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穿戴式採收和搬運智慧人機輔具之開發與應用

資料來源:國立中山大學機電系/林韋至、溫博浚

根據內政部所公布的歷年人口推算資料中,台灣在2016年時,年滿65歲的高齡人口將占全國人口總數的12.5%,到了2060年時,高齡人口的比例將會到達39.3%,此增長意味著我國未來的勞動人口數將大幅的衰減,面對台灣目前的農業務農主力已經是處於高齡化的狀況下,無疑是雪上加霜。因此本計畫希望藉由開發農業相關的智慧農機輔助設備,來協助解決因務農人口高齡化所面臨的困境。由於台灣的農業發展模式與鄰近的日本相似,主要以少量多樣性為主,因此許多國外商業販售的大型農機具並不符合台灣農民的需求。所以本計畫將針對此需求,開發出使用場域廣及作業高靈活度的穿戴式輔具供務農人員使用,期望以此大大降低高齡務農人員在農作物採收與搬運時的體力負荷,以及生產力的增加。

本計畫目前已分別開發出無動力穿戴式輔具、動力式穿戴輔具兩種,以及可記錄果物採摘個數的智慧手套、手環與app軟體一套。該兩種不同類型的穿戴式輔具已分別運用於如圖一所示的芒果園與木瓜園做實測。此外,亦透過肌肉活化指數與肩部關節角度兩種量測方式,將穿戴前後的差異數值化,證明穿戴輔具後可減少農事人員的疲勞感,降低農事人員於採摘及搬運過程中的體力負擔。此外,開發的智慧採收手套與手環,能夠直接紀錄採摘過程中果物的採摘量,並即時的透過藍芽與無線網路傳輸至手機上的app管理軟體,將農民生產端與市場銷售端做直接的連結,提升農民的生產利潤。

1.無動力式穿戴輔具:

本計畫總共開發兩種不同作動原理之無動力輔具,如圖一所示,圖(a)為無動力機構式輔具用於芒果園的採摘實測照,主要是透過機械力輔助的方式,提供農事人員在採收時雙臂上舉的輔助與支撐力,目前單臂的輔助力最高可調整至約9公斤。圖(b)為電控式無動力輔具,該套輔具主要設計於長時間的舉臂使用,單臂可提供3至5公斤的輔助力。如圖所示,因木瓜的採摘需要使用長桿的採摘工具輔助,在採摘時常需高舉並定臂一小段時間,因此對農事人員的體力消耗會高於一般的採摘。透過實測的證明,該輔具可增加農民的工作時間,並降低工作後所帶來的疲勞感。

圖1、 (a)為無動力機構式輔具於芒果園的採摘實測照 ; (b)為電控式無動力輔具用於木瓜的採摘實測。

此外,為了量化輔具穿戴前後的差異性,如圖二(a)所示,我們透過量測肌電訊號與關節角度兩種方式,證實穿戴輔具後,可有效節省手臂的出力及疲勞感,且在長時間高舉手臂後,關節角度的下降也會較為緩慢。圖二(b)為靜、動態的肌電訊號量測數據,由圖表可清楚的顯示在90秒的舉臂後期,沒有穿戴輔具的疲勞感明顯增加,會有約5%的差異出現。另外,由圖(c)的關節角度測試,可以更加明顯的看到差異性,如在靜態的測試上,經過45次的舉臂動作後,在沒有輔具的協助下,舉臂的角度會明顯的減少約5度左右。

圖2、(a)為輔具穿戴舒適度與疲勞度測量照 ; (b)為靜、動態機電訊號量測 ; (c)為三維靜、動態關節角度量測。

2. 動力式穿戴式輔具:

目前開發的動力版穿戴式輔具有兩種,如圖三(a)的氣驅動式與圖三(b)和(c)的電驅動式輔具。氣驅動式輔具可藉由大、小腿後的氣缸出力輔助,提供一單腿約3公斤的推舉作用力,讓農事人員在搬運工作中,輔助彎腰半蹲時可輕鬆的站直,進而減少農事人員搬運時膝蓋與腰背的負擔。而電驅動式輔具,如圖(b)和(c)所示,分別有手肘與膝蓋輔助兩種,在搬運時單手肘可提供約1.5公斤的抬舉力。而在膝蓋輔助的力量上,單膝蓋的曲直力量大約是1.5公斤左右。另外,在膝蓋的輔助上,我們亦加入了防傾倒的回饋裝置,避免因瞬間的輔助力道太大,造成穿戴人員向前傾倒發生意外。

圖3、動力式穿戴輔具實體圖。(a)為氣驅動式穿戴輔具 ; (b)為電驅動式上肢穿戴式輔具 ; (c)為下肢電驅動式穿戴輔具。

3. 智慧採收手套、手環與app管理軟體:

圖四為計畫所開發之智慧採收手套、手環與app管理軟體,農事人員可於果物採摘過程中,透過採摘手套指尖上的感測器做感測,然後將資料傳輸至智慧手環上做紀錄與統計,農事人員可透過手環上的OLED銀幕即時得知採摘的數量。採摘完成後,可透過手環上的無線藍芽傳輸模組與手機做連結,將資料傳輸至app管理軟體上,藉由軟體的統計後,能將相關的採摘數量等資訊,傳輸至市場端的伺服器上,省去農事人員在採摘工作後,後續的處理與聯繫所需花費的時間。

圖4、智慧採收手套、手環與app管理軟體

►研發團隊:國立中山大學 機械與機電工程研究所

聯絡人:林韋至 助理教授

電話: (07)5252000-4226

E-mail: wc.lin@mail.nsysu.edu.tw

計畫網站:http://140.117.6.215/



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