Exoskeleton
- 又稱: robotic exoskeleton, powered exoskeleton, exosuit, wearable robot
- 類別: Mechanical structure › Robot morphologies
- 標籤: exoskeleton, wearable-robot, rehabilitation
配合穿戴者動作運作、增強人體力量、耐力或行動能力的穿戴式機器人裝置。
定義
外骨骼是一種穿戴式機器人裝置，套在人體外側，配合穿戴者的動作來增強力量、恢復行動能力或減輕身體負擔。與獨立運作的機器人不同，外骨骼是人在迴路中（human-in-the-loop）的系統：由人提供意圖與高層控制，外骨骼則在特定關節提供動力輔助。
外骨骼依目標身體部位與用途分類。上肢外骨骼輔助肩、肘與腕，主要用於工業場域，減輕舉手過頭作業或搬運重物時的疲勞。下肢外骨骼為髖、膝與踝提供動力，讓下半身癱瘓的患者能站立與行走，或降低健康使用者背負重物時的代謝消耗。全身外骨骼結合兩者，主要為軍事與工業用途而開發。
它在感測與控制上的挑戰相當獨特：外骨骼必須偵測穿戴者的意圖並加以放大，同時不能對抗自主動作，也不能破壞自然的步態模式。偵測意圖的方法包括量測肌肉電活動（EMG）、偵測關節角度變化、量測地面反作用力，或使用慣性量測單元（IMU）感測動作開始。控制策略從簡單的比例式力放大，到依任務階段調整輔助程度的精密阻抗控制器都有（例如在行走的擺盪期提供抬升力，在支撐期則允許自由動作）。
外骨骼的致動技術包括搭配諧波減速機或行星減速機的電動馬達（扭矩密度高）、液壓致動器（出力最大，用於軍用外骨骼）、氣動人工肌肉（輕量、具順應性），以及串聯彈性致動器（本身具順應性，與人互動時較安全）。致動器的選擇從根本上決定了外骨骼的重量、電源需求與互動品質。
這個領域涵蓋醫療復健（讓脊髓損傷患者恢復步態）、工業人因工程（降低職場傷害率）、軍事用途（長距離背負重物），以及長者輔具（預防跌倒並讓他們能獨立行動）。
為何重要
外骨骼是機器人技術如今改善人類生活最直接的方式之一。對美國 540 萬名癱瘓者而言，下肢外骨骼讓他們有機會再次站立與行走。對美國每年 280 萬名發生肌肉骨骼傷害的勞工而言，工業外骨骼能減輕負擔並降低受傷率。對全球高齡化人口而言，輕量的輔助型外骨骼能讓他們多獨立生活好幾年。與取代人力的全自主機器人不同，外骨骼是增強人的能力，這種模式面臨的導入障礙與倫理疑慮都較少。
主要應用
- 脊髓損傷復健：讓下半身癱瘓的患者在治療期間站立與行走，改善心血管健康與骨質密度
- 工業的舉手過頭作業：肩部外骨骼為汽車與航太製造中長時間舉手過頭組裝的勞工減輕疲勞與傷害
- 軍事負重：全身外骨骼讓士兵長距離背負 50-100 kg 的負重，而不必付出代謝上的代價
- 中風復健：上肢外骨骼引導重複的手臂動作，透過動作學習促進神經恢復
- 長者跌倒預防：輕量的髖部外骨骼在行走時提供平衡輔助與穩定
- 營建與物流：背部支撐外骨骼在搬舉與搬運作業中降低脊椎負荷
實際應用
Ekso Bionics 的 EksoNR 在全球超過 300 家復健中心使用，服務脊髓損傷與中風患者。這款下肢外骨骼綁在患者腿上，為髖部與膝部的屈曲與伸展提供動力。物理治療師可為每條腿分別設定輔助程度：從完全由機器人驅動的動作（適用於無法自主控制的患者），到最低限度的輔助，也就是只有在患者於一段時間內自行開始動作時，外骨骼才會幫忙完成。腳板內建的荷重元偵測重心轉移以觸發跨步，IMU 則即時追蹤關節角度。臨床研究顯示，使用 EksoNR 的患者比只接受傳統治療的患者更早達到獨立行走。
常見誤解
- 外骨骼會像電影裡一樣給人超人般的力量：目前的外骨骼主要是減輕疲勞、輔助自然動作，而不是大幅倍增出力；電源與重量的限制也限制了增強的程度
- 外骨骼都是笨重的動力裝甲：現代的軟式外骨骼（exosuit）使用軟性紡織品與纜線驅動，做成輕量、有彈性、穿在衣服下幾乎看不出來的裝置
- 外骨骼只給身障者使用：最大的商業市場是供健康勞工使用的工業外骨骼，用來降低職場傷害與疲勞
- 一種外骨骼設計適用於所有用途：復健、工業、軍事與輔助型外骨骼在重量、電源、順應性與控制策略上的需求根本不同
誰需要了解
- 開發復健與輔助裝置的生醫工程師
- 設計穿戴式機器人系統的機械工程師
- 評估人因工程介入措施的職業衛生專家
- 導入機器人輔助復健的物理治療師
- 研究人機實體互動的機器人研究人員
相關技術
- EMG 感測
- 串聯彈性致動器
- 氣動人工肌肉
- 阻抗控制
- 軟性機器人
- 步態分析
相關專案
- OpenExo: Modular open-source exoskeleton for human augmentation and rehabilitation research
- Open-Source Leg: Open-source robotic prosthetic leg platform for research, with hardware and a Python SDK
- AirExo: Low-cost 3D-printed exoskeleton for robot teleoperation and in-the-wild data collection
影片
- Watch this robotic exoskeleton help a paralyzed man walk again: CNET
- The exoskeleton that helps people with disabilities walk: RAZOR Science Show