用一個夾上去就好的機構，讓高位頸損者用頭駕駛電動輪椅

靈感來源

專案起點來自中國科技創作者「何同學」的一支影片。他為一位高位脊髓損傷（high level SCI）的身障者改造電動輪椅，讓對方能用陀螺儀感測頭部姿態，加上口含開關，重新駕駛輪椅、取得自主移動的能力。

這支影片示範了一件事：現成的、便宜的消費級電子零件，例如慣性感測器、微控制器、伺服馬達，加上一點機構設計，就足以補上昂貴醫療輔具留下的空缺。

台灣的現況

市售的特殊控制介面，像是頭靠控制、吹吸控制、下巴搖桿，在國外行之有年，但在台灣：

• 取得管道少，多半需要整車進口或原廠客製
• 價格高昂，動輒數萬到十數萬元
• 常需更換整組控制器，例如從 PG Drives VR2 換成支援多元輸入的 R-net，成本再往上疊加

對一般家庭而言，門檻高到實質等於沒有這個選項。

我們的決定

既然沒有現成可負擔的方案，就自己動手做。並且從一開始就設定三個前提：不動原廠電路、可完全還原、零件在台灣買得到（如上方 Hero 所列）。

與何同學方案的差異

設計哲學：用機械手代替人手。所有原廠的限速、加減速曲線、電磁煞車、故障偵測與防呆邏輯全部保留，我們只是替使用者「推那根搖桿」。

服務對象

• 高位頸髓損傷（high level SCI）使用者
• 手部無法操作搖桿
• 頭頸部保有小幅度自主動作能力

實際個案的頸部活動度與耐力，需與職能治療師共同評估後再定案。

開發者條件對設計的影響

這個專案由 RC 一人開發，開發者本身的條件直接決定了設計方向。

功能需求

• 以頭部姿態控制輪椅前進、後退、左轉、右轉
• 具備明確的啟動／停用切換機制
• 不使用左右轉頭（yaw），保留給使用者觀察路況

非功能需求

輪椅與控制器

VR2 是標準單一搖桿輸入，不支援外接特殊輸入裝置。若要原生支援頭靠控制等替代輸入，一般需更換為 PG Drives R-net 等級的控制器，這也是本專案選擇「機構推搖桿」而非「電子介入」的實務原因之一。

搖桿量測數據

搖桿結構觀察（由實拍照判讀）

由上而下：

1. 金屬桿（直徑 6 mm，銀色），圓環套在這一段
2. 白色塑膠柱（階梯狀）
3. 金屬回中彈簧（外露一圈）
4. 黑色橡膠防塵套
5. 搖桿盒本體

搖桿實拍

以下照片是在展示間拍攝的另一台同樣配備 PG Drives VR2 控制器的電動輪椅（不是 KP-25.2），用來觀察搖桿盒的結構與尺寸。VR2 搖桿盒是 PG Drives 的標準模組，不同車款共用同一顆，因此搖桿盒本身的量測可以沿用；扶手與支架的相對位置則要以個案的 KP-25.2 實車為準。

沒有 M4：M4 是對 M3 的檢討階段，沒有產生獨立的機構方案，直接導向 M5，說明見下方時間軸中段的轉折點。

1. M0 已放棄 關鍵轉折 1

   介入搖桿類比訊號：在電路層直接假裝有人在推搖桿。

   當時的想法

   PG Drives VR2 的搖桿本質上是兩組可變電阻，輸出兩路類比電壓代表 X、Y 位移。若在控制器內部攔截這兩路訊號，用微控制器的 DAC 直接輸出對應電壓，就能在電路層模擬「有人在推搖桿」。這是最乾淨的做法：沒有機構、沒有摩擦、沒有間隙。

   

   遇到的問題

   必須拆開控制器外殼才能接觸搖桿訊號線，直接違反「不動原廠電路」原則；拆殼將使保固失效；VR2 對搖桿訊號有合理性檢查，我方電路一旦故障（線鬆、程式當掉、電壓漂移），輪椅可能無法正確判定為異常；開發者本身沒有焊接經驗，這類改造的失敗代價過高。

   為什麼推翻

   成本最低、技術上最乾淨的方案，卻是風險最不可承受的方案。保固與安全驗證機制的重要性，高於解析度與反應速度。

   學到什麼

   這個專案的性格在此確立：我們不是在「改造輪椅」，而是在「替使用者操作輪椅」。

   「完全不碰電路板、不接任何電線到輪椅」成為第一原則，貫穿之後所有版本。詳見 ADR-001。

2. M1 已放棄（概念）

   單點推桿：用伺服透過連桿直接推原廠球形搖桿頭。

   當時的想法

   既然不碰電路，就用馬達推搖桿。第一版畫了一根連桿直接推原廠的球形搖桿頭，並設計了電磁鐵加彈簧的斷電脫離機構，斷電時彈簧把整個機構彈開，搖桿自動回中。

   

   遇到的問題

   伺服是「轉動」的，用一根直桿直推，只能產生一條弧線上的運動，做不出平面上任意位置的兩軸控制。當時只畫了單軸示意，前後與左右如何同時控制的問題根本還沒解決。

   為什麼推翻

   概念圖要能被追問「那另一個軸怎麼辦」。畫得出來不代表做得出來，需要一個真正能解兩軸的機構。

   學到什麼

   電磁鐵脫離的想法本身是好的，後來因 MVP 簡化而暫緩，但必須在載人前加回來（見第 7 章安全設計）。

3. M2 已取代

   十字滑槽：兩片互相垂直的滑板交叉夾住搖桿，第一版完整可運作的機構。

   當時的想法

   兩片互相垂直的滑板交叉夾住搖桿：一片只能左右滑動、一片只能前後滑動，各由一顆伺服帶動。兩軸完全解耦，控制邏輯極簡單，伺服角度和搖桿位移接近線性關係。這個概念很好說明，也是第一個真正能運作的完整方案。

   

   遇到的問題

   需要滑軌與滑塊，3D 列印件的表面粗糙度難控制，是整個機構最容易卡住的環節；零件多，滑板、滑軌、限位、外框，列印與組裝難度都高；伺服「直桿直推滑板」的畫法是簡化示意，實際做不出來，與 M1 同樣的問題再度出現。

   為什麼推翻

   滑動摩擦是機構最大的故障來源，且零件數量偏多，組裝與維護難度都高於預期。

   學到什麼

   「兩軸解耦、控制簡單」的優點，抵不過「滑動摩擦、零件數量」的實作代價。控制邏輯的簡單，不能用機構複雜度去換。

4. M3 已取代

   十字滑槽改良版：擺臂帶動、搖桿改延長套管、電路移到椅背電子盒。

   當時的想法

   伺服改用擺臂加小柱插進長槽的方式帶動滑板，解決「轉動變直線」的問題；原廠球形搖桿頭已被拆除，改為金屬桿加延長套管；ESP32 移到椅背後方的電子盒，搖桿上只留機構，減輕重量；外框改為挖洞托座板，配合搖桿盒細長外型並讓按鍵外露；固定方式改為泡棉加魔術帶，原廠支架完全不動。

   

   遇到的問題

   使用者：「這怎麼跟你一開始畫的不太一樣？」

   設計已經改了三版，但早期的概念動畫與已發布的網頁沒有同步更新，造成認知落差。當下用對照表逐項說明了六處差異並致歉。

   為什麼推翻

   機構本身雖然改良，但整體體積仍然過大，直接導致下一個更根本的問題：擠壓個案乘坐空間（見下方轉折點）。

   學到什麼

   每次機構改版，必須同步更新所有視覺素材與文件，或明確標註哪一版才是現行版本。這個教訓直接催生了兩件事：本專案總文件的建立，以及「所有設計圖都要存成本機檔案、不依賴暫時性網址」的資料保存原則。

5. 關鍵轉折 2 M3 → M5 之間，沒有獨立的 M4 機構

   為什麼沒有 M4

   M4 是對 M3 的檢討階段，沒有產生獨立的機構設計，而是一句話直接推翻了整個方向：

   使用者：「你這樣設計，整個架構太大會擠壓個案乘坐空間，而搖桿實際能控制的範圍只有 2 公分，我認為應該可以做得迷你很多。」

   這句話點出設計上的根本錯誤：機構尺寸應該由行程決定，而不是由「看起來夠堅固」決定。搖桿的實際行程只有幾公分，卻設計了一個佔滿整個扶手的框架，是典型的過度設計，而多出來的體積直接侵占了使用者的乘坐空間，使用者卻是無法自行調整姿勢的高位頸損者。

   學到什麼：在輔具設計裡，「不打擾」和「能運作」一樣重要，多出來的每一公分，都是使用者要承受一整天的東西。此處確立兩條硬性約束：機構尺寸由行程反推、座椅那一側必須完全淨空。這兩條約束直接導向 M5。詳見 ADR-002。

6. M5 現行

   迷你雙伺服連桿：five-bar linkage 平面並聯機構，座椅側完全淨空。

   當時的想法

   採用 five-bar linkage（五連桿）平面並聯機構。兩顆伺服並排垂直掛在搖桿盒外側，遠離座椅那一側；每顆伺服接一根短連桿，短連桿末端接長連桿，兩根長連桿在末端共用一個小圓環；圓環直接套在 6 mm 金屬桿上，兩顆伺服協同轉動即可把圓環送到平面上任意位置。這是工業上 delta robot、pick-and-place 機器常用的架構，特性是馬達不動、只有輕連桿在動，慣量小、反應快。

   

   M2／M3 十字滑槽 與 M5 雙伺服連桿 對照

   指標	M2／M3 十字滑槽	M5 雙伺服連桿
   座椅側佔用空間	有托座與滑板	完全淨空
   搖桿盒上方高度	滑板兩層，高於原搖桿頭	僅 3 mm 厚連桿，不高於原搖桿頭
   滑動摩擦	有（最易卡住的環節）	無，全部是轉動關節
   零件數	滑板 2、滑軌、擺臂 2、托座	連桿 4、圓環 1、楔形座 1
   控制換算	接近線性，簡單	需逆運動學（已完成公式）

   遇到的問題（行程定義修正）

   初版以「全行程 20 mm（各方向 ±10 mm）」設計。使用者後續釐清「2 公分」是半徑，也就是往任一方向最多推 20 mm，行程是原本假設的兩倍。

   為什麼是對的方向

   連桿因此由 L1 = 25／L2 = 40 mm 放大為 L1 = 30／L2 = 45 mm。以程式掃描整個半徑 20 mm 的圓形工作區逐點驗算：全區有解、無死區；最小傳動角約 55°、最小肘角約 32°，遠離死點；伺服轉角在 ±48° 內，MG90S 的 180° 範圍餘裕充足；解析度約 0.25 mm／步，半徑內約 80 段。

   學到什麼

   換個機構架構帶來的改善，遠大於在舊架構上做優化。M3 再怎麼精簡，也不可能小到 M5 的程度。

7. M5.1 現行 關鍵轉折 3

   15 度傾角修正：搖桿其實不是垂直的。

   當時的想法／新發現

   用量角器實測，搖桿在中立位置時與地面夾 75 度，也就是往輪椅前方傾斜 15 度，並非垂直。

   

   遇到的問題

   若連桿平面維持水平，金屬桿穿過圓環的最大斜角將接近 40 度，圓環會卡死或把桿子往上頂；前推與後推的行程、阻力也不對稱。

   解法（為什麼不用重新設計）

   整個連桿平面跟著往前斜 15 度，使連桿平面與金屬桿的中立方向保持垂直。如此一來，對機構而言搖桿等同「正的」，M5 算好的所有尺寸與公式完全不需更動，只需在伺服座下方墊一個 3D 列印的 15 度楔形座。側視圖見第 5 章。

   學到什麼

   實測永遠優先於假設。「搖桿當然是垂直的」這個沒人說出口的假設，差點讓整個機構卡死。

   好的設計要能容納這類修正，本案只需加一個楔形座，代表座標系選得對。詳見 ADR-003。

8. M5.2 現行

   熱塑板 U 型托座：貼合交給熱塑板，精度交給 3D 列印。

   當時的想法／新資源

   使用者具職能治療背景，可取得副木用低溫熱塑板與塑形設備，這是 3D 列印給不了的東西：能直接貼著搖桿盒的不規則曲面塑形。分工決定：熱塑板負責貼合（搖桿盒厚度往按鍵端漸薄、底部有弧度），3D 列印負責精度（連桿孔距、圓環內徑、15 度角）。

   

   

   遇到的問題（大平台的討論）

   使用者提出：「做一個大平台會不會比較好固定？」

   為什麼推翻大平台，改用 U 型托座

   伺服必須與搖桿盒剛性結合，大平台若同時接到扶手，搖桿盒在原廠支架上稍有晃動，圓環位置就會跑掉；大平台會讓輪椅變寬，影響進出門口與電梯；照顧者協助轉位、推輪椅時容易勾到。U 型托座像做副木包手一樣包住搖桿盒底部與兩側，外側壁往上延伸作為伺服座，展開尺寸 183 × 115 mm，詳見第 5 章。

   學到什麼

   設計要順著手邊真正能用的資源走。知道使用者能取得熱塑板，整個托座的做法就完全不同了，而且比原本的純列印方案更好。新限制：熱塑板約 60–70 °C 即軟化，每次使用前必須檢查機構位置。詳見 ADR-004。

三個關鍵轉折

機構尺寸

機構驗算結果

以程式掃描整個半徑 20 mm 工作區，逐點檢查：

逆運動學公式

座標系定義：以搖桿金屬桿中立位置的中心為原點，x 軸朝輪椅外側、z 軸沿搖桿盒長邊（正向為輪椅前方），單位 mm。整個座標平面隨托座往前傾斜 15 度，因此在這個平面內計算時搖桿視同垂直。

常數：
  A  = (44, -10)    伺服 A 轉軸（靠後／靠扶手側）
  B  = (44, +10)    伺服 B 轉軸（靠前／靠腳踏側）
  L1 = 30           短連桿（伺服擺臂）
  L2 = 45           長連桿

輸入：
  目標點 P = (px, pz)，需滿足 px² + pz² ≤ 20²

對每顆伺服（以轉軸 J 代表 A 或 B）：
  dx = px - Jx
  dz = pz - Jz
  d  = sqrt(dx² + dz²)                     # 轉軸到目標的距離
  φ  = atan2(dz, dx)                       # 轉軸到目標的方位角
  α  = acos( (L1² + d² - L2²) / (2·L1·d) )  # 餘弦定理

  θA = φA + α     # 伺服 A 肘部朝 -z（後方）
  θB = φB - α     # 伺服 B 肘部朝 +z（前方）

輸出伺服指令角度：
  cmdA = (θA - θA₀) + offsetA
  cmdB = (θB - θB₀) + offsetB

  其中 θA₀、θB₀ 為 P = (0,0) 時解得的角度（置中姿態），
  offset 為安裝時的機械校正值。

側視圖：15 度傾角

零件細節

列印材質建議 PETG 或 ASA。不建議 PLA，台灣夏天輪椅停在戶外或車內，車廂溫度可超過 60 °C，PLA 會軟化變形，導致伺服位置偏移。

U 型托座展開圖

附加結構：外側壁上緣靠前段有定位片（8 × 40 mm，往內折勾住搖桿盒頂邊，確保每次裝上高度一致）；每側壁各 2 個魔術帶孔（22 × 4 mm，前後各一）；底板後段有支架缺口（約 40 × 35 mm，避開原廠支架夾具與電線出口）。

製作步驟

1. 先做紙型：依上述尺寸在厚紙上畫出並剪下，套在搖桿盒上試折。重點是描出底部的原廠支架缺口與電線出口的實際位置，紙型正確後再裁熱塑板。
2. 保護搖桿盒：用布或彈性套包住搖桿盒再塑形，避免熱板沾黏或燙壞按鍵貼紙。
3. 第一次加熱折彎：底板貼住搖桿盒底部，內側壁與外側壁往上折貼住兩側。
4. 第二次加熱折彎：再加熱外側壁上緣，伺服座往外折成水平，定位片往內折勾住盒頂。
5. 加強伺服座：外側壁上半段與伺服座疊第二層熱塑板趁熱壓合，或把邊緣折起做加強邊，避免伺服推動時晃動。
6. 固定楔形座：束帶穿過熱塑板孔洞，將 15° 楔形座綁在伺服座上。
7. 綁上魔術帶：兩條穿過側壁長孔、繞過搖桿盒綁緊，位置避開按鍵；托座內面貼 EVA 泡棉防滑。

動作對應表

為什麼六軸 IMU 就夠

MPU6050 為六軸（三軸加速度加三軸陀螺儀），沒有磁力計。一般六軸 IMU 的最大弱點是 yaw 會隨時間漂移，但因為本專案完全不使用 yaw，這個弱點不構成問題。pitch 與 roll 可以用重力向量持續校正，長時間穩定。

訊號處理鏈

原始加速度 → 低通濾波 → 計算 pitch/roll → 減去校正基準
  → 死區判斷 → 速度曲線映射 → 限幅（初期 60%）
  → 逆運動學 → 伺服角度 → 平滑補間 → 輸出 PWM

失效偵測與反應

實體安全裝置

頭戴裝置安全

• 磁吸快拆扣：照顧者可單手快速解除
• 鬆緊度：可塞入兩指
• 避開頸部前側：任何帶子都不可橫過氣管
• 重量：含感測器控制在約 100 g 以內
• 第一版選用工程安全帽內襯頭箍（後腦棘輪旋鈕、輕、通風、單價約一兩百元），優於一般帽子或下巴帶

電力安全

• 伺服與控制盒使用獨立行動電源，不從輪椅充電孔取電
• 伺服電源與 ESP32 電源分開供應
• 所有電線沿扶手與椅背以束帶固定，並保留適度鬆弛，避免使用者移動或轉位時被勾到扯斷

臨床與流程安全

務必與職能治療師共同評估個案的頸部活動度、肌力與疲勞耐受度。測試順序不可跳階：

1. 桌面測試（無輪椅）
2. 接上輪椅但驅動輪架空
3. 空曠場地、有人隨行、低速
4. 實際環境

每次使用前檢查清單見第 9 章。

三區配置

接線表

已知限制：I2C 長距離

MPU6050 的 I2C 匯流排原本設計給短距離（數十公分）。拉到約 1 公尺，在輪椅上（馬達電磁干擾、頭部持續移動造成線材擾動）可能偶爾讀不到資料。MVP 階段可接受，但程式必須加上「讀取逾時即回中停車」保護；穩定版本（E2）計畫改在頭箍上放一片小型 ESP32，用 ESP-NOW 無線傳至電子盒。

採購清單

杜邦線與連接線（最常買錯，請對照）

公母怎麼判斷：MPU6050 模組上是公排針，接它的那一端要用母頭；端子擴展板是螺絲端子，接它的那一端要用公頭（剝線鎖入亦可）；伺服本身接頭是母座，延長線的公端插進伺服。

公對公用量估算：電子盒端每顆伺服 3 條（訊號、紅、黑），2 顆共 6 條；桌上測試約 10 條，買一整包最省事。

「3 芯」是什麼：一條外皮裡包著三根導線。伺服線固定是三根：

對照之下，杜邦線是單芯：一條就是一根導線，所以接 MPU6050 的四個腳位要用 4 條。

電子零件

機構與固定材料

工具

通路

台灣實體／現貨通路：台灣物聯科技（台南現貨）、ICShop。

待量測（阻擋設計定案）

• 推動搖桿所需的力（行李秤掛在金屬桿頂端），決定伺服選型，最高優先
• 金屬桿從防塵套露出的精確長度
• 金屬桿表面是否有切平面（影響圓環設計）
• 金屬桿中心到扶手墊前緣的水平距離
• 扶手墊頂面高出搖桿盒頂面多少
• 搖桿轉軸在盒內的深度（用於確認圓環套在哪個高度對應多少行程）
• 確認「半徑 2 cm」是在金屬桿頂端量的（目前假設為是）

待設計

• 15° 楔形座 3D 模型（需先確定伺服前後位置）
• 連桿 ×4、圓環 ×1 的 3D 模型與列印參數
• U 型托座紙型（依實物描線）
• 緊急停止鈕與手動切換開關的配置
• 斷電自動脫離機構（載人前必須完成）

待開發

• ESP32 程式骨架：開機置中、校正流程、死區、低通濾波、看門狗
• 逆運動學函式（公式已備，見第 5 章）
• 雙擊點頭偵測
• 桌面模擬器（不接輪椅先驗證控制手感）

每次使用前檢查清單（草案）

• 機構位置無偏移（尤其夏天曝曬後）
• 圓環未碰到回中彈簧
• 魔術帶綁緊、托座無晃動
• 原廠電源鍵可按、未被遮蔽
• 電線無勾纏、有適度鬆弛
• 行動電源電量充足
• 頭箍鬆緊可塞兩指，快拆扣可單手解除
• 重新校正完成
• 緊急解除方式（拔圓環）已向在場照顧者說明

授權

• 文件與設計圖：CC BY-SA 4.0
• 程式碼（韌體）：MIT License

下載

Repo 目前為 private，公開時間由 RC 決定，公開後以上連結才能被外部訪客開啟。

如何參與

目前專案由 RC 一人開發。若你是職能治療師、輔具工程師、或 Maker，歡迎透過 GitHub Issue 或 Email 提出量測數據、機構改良建議、或臨床評估意見，尤其是第 9 章列出的待量測與待設計項目。

致謝

本專案的靈感來自中國科技創作者「何同學」的一支影片，他為一位高位脊髓損傷的身障者改造電動輪椅的示範，證明了消費級電子零件加上機構設計，足以補上昂貴醫療輔具留下的空缺。NodDrive 沿用了這個核心精神，並針對台灣的輪椅型號、保固限制與開發者條件，走出一條不同的技術路線。

術語表