文、圖◎張秉純助理教授
大多數人的日常生活無可避免的一定會有需要活動的時候，舉凡基本的坐站、走路、上下樓梯等的功能性活動，到跑步、打球、滑雪等以娛樂或健康性質為主的運動，都需要有一定的能力才能執行，因此具備自主活動力是影響能獨立生活與否的其中一個重要因素。但對於因疾病而行動不便或因年紀漸長而活動力下降的人來說，執行這些活動的門檻因為身體機能的退化而難以達到，所以這些族群必須仰賴他人協助或選擇不執行這些活動，導致獨立生活的能力下降，進而影響身心靈健康。
要幫助有活動力困難的族群提升自主力的程度可以從復健訓練與日常輔助兩方面著手。復健訓練的目的為恢復與增強活動能力，因此通常會由治療師團隊執行，但大量的需求人口使得人均受訓時間減少、治療師疲勞增加，導致訓練效果打折扣。因此近年來機器人於復健領域的應用為提供穩定長時的訓練，其優勢為可提供多樣化與客製化的訓練，並降低治療師的勞動負擔與受傷風險，可更專心於監控受訓者的變化。日常輔助的目的為協助使用者達到執行活動的門檻，常見的輔具如助行器等仍需依靠使用者自身的能力才能幫助活動，以致此類通用設計常無法顧到自主能力低的人。因此近年來機器人於輔助領域的應用為機器人本身提供額外輔助力給使用者，其優勢為可因應不同環境給予相對應的輔助，並可藉由機器人的監測來調整輔助程度，減少照護者從旁協助的辛勞。
根據應用的不同，機器人的型態也不盡相同。目前常見於生活中的機器人類型主要為工業機械手臂與自主移動機器人如掃地與送餐機器人。由於復健與輔助領域目的為協助人，機器人的應用要以人為出發點進行設計，並注重與人互動的方式，因此型態並不局限上述兩類或人型機器人。以下介紹幾種目前復健與輔助機器人常見的型態:
終端式機器人
終端型機器人(end-effector based robots)的特色為以控制機器人終端的狀態為主，因此僅有機器人的末端會連接在人體上，機器人主體則架設於環境中不需穿戴，所以常被應用於大型復建機器人平台的開發。以上肢為例，常見的為連接機械手臂末端至手腕來引導與帶動手臂的活動，並讓因肩部受傷的運動員重新訓練手臂與肩膀的關節活動度與肌力，並配合觸覺迴饋來協助執行精確運動。以下肢為例，常見的為應用平台機構帶動腳踏板來引導足部追尋健康者的走路軌跡活動，並有應用於讓早期中風患者重新學習走路時腿部活動的方式。而軀幹的部分，常見的為懸吊式系統繫在上半身來引導軀幹的移動，以減輕體重所帶來的負擔或協助軀幹的平衡。以圖一為例，我們將八條纜繩繫至穿戴於骨盆的束帶上，藉由馬達控制每條纜繩的張力來提供欲施加於被訓練者骨盆上的力與力矩。在與樓梯機進行整合後，此復健機器人平台可藉由影響與身體質心接近的骨盆中心來進行針對爬樓梯時身體平衡與肌群合作的訓練，以協助住公寓與透天厝等以爬樓梯為主的群體增強其功能活動表現。
█ 圖一、繩驅動骨盆復健機器人平台
外骨骼式機器人
外骨骼式機器人(exoskeletons)為目前穿戴式機器人市場的主力，也最為大家所熟知。整體結構主要是用各種機械元件組成，並整合機電與控制來執行輔助或復健訓練。外骨骼依動力的來源可分為被動與主動，被動式外骨骼是利用身體重量與活動本身做的功轉換成機械能或電能等儲存，在需要輔助時將能量釋放，反之亦可作為阻力訓練。以圖二為例，我們設計一具三自由度球接頭特性的被動式髖關節外骨骼，此裝置的特點為在不影響大腿前抬(hip flexion)的自由下，利用扭轉彈簧做大腿大外展(hip abduction)的阻力訓練，可在運動員練習時穿戴，阻止過度外展並進行肌力訓練，以降低過度外展的運動傷害風險。主動式外骨骼則常使用馬達或氣壓等作為輔助力量的來源，可配合感測器做閉迴路控制，可提供較精準訓練。以圖三為例，我們使用馬達驅動一並聯式機構(parallel mechanism)的主動式頸部外骨骼，並配合眼動追蹤裝置來協助頭部無法自主移動的患者利用人的前庭眼反射原理(vestibule-ocular reflex)來操控頭部移動。由於早期的外骨骼多以人體的側面(矢狀面:sagittal plane)關節活動度來做設計，忽略了其他方向的運動，常造成穿戴者的不適並影響其在其他方向的活動，因此近年來越多外骨骼設計有考慮人體關節在三個軸向的活動度，採用被動主動混和的外骨骼也越來越常見，也促進了軟性外衣式機器人的發展。
█ 圖二、髖關節被動式外骨骼
█ 圖三、頸部主動式外骨骼
軟性外衣式機器人
軟性外衣式機器人(soft exosuits)是近年來興起的另一類穿戴式機器人，因為更注重人因工程而逐漸受到重視。主要特色為使用大量軟性材料與軟性致動器，不使用硬式材料或僅為了固定軟性材料而使用極少量的硬式元件，因此整體結構較外骨骼式機器人柔軟且貼身，設計上也因為更符合人體工學而減少使用上人因性的不合用。外衣式機器人常見的驅動方式主要分為纜線驅動與流體的致動兩大類。線驅動的特色為輕巧且設置簡易，以圖四為例，我們以線驅動並聯式機構為基礎，使用熱塑性聚胺酯(Thermoplastic Polyurethane, TPU)3D列印出軟性頭戴與肩部固定配件，配合渦卷彈簧在特定工作範圍的彈力為定力的特性，做出一被動式頸部軟性穿戴裝置，目前配合磁感測器可用於量測頭部三維度運動，未來可擴充為主動式外衣機器人。流體致動器中以軟性氣體致動器(soft pneumatic actuators)最為常見，其特色為大輸出力，且不會像液壓在不慎超壓而受到破壞時被液體濺到，以圖五為例，我們製作出一編織型氣動致動器，藉由編織外套與橡膠內管的相對摩擦與可延伸特性，在輸入氣壓時會依照編織的樣上伸長或縮短，可應用於推動手指彎曲以輔助增強抓握力。
█ 圖四、頸部外衣機器人
█ 圖五、軟氣體致動器應用於手指彎曲
串接與整合機器人、復健與輔助、人因工程
機器人可以協助或代替人去執行有傷害風險或一般人體極限無法達到的工作，而使用者可以做更高階層的規劃，並更能在監督的過程中，以客觀的角度去審視過程並進行修改，在復健與輔助機器人的領域這個特色的重要性更是被放大。舉例來說，藉由使用動作追蹤系統(motion capture system)與肌電訊號量測系統(electromyography system)的迴饋，治療師可針對欲復健的重點來改變協作形機器人與患者的互動訓練模式。目前復健與輔助機器人多仍在研究與開發階段，僅少數可見於日常生活中，其中一大議題為安全性的提升，除了平常緊急停止按鈕的使用，人因工程的導入可探討如何提升使用者對機器人的信賴感與提供治療師友善的操作介面，畢竟使用上與人緊密配合，如何讓科技適性於人，並將使用時生理與心理的不適感降低，讓社會大眾接受並習以為常，我們還有很多地方需要努力。
Reference
[1] B.-C. Chang, H. Zhang, E. Trigili, and S. K. Agrawal, “Bio-Inspired Gaze-Driven Robotic Neck Brace,” in 2020 8th IEEE RAS/EMBS International Conference for Biomedical Robotics and Biomechatronics (BioRob), Nov. 2020, pp. 545–550. doi: 10.1109/BioRob49111.2020.9224327.
[2] B.-C. Chang and S. K. Agrawal, “Stability During Stairmill Ascent With Upward and Downward Applied Forces on the Pelvis,” IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering, vol. 29, pp. 1504–1512, 2021, doi: 10.1109/TNSRE.2021.3099423.
[3] B.-C. Chang and S. K. Agrawal, “Change in Muscle Synergies During Stairmill Ascent With External Forces on the Pelvis,” IEEE Robotics and Automation Letters, vol. 7, no. 3, pp. 7247–7254, Jul. 2022, doi: 10.1109/LRA.2022.3181740.
教授個人小檔案
姓名:張秉純
學歷:台灣大學機械工程學系學士、台灣大學機械工程學系碩士、美國紐約哥倫比亞大學機械工程學系博士
目前為臺灣大學機械工程學系的助理教授。於臺灣大學機械工程學系碩士畢業後，在美國紐約哥倫比亞大學機械工程學系投入復健機器人領域的研究並取得博士學位，並在東京工業大學機械工程學系的訪問期間接觸到人工肌肉於機器人領域的應用。研究興趣為復健與輔助機器人系統的設計與控制，與探討其對人體生物力學及人因工程方面的影響，持續與實驗室學生們一起開發以人為本的復健輔助機器人與研究相關應用，並期許有天能廣為使用。
█ 張秉純助理教授個人照
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