工程師應用機器人理論讓義肢升級

 工程師應用機器人理論讓義肢升級

(Engineer uses robot theory to improve prosthetics)  

本圖裝飾用，非內文所述之義肢。
Credit:An Unreliable Witness

德州大學的研究人員利用機器人理論來設計腿部義肢，截肢者穿上後可在跑步機上健步而行，幾乎與正常人無異。其研究成果將發表於最新一期 "IEEE機器人學"期刊上。

「我們借用機器人學的理論，創造出一個簡單、有效率的方式去分析人們步態週期。」這篇文章的第一作者，在德州大學Erik Jonsson工程與資訊學院擔任生物與機械工程助理教授的Robert Gregg博士表示「基於這種方式，我們研發出控制動力義肢(powered prostheses)的新方法，截肢者穿戴後，與傳統義肢相較，行動更為穩定及自然。」

人型機器人已可以獨立完成走、跑、跳及爬樓梯等動作，但裝了義肢的截肢者，受限於義肢功能，反而不一定能辦到。雖然說現代義肢已經越來越輕量化且富有彈性，仍不如具有肌肉力量的血肉肢體。動力義肢，或稱為機器腳(robotic legs)，內有馬達扮演力量供給的角色，但若缺乏良好的姿態調整的能力， 不足以應付多變的地形。

控制工程師在分析走路的動作時，一般是以時間為軸向，將一個步伐週期又區分成數個階段。Gregg博士則採取一個新的視角來看走路的動作，把需要量測的變數簡化到只剩一個，即腳掌的壓力中心，而且在每個步伐週期中，這個變數只會在腳根到腳趾之間移動。

「要描述一個步伐週期是很複雜的，需要許多關節與肌肉協力運作，但我們所採用的數學模型將之簡化成一個變數，只要量取這個數值，我們就知道現在是在步伐週期中的哪一個階段，也知道等一下要讓義肢有怎樣的反應」Gregg如是說。

Gregg的動力義肢在外觀上，是一支包含了膝關節及踝關節的機器腳，其內有控制器及兩個馬達，提供膝、踝關節適當的力量及反應，另於腳掌上設有壓力中心的感測器。

三位不同體形，而單腳從膝蓋上端截肢的殘障人員參與了動力義肢的實測。需要另外輸入控制器的參數只有參與者的身高、體重及其殘存的大腿尺寸。對不同的參與者，動力義肢需要15分鐘解算相關資料，之後參與者們就可藉著義肢胯步而行了。

實驗團隊讓參與者在跑步機上步行，於未告知的情況下調整跑步機速度，人與義肢對速度變化的反應自然而協調，彷彿用自已的腳走路一般。參與者回饋的使用經驗也指出新義肢比他們慣用的傳統義肢還省力。下肢健全的人一般的走路速度約為每秒1.3公尺，而參與者們以此動力義肢步行時，速度可達每秒1公尺上下。

Gregg稱，目前市面上的動力義肢需要使用者的反覆練習及測試，並由復健師及技術人員花大量的時間逐步調整數百顆旋鈕，才可適用於個別人員。而他們的義肢將複雜的模式簡化為只需操控一個參數，且適用於不同體形及走路模式人。

研究團隊的下一個目標是去比較以時間軸和以壓力中心為模式來控制的機器腳，熟優熟劣。


原文：
"Engineer uses robot theory to improve prosthetics" by Lakisha Ladson, on PHYS.org, 4 Dec. 2014.

原始論文：
"Virtual Constraint Control of a Powered Prosthetic Leg: From Simulation to Experiments With Transfemoral Amputees." Robotics, IEEE Transactions on.