=interactive+AND+rehabilitation+AND+fitness&RS=((interactive+AND+rehabilitation)+AND+fitness)http://patft.uspto.gov/netacgi/nph-Parser?Sect1=PTO2&Sect2=HITOFF&u=%2Fnetahtml%2FPTO%2Fsearch-adv.htm&r=50&f=G&l=50&d=PTXT&p=1&S1=((interactive+AND+rehabilitation)+AND+fitness)&OS=interactive+AND+rehabilitation+AND+fitness&RS=((interactive+AND+rehabilitation)+AND+fitness)

(二)電控整合應用

1. 轉向訊號擷取/處理技術

轉向可有類比式輸出及數位式輸出兩種選擇：

(1).類比式輸出：採用 G-SENSOR(SMB380)作為轉向訊號輸出元件，其

特性，如表 3 所示。

表 3 G-SENSOR(SMB380)特性

依據其資料傳輸的變化判斷轉向變化，可偵測上、下、左、右四方向。圖

38 為本計劃之電路板。

(2).數位式輸出

採用 ON 與 OFF 偵測按鍵 0 與 1 的變化，來判斷上、下、左、右四方向。

方向搖桿

/

功能鍵/

START

速度鍵對USB 介

速度偵測

/功能鍵連

功能鍵

方向搖

輔助搖桿連接36

電源開關

圖 38 電控板功能圖

2. 方向靈敏度

本計畫方向靈敏度可調變電路設計開發主要是依據搭配物理治療機種類不

同或是使用者操控能力上肢差異，需設計轉向靈敏度具有可調變的功能，規畫

分為 3 段角度調整，單一方向轉向範圍分別為 5 度、10 度及 15 度。

3. USB 傳輸介面

本計劃是使用 PC 通用性最高之 USB 傳輸介面：

一、針對為滿足市場需求需設計相容於USB2.0或以下之版本，並透過2.4G

Hz 作無線傳輸，傳輸距離最遠可達 6~10M。

二、發射與接收端須具備對頻的功能。

三、發射與接收端須具備防干擾功能。

4. 數位可變電阻判斷方向程式

使用 Microchip PIC16F73 單晶片 IC，該晶片不但內建有 PWM 週邊模組，

並且也內建 A/D 模組，支援多種通訊介面，如 RS232、SPI、I2C 等。

使用者借由衡動重心偏擺，改變 G_SENSOR 輸出變化，並經由內建的 A/D

轉換，透過數位可變電阻的輸出，進而達到場景的互動。

利用數位可變電阻判斷方向的程式如下所示 :

// *******************************************************

37

while(1)

{

if(total==1)

{

total=0;

commend_data.high8=WRITE_DATA;

if(xr_value>153)

{

if(xr_value>153 && xr_value158 && xr_value163 && xr_value173 && xr_value

}

else

{

commend_data.low8=xl_value.low8;

}

write_vr1( );

commend_data.high8=WRITE_DATA;

if(ydn_value>153)

{

if(ydn_value>153 && ydn_value158 && ydn_value163 && ydn_value173 && ydn_value

{

commend_data.low8=250;//xr_value.low8;

}

}

else

{

commend_data.low8=yup_value.low8;

}

write_vr2( );

}

5. 介面電路

使用 PC817 光耦合 IC 作為驅動的介面元件。光耦合 IC（photo-couple

device）屬於光電子元件的一種，目前應用非常廣泛。光耦合元件的輸入輸出

間具有良好的隔離效果，可以避免開關的暫態雜訊感應至控制線路的問題。

40

圖 39 數位按鍵電路應用

動作原理分析：

當類比方向感測元件，感測到外部有動作發生時，透過 PIC16F876 的 A/D

轉換模組，將輸入至 PIC16F876 的類比訊號，依照實際的輸入訊號變化，做類

比與數位的轉換，並將 I/O 埠設定成輸出模式，單晶片會自動的依據設定，輸

出類比與數位的轉換後的訊號於 port 上。

類比與數位的轉換後的訊號，輸出送到 NPN 電晶體上，使其導通或截止，

驅動光電晶體導通或截止。進而達到摸擬按鍵的效果。

41

圖 40 方向控制電路

方向控制電路為兩顆數可電阻構成，數位可變電阻採用 MCP41010，

MCP41010 具有 8bit 的解析度，是一顆 10K 歐姆數位可變電阻。圖 41、圖 42

分別為 MCP41010 裝形式及動作時序圖。MCP41010 其功能特色如下[13]：

具有 8bit 的解析度

阻值可以是 10 k、50 k 和 100 k

SPI 串列傳輸界面（模式 0,0 和 1,1）

採用低功耗 CMOS 技術

靜態工作電流最大值為 1 μA

單電源工作（2.7V - 5.5V）

溫度範圍︰-40°C 至+85°C

42

圖 41 MCP41010 的 PDIP 和 SOIC 封裝形式

圖 42 動作時序圖

(三) 電腦端物理治療平衡訓練軟體

本計畫開發的電腦端物理治療平衡訓練軟體系統：

一、利用虛擬實境設計軟體 VR TOOLS 規劃製作多種虛擬情境之互動場景，使

用者在平衡訓練板上模擬操控滑板進行訓練，期間可記錄通過關卡時間、觸碰

邊線之次數，藉以提供物理治療師作為訓練評估及成效評量之依據。

二、針對不同疾病患者，設計前進後退置換之功能(例如巴金森氏症需多訓練平

衡後踩動作)及針對患者平衡之能力程度設計不同極限角度之操控設計。

三、設計搭配多款互動娛樂軟體，如滾球平衡遊戲、滑雪運動、小精靈、走迷

宮等等，藉由互動電控介面系統進行連線，除了使訓練更加有趣而不會枯燥乏

味外，也能引發大腦思考並連結肢體律動，預防或減緩癡呆症狀況，如圖 43、

44 所示。

43

圖 43 規劃之虛擬實境場景(戶外、室內)

圖 44 可連線之互動軟體

(四)平衡機構設計整合

本互動式平衡訓練平台系統架構包含了平衡訓練平台(可控制前、後、左、

右四方向控制)、PC 主機、虛擬實境場景電腦及無線互動介面電控盒等，系統

架構如圖 45。

使用者 平衡訓練平台

無線互動介面電控盒

前、後、左、右四方向

虛擬實境場景電腦

圖 45 系統架構圖

為了配合搬運及收納方便，所以本研究之平衡訓練平台採用低高度(15cm

以內)方式，以減少平台之體積及重量，圖 46 為本計劃之平衡訓練平台。

44

圖 46 平衡訓練平台

為了簡化回饋力的功能，所以採用特製橡膠墊以達成回饋力的效果，如圖

47 所示。

圖 47 橡膠墊

訊號輸入裝置，於踏板下方裝設四個感測元件作為訊號輸入元件，用以擷

取上、下、左、右四方向。

45

虛擬實境電腦負責播放 PC Game ，透過無線互動介面控制盒來做訊處

理，讓使用者可以跟 PC Game 裡的主角互動。

本計劃物理治療用平衡訓練器開發的主要特點，如圖 44 所示：

一、踏板可前、後、左、右 360 度搖擺，控制互動軟體方向。

二、單邊偏擺角度約 6~8 度，搖擺下死點可調整。

三、具有高低可調扶手，預防跌倒。

圖 48 平衡訓練機 3D 設計示意圖

五、成果評估與應用

本計畫擬與台灣大學物理治療學系合作，以台大醫院神經部巴金森中心之

病友做臨床實驗，以作為本計畫成果之評估基準，初步實驗規劃如下：

46

試驗設計與流程(與臨床試驗相關部份)

一、分組方法

採單盲設計，將由物理治療師負責分組，分組方式採用分層隨機分組，依

照年齡分為三個階層(55~64 歲, 65~74 歲以及 74~85 歲)，並於每年齡層中以抽

籤的方式將受試者隨機分到「虛擬實境組」、「傳統平衡訓練組」以及「控制組」。

二、療效評估

療效評估的部份將由物理治療師和助理負責評估每位受試者治療前、後以

及追蹤一個月的姿勢穩定度。評估內容包含臨床與實驗室評估，其中臨床評估

包含: 追蹤期間跌倒次數、計時起走和特定活動平衡信心量表；實驗室評估則

是利用 SMART balance master 中的感覺整合測試(Sensory Organization Test)

和穩定極限度測試(Limits of Stability)，其中感覺整合測試會搭配雙項任務測

試，來評估分散注意力對病患姿勢穩定度之影響。

三、訓練內容與方法

訓練部分主要是由物理治療師和助理進行訓練，除控制組是給予衛教單張

教導居家活動外，其餘兩組訓練組則是每週兩次，每次 30 分鐘，為期 6 週的訓

練。訓練內容如下：

1. 虛擬實境平衡訓練組

訓練前先進行 5 分鐘熱身運動，包含上下肢的伸展運動和主動關節活動運

動。接著病患在物理治療師和助理協助下，站上本計畫開發之平衡訓練器。訓

練流程先從 5 分鐘 2D 迷宮遊戲開始，讓受試者熟悉如何利用重心轉移來操控

互動式平衡訓練器，接著進行 20 分鐘 3D 虛擬實境平衡訓練，受試者以重心轉

移的方式透過互動式平衡板操控駛虛擬環境中的虛擬滑板，使其能順利通過各

種虛擬環境，虛擬環境難易度以及滑板行進速度依受試者本身的能力進行調

整，過程中物理治療師和助理會給予動作上的協助與安全上的保護，並視受試

者能力減少協助程度。每項虛擬任務所花的時間和滑板碰撞障礙物的次數都會

由軟體紀錄。

47

2. 傳統平衡訓練組

訓練前先進行 5 分鐘熱身運動，包含上下肢的伸展運動和主動關節活動運

動。25 分鐘的傳統平衡訓練包含靜態站姿平衡訓練，使用軟墊、張/閉眼來訓練

各種感覺情境下的靜態站姿平衡，另外，多方向站姿伸取訓練則是在受試者周

圍設立目標物，受試者試著移動身體重心去伸取每個方向的目標物，以及由物

理治療師給予病人外力干擾其平衡，包含向後拉、向前推以及左右推，訓練過

程中受試者必須試著維持穩定度，難度視每位病患能力而有所調整。

六、後續工作方向

規畫技術移轉廠家數為 1 家，未來將配合國內大、小型運動或醫療器材展，

推廣至醫療院所、物理定量評估或治療中心，並透過本中心所擁之產業服務網，

技轉給有意願並擁有擴展國內外市場能力的廠商。此外，在醫療照護產業面之

應用，本計畫可推廣至各物理治療院所、老人照護產業、社區照護產業等，使

醫療資源更充分運用與普遍，使有行動障礙之民眾復健更方便，不再要從大老

遠的地方至大型醫院。

七、結論

世界上已開發國家之老年人口比例愈來愈高，包括台灣也已邁入老年化之

社會，因此在物理治療、健康照護之器材的需求急速增加，本計畫透由加入我

國最具發展優勢的電子、電機及資通訊技術，提升物理治療訓練器材的附加價

值與多功能性，使在醫療器材領域中，技術門檻較低之物理治療訓練器材進一

步升級，且其成本增加幅度不大，除了可與醫療器材本業廠商合作之外，也可

與欲跨入醫療電子產業的異業廠商合作，增加物理治療相關器材廠商的競爭

力，尤其是想要跨入物理治療器材領域之廠商，可藉此類產品轉型及升級，提

48

升其獲利率，進而提升國內醫療器材內需與出口之產值，使我國醫電產品的進

出口結構差異縮小。

本計畫開發之「平衡訓練器互動電控介面系統」是一項創新開發之訓練平

台技術，該平台可提供特定病友(如巴金森患者)、行動不便者或銀髮族進行多樣

性的訓練、物理治療及娛樂機制，讓使用者可依據不同需求來達到物理治療、

訓練及休閒的目的；其功能性相較於目前市場的傳統訓練器材而言，是極具市

場競爭力與發展潛力的；同時也藉由較低之成本與售價，除一般區域型醫院、

小型醫療院所有能力添購使用外，甚至可幫助行動不便或不喜出門之患者，一

個自行購買在家中訓練的選擇，大大省去舟車勞累之苦，並可藉由更密集之使

用讓訓練更有效益。

而本計畫是利基在提案單位財團法人自行車暨健康科技工業研究發展中心

多年投入在電動代步車、電動輪椅等居家照護醫療電子產品的開發基礎上，以

電子互動控制為核心，掌握人機互動發展趨勢，加以整合資通訊技術及其訓練

或遊戲之軟體，開發出使用便利、更符合人性操作需求的技術與產品，除藉以

提升病患訓練動機及治療效果，亦可創新傳統手動機械式之物理治療用器材價

值，以較符合全球市場未來發展趨勢與因應更高、更複雜技術要求的優質產品，

提升台灣機械式之物理器材產品的競爭優勢，免除傳統醫療器材製造廠商日漸

外移之危機。

八、參考文獻

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10. 林正常、范姜逸敏，運動體適能--平衡

11. 林春生、賴和海、邱金松、林曼蕙合譯。幼兒體力理論與實際。幼獅體育

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13. 林正常（1973）。運動員與體力—訓練的理論與方法。台北市：國立台灣師

範大學體育學會。

14. 林正常（1987）。運動生理學—訓練的科學基礎。台北市：師大書苑。

50

一、摘 要 二、前 言 (二)產業現況及需求(國內、外) 三、研究方法 四、研究成果 五、成果評估與應用 六、後續工作方向 七、結論 八、參考文獻