技術摘要
本案基於職業場域常見的下背痛問題，提出混合驅動的背部輔助外骨骼系統設計方案，提供使用者更有效、直觀與靈活的外骨骼輔助功能，該系統主要包含：動作意圖識別、主被動混合驅動與可攜式供氣系統。主被動混合驅動系統結合氣壓肌肉致動器(Pneumatic Muscle Actuator, PMA)與串並聯彈性體(Series Parallel Elastic Actuator, SPEA)的特性，採用混合驅動方式提供輔助力，以PMA替代馬達作為主動驅動裝置，這樣的被動安全設計可以解決馬達容易因傳動剛性大而危害使用者安全的問題，同時藉由SPEA的設計儲存重力位能，能在搬運過程以被動助力方式提供背部助力；動作意圖識別系統結合慣性測量單元(Inertial Measurement Unit, IMU)與絕對型角度編碼器識別使用者的動作意圖，並據以變換輔助模式與調控輔助扭矩；可攜式供氣系統的創新設計可以解決氣動式外骨骼的使用場域限制，擴大混合驅動背部輔助外骨骼系統的應用範圍。考慮外骨骼在人機交互(Human-Machine Interaction, HMI)的主動安全與舒適性，本案針對PMA與SPEA的混合驅動系統進行動力學與運動學建模和分析，提出一種基於滑模擴張狀態觀測器之自適應代理扭矩控制器(Sliding Mode Extended State Observer-Based Adaptive Proxy-Based Torque Controller, SMESO-APTC)，用於不同場景下對混合驅動外骨骼系統的主動HMI安全與高性能扭矩控制，並從理論上證明了SMESO-APTC的穩定性。實驗結果顯示，在SMESO-APTC的補償下受試者穿戴混合驅動背部輔助外骨骼平均可降低30%的背部肌肉活動強度；且在不安全的HMI狀態也能自動產生過阻尼的順從扭矩響應，同時在正常操作下保持精確的扭矩追蹤性能。
成果來源
國科會
申請專利國家
中華民國（發明）
專利證號
I857902