人體上肢復健輔具之設計與研究

Design and Research of the Medical Rehabilitation Arm

許銘全(Shiu-Ming Chiuan)；劉芳志(Fang-Jr Liou)

氣壓缸 ； 上肢復健輔具 ； 復健 ； rehabilitation robotic arm ； pneumatic cylinders

修平學報

32期（2016 / 03 / 01）

1 - 26

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本文主要在設計人體上肢復健輔具的規劃與硬體之設計。這個復健輔具為針對上肢動作不便之患者。由於手對於身體來說是相當重要的部位，假使手失去原有的功能，對於日常生活是有相當嚴重的影響。因此我們以人體外骨銘的概念為核心，設計一個針對上肢復健所使用的輔助器具以氣壓缸來驅動，其設計的機械結構以對應至人體上肢的各個關節，包括局關節、肘關節與腕關節。本文設計理念為機械協助式上肢運動療法，可以使用機器手臂代替復健師的治療輔助工作，復健工作是非常耗時間以及人力，復健機器人協助治療師對病人實施復健計劃有許多好處，除了減輕人力負擔，在執行重複及連續性單調動作也可提供病人穩定的治療品質。本文是透過此款人體上肢復健輔具，來導引患者的上肢關節做彎曲、伸直、內縮、外展及局關節平行伸直的各種動作以及腕關節做平行擺動等，我們同時在復健輔具上安裝壓力感測器來感測患者受到機構帶動時所反應的力量。透過實驗來證實壓力感測器用於上肢復健輔具是可行的。最後將整套系統運用在復健醫學中，透過此復健輔具來引導患者動作，達到復健之目的。

This paper focuses on the planning and hardware design of a rehabilitation robotic arm with pneumatic cylinders for upper limb. The rehabilitation robotic arm is designed for the inconvenience of the upper limb movement of the patients. The upper limb is very important part of the human body. If the upper limb loses its function, it is a very serious implication for daily life. The main feature of the rehabilitation robotic arm is exoskeleton type design. The robot-assisted therapy is the main design concept; it is due to insensitive training and severing labor consumption. The specifically design of the robotic arm is a kind of mechanism whose joints correspond to the joints of human upper limbs including the shoulder, elbow and wrist joints. In addition, the pressure sensors are used to detect the forces of patients when the rehabilitation robotic arm is action. These pressure sensors can provide the appropriate action for the system. Some basic experiments of rehabilitation poses are demonstrated the performance of the rehabilitation robotic arm.

1. 雙側阻力引導動力式上肢動作訓練器與慢性中風病人之上肢功能訓練， http://www.rm.kmu.edu.tw/ot/teacher/robot.htm
2. Barbeau, H.,Rossignol, S.(1994).Enhancement of locomotor recovery ollowing spinal cord injury.Current Opinion in Neurolgy,7,517-524.
3. Ben-Dov, D.,Salcudean, S. E.(1995).A force-controlled pneumatic actuator.IEEE Trans. Robot. Autom.,11(6),906-911.
4. Bobrow, J. E.,Jabbari, F.(1991).Adaptive pneumatic force actuation and position control.J. Dyn. Syst., Meas., Contr.,113,267-276.
5. Cauraugh, J. H.,Kim, S. B.,Duley, A.(2005).Coupled bilateral movements and active neuromuscular stimulation: Intralimb transfer evidence during bimanual aiming.Neurosci Lett,382,39-44.
6. Cozens, J. A.(1999).Robotic Assistance of an Active Upper Limb Exercise in Neuological Impaired Patients.IEEE Tran. on Rehabilitation Engineering,7,254-256.
7. Dietz, V.,Colombo, G.,Jensen, L.(1994).Locomotor activity in spinal man.Lancet,44,1260-1263.
8. Hesse, S.,Bertelt, C.,Jahnke, M. T.,Schaffrin, A.,Baake, P.,Malezic, M.(1995).Treadmill Training with partial body weight support compared with physiotherapy in nonambulatory hemiparetic patients.Stroke,26,976-981.
9. Kazerooni, H.(2005).Design and Analysis of Pneumatic Force Generators for Mobile Robotic Systems.IEEE/ASME Trans. on Mechatronics,10,411-418.
10. Liu, S.,Burrows, J. E.(1988).An analysis of a pneumatic servo system and its application to a computer-controlled robot.J. Dyn. Syst., Meas., Contr.,110,228-235.
11. Nef, T.,Mihelj, M.,Riener, R.(2007).ARMin - A Robot for Patient-Cooperative Arm Therapy.Medical and Biological Engineering & Computing,45(9),887-900.
12. Richer, E.,Hurmuzlu, Y.(2000).A high performance pneumatic force actuator system: Part I-Nonlinear mathematical model.J. Dyn. Syst., Meas., Contr.,122(3),416-425.
13. Rosier, J. C.,Woerden, van J. A.,Kolk, van der L.W.,Driessen, B. J. F.,Kwee, H. H.,Duimel, J. J.,Smits, J. J.,Tuinhof de Moed, A. A.,Honderd, G.,Bruyn, P. M.(1991).Rehabilitation robotics: The MANUS concept.Proc. 5th Int. Conf. Advanced Robotics,Pisa, Italy:
14. Sanchez, R. J., Jr.,Wolbrecht, E.,Smith, R.,Liu, J.,Rao, S.,Cramer, S.,Rahman, T.,Bobrow, J. E.,Reinkensmeyer, D. J.(2005).A Pneumatic Robot for Re-Training Arm Movement after Stroke: Rationale and Mechanical Design.9th International Conference on Rehabilitation Robotics
15. Sonntag, R. E.,Borgnakke, C.,Wylen, G. J. V.(2003).Fundamentals of Thermodynamics.John Wiley & Sons.
16. 王豐,吳黎民,吳順治,林振森,林進益(1997).熱力學概論.大揚出版社.
17. 田朝元(2007)。逢甲大學電機工程學系。
18. 余松益(2008)。逢甲大學電機工程學系。
19. 吳思穎(2003)。國立成功大學機械工程學系。
20. 李佳宜,吳菁宜,連倚南(2006)。改良式侷限誘發動作治療對於腦中風病人之復健成效。台灣醫學，10(4)，429-437。
21. 林正仁（編譯）,呂立鑫（編譯）,蔡秉宏（編譯）(2003).熱力學.全華科技圖書股份有限公司.
22. 林棟煌(2001)。國立成功大學機械工程學系。
23. 翁文爐,夏一民(2001).化工熱力學.高立圖書有限公司.
24. 梁蕙雯(2009)。腦中風之障礙與失能評估量表簡介。台北市醫師公會會刊，53(10)
25. 莊國瑋,王榮俊,黃亭韶(2008)。限制－誘發動作治療於中風病人復健之療效。北市醫學雜誌，5，1-14。
26. 許銘全,陳建銘(2009)。氣動式復健手臂。第四屆智慧生活科技研討會論文集
27. 陳玥岑,吳菁宜,林克忠(2006)。制動療法對於中風病人療效之系統性回顧。台灣職能治療研究與實務雜誌，2，1-12。
28. 陳建銘(2006)。修平技術學院電機工程研究所。
29. 黃雅瑛,吳菁宜,洪維憲(2006)。改良式制約誘發運動治療對中風患者療效之運動學分析。台灣醫學，10(3)，319-327。
30. 董憲奇(2002)。國立成功大學機械工程學系。
31. 臺大醫院醫學工程部，醫療儀器發展新知http://www.ntuh.gov.tw/BMED/equipment/DocLib/%E9%A6%96%E9%A0%81.aspx
32. 蘇雅玲(2005)。國立成功大學機械工程學系。