被動式

所謂的被動式外骨骼輔具(Passive Exoskeletons)與主動式的最大差異在

於前者不需額外的能量輸入，是藉由使用者所作出的動作，帶動其機件作 相對運動，來達到貯存能量或施力之目的，再將其能量或作用力回饋給使 用者，因此其裝置對使用者的關係屬於是被動的。本小節將區分成兩類，

特別將原理是使用重力平衡的輔具獨立出來介紹，其它被動式的輔具則歸 在非重力平衡式類下介紹。

1. 非重力平衡式

透過穿戴外骨骼裝置的概念來輔助人類行動能力，最早的歷史可追溯至 1889 年至 1890 年間，由 Yagn[7-11]針對走路、跑步與跳躍動作更加容易的 目標提出了五種設計專利，圖 1.2 的這五種設計概念大多都是利用彈力達到 支撐部分身體重量的效用，只是作法不同。

(A) (B) (C) (D) (E) 圖 1.2 Yagn 之五種輔具設計[7-11]

圖 1.2A 的設計是左右腳後方各有兩彈簧，可提供由下向上的支撐力；

圖 1.2B 與圖 1.2C 原理類似，是利用大型弓形彈簧提供支撐力，前者固定於 腰部上方，而後者固定於肩膀上方；圖 1.2D 於腳部加裝多條彈簧，不僅負

擔重量也吸收動作時因身體動量產生的能量；圖 1.2E 與前者功能相似，不 過係使用壓縮流體取代彈簧，透過腳底相互踩踏流體達到類似的彈力效 果。

圖 1.3A 是 1991 年由 Dick 與 Edwards[12]兩人合作發明一套雙足的移動 裝置，命名為―SpringWalker‖，其主要框架固定於使用者背部，並利用萬向 接頭銜接到下方的框架，使用者的雙腳固定在其下部框架，因此雙腳不與 地面接觸，當腳步開始伸展帶動連桿機構牽引纜繩而拉伸主要彈簧，而儲 存的彈性位能接著轉換成支撐身體的力量，達到使用者只需花費些微力量 就可輕鬆跳躍的目的，圖 1.3B 是跳躍情況的連續動作圖。

(A) (B)

圖 1.3 SpringWalker (A)側面構造圖 (B)跳躍動作連續圖

[12]

2. 重力平衡式

重力平衡(Gravity Balance)原理應用在機械系統中可大幅減輕驅動馬達 的扭矩，然而其重力平衡系統的設計往往忽略彈簧的質量。2007 年，

Arakelian 與 Ghazaryan[13]提出了考慮彈簧質量的重力平衡系統，改良了重 力平衡的精準度，並探討零長彈簧(Zero Free Length Spring)與非零長彈簧 (Non-Zero Free Length Spring)兩種型式，應用其理論設計出復健用腿部輔具，

減輕臀部與膝蓋關節的扭矩，圖 1.4 為其設計架構圖。

圖 1.4 Arakelian 與 Ghazaryan 之重力平衡式復健輔具[13]

圖 1.5 為 2006 年由 Agrawal、Fattah 與 Banala 等人[14]亦利用重力平衡 原理所設計步行輔具的專利設計圖。設計方法是找出桿件與使用者腿部的 總重心位置，由此形成平行四邊形機構尺寸，使用零長彈簧(Zero Free Length Spring)連接至其總重心，再以此機構在任何運動形態的下總位能為定值為 條件，推導求出其彈簧的彈性係數，因此讓使用者在抬腿時幾乎是感到無 重力的狀態。

圖 1.5 Agrawal 等人之重力平衡式輔具設計[14]

類似還有本實驗室過去由宋志元[15]所研究的設計，以 Honda Leg 為參 考加入 TRIZ 創新理論，設計了一個創新的重力平衡式步行輔助雙足機構系 統，用來幫助殘障人士與老年人，使其可以維持正常的步行活動，並與前 述 Agrawal 等人之設計做比較，為重力平衡式輔具提供了一個新概念。

圖 1.6 宋志元之重力平衡式助行輔具設計[15]

另外在機器人的設計中，如 Shin 和 Streit[16]在 1993 年針對四足機器人 的腿部各裝設兩支彈簧，推導滿足重力平衡時的配置條件，使得二支撐二 抬腳步態情況時，能夠幫助馬達負荷腿部桿件與機身的重量，藉著模擬單

一步態週期的情況，比較馬達扭矩值發現確實能有效降低，也表示能量的 消耗亦減低，另外為了適應腳部支撐或抬腳的變化，特別設計一組由另一 驅動器帶動連桿來改變彈簧固定位置的機構，圖 1.6 為其機構設計圖。

圖 1.7 Shin 與 Streit 之重力平衡式四足機器人腿部設計[16]