創新氣壓人造肌肉致動器應用於下肢復健輔助訓練機器人系統之研究

Abstract

"隨著全球進入高齡化社會，年長者的醫療與照護成為十分重要的課題，機器人應用於復健輔助訓練機領域越來越受重視，因復健輔助訓練系統作為機器人技術與醫工技術結合的產物，為一種提升人體活動能力的裝置，取代傳統輔助復健治療師，可以輔助行動不方便的年長者移動，也可以幫助四肢受創的患者或是降低勞力工作者工作時的身體負擔，使用機器人對下肢功能障礙患者進行步態復健訓練，為國際先進的復健醫療方式。 在復健輔助訓練機器人系統各種致動器中，氣壓人造肌肉(PAM) 致動器對於復健輔助訓練設備而言具有很大的優勢，由於其固有的可彎曲性及良好的柔順性且工作方式類似於人體肌肉運動，同時又具有力量大、重量輕、柔順性好及安全性高，保證了復健者和設備之間的安全，此外該高出力-重量比和重量輕也是復健輔助訓練設備所需要的理想特性。 本研究提出以氣壓人造肌肉致動器應用於下肢復健輔助訓練機器人系統。有別於以往雙氣壓人造肌肉龐大及高成本機構的設計，本研究所開發下肢復健輔助訓練機器人系統可分為髖關節與膝關節兩軸，各關節均以氣壓比例閥控制單一氣壓人造肌肉致動器並搭配使用扭力彈簧進行模擬人體下肢關節伸展及收縮的仿生機構特性，達成類似於人類下肢之兩自由度機器人系統設計及實驗原型系統建立。透過分析機器人的正逆向運動學，來驗證所推導出來之運動學符合人體下肢運動模式。由於氣壓人造肌肉致動器是高度非線性的致動器,所以在控制上採用不需要建立系統數學模型的模糊滑動模式控制器 (Fuzzy Sliding Mode Control, FSMC)及自組織學習修正器 (Self-organizing modifier) ，並引入適應性控制設計成適應性自組織模糊滑動模式控制器 (Adaptive Self-Organizing Fuzzy Sliding Mode Control, ASOFSMC)。實驗分別先以單關節定位及軌跡追蹤控制及雙軸(髖關節與膝關節)同動位置定位控制，接著進一步引入臨床步態分析(CGA)下肢關節角度作為下肢軌跡追蹤命令，進行步態軌跡控制實驗，並加上一定負載做為模擬實際人體下肢重量進行負載下的步態軌跡追蹤控制。 由實驗結果顯示FSMC可以有效控制氣壓比例閥運用在兩自由度下肢復健輔助訓練機器人系統，而具有線上修正模糊滑動規則能力的自組織學習修正器，可解決當外在環境或負載急遽變化所造成系統不穩定時及時修正規則提高控制性能，適應性控制可以匹配控制器參數以達到更良好的控制效果。證明所提出之單一氣壓人造肌肉致動器搭配扭力彈簧的結合應用於下肢關節機構的設計，可達成如同雙氣壓人造肌肉致動器的性能，更具機構設計之優點，整體機構更小及成本更低。而由實驗結果證明本研究所提出創新式機構設計及控制系統的可行性和可靠性均可以滿足應用在復健輔具訓練的需求。"