基於虛擬實境之上下肢協同復健外骨骼系統

外骨骼機器人和電子電路技術的快速發展為肢體功能弱化與障礙者帶來新的希望。上下肢協同復健訓練是一個新的想法,這個方法以外骨骼系統為基礎,達到幫助患者模擬人體正常行走的目的,從而結合上肢復健運動與下肢復健運動促進復健進程。目前已有許多研究證實,上肢運動與下肢運動具有一定的關連性。這種新的復健訓練模式將可為復健工程帶來新的研究方向。因此,本研究以科技部專題研究計畫經費補助,自行研製並取得美國(US9,789,023 B1)與台灣發明專利(I555555)之可移動式『多功能下肢復健與助走機器裝置』;台灣發明專利(I555556) 『氣壓式驅動下肢步態復健訓練系統』;台灣發明專利(I584801) 『氣壓肌肉驅動兼具上肢助力與復健訓練功能之外骨骼裝置』等研究成果為基礎,結合機器人技術、運動意圖辨識、疲勞估測、復健評估、虛擬實境及人機相互作用力的自適應互動控制,進行上下肢協同復健外骨骼系統的原型機設計,研製具備VR與復健評估功能的上下肢協同復健外骨骼系統,為患者提供一種新的復健方式。

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針對復健訓練系統柔順與安全控制的需求及代理滑模控制(Proxy-Based Sliding Mode Control, PSMC) 穩定性分析不足的問題,本計畫提出一種基於擴張觀測器之擴展型代理滑模控制方法(Extended Proxy-Based Sliding Mode Control, EPSMC),並基Lyapunov穩定性理論證明系統的穩定性。經由氣壓肌肉動態減重系統與下肢外骨骼系統的實驗驗證,該控制方法在正常軌跡追蹤時具有良好的調控效果,當系統產生大的追蹤誤差時又能展現滑動模式控制(sliding mode control, SMC)柔順與過阻尼恢復的動態特性,因此既能保證良好的軌跡追蹤性能又具有柔順與過阻尼的安全性能。在人機互動部分,本研究在上下肢協同復健外骨骼系統的基礎上融合VR技術,以提高患者主動參與復健的積極性,並擷取受試者在運動過程的肢體肌電訊號,實現人體不同運動模式的辨識及疲勞狀態的估測,此外也針對人體運動的不同疲勞狀態設計自適應互動控制策略,實際應用在上下肢協同復健外骨骼系統驗證其可行性與有效性。

Lower-Limb Exoskeleton

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Hip joint

drive module

Active assistance;

Sagittal plane

Knee joint
drive module

Active assistance;

Sagittal plane

Thigh adjustment

mechanism

Shank adjustment
mechanism

Ankle joint

Free rotation;
Constrained to
sagittal plane

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VR技術

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表面肌電(EMG) | 足壓分佈量測

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Achievements

  1. 獲科技部控制學門優秀年輕學者研究計畫補助