科技的發(fā)展是為了優(yōu)化生存品質(zhì)，機器人產(chǎn)業(yè)的出現(xiàn)，漸漸地融入人類的生活之中，「機器人化」的智慧家電、機器人輔具、智慧之家等東西出現(xiàn)，造福家庭主婦、小孩、身障者、銀髮族等更多族群。演進至今日，機器人輔助醫(yī)療也已成為全球在健康發(fā)展領(lǐng)域的主要趨勢。根據(jù)國際商業(yè)觀察公司（Business Monitor International，BMI）的調(diào)查顯示，2013年全球主要72個國家的醫(yī)療支出高達7.3兆美元，該數(shù)字至2020年預(yù)測上攀至10.2兆美元，可見，降低醫(yī)療成本並提高醫(yī)療效率，將成為未來的核心醫(yī)療課題。

傳統(tǒng)的復(fù)健治療多半仰賴治療師、職能師、看護師或病患家屬進行一對一的陪伴。其高人力需求使得復(fù)健長期成為高成本的醫(yī)療項目，需要相當?shù)纳鐣杀九c醫(yī)療資源的投入。而隨著全球老齡化所帶來的衝擊，老年人口比例與老年疾病逐年上升，醫(yī)療人力勢必將不敷使用。因此，智能感測技術(shù)搭配智慧化機器人復(fù)健醫(yī)療設(shè)備將有機會替代人力，滿足高齡化社會的復(fù)健需求。

圖一 : 機器人輔助醫(yī)療已成為全球在健康發(fā)展領(lǐng)域的主要趨勢（source：Government Technology）

圖二 : 清華大學教授張禎元與其團隊自主研發(fā)之國產(chǎn)機器手復(fù)健結(jié)構(gòu)

為了減輕復(fù)健治療的設(shè)備成本與人力需求所形成的負擔，清華大學動機系張禎元教授團隊及長庚醫(yī)院復(fù)健科副主任裴育晟教授團隊在科技部的補助之下，致力整合機電工程與臨床需求，擷取實際臨床案例與經(jīng)驗，研發(fā)出複合式復(fù)健機器人平臺，為創(chuàng)新的智慧型機械輔助復(fù)健平臺，能夠建置一標準化的機械量測系統(tǒng)，針對患者使用後的恢復(fù)狀況、運動反應(yīng)以及肌肉張力進行評估分析。以下詳述智慧型機械輔助復(fù)健平臺的功能與成效。

復(fù)健機器人的類型

首先，針對復(fù)健機器人(Rehabilitation Robots)的類型說明，其主要的功能為藉由機械的重複性與可靠度，來協(xié)助患者的肢體完成精確且重複的往返動作。透過外部動力透過機械結(jié)構(gòu)與人體互動，達到強化訓練患者的局部肢體能力，並協(xié)助或輔助患者完成各指定動作進行復(fù)健。

復(fù)健機器人大致可區(qū)分為兩類：一、誘導型人機互動復(fù)健機器人平臺﹔二、驅(qū)動式復(fù)健機器人平臺，其相關(guān)技術(shù)內(nèi)容敘述如下:

誘導型人機互動復(fù)健機器人平臺

誘導型人機互動復(fù)健機器人平臺為一種主動式復(fù)健型態(tài)，是採取一個互動式軟體介面或是以虛擬實境的方式，來誘發(fā)使用者自願進行局部的復(fù)健，進而達到復(fù)健的效果。藉由軟體與患者間的互動，將可以提高復(fù)健過程的樂趣，進而提升患者的復(fù)健意願；此外，多元化的軟體遊戲設(shè)計可提供多種的復(fù)健種類與療程，除傳統(tǒng)輔具復(fù)健外，此選擇在未來將可以增加復(fù)健的多樣性與選擇性。

以手指復(fù)健平臺為例，該機器人復(fù)健設(shè)備的設(shè)計上具備有感測裝置，此等感測裝置可偵測在復(fù)建過程中，輔助評估使用者在遊戲任務(wù)達成率或肢體復(fù)健的軌跡等。目前在市場上以美國Flint公司的MusicGlove與瑞士Yourehab公司的yougrabber以及Neofect等產(chǎn)品皆屬於這一類產(chǎn)品，而臺灣富伯生醫(yī)(RMTC)的DexHand則更進一步可以於機器平臺上直接感測到每個手指於復(fù)健時各個關(guān)節(jié)鬆緊程度所產(chǎn)生的變化，以利醫(yī)師即時評估治療效果和進行客製化的復(fù)健醫(yī)療。

驅(qū)動式復(fù)健機器人平臺

圖三 : 富伯生醫(yī)研發(fā)出的線傳式機器人復(fù)健手平臺可協(xié)助病患做手部開和抓握復(fù)健。(source:富伯生醫(yī))

驅(qū)動式復(fù)健機器人平臺則是透過外部致動器的力量輸出，經(jīng)過機械結(jié)構(gòu)傳遞後，將此力量傳遞至使用者的局部肢體上，來加強病患肢體的輸出力道或是牽引病患復(fù)健的肢體進行正確的運動姿態(tài)，並到達理想的空間位置。因此，如何有效利用外部動力來驅(qū)動是此平臺的重點。

外部動力的驅(qū)動方式

至於外部動力的驅(qū)動具有被動與主動等兩種機制：

一、被動式(Passive)驅(qū)動：

被動式驅(qū)動是使用機器裝置帶動使用者的肢體做連續(xù)往返運動(Continue Passive Motion, CPM)，動力的輸出與機械裝置的運動模式是由控制系統(tǒng)所決定，這類的驅(qū)動機制可以達到維持功能受損的肢體活動的功能，如Tyromotion公司所研發(fā)的手指復(fù)健運動儀Amadeo。

二、主動式(Active)驅(qū)動：

主動式驅(qū)動與被動式不同處在於機械動力是以一個使用者所送出的先導訊號作為啟動信號讓復(fù)健機器人產(chǎn)生動作，這樣的機制可以結(jié)合患者的運動意志，提高肢體復(fù)健效果。先導驅(qū)動訊號的產(chǎn)生有以下幾種方式：

a.肌肉電位

肌肉電位(Electromyography, EMG)技術(shù)係使用電極貼片貼附在皮膚表面，擷取當肢體運動時期肌肉收縮所產(chǎn)生的肌肉電位訊號，藉此可為復(fù)建裝置提供一個驅(qū)動訊號，構(gòu)成一種主動式控制的復(fù)健效果，亦即當系統(tǒng)感受到患者要產(chǎn)生動作時，機械會輸出動力來帶動因為患者肢體力量不足而無法運動的部位。此主動式控制機制可使肌力不足的患者經(jīng)由自主意圖，透過微弱的肌肉運作來驅(qū)動外部機械動力以輔助完成復(fù)健運動。

b. 腦波訊號

腦波訊號(Electroencephalography, EEG)與EMG訊號不同，以腦波驅(qū)動裝置係利用感測器貼附在頭顱表面，藉由腦波訊號與相對應(yīng)運動間的相關(guān)模式訊號，即運動意志，驅(qū)動輔助機器人作動以達成運動要求。然而由於腦波訊號趨於複雜，迄今該方式僅能使機器人復(fù)健裝置進行簡單的動作；近幾年在世界知名期刊《自然》(Nature)與《科學》(Science)上出現(xiàn)利用大腦神經(jīng)元訊號來控制機械手臂的研究，研究者將高密度的神經(jīng)探針(Neuroprobe)植入靈長類或癱瘓的病患之大腦運動區(qū)皮質(zhì)(Motor Cortex)內(nèi)，藉由研究肢體動作與腦波或神經(jīng)元訊號間的關(guān)係，找對相對應(yīng)的反應(yīng)模式建立控制模型系統(tǒng)，之後腦訊號透過濾波與放大後輸入控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成機械手臂控制訊號來控制機器裝置完成運動。雖然有相關(guān)的文獻發(fā)表，但於複雜手掌指的復(fù)健，待需進一步的研究與產(chǎn)品化。

c. 陀螺儀、加速規(guī)等感測器

當感測器放置於輔具機臺內(nèi)，患者可以透過細部的姿勢變換來驅(qū)動機器人作動輔助患者完成肢體運動，例如以色列Rewalk公司和紐西蘭REX Bionics公司所開發(fā)的下肢復(fù)健輔具、工研院機械所開發(fā)的下肢行動輔助機器人等皆屬於這類技術(shù)的下肢復(fù)健產(chǎn)品。而於手掌指復(fù)健方面，臺灣富伯生醫(yī)(RMTC)的手掌指復(fù)健機器人系統(tǒng)裡則利用此技術(shù)來即時監(jiān)控了解使用者在空間中的肢體姿態(tài)及相對位置。

d. 可撓式角度感測器

將感測器放置於可穿戴式載具上，如手套。利用感測器偵測手指運動過程中的各種角度變化，將感測到的資訊轉(zhuǎn)換成機械控制指令驅(qū)動機械手臂達成與穿戴者相同的動作。如義大利Gloreha公司與富伯生醫(yī)所研發(fā)的復(fù)健手套中即有此概念的應(yīng)用。

復(fù)健平臺協(xié)助自主生活

近年來，已有一些產(chǎn)品化的復(fù)健機器人於市場上活躍，例如瑞典的Bioservo公司研發(fā)出一款可以協(xié)助老人日常生活抓握的輔助手套，透過外部動力來加強老年人口的握力表現(xiàn)，協(xié)助完成一些日常生活的簡單動作，如拿杯子、開門、提重物等，幫助病患於日常生活中可以獨立自主生活。

至於大型復(fù)健醫(yī)學中心裡常使用的復(fù)健機器人平臺則相當豐富。以香港Rehab-Robotics所研發(fā)的Hand of Hope為例，透過機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計與配合，來協(xié)助病患的肢體部位進行被動式牽引復(fù)健，這一類的復(fù)健器材多屬於驅(qū)動式復(fù)健機器人平臺的代表，透過外部動力來支配使用者肢體完成復(fù)健動作，此類復(fù)健儀器常見應(yīng)用於肢體功能較為僵硬甚至失能的病患。

主動式機械人復(fù)健平臺多屬於無動力輸出或是輔助動力輸出的復(fù)健機器人平臺，亦即這類型的機器人多半是協(xié)助病患去完成指定的復(fù)健動作，並非支配病患的肢體動作，讓病患自主的活動自身肢體去復(fù)健，而不足的部分才由外部機器人補足，義大利Gloreha公司所開發(fā)的復(fù)健手套即為此類機器人復(fù)健平臺的代表之一。

相較於傳統(tǒng)的復(fù)健治療配置，以上敘述的機器人復(fù)健平臺能夠透過數(shù)據(jù)進行評估，亦期望導入機器人輔助復(fù)健後期能實質(zhì)的大幅降低醫(yī)療人力上的負擔。

導入感測技術(shù)更精準

因感測科技技術(shù)的快速發(fā)展與應(yīng)用導入，為近期的復(fù)健機器人平臺開始出現(xiàn)一些創(chuàng)新應(yīng)用，例如由高密度的薄型感測器構(gòu)成的機械皮膚所包覆之機器人裝置，將可提供患者在使用上的安全資訊，如碰撞風險、機臺表面與人體皮膚的過度摩擦與壓迫等；或是將超微小型的慣性(IMU)感測元件內(nèi)嵌至復(fù)健機器人平臺，可即時監(jiān)控使用者在復(fù)健時的肢體動作姿態(tài)、角度、運動速度與軌跡等資訊，將使用者在復(fù)健過程的身體反應(yīng)數(shù)位化紀錄，相較於傳統(tǒng)的肢體姿態(tài)感測模組，如三維影像辨識系統(tǒng)、關(guān)節(jié)角度編碼器等，由張禎元教授實驗室所研發(fā)出來的感測器新元件不僅縮小了安裝體積，同時更保有傳統(tǒng)感測器模組的量測精度。透過上述智慧型回饋機制的導入，並結(jié)合閉迴路控制設(shè)計，將可達到自動化長期復(fù)健追蹤與評估復(fù)健效果的機制。

圖四 : 富伯線傳式復(fù)健機器人平臺的線張力感測技術(shù)與元件(source:富伯生醫(yī))

富伯生醫(yī)科技首創(chuàng)牽引式復(fù)健機器人，獨特的機器人外骨骼設(shè)計不只在動作上滿足了復(fù)健需求，獨特的三段手指關(guān)節(jié)對心結(jié)構(gòu)更可以有效協(xié)助手指上的各個關(guān)節(jié)進行復(fù)建。此外，特殊的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計也讓此復(fù)建機械人平臺能在使用一個致動器的前提下，有效的個別驅(qū)動單一手指的兩個關(guān)節(jié)自由度，最後透過結(jié)構(gòu)上的設(shè)計，並將機器人本體與致動力源分開，中間透過線的連接來牽引使用者執(zhí)行復(fù)健，此設(shè)計不僅能降低病患在穿戴時的重量負擔外，更能有效降低外部致動器的數(shù)量以降低整個系統(tǒng)的重量與體積，也為病患在執(zhí)行復(fù)建過程時提供更高的自由性與可活動性。此外，富伯更將此平臺與拉力感測技術(shù)結(jié)合，線上即時偵測牽引動力線的張力變化，為使用安全把關(guān)；同時也可即時偵測肌肉張力變化，為使用患者、治療師或醫(yī)師提供治療報告。

圖五 : 富伯的線傳式鏡像治療機械人平臺參與實物復(fù)健治療的應(yīng)用(source:富伯生醫(yī))

大標:雲(yún)端時代扭轉(zhuǎn)復(fù)健思維

圖六 : 富伯生醫(yī)科技執(zhí)行長黃建嘉認為互聯(lián)網(wǎng)與雲(yún)計算的未來進展，將扭轉(zhuǎn)傳統(tǒng)的復(fù)健思維。

智慧照護與遠距醫(yī)療是另一個生醫(yī)科技的發(fā)展重點，富伯生醫(yī)科技執(zhí)行長黃建嘉博士表示：「隨著互聯(lián)網(wǎng)與雲(yún)計算的時代來臨，將扭轉(zhuǎn)傳統(tǒng)的復(fù)健思維。我們希望讓復(fù)健機器人不只能帶動患者運動，我們更希望機器人平臺未來可以結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)、雲(yún)計算與高端感測技術(shù)，多方導入復(fù)健醫(yī)療來幫助病患，將復(fù)健醫(yī)療推得更廣。」

網(wǎng)際網(wǎng)路的普及提升了醫(yī)療下鄉(xiāng)的可能性，讓偏遠區(qū)域的患者也能受惠。以鏡像教導式外骨骼復(fù)健機械手臂平臺為例，手指位置角度感測技術(shù)的導入，患者可使用健康手教導失能手做出適當手型完成功能性運動。

圖七 : 隨著互聯(lián)網(wǎng)與雲(yún)計算的時代來臨，將扭轉(zhuǎn)傳統(tǒng)的復(fù)健思維。（source：http://www.braceworks.ca）

當此技術(shù)結(jié)合網(wǎng)路平臺，醫(yī)護人員能在醫(yī)院端與居家端需要復(fù)健的患者面對面互動，利用感測器手套將治療師會醫(yī)師的運動手型指令傳送至居家端復(fù)健患者所穿戴的外骨骼復(fù)健手機器手系統(tǒng)中，機器手即可根據(jù)醫(yī)護人員的運動模式帶領(lǐng)患者進行所需要進行運動，進而訂定一個復(fù)健療程療程，建立一個數(shù)位醫(yī)療服務(wù)架構(gòu)。此雲(yún)端遠距復(fù)健醫(yī)療具有與國內(nèi)大政策「長照10年計畫2.0」、國際醫(yī)療下鄉(xiāng)、遠距醫(yī)療接軌的潛力。

智慧化機器人輔助醫(yī)療系統(tǒng)的導入，透過建構(gòu)一個優(yōu)質(zhì)、平價且普及的長照服務(wù)體系，推廣至一般社區(qū)及鄉(xiāng)村，將原本傳統(tǒng)尖端醫(yī)療在城市中心的概念擴展並扎根於地方，期望真正落實減輕居家照顧的重擔，並且解決大型醫(yī)療機構(gòu)醫(yī)療資源分配不足的狀況。藉由遠距醫(yī)療機制亦能關(guān)懷到世界各地需要醫(yī)療協(xié)助的人們，實現(xiàn)「連接在地、連接國際、連接未來」的目標。

(本文作者張禎元為國立清華大學動力機械工程學系暨研究所教授，黃建嘉為富伯生醫(yī)科技執(zhí)行長)

**刊頭圖片來源（source：www.digitaltrends.com）