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外骨骼機器人之發展現況
賴宸玉 .2019/04/18
摘要 一、外骨骼機器人之技術應用領域
據世界衛生組織(World Health Organization)之報告揭示,全球每年有超過1,500萬人患有中風或心血管疾病,致使永久性殘疾,外骨骼技術將提供動力協助患者移動與身體復健。外骨骼機器人(Robotic Exoskeletons)為可穿戴裝置的一種,旨在替代確診患者之人體肢體,亦或增強穿戴者之體力、效率及能耐,可協助工人從事具高風險、高難度之工作,並提升效率、安全性,以及將傷害降至最低。
依據其應用可將外骨骼機器人分為六種類型:(一)全身動力套裝、(二)肢體輔助套裝(上肢/下肢)、(三)背部支撐套裝、(四)動力手套、(五)外掛機械手臂、(六)握持工具的外骨骼機器人。以下將論述外骨骼機器人在主要產業的應用。

(一) 建築業
雖說建築業為促進國家經濟發展重要環節之一,但凡建築業之工人長期暴露於高風險,處於高荷重工作環境中,屬於具備高風險性的工作類型之一,亦好發職災傷害,且因建築工人長期肌肉彎曲,扭轉,易造成肌肉過度疲累,因而患上肌肉骨骼疾病(Work-Related Musculoskeletal Disorders)、脊椎傷害等疾病,因而迫使工人必須提早退休。此時,外骨骼機器人能作為良好之輔具,幫助工人降低職災風險,增加工作效率,以及降低保險與就醫成本。

(二) 製造業
工業用外骨骼機器人亦為穿戴式裝置之核心研究,於製造業中之主要應用為避免工人過度疲勞並提高警覺性,進而降低工作傷害與減少醫療費用支出,以及提高生產力之效率。該技術之導入對於原有之工作模式並無影響,但能強化人體之力量強度、能力、耐力,使其工作表現更加出色。

(三)  國防與軍事
外骨骼機器人能提供士兵與緊急救護人員更多的力量與耐力,讓他們在險峻環境與承受壓力的同時,也能完成任務;此外,透過強化士兵之能力,賦予其須於長距離與橫越崎嶇地形上運載重物之優勢,協助處理重型武器。技術特性為降低腿部肌肉之壓力,進而實現荷重均勻分布並維持骨骼對齊。

(四)  健康與醫療保健
全球許多研究證實外骨骼機器人可提升復健成效,目前醫療保健產業正利用外骨骼機器人作為復健機器人,可協助患者進行復健、提供慢性病之患者與老年醫療護理等。於此而言,外骨骼機器人對協助患有脊髓損傷(Spinal Cord Injury)中風等之患者行走、復健之有效程度,均較於傳統方法大幅提升。此外,其能提供長時間、密集、重複性高之活動與較廣之活動範圍,為增進人類福祉的最佳解決方案之一。

二、外骨骼機器人之創新案例
(一) 專為行動不便之患者設計的醫療外骨骼機器人
美國研發之PHOENIX Medical Exoskeleton是目前最輕的外骨骼之一,具備先進之功能,能協助行動不便患者於診所、家庭及工作場所自由行動,特點為:(1)使用者能自行拆卸、組裝各部元件;(2)重量輕且靈活性高;(3)充電一次能連續行走4小時;(4)輪椅使用者亦能輕鬆穿戴。

(二) 用於下肢支撐的仿生套裝
日本研發之HAL®(ybridAssistiveLimb®)為個人型機器人,具加速腦神經運動學習之能力,能輔助下肢支撐系統,以提高患者之行走能力。即便是行動不便之殘疾患者,穿戴後亦能增強、支撐與改善穿戴者之身體功能。

(三) 靈活的移動機器人外骨骼
美國研發之Guardian GT機器人,其靈感來自人體肢體的運作模式,並能依據操作員指令執行作業。該技術具高度之靈活性,能提升材料處理與裝配,可在短時間內完成需要數名工人才能執行的任務,並能將人員傷害的風險降至最低。Guardian GT係由電池,燃料與丙烷進行供電,使其移動與運輸時間可超過7小時。

三、結論與未來展望
因外骨骼機器人於作業場所中,能減少人類於不安全環境下作業之風險,並提高安全性與效率等。基於上述原由,外骨骼機器人有望於未來大規模生產,並作為適用於大眾之移動機器,亦可被創造為時尚之穿戴裝置,可為使用者提供獨立性與全面性之福祉。除此之外,人們亦冀望開發出猶如柔軟外衣般,適用於大眾之軟式外骨骼機器人。但因下列原因,致使外骨骼機器人面臨應用瓶頸:
(1)技術成本高:外骨骼機器人技術包括先進技術的融合、通訊系統和元件之集成,但因價格高昂,致使大規模採用受阻。
(2)技術濫用之風險:隨著外骨骼機器人於軍事上之高度應用,若此技術被激進分子取得並利用,於國家及社會安全亦將造成莫大威脅。
(3)資金需求:由於外骨骼機器人技術屬初期開發階段,須投入大量資金,方能讓外骨骼技術獲得進一步開發與大規模商業化的基礎。
(4)電源供給:為骨骼機器人的最大挑戰之一,目前維持外骨骼動力之電源供應時間相當有限,技術門檻尚待突破。
資料來源 Frost & Sullivan