TWI815659B - 氣動式上肢外骨骼助力系統 - Google Patents

Abstract

本發明係提供一種氣動式上肢外骨骼助力系統，其設置有至少一關節裝置，每一所述關節裝置包含：一驅動裝置，其係對應連結並一氣壓肌肉致動裝置；一軸關節模組；該氣壓肌肉致動裝置係透過驅動裝置之供氣致動以樞轉傳動於該軸關節模組；一扭力彈性元件，其係配置於該軸關節模組，且該扭力彈性元件係施加一對應於該軸關節模組樞轉方向之彈性扭力於該軸關節模組；藉此，本發明係可藉由扭力彈性元件之設置，使可透過單一之氣壓肌肉致動裝置進行軸關節模組之驅動，並配合充氣裝置及儲氣瓶之設置，可透過壓力感測器自動精準控壓，精準維持設定目標壓力，藉可保留氣壓肌肉致動裝置之被動安全性能外，亦可降低氣壓肌肉致動裝置與驅動裝置（如：比例調壓閥與氣壓肌肉致動器）之數量，藉使簡化對於關節輔助之配置；而於主動安全之配置而言，本發明係可藉由線性擴張狀態觀測器的新型代理滑模控制器NPSMC進行主動式安全之系統控制，並藉由評估氣壓肌肉致動裝置之壓力值、軸關節模組樞轉之角度值及使用者之肌電訊號，以迴授控制該驅動裝置驅動該氣壓肌肉致動裝置之壓力，使對於新型的單一氣壓肌肉致動裝置搭配扭力彈性元件之關節控制可發揮良好的補償效果，使本發明同時具有主動及被動安全性與助力效果，並可降低其製作成本，藉以於應用於上肢外骨骼時，可令其輕量化，以利於使用者進行穿戴，並可提供助力以輔助使用者進行施力，使可利於進行上肢復健訓練，並可進行角度軌跡追蹤控制，且亦可用於進行負荷、力量控制之作業，以降低相關職業傷害，與此同時，仍具有高度之安全性及穩定性者。

Description

氣動式上肢外骨骼助力系統

本發明係提供一種氣動式上肢外骨骼助力系統，尤指一種透過於軸關節模組設置扭力彈性元件，藉可透過單一氣壓肌肉致動裝置進行軸關節模組之驅動，使可保留氣壓肌肉致動裝置之被動安全性能，亦可降低氣壓肌肉致動裝置與驅動裝置（如：比例調壓閥與氣壓肌肉致動器）之數量，藉使簡化對於關節輔助之配置，而仍具有高度之安全性及穩定性者。

按，我國係全球第七大工具機生產國，且工具機主要都是由鑄造而成，工具機產業佔台灣GDP的比例相當高，其組件如：底座、立柱、鞍座、主軸箱、及工作臺等皆須以鑄造方式製作，使得鑄造業在傳統行業中有著無可取代的地位，但而鑄造業之相關工作較為辛勞，工人常於條件不佳之環境中工作，傳統鑄造廠存在許多需由人工完成的高負荷作業，如此高負荷及高工時的條件容易造成工人的上肢職業傷害，再者，夏季氣候高溫使得鑄造業工作環境悶熱的問題也是導致鑄造廠員工招聘不易的原因之一，因此，如何替鑄造業工人設計一種輕便且具有實際助力效果的上肢助力裝置，以降低鑄造業工人的上肢職業傷害，為我國鑄造業當前迫切需要解決的問題之一。

國內有研究團隊調查全國各縣市就業者的個人狀況、工作環境、身心健康等三部分，在健康狀況部分調查發現35.96%受雇者過去一年身體有不舒服情形，其中痠痛比例高達62.78%，而痠痛的地方多為肩膀、脖子、背部或腰部，由數據可見上肢佔痠痛部位比例最高，2020年勞動部勞動及職業安全衛生研究所的研究也指出，2009至2016年高風險行業分別為製造業、營造業、水供應及汙染整治業等，針對高風險職場有必要擬定合適的職業病預防政策，並加強職業安全衛生相關的教育訓練，才可降低職業傷害及疾病風險，相關調查中也指出在人工作業過程中，執行高強度且重複性高的作業，作業者容易出現疲勞及肢體等傷害，影響其工作效率，故開發一套用於上肢助力的裝置以降低工人受傷是當前非常重要的課題。

最早的外骨骼助力機器人是在20世紀60年代問世，可簡單分為兩類，分別為動作輔助與醫療復健，無論何種在其應用上皆導向人機互動的形式，除了複雜性高之外，同時必須確保使用者的安全性，而依致動器驅動方式又可分為電動式、氣動式、液壓式；電動式的控制精度高但剛性大為其缺點，而液壓式與氣動式皆具有柔順性，但氣動式相比液壓式具有成本低廉、結構簡單等優點，也少了油汙問題，使用上亦更為乾淨。

近年來市面上也出現導入市場的外骨骼商品，比如美國Levitate Technologies的外骨骼裝置，Levitate AIRFRAME是一種可穿戴的上肢外骨骼，旨在改善從事重複性高的手臂運動以及手臂抬舉工作作業者的工作，進而降低醫療保健成本；該外骨骼可將手臂的重量從肩膀、脖子和上肢轉移到臀部外側，均勻的分配能量來減低壓力，其個人化設計更可以滿足每一位穿戴者，讓他們輕鬆穿脫，亦不會限制工作時的靈活性；由上可見近年來各個國家的政府單位、學者、甚至產業也都投入心思與經費在開發上肢外骨骼用以改善手肘、肩膀等上肢肌肉骨骼傷病問題，通過分析國內外的外骨骼機器人，發現早期大多採用馬達或液壓缸，其缺點是成本高且較笨重，近年來則逐漸朝向輕量化、易穿戴等方向加以延伸，但不管如何，解決工人肌肉骨骼傷病這件事，勢必要繼續。

氣壓肌肉致動器也稱為McKibben氣動人工肌肉（PAM）、流體肌肉（Fluidic Muscle）或仿生致動器（Biomimetic Actuator），作為一種新型的氣動致動器，它的結構簡單、質量輕、柔順性佳，使用過程中不易產生熱量或其他有害物質，且有較高的功率重量比，氣壓肌肉致動器內部為具有彈性的橡膠皮管，外部包覆著編織網狀的高強度纖維材質，再透過上下兩端的金屬件固定並密封起來，該固定元件除了密封的作用外，亦有傳遞力量的功能，藉由內部壓力的改變，橡膠的彈性作用由橡膠徑向和軸向兩部分組成，在氣壓肌肉致動器充氣變形後，橡膠彈性將會在其內部產生應力同時形成徑向膨脹，部分的彈性能儲存在橡膠管內，抵銷了一部分氣體壓力的作用力，此時在軸向就會因橡膠本身的彈性而產生收縮力，而氣壓肌肉致動器產生膨脹與收縮拉力的現象，恰好跟動物肌肉的模式一樣，便有人工肌肉之稱。如今典型的氣壓肌肉致動器，如：McKibben肌肉、皺褶型肌肉、網孔式人工肌肉、機器人肌肉致動器及Paynter雙曲面肌肉，而其中，McKibben肌肉原先用途是為了麻痺症患者做治療使用，並利用它設計復健手指的設備，直到1980年代才首次在被商業化；2019年Abe等人利用薄的McKibben肌肉並將其互相纏繞成一種靈活的18織結構，設了一款由氣壓肌肉驅動的新型上肢輔助服，該設計充分發揮氣壓肌肉的收縮特性，18編織結構的氣壓肌肉致動器與McKibben肌肉特性相同，同樣是充氣後會產生徑向膨脹且軸向收縮，但藉由其特殊的18編織結構使氣壓肌肉的收縮量從原本的22.5%提升至26.5%，讓使用者在穿戴體驗上更靈活，缺點是這樣的特殊結構導致該上肢輔助服只能應用在輕量負載的環境，無法應用在工廠；2020年Liu研製一款利用氣壓肌肉致動器驅動之腰部輔助外骨骼，藉由一對氣壓肌肉致動器與壓縮彈簧以拮抗形式對單關節進行驅動，因此機構體積較為龐大；2020年Chen等人利用McKibben氣壓肌肉致動器驅動其上肢外骨骼，該外骨骼具有4個自由度，可為患者提供簡單的復健治療。

據前所述者，工人在執行重複性高且高強度的作業時，容易出現疲勞、肢體傷害等，影響工作效率，其中以上肢MSDs比例最高，製造業屬於高風險行業，我國傳統製造業中的機械行業為繼半導體與面板業後，於2017年首度達到兆元產值的行業，我國工具機產業更是機械產業的基礎，且工具機的本體幾乎都是鑄造而成，使得鑄造業與工具機產業密不可分，為了降低鑄造業工人上肢MSDs，故相關業者紛開發一種用於上肢助力的外骨骼機器人，協助工人於重複性高的工作環境，避免因長時間的手部抬舉而導致上肢產生傷害具有一定的需求，然而傳統以氣壓肌肉驅動之上肢外骨骼，相比於馬達驅動雖具有高功率質量比及柔順性佳等優點，但該方式須同時控制一對氣壓肌肉以拮抗的形式來完成關節的驅動，但這種方式代表著每個關節需要有一對氣壓肌肉致動器與兩個比例調壓閥，同時也意味著需要更多的氣管，導致控制更加複雜，且使得外骨骼重量及成本增加。

再者，針對國內外可穿戴氣動式上肢外骨骼助力系統的研究現狀進行分析可發現，現有系統大多數具有體積大、重量重、控制複雜、價格昂貴、缺少可攜式蓄能充氣機不能脫離室內在戶外環境進行使用等缺失；而可穿戴氣動式上肢外骨骼助力系統之設計，因應其穿戴式之設計，需著重於整體之輕量化設計，並可以隨使用者四處移動隨時提供助力；惟缺少便攜式空壓源使得目前的可穿戴式助力系統只能依靠較為笨重之空氣壓縮機提供壓縮空氣，此亦將大幅增加了系統之總重量，且極大的限制了使用者的活動範圍，同時，因為空氣壓縮機運行時會産生很大的振動和噪聲，且因體積大無法隨身攜帶，故缺少空壓源將使得可穿戴式助力系統輕便的優越性無法具體顯現之。

有鑑於此，吾等發明人乃潛心進一步研究外骨骼之驅動，並著手進行研發及改良，期以一較佳發明以解決上述問題，且在經過不斷試驗及修改後而有本發明之問世。

爰是，本發明之目的係為解決前述問題，為達致以上目的，吾等發明人提供一種氣動式上肢外骨骼助力系統，其設置有至少一關節裝置，每一所述關節裝置包含：一驅動裝置，其係對應連結並一氣壓肌肉致動裝置；一軸關節模組；該氣壓肌肉致動裝置係傳動連結於該軸關節模組，並透過該驅動裝置之供氣致動以樞轉傳動於該軸關節模組；以及一扭力彈性元件，其係配置於該軸關節模組，且該扭力彈性元件係施加一對應於該軸關節模組樞轉方向之彈性扭力於該軸關節模組者。

據上所述之氣動式上肢外骨骼助力系統，更包含一壓力量測單元，其係配置於該氣壓肌肉致動裝置，藉以量測該驅動裝置提供予該氣壓肌肉致動裝置之壓力值；一角度感測單元，其係設置於該軸關節模組，藉以偵測該軸關節模組樞轉之角度值；以及一控制單元，其係耦接於該驅動裝置、該壓力量測單元及該角度感測單元，藉以依據該壓力值及該角度值以迴授控制該驅動裝置驅動該氣壓肌肉致動裝置之壓力者。

據上所述之氣動式上肢外骨骼助力系統，更包含一肌電感測單元，其係連結於用該控制單元，該肌電感測單元係用以量測一肌電訊號，並傳輸至該控制單元，該控制單元係依據該肌電訊號以辨識其動作意圖，藉以依據該肌電訊號、該壓力值及該角度值以迴授控制該驅動裝置驅動該氣壓肌肉致動裝置之壓力者。

據上所述之氣動式上肢外骨骼助力系統，其中，扭力彈性元件之力矩與該氣壓肌肉致動裝置驅動之拉力關係，係滿足下式1：

(式1)；

其中，τ為該軸關節模組施加於其位置之總廣義力矩，T為該扭力彈性元件之力矩，F為該氣壓肌肉致動裝置驅動之拉力，R為該傳動元件之半徑。

據上所述之氣動式上肢外骨骼助力系統，其中，該控制單元係透過新型代理滑模控制（NPSMC），以依據該壓力值及該角度值以迴授控制並補償該驅動裝置驅動該氣壓肌肉致動裝置之壓力者。

據上所述之氣動式上肢外骨骼助力系統，其中，該軸關節模組更設有一連接臂及一傳動元件，該連接臂係連結於該傳動元件，該傳動元件設有一固接部，且該傳動元件軸向動設置有一傳動軸，該傳動軸設有一抵接部件，該扭力彈性元件係配置於該傳動軸，該扭力彈性元件一端係彈性抵頂於該固接部，另端則係彈性抵頂於該抵接部件；且該氣壓肌肉致動裝置係分別連接並傳動於該傳動元件及該傳動軸。

據上所述之氣動式上肢外骨骼助力系統，其中，該扭力彈性元件為扭力彈簧。

據上所述之氣動式上肢外骨骼助力系統，其中，所述關節裝置更包含一樞接座，該軸關節模組係對應樞接於該樞接座及一承接部件，且該連接臂係於其徑向一端設置有一傳動臂；而該承接部件係對應滑移設置於該傳動臂之側端者。

據上所述之氣動式上肢外骨骼助力系統，更包含一座體，其於至少一側端設置有一助力裝置，該助力裝置係設有二所述關節裝置，該助力裝置係具有一連接座，其一所述關節裝置之樞接座係樞設於該連接座，而另一所述關節裝置之樞接座係樞設於該其一所述關節裝置之傳動臂者。

據上所述之氣動式上肢外骨骼助力系統，更包含一充氣裝置，其設有一儲氣瓶，且該充氣裝置係對應連接並供氣於該氣壓肌肉致動裝置。

是由上述說明及設置，顯見本發明主要具有下列數項優點及功效，茲逐一詳述如下：

1.本發明透過扭力彈性元件之設置，使可藉由單一之氣壓肌肉致動裝置進行軸關節模組之驅動，藉可保留氣壓肌肉致動裝置之被動安全性能外，亦可降低氣壓肌肉致動裝置與驅動裝置（如：比例調壓閥、氣壓肌肉致動器）之數量，藉使簡化對於關節輔助之配置，並可降低其製作成本，藉以於應用在上肢外骨骼時，可大幅降低其重量及體積，令其可輕量化設置，以利於使用者進行穿戴，並可提供助力以輔助使用者進行施力，使可利於進行復健或進行負荷之作業，藉可降低相關職業傷害，與此同時，仍具有高度之安全性及穩定性者。

2.本發明透過控制單元之配置，使可藉由線性擴張狀態觀測器的新型代理滑模控制器NPSMC進行主動式安全之系統控制，並藉由評估氣壓肌肉致動裝置之壓力值；軸關節模組樞轉之角度值及使用者之肌電訊號，以迴授控制該驅動裝置驅動該氣壓肌肉致動裝置之壓力，使對於新型的單一氣壓肌肉致動裝置搭配扭力彈性元件之關節控制可發揮良好的補償效果，使最大誤差均在5%內，同時具有主動及被動安全性與助力效果。

3.本發明透過肌電感測單元之設置，藉可以肌電訊號作為意圖辨識依據，藉可令控制單元可據以快速切換不同助力模式，使可滿足不同助力條件下的需求，藉以提升本發明之適用性者。

4.本發明透過充氣裝置及儲氣瓶之設置，並結合氣壓肌肉致動裝置及扭力彈性元件之驅動結構，藉可令本發明整體可輕量化設置，並可透過自動精準控壓，精準維持設定目標壓力不過度加壓，充飽自動切斷輸出，可防止氣壓過高危險。

關於吾等發明人之技術手段，茲舉數種較佳實施例配合圖式於下文進行詳細說明，俾供  鈞上深入瞭解並認同本發明。

請先參閱第1圖至第4圖所示，本發明係一種氣動式上肢外骨骼助力系統，其設置有至少一關節裝置A，每一所述關節裝置A包含：

一驅動裝置1，其係對應連結並一氣壓肌肉致動裝置2；在一實施例中，氣壓肌肉致動裝置2係可配置為FESTO之氣壓肌肉致動器，其係可依需求而選配其容許壓力、長度及直徑，而驅動裝置1則係可配置為對應之比例調壓閥；

一軸關節模組3；該氣壓肌肉致動裝置2係傳動連結於該軸關節模組3，並透過該驅動裝置1之供氣致動以樞轉傳動於該軸關節模組3；

一扭力彈性元件4，其係配置於該軸關節模組3，且該扭力彈性元件4係施加一對應於該軸關節模組3樞轉方向之彈性扭力於該軸關節模組3，再一較佳之實施例中，扭力彈性元件4係可為扭力彈簧，藉以如前述者提供於旋轉方向之彈性扭力；藉此，於氣壓肌肉致動裝置2未對軸關節模組3進行驅動時，由於扭力彈性元件4具有預負載角度，故軸關節模組3可受其彈性力而回復至一初始位置，且因其具有彈性，故軸關節模組3仍可受力而被傳動或帶動；反之，當驅動裝置1輸出壓力予氣壓肌肉致動裝置2時，氣壓肌肉致動裝置2將可帶動軸關節模組3進行樞轉，使軸關節模組3進行矢狀面的屈伸。

就軸關節模組3之配置而言，在一實施例中，軸關節模組3係設有一連接臂31及一傳動元件32，該連接臂31係連結於該傳動元件32，該傳動元件32設有一固接部321，且該傳動元件32軸向動設置有一傳動軸322，該傳動軸322設有一抵接部件33，該扭力彈性元件4係配置於該傳動軸322，該扭力彈性元件4一端係彈性抵頂於該固接部321，另端則係彈性抵頂於該抵接部件33；且該氣壓肌肉致動裝置2係分別連接並傳動於該傳動元件32及該傳動軸322；具體而言，傳動元件32係可配置為一滑輪，而氣壓肌肉致動裝置2係配置有至少一接氣口，藉以令驅動裝置1可透過氣管連接於接氣口，並藉由輸出壓力予氣壓肌肉致動裝置2，致使氣壓肌肉致動裝置2可受壓力作用而予以伸張或收縮，而氣壓肌肉致動裝置2係可透過配置一繩體21，如：鋼索，藉以繞設於傳動元件32或傳動軸322，藉以於其伸張或收縮時，透過繩體21而對傳動元件32或傳動軸322進行同步轉動，藉以如前述者，可令軸關節模組3予以樞轉，進而帶動連接臂31樞轉而可予模擬人體手臂之活動，藉以達致其助力之效果。

而對於本發明之架設而言，在一實施例中，係可透過設置一樞接座34，藉以供軸關節模組3之連接臂31可對應樞接於該樞接座34，且該連接臂31係於其徑向一端設置有一傳動臂311，而傳動臂311在一實施例中，係配置為用以帶動於穿戴者之上肢，較佳者，所述關節裝置A更包含一承接部件312，其係可為對應於穿戴者上肢之配置，如：可呈弧狀設置，並可設置有固定部件，藉可穿戴於穿戴者之上肢，而為利於可適用於各穿戴者之身形，故承接部件312係對應滑移設置於該傳動臂311之側端，藉可因應穿戴者手臂之長度而予調整之。

而本發明氣動式上肢外骨骼助力系統之整體配置，其主要係包含一座體5，其於至少一側端設置有一助力裝置6，每一助力裝置6係設有二所述關節裝置A，該助力裝置6係具有一連接座61，其一所述關節裝置A之樞接座34係樞設於該連接座61，而另一所述關節裝置A之樞接座34係樞設於該其一所述關節裝置A之傳動臂311，藉使其一關節裝置A係可用以配置為對應於穿戴者之肩部，並用以傳動於上臂，而另一關節裝置A則係可配置為對應於穿戴者之肘部，並用以傳動於下臂；而對於氣壓肌肉致動裝置2及驅動裝置1之設置，在一實施例中，該座體5更包含一連接座61，該連接座61頂端設置有一頂座51，並於底端處設置有一底座52，該底座52及該頂座51間係對應承接設置該氣壓肌肉致動裝置2，而驅動裝置1則係可據以承接於底座52者。

在一具體之實施例中，每一助力裝置6係如前述者，配置有二氣壓肌肉致動裝置2，而為令穿戴者之兩手皆可穿戴之，此時，即須配置有四氣壓肌肉致動裝置2，使完整的為穿戴者之上肢提供輔助力，其中，位於肘關節處之關節裝置A，其氣壓肌肉致動裝置2係可選用FESTO之氣壓肌肉致動器，其直徑為20mm行程400mm，而肩關節處之氣壓肌肉致動裝置2，則係可採用直徑為20mm行程310mm之氣壓肌肉致動器，而氣壓肌肉致動器容許的工作壓力為0~8bar，環境溫度為攝氏-5~60度，理論輸出力為1500N；而驅動裝置1係可為對應之比例調壓閥，其輸出壓力控制範圍為0至6bar，對應的輸入電壓為0至10V，可承受環境溫度為攝氏為0~60度，並具有IP65等級的防護，可依不同情況調整三階段的氣壓響應速度。

另就本發明之系統配置而言，為令本發明可柔順的提供上肢輔助力，使避免對穿戴者造成傷害，故在一實施例中，係可透過設置一壓力量測單元7，其係配置於該氣壓肌肉致動裝置2，藉以量測該驅動裝置1提供予該氣壓肌肉致動裝置2之壓力值；一角度感測單元8，其係設置於該軸關節模組3，藉以偵測該軸關節模組3樞轉之角度值；以及一控制單元9，其係耦接於該驅動裝置1、該壓力量測單元7及該角度感測單元8，藉以依據該壓力值及該角度值以迴授控制該驅動裝置1驅動該氣壓肌肉致動裝置2之壓力，僅而控制軸關節模組3之輔助力。

而對於氣壓肌肉致動裝置2之可攜式充氣配置而言，本發明除可以外接空氣壓縮機之氣壓源外，在一實施例中，係更包含一充氣裝置22，其設有一儲氣瓶221，且該充氣裝置22係對應連接並供氣於該氣壓肌肉致動裝置2；藉此，本發明係可透過電動胎壓打氣機的設計原理以配置小型之儲氣瓶221，藉使具有恆定輸出壓力之充氣裝置22，並透過結合前述之配置，藉以令本發明整體可輕量化配置，使利於進行攜帶，並可具有自動精準控壓之功能性，配合壓力量測單元7之設置，藉可精準維持充氣裝置22所設定之供予氣壓肌肉致動裝置2之目標壓力，藉可防止過度加壓，並可於充飽後自動切斷輸出，使可防止氣壓過高之危害，使更進一步提升本發明整體之安全性，惟其僅係舉例說明，並不以此作為限定； 本發明透過將充氣裝置22結合氣壓肌肉致動裝置2、扭力彈性元件4與關節裝置A之上肢輔助外骨骼系統驅動結構，藉可令本發明整體可輕量化設置，並可透過自動精準的角度軌跡追蹤控制或扭力控制，精準維持設定目標助力，且可以在沒有空氣壓縮機之氣壓來源環境中，仍可透過自主供氣隨時提供所需助力而不受場域限制。

而為更進一步滿足外骨骼與人體運動的跟隨性，並透過穿戴者動作之意圖進行輔助力之輸出控制，故在一實施例中，係可透過進一步配置一肌電感測單元91，其係連結於該控制單元9；該肌電感測單元91係用以量測穿戴者之一肌電訊號，並傳輸至該控制單元9，令控制單元9可依據該肌電訊號以辨識穿戴者之動作意圖，該肌電感測單元91係可據以感測穿戴者之手臂位置及狀態，且其重量輕，可利於穿戴者據以穿戴之，而肌電感測單元91所量測之肌電訊號係可傳輸至控制單元9，藉以令控制單元9可依據該肌電訊號以辨識穿戴者之動作意圖，並同時依據壓力值及角度值以迴授控制該驅動裝置1驅動該氣壓肌肉致動裝置2之壓力，進而達致提供精確輔助力之功效；且續如前述者，本發明係具有如前述者之扭矩助力模式，在其他實施例中，亦可如前述透過角度值，使具備角度位置追蹤助力之模式，而前述兩種助力模式的切換，在一實施例中係可透過肌電感測單元91識別使用者之手勢而據以控制切換，惟其亦僅係舉例說明，並不予限定之。

其中，壓力量測單元7係可配置為荷重元，在一實施例中，係可配置為其有效量測範圍為100kg，額定輸出為2mV/V，最大輸入電壓為7.5V採拉壓雙向電壓輸出，並可配合設置一訊號放大器，藉以透過調整內部電阻來改變放大倍率，使其輸出電壓訊號放大以達到可量測的範圍，此放大器的電壓輸入範圍為0.5~3mV/V，放大輸出範圍為-10V至+10V，內建主動式二階濾波器以減少雜訊放大的問題。

角度感測單元8之設置，其係可為絕對型角度編碼器，其軸保持固定，且所量測的值即為當前角度值，不需進行復歸動作即可得到數據，並具有高度之系統穩定性。

就控制單元9之配置，其係可透過嵌入式系統，在一實施例中，係可透過myRIO 1900嵌入式控制器為整體系統控制核心，並可搭配圖控式軟體LabVIEW進行程式開發，且搭載即時作業系統用於即時運算需求，可進行複雜的數學運算，FPGA為可變邏輯陣列（Field Programmable Gate Array），可讓使用者自定義高速的任務運算，同時可提供無線網路通訊傳遞資料；LabVIEW圖控式軟體在程式設計上採用拉線方式進行，並以圖塊模組方式編譯內部程式，在程式開發上比起傳統程式語言較為簡易且更有效率，可有效降低開發成本。

藉由前述配置，本發明係典型的人機耦合系統，在使用過程中穿戴者與外骨骼可以被視為一個整體，為提升較佳之輔助力，並同時兼顧使用時之安全性、穩定性及其輔助時之柔順性，故需據以計算扭力彈性元件4之力矩與該氣壓肌肉致動裝置2驅動之拉力關係，並進行系統模型建立與動力學分析，以瞭解各關節之間的相互作用力，使提供更好的人機互動環境；於本發明中，係針對肩關節與肘關節的屈伸自由度進行助力，其餘則為被動自由度，僅跟隨穿戴者運動。

並請參閱第5圖所示，其係本發明之動力學模型圖，其中， 、 分別為上臂與前臂的質量， 、 分別為肩關節與肘關節到質心的距離， 為負載的質量， 為負載質心到機構末端點的距離；在完成上肢結構簡化分析後，開始進行結構的動力學分析，本發明採用Lagrange法，主要從能量的角度出發，在計算過程中只要知道模型的輸入與輸出變數，不需考慮運動過程的中間變數，其機械系統的總能量係如下數學式1所示：

【數學式1】

其中 為系統位能、 為系統動能。對於雙自由度的單機械臂，動能 的計算公式為下數學式2所示：

【數學式2】

其中 為上臂對於其質心的轉動慣性矩， 為前臂與負載對於其共同質心的轉動慣性矩， 為肩關節屈伸角， 為肘關節屈伸角， 為前臂與負載共同的速度， 為前臂與負載共同的質量。定義 為肘關節到共同質心的距離，如下數學式3所示：

【數學式3】

而末端點 的座標與速度可表示為下數學式4所示：

【數學式4】

為簡化式子，定義式中 ； ； ； ；且由上數學式4可推導為下數學式5：

【數學式5】

而Lagrange函數可定義為系統的動能 與位能 總和，即下數學式6之方程式：

【數學式6】

藉此，本發明之位能可表示為下數學式7所示：

【數學式7】

而將數學式3、4、5、7帶入數學式6，可得下數學式8所示：

【數學式8】

而後分別求出 對四個狀態變數 、 、 、 的偏微分，如下數學式9、10所示：

【數學式9】

【數學式10】

而對數學式10求時間導數，可得下數學式11：

【數學式11】

而其系統動力學方程式，即Lagrange方程如下數學式12：

【數學式12】

其中 為作用在第i個座標上的廣義力矩， 為連桿數量， 為動能與位能的廣義座標， 為對應的速度；如此可推導出本發明上肢外骨骼動力學方程為下數學式13、14：

【數學式13】

【數學式14】

故其模型可寫為下數學式15所示：

【數學式15】

其中 屬於廣義座標， 為對稱且有界的正定矩陣， 為向心力與科氏力項， 為重力向量， 為軸關節模組3施加於其位置之總廣義力矩；故可將數學式13、14改寫成下數學式16所示：

【數學式16】

故可求得扭力彈性元件4之力矩與該氣壓肌肉致動裝置2驅動之拉力關係，較佳者為下數學式17：

【數學式17】

其中， 分別為肩關節與肘關節的扭力彈性元件4之力矩， 分別為氣氣壓肌肉致動裝置2驅動之拉力， 分別為肩關節與肘關節的傳動元件32之半徑。

本發明主要係用於直接與人體連接帶動穿戴者進行助力，因此除了基本助力功能外，安全性考量為第一要點，故為防止助力過程中可能有非預期的突發狀況使追蹤誤差變大，此時若系統提供過大的輔助力則可能會對穿戴者造成傷害，因此，本發明在一實施例中，係透過基於安全性的新型代理滑模控制（NPSMC），於小誤差時擁有PID（Proportional-Integral and Derivative，比例-積分微分）控制器的追蹤精度，且可保證大誤差時平滑的追蹤響應，避免穿戴者受傷；並透過利用線性擴張狀態觀測器（LESO）來估測系統模型與外部幹擾，藉以達致前述安全性之目的，惟其僅係舉例說明，並不以此作為限定。

為驗證其控制效果，本發明係使用基於線性擴張狀態觀測器之代理滑模控制器進行控制實驗，同時為了避免初始位置與期望位置誤差過大導致追蹤過程中控制電壓飽和造成暫態響應過度震盪，故本發明係透過五階軌跡規劃路徑，所規劃的軌跡之初始位置、速度、加速度以及末端速度、加速度均為零，因此設計五階軌跡如下數學式18所示：

【數學式18】

其中， 為末端位置； 為到達末端位置所需時間。

首先就肩關節之軸關節模組3及氣壓肌肉致動裝置2而言，由於其係進行上肢作業時承受最大負載與扭矩之關節；而抬升所需的扭矩會隨著關節角度上升而增加，肩關節因為力臂最長將導致末端負載相對於關節受力極大，故一般工人作業時肩關節屈曲角度不會太大，以避免肩關節承受過大的負載使自身受傷，因此以下將分別模擬兩種常見肩關節屈曲30˚、45˚之情況，下表1為本發明進行肩關節軌跡追蹤定位控制實驗的參數；第6a、6b、6c圖及第7a、7b、7c圖分別為兩個角度的軌跡追蹤定位控制實驗結果。

【表1】

時間	NPSMC	LESO
5	270	0.45	12	5000	1000	40	80	1600

下表2為肩關節軌跡追蹤定位控制誤差，可見肩關節最大誤差皆在1.3 ˚以內，均方根誤差在0.5 ˚以內，證明肩關節在NPSMC的補償下對於軌跡追蹤控制具有的良好的控制效果。

【表2】

角度(deg)	最大誤差(deg)	均方根誤差(deg)
肩關節屈曲30˚	0.93	0.30
肩關節屈曲45˚	1.28	0.41

而就肘關節而言，由於工人作業時通常大方向的位置會由肩關節與肘關節來移動，而精細的操作則依靠末端的腕關節來完成，相比於肩關節，肘關節在上肢作業時承受的負載與扭矩較小，但需要有更高的靈活性，故一般工人作業時肘關節屈曲角度會較大，以達到工作所需，故本發明以下將分別模擬兩種常見肘關節屈曲60˚、75˚之情況，下表3為本發明進行肘關節軌跡追蹤定位控制實驗的參數；第8a、8b、8c圖及第9a、9b、9c圖分別為兩個角度的軌跡追蹤定位控制實驗結果。

【表3】

	NPSMC	LESO
5	900	1.05	12	5000	1000	42.5	85	2400

下表4為肘關節軌跡追蹤定位控制誤差，可見肘關節最大誤差皆在1.4 ˚以內，均方根誤差在0.6 ˚以內，證明肘關節在NPSMC的補償下，對於軌跡追蹤控制亦具有的良好的控制效果。

【表4】

角度(deg)	最大誤差(deg)	均方根誤差(deg)
肘關節屈曲60˚	1.34	0.52
肘關節屈曲75˚	0.89	0.44

為驗證本發明可確實提供有效且平穩的助力效果，故本發明對應進行輔助力控制實驗，其中，本發明之輔助力係由控制單元9驅動該驅動裝置1，驅動裝置1利用其輸入的電壓與閥門輸出的壓力回饋來調整內部閥芯，藉以控制氣壓肌肉致動裝置2內之絕對壓力，並以壓力量測單元7量測之壓力值進行回授，達成輔助力的閉迴路控制；助力過程中穿戴者與外骨骼可以被視為一個整體，故在人機交換處必須確保其安全性與一定的舒適性，因此首先對肩關節與肘關節之軸關節模組3分別進行空載測試，確保在空載時，藉由NPSMC的補償可達到安全且柔順性的控制，以驗證本發明在藉由驅動裝置1及壓力量測單元7的閉迴路控制下，可提供穿戴者有效、平穩且柔順的人機交換環境；其同樣採用五階軌跡作為空載測試的軌跡規劃，控制器參數同上表1、3所示，第10a、10b、10c圖至第12a、12b、12c圖分別為空載時肩關節進行140N、200N、260N的輔助力控制，而第13a、13b、13c圖至第15a、15b、15c圖分別為空載時肘關節進行140N、200N、260N的輔助力控制，下表5、6分別為空載時肩關節與肘關節輔助力控制誤差。

【表5】

輔助力(N)	最大誤差(N)	均方根誤差(N)
140	2.45	0.71
200	2.46	0.80
260	3.12	0.78

【表6】

輔助力(N)	最大誤差(N)	均方根誤差(N)
140	4.87	1.58
200	4.94	1.55
260	4.56	1.18

由表5、6可見，肩關節最大誤差在4N內，均方根誤差在1N內；肘關節最大誤差在5N內 ，均方根誤差在2N內，證明在本發明在NPSMC的補償下可達到良好的輔助力控制。

續就助力成效評估而言，為了驗證本發明可有效降低前臂、上臂的負擔，以減少產生上肢肌肉骨骼疾病（MSDs），本發明透過肌電儀以量測穿戴者手臂肌電訊號的方式來檢驗助力成效；本發明係驗證在助力作用下，是否可有效減低肌電值，故實驗特徵值採以IEMG（積分肌電值）來做分析，其公式為下數學式19所示：

【數學式19】

其中， 為第 個取樣點的EMG值， 為取樣點的數目。

藉此，本發明係透過受測者未穿戴上肢外骨骼及穿戴上肢外骨骼分別對0、2、4、6公斤的槓片進行手臂抬舉，抬舉次數為三次，為了避免受測者肌肉疲勞影響數據真實性，每組實驗間隔1分鐘，並於手臂肌肉貼上一次性電極貼片，並且確保兩個電極貼片間距不超過兩公分，使訊號可透過肌電儀內建的訊號差分放大後將雜訊確實濾除；採樣頻率設置為2048Hz並搭配六倍放大增益，為了確認從手臂採集的sEMG訊號透過濾波後可有效反映出肌電訊息，首先將訊號通過20至250Hz之帶通濾波器來提取sEMG訊號的主要成分，接著再經由陷波濾波器將60Hz附近的訊號加以濾除，經過處理後的訊號如第16圖及第17圖所示，其可觀之手臂抬舉時sEMG訊號有明顯的收縮且沒有基線飄移，代表貼片位置可真實反映肌電訊號且濾波器有發揮其效果；而欲確認實驗條件後，依序對四名受測者進行實驗，並將收集的實驗數據經由iEMG分析評估實驗結果，如第18圖及第19圖所示，結果顯示受測者在進行負重實驗時，前三角肌（Anterior Deltoid）與肱二頭肌（Biceps Brachii）的iEMG均下降，並由下數學式20可得，當受測者在穿戴外骨骼分別進行0、2、4、6公斤的負重（Object Weight）實驗時，前三角肌的iEMG助力效益為33%至44%，肱二頭肌的iEMG助力效率為30%至54%，由此可證明本發明確實可減低於作業時肌肉的作用力，以降低產生上肢MSDs之可能性。

【數學式20】

其中， 為穿戴外骨骼的EMG值， 為未穿外骨骼的EMG值， 為助力效益。

綜上所述，本發明所揭露之技術手段確能有效解決習知等問題，並達致預期之目的與功效，且申請前未見諸於刊物、未曾公開使用且具長遠進步性，誠屬專利法所稱之發明無誤，爰依法提出申請，懇祈  鈞上惠予詳審並賜准發明專利，至感德馨。

惟以上所述者，僅為本發明之數種較佳實施例，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明書內容所作之等效變化與修飾，皆應仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

A:關節裝置 1:驅動裝置 2:氣壓肌肉致動裝置 21:繩體 22:充氣裝置 221:儲氣瓶 3:軸關節模組 31:連接臂 311:傳動臂 312:承接部件 32:傳動元件 321:固接部 322:傳動軸 33:抵接部件 34:樞接座 4:扭力彈性元件 5:座體 51:頂座 52:底座 6:助力裝置 61:連接座 7:壓力量測單元 8:角度感測單元 9:控制單元 91:肌電感測單元

第1圖係本發明之系統架構圖。 第2圖係本發明整體之立體示意圖。 第3圖係本發明之後視圖示意圖。 第4圖係本發明單一助力裝置之側視示意圖。 第5圖係本發明單一助力裝置之動力學模型圖。 第6a圖係本發明肩關節屈曲30˚五階軌跡追蹤之系統響應。 第6b圖係本發明肩關節屈曲30˚五階軌跡追蹤之控制誤差。 第6c圖係本發明肩關節屈曲30˚五階軌跡追蹤之控制電壓。 第7a圖係本發明肩關節屈曲45˚五階軌跡追蹤之系統響應。 第7b圖係本發明肩關節屈曲45˚五階軌跡追蹤之控制誤差。 第7c圖係本發明肩關節屈曲45˚五階軌跡追蹤之控制電壓。 第8a圖係本發明肘關節屈曲60˚五階軌跡追蹤之系統響應。 第8b圖係本發明肘關節屈曲60˚五階軌跡追蹤之控制誤差。 第8c圖係本發明肘關節屈曲60˚五階軌跡追蹤之控制電壓。 第9a圖係本發明肘關節屈曲75˚五階軌跡追蹤之系統響應。 第9b圖係本發明肘關節屈曲75˚五階軌跡追蹤之控制誤差。 第9c圖係本發明肘關節屈曲75˚五階軌跡追蹤之控制電壓。 第10a圖係本發明肩關節空載輔助力140牛頓五階軌跡追蹤控制之系統響應。 第10b圖係本發明肩關節空載輔助力140牛頓五階軌跡追蹤控制之控制誤差。 第10c圖係本發明肩關節空載輔助力140牛頓五階軌跡追蹤控制之控制電壓。 第11a圖係本發明肩關節空載輔助力200牛頓五階軌跡追蹤控制之系統響應。 第11b圖係本發明肩關節空載輔助力200牛頓五階軌跡追蹤控制之控制誤差。 第11c圖係本發明肩關節空載輔助力200牛頓五階軌跡追蹤控制之控制電壓。 第12a圖係本發明肩關節空載輔助力260牛頓五階軌跡追蹤控制之系統響應。 第12b圖係本發明肩關節空載輔助力260牛頓五階軌跡追蹤控制之控制誤差。 第12c圖係本發明肩關節空載輔助力260牛頓五階軌跡追蹤控制之控制電壓。 第13a圖係本發明肘關節空載輔助力140牛頓五階軌跡追蹤控制之系統響應。 第13b圖係本發明肘關節空載輔助力140牛頓五階軌跡追蹤控制之控制誤差。 第13c圖係本發明肘關節空載輔助力140牛頓五階軌跡追蹤控制之控制電壓。 第14a圖係本發明肘關節空載輔助力200牛頓五階軌跡追蹤控制之系統響應。 第14b圖係本發明肘關節空載輔助力200牛頓五階軌跡追蹤控制之控制誤差。 第14c圖係本發明肘關節空載輔助力200牛頓五階軌跡追蹤控制之控制電壓。 第15a圖係本發明肘關節空載輔助力260牛頓五階軌跡追蹤控制之系統響應。 第15b圖係本發明肘關節空載輔助力260牛頓五階軌跡追蹤控制之控制誤差。 第15c圖係本發明肘關節空載輔助力260牛頓五階軌跡追蹤控制之控制電壓。 第16圖係本發明經濾波後之前三角肌的肌電訊號。 第17圖係本發明經濾波後之肱二頭肌的肌電訊號。 第18圖係本發明前三角肌之iEMG實驗結果比較圖。 第19圖係本發明肱二頭肌之iEMG實驗結果比較圖。

A:關節裝置

21:繩體

3:軸關節模組

31:連接臂

311:傳動臂

312:承接部件

32:傳動元件

321:固接部

322:傳動軸

33:抵接部件

4:扭力彈性元件

5:座體

51:頂座

52:底座

6:助力裝置

61:連接座

Claims (9)

1. 一種氣動式上肢外骨骼助力系統，其設置有至少一關節裝置，每一所述關節裝置包含：一驅動裝置，其係對應連結並一氣壓肌肉致動裝置；一軸關節模組；該氣壓肌肉致動裝置係傳動連結於該軸關節模組，並透過該驅動裝置之供氣致動以樞轉傳動於該軸關節模組；以及一扭力彈性元件，其係配置於該軸關節模組，且該扭力彈性元件係施加一對應於該軸關節模組樞轉方向之彈性扭力於該軸關節模組；該軸關節模組設有一連接臂及一傳動元件，該連接臂係連結於該傳動元件，該傳動元件設有一固接部，且該傳動元件軸向動設置有一傳動軸，該傳動軸設有一抵接部件，該扭力彈性元件係配置於該傳動軸，該扭力彈性元件一端係彈性抵頂於該固接部，另端則係彈性抵頂於該抵接部件；且該氣壓肌肉致動裝置係分別連接並傳動於該傳動元件及該傳動軸。
2. 如請求項1所述之氣動式上肢外骨骼助力系統，更包含一壓力量測單元，其係配置於該氣壓肌肉致動裝置，藉以量測該驅動裝置提供予該氣壓肌肉致動裝置之壓力值；一角度感測單元，其係設置於該軸關節模組，藉以偵測該軸關節模組樞轉之角度值；以及一控制單元，其係耦接於該驅動裝置、該壓力量測單元及該角度感測單元，藉以依據該壓力值及該角度值以迴授控制該驅動裝置驅動該氣壓肌肉致動裝置之壓力者。
3. 如請求項2所述之氣動式上肢外骨骼助力系統，更包含一肌電感測單元，其係連結於用該控制單元，該肌電感測單元係用以量測一肌電訊號，並傳輸至該控制單元，該控制單元係依據該肌電訊號以辨識其動作意圖，藉以 依據該肌電訊號、該壓力值及該角度值以迴授控制該驅動裝置驅動該氣壓肌肉致動裝置之壓力者。
4. 如請求項1所述之氣動式上肢外骨骼助力系統，其中，扭力彈性元件之力矩與該氣壓肌肉致動裝置驅動之拉力關係，係滿足下式1：τ+T=F×R(式1)；其中，τ為該軸關節模組施加於其位置之總廣義力矩，T為該扭力彈性元件之力矩，F為該氣壓肌肉致動裝置驅動之拉力，R為該傳動元件之半徑。
5. 如請求項2所述之氣動式上肢外骨骼助力系統，其中，該控制單元係透過新型代理滑模控制(NPSMC)，以依據該壓力值及該角度值以迴授控制並補償該驅動裝置驅動該氣壓肌肉致動裝置之壓力者。
6. 如請求項1所述之氣動式上肢外骨骼助力系統，其中，該扭力彈性元件為扭力彈簧。
7. 如請求項1至5項中任一項所述之氣動式上肢外骨骼助力系統，其中，所述關節裝置更包含一樞接座及一承接部件，該軸關節模組係對應樞接於該樞接座，且該連接臂係於其徑向一端設置有一傳動臂；而該承接部件係對應滑移設置於該傳動臂之側端。
8. 如請求項7所述之氣動式上肢外骨骼助力系統，更包含一座體，其於至少一側端設置有一助力裝置，該助力裝置係設有二所述關節裝置，該助力裝置係具有一連接座，其一所述關節裝置之樞接座係樞設於該連接座，而另一所述關節裝置之樞接座係樞設於該其一所述關節裝置之傳動臂者。
9. 如請求項1至5項中任一項所述之氣動式上肢外骨骼助力系統，更包含一充氣裝置，其設有一儲氣瓶，且該充氣裝置係對應連接並供氣於該氣壓肌肉致動裝置。