模組化生物智能動力輔助仿生機器手足結構設計開發與測試---子計畫二：生物智能動力輔助仿生機器膝關節設計開發與測試(II)

傳統膝上義肢(即機器膝關節結構)均屬被動式結構，能提供膝關節屈曲-背屈之活動度，無法產生人體自然步行時膝關節瞬心移動軌跡，因此，截肢患者在穿上機器膝關節後常無法恢復正常步態。另外，病患在穿戴被動式機器膝關節步行時，必須透過髖關節驅肌收縮，才能甩動義肢，不但造成步態異常，殘肢肌肉過度使用，也會使步態能量消耗過量。另外，傳統機器膝關節處僅設有機械式扣環或氣/液壓式緩衝器，當病患甩動義肢行走時，因扣環鎖孔使義肢大/小腿結構成直線，關節僅能在定速步態下維持穩定，否則會因動能反應(kinesiologic response)異常而發生跌倒。除此，傳統機器膝關節結構之承筒與殘肢面因須承載體重，易發生施力點集中，產生患部疼痛、接觸面皮膚因磨擦破皮、潰爛甚至組織壞死的現象。因此，改良開發機器膝關節結構，使膝上截肢者能經由義肢發揮最大之獨立自主生活功能，進而改進其生活品質與獨立行走的能力，已成為科技輔具領域重要之研究課題。爰此，本研究將針對傳統膝上義肢設計缺失及臨床需求，結合仿生肌肉機構設計、肌電回饋動力輔助及生物智能控制技術，發展「生物智能動力輔助仿生機器膝關節結構」，並進行臨床驗證。本研究將分三年進行，第一年首先透過Zebris 超音波三度空間量測系統蒐集步長（step length）、跨步長（stride length）、步頻（cadence）、步速（velocity）、地面反作用力（ground reaction force）、單側下肢步態肌電訊號與雙側下肢協調性肌電訊號人體步態相關資料，以建立正常人與單側膝上截肢者步態動作模式資料庫等；接著進行「仿生氣控承筒」與「動力輔助仿生機器膝關節」結構設計與製作。硬體設計包承筒結構設計（直列式與螺旋式）、充/放氣管路與多連桿機器膝關節機構設計（鋼索捲動式、動力缸式與行星齒輪式）。在「仿生氣控承筒」與「動力輔助仿生機器膝關節結構」原型開發完成後，也將進行系統整合與測試。本研究之第二年係開發「殘肢肌電信號感測、回饋控制界面」與建立「健、患側適應性協同步態」控制策略，將配合肌電訊號處理與控制晶片設計開發，量測膝上截肢者殘肢肌電訊號，並經由第一年所建立之參考步態料庫，規劃仿生機器膝關節運動軌跡和回饋控制界面，再透過所推導之系統動態方程式，發展比例─微分（PD）控制器，以實現患側機器膝關節步態控制與雙側下肢適應性步態協同控制機制。另外，本研究也將開發人動發電系統，以改善義肢充電機制及節能功效。系統開發完成後，亦將進行系統整合與功能測試。第三年則係整合本研究前兩年所開發之動力輔助仿生機器膝關節結構與本整合計畫子計畫三所開發之膝下義肢(即機器踝關節結構)，成為一組完整之生物智能動力輔助下肢義肢全系統(即機器膝-踝關節結構)，並對整合後下肢義肢全系統之硬、軟體及通訊界面進行功能測試與應用評估。初步規劃之功能測試工作包括設計規範驗證與膝關節彎曲/伸展角度範圍、踝關節背屈/蹠屈/內翻外翻角度範圍與膝-踝關節協調性測試等應用測試。最後，也將針對穿戴機器膝關節患者進行訓練調變程序設計與驗證。本研究之完成除了可開發出一套兼具動力輔助、氣囊承筒、仿生肌肉按摩、回饋控制與人動充電等功能特色於一體之「生物智能動力輔助仿生機器膝關節結構」，具有申請專利和技術移轉商品化之潛力外，也可整合「生物智能動力輔助仿生機器踝關節結構」成為全仿生人造機器膝-踝關節結構，提供膝上截肢者使用，以改善其肢體功能和生活品質。

系統編號:PB9907-12654
原計畫編號:NSC99-2221-E182-050