應用及發展概況

法 國 國 立 里 昂 應 用 科 學 學 院 (Institut National des Sciences Appliquées, INSA) S. Moubarak 等人[8]，在 2010 年設計了一款建構在輪椅 上的力輔助外骨架型機械手臂機器人(圖 1-4)，建構在輪椅上是考量到下 肢亦無法行動的患者。其具有 4 個自由度，分別為肩部有 3 個自由度，而 在肘部有一個自由度。使用馬達作為致動器，以力感測器(force sensors) 為回授訊號控制所需要的力矩或速度，再以齒輪傳動系統來達到肢臂的轉 動。機構在肩部可作適當的調整，以符合不同的穿戴者。

圖 1-4 輪椅式外骨架型機械手臂機器人[8]

肩膀 手肘 前臂 手端

Kobayashi and Hiramatsu[66] 2004 6    單動氣壓缸 直接驅動 輔力

Sugar等[67] 2007 4    人工肌肉氣壓缸 直接驅動 復健

Tsagarakis and Caldwell[68] 2003 7     人工肌肉氣壓缸 直接驅動 復健

Jiafan等[69] 2009 3    單動氣壓缸 曲柄滑塊機構和連桿 復健

參考文獻 年份 自由度

總數

作動部位

氣壓缸種類 動力傳輸方式 主要功能描述

肩膀 手肘 前臂 手端

Mistry等[70] 2005 7     油壓式 複合式機構 復健

S. Imai等[71] 2000 7     油壓式 直接驅動 復健

參考文獻 年份

作動部位

液壓缸種類 動力傳輸方式 主要功能描述

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2011 年，泰國 Mahidol 大學 Thunyanoot Prasertsakul 等人[9]，提出因 為有些腦部受創之病患，無法以腦部訊息傳遞來控制手臂，故採用肌電訊 號為回授方式控制機械手臂式機器人達到目標位置。其具有肩部 3 個自由 度以及肘部 2 個自由度，共 5 個自由度。使用馬達作為致動器，以鋼索拉 動作為傳輸扭力系統(圖 1-5)，目前僅能固定在基座上穿戴。

圖 1-5 以鋼索拉動的外骨架型機械手臂機器人[9]

Newcastle 大學在 1997 年發表了電動上臂輔具系統(MULOS)[10-12]。

該計劃目標是以改善或回復上肢功能方式來賦予失能者或老年人之動作 能力。該系統共有 5 個自由度，即肩膀 3 個自由度，手肘 1 個自由度及前 臂 1 個自由度。MULOS 有三種不同的致動模式: 輔助、連續式從動 (continuous passive motion)和動作練習。在輔助模式，該系統可以搖桿或 其他輸入方式來輔助增加手臂肌肉強度。在連續從動模式，MULOS 可依 據使用者或復健師所選擇之療程，對特定關節執行已設定的週期性運動。

而在動作練習模式，機器的每一關節僅能以施加的作用力來移動。轉動關 節所需施加的力量可以調整，且使用者可以評估他可以施加的最大力量。

對於該研發計劃，安全與控制仍然是 MULOS 必需加強的。

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Stanford 大學的 Burgar 等[13]以 PUMA 機器人為載具，測試中風後治 療的臨床效果。在 2000 年，其第三代系統所具有多功能運動模式，可以 完全支撐正執行 3D 復健運動的肢體，並提供了被動輔助、主動輔助、阻 抗和自我導引的治療模式(圖 1-6)。

圖 1-6 PUMA-560 提供了多功能運動模式[13]

ARMin II 是可作為手臂治療的 7 個自由度的外骨架機器人[14]，如圖 1-7 所示。建置於 2007 年，該機器人的主要特徵是垂直肩部轉動。ARMin II 為半骨架結構，並裝置有位置和力量感測器。半骨架結構可使該外骨架 機器人容易針對不同大小的病患作調整。其內外肩部轉動可由特殊之客製 化上臂轉動模組來完成。

圖 1-7 ARMin II 外骨架型機械手臂機器人[14]

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因運動神經受損，體弱，脊髓神經傷害和其他病變之患者，外骨架機 器人亦能協助其每天之活動。Nagai 等[15] 在 1998 年提出一 8 自由度的 機器人裝置來幫助前臂運動。該機器人裝置是以 DC 伺服馬達來驅動，控 制法則依運動學和動力學相關之回授訊號。但該輔助裝置為臥床式，因此 必需固定在基座上。

加州大學(University of California at Irvine)在 2010 年由 Julius Klein 等 [16]，開發了一個在肩部具有 3 個自由度的外骨架機械手臂 (BONES)，其 設計採用氣壓缸作為致動器(圖 1-8)，以平行機構作動方式使手臂在一定 的範圍內運動，在肩膀關節使用球關節，而手肘關節則為旋轉關節。其氣 壓缸直接連接作用於外骨架上，並不需要透過齒輪或鋼索等來傳動力量。

圖 1-8 BONES 使用氣壓缸作為致動器[16]

外骨架型機械手臂機器人較少用液壓致動器來開發。然而，2005 年 南加州大學(University of Southern California) Michael Mistry 等人[18]，開 發了一款以液壓致動器驅動的 7 個自由度外骨架型機械手臂機器人(圖 1-9)。在末端以手掌握住手把，並加以束縛固定，而在肩膀處並沒有拘束 住，只是讓其靠近肩膀關節處，即可帶動肢臂在任意空間中運動。

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圖 1-9 以液壓制動器驅動[18]

另外有一種氣壓缸(圖 1-10) ，即人工肌肉氣壓缸(McKibben pneumatic artificial muscle)，由 Joseph L. McKibben 在 1950 年代開發。在早年研究文 獻甚少，最大原因在於其具有強烈的非線性，較難加以控制。人工肌肉氣 壓缸內部為橡膠皮管，外部再包覆著編織網狀的纖維物質，利用內部壓力 的變化，使人工肌肉氣壓缸產生膨脹及收縮的現象產生拉力，而膨脹及收 縮的現象剛好符合動物肌肉的運作方式，人工肌肉之稱則由此而來。藉由 控制人工肌肉氣壓缸脹縮時造成的位移量及產生的輸出力，可達到人體施 力運動時的省力輔助裝置，以及具有軌跡運動復健功能的器具。相較於傳 統式的氣壓缸，人工肌肉氣壓缸的重量減輕許多，很適合搭配可移動式外 骨架型機械手臂機器人作為致動器，減少身體負荷的重量。自 1996 年起，

Ching-Ping Chou 與 Blake Hannaford 建立了人工肌肉氣壓缸的數學模型 [17]，因為其作為研究的先驅，而有了後續的發展。以下將回顧近年以人 工肌肉氣壓缸作為致動器的外骨架型機械手臂機器人。

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圖 1-10 人工肌肉氣壓缸[45]

2008 年，日本東京理科大學(TOKYO University of Science)Kobayashi 實驗室[18-20]，研究開發了具實用性質的肌肉裝(Muscle Suit)，以背負的 方式將人工肌肉氣壓缸等裝置，連同外骨架結構整合為背包式的套裝(圖 1-11)。因人體肩膀結構運動複雜，發現穿戴之後於肩膀運動上有缺點。隔 年，2009 年隨即更改發表修正後的結構，主要是在肩膀的運動上增加橫 向滑軌運動，因此目前版本共有 6 個自由度。以鋼索拉動滑輪產生力矩，

帶動外骨架運動。此裝置功能目的為讓醫護人員可以輕易抱起病患；而於 汽車維修廠的維修員，可以不經由器具舉起重物，增加機動性(圖 1-12)。

圖 1-11 背包式的套裝[46]

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圖 1-12 維修員可輕易舉起重物[19]

另外，喬治亞理工學院 Jun Ueda 等人[21]，開發了直觀性的架構，以 人工肌肉氣壓缸為人體肌肉的概念，附著於人體手臂上，直接當作外置肌 肉般控制手臂的運動，如圖 1-13 所示。該裝置共有 4 個自由度，分別在 手肘及手腕處。而肩膀處缺少的 3 個自由度，則為未來的研究目標。考量 到安全性，人工肌肉氣壓缸充氣產生的力量設定最大僅可達 60N。以及以 肌電訊號作為控制的依據。

圖 1-13 直接附著於手臂上驅動[21]

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1.4 研究目的與章節架構