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農用穿戴式省力機具之研發與應用

資料來源:國立中山大學機械與機電工程學系/ 林韋至 副教授

一、前言

依行政院主計處及農業委員會統計指出,108年農業就業人口為56萬,占全國總就業人口5%,與十年前相比,農業就業人口呈現下滑趨勢,且年齡層分布於50-64歲者最多,高齡化且農業缺工問題日益嚴重,為了讓農民減輕體力負荷與疲勞感,進而提升工作效率及產能,行政院農業委員會自106年起補助委託本研究團隊開發一系列農用穿戴式省力輔具,期運用創新科技使農業能夠邁向效率、安全與低風險的未來。

與臺灣相鄰的日本也正面臨務農人口凋零與高齡化的問題,日本農林水產省即策定善用機器人與Assist Suit(穿戴式動力機具),協助作業時加強腰部、腿部的支撐,減輕搬運重物的負擔,來實現超省力、高品質生產的智慧農業目標。

根據統計,農民的職業傷害中有93%是因體力使用過度後所引起的骨骼肌肉傷害,而受傷部位有1/3是發生在手腕,其次則是肩膀部位,造成肩膀受傷的主因,主要是由長時間與重複性的抬手動作所致。因此,國立中山大學研發團隊以仿生科技技術開發出「農用穿戴式省力機具」,可於農事人員工作時提供上肢手臂的輔助支撐力,降低農事人員進行採收與搬運時的體力負荷,降低農民因長時間舉臂所帶來的職業傷害。

二、技術說明與特點

 class='img_caption'圖1、穿戴式省力機具模仿臂猿骨骼作動技術

近年來全球仿生科技的相關研究發展迅速,應用到仿生科技相關的商品日漸增多。「仿生」顧名思義,就是模仿自然界的生物,包括其結構、行為、器官功能、體內外的物理化學過程、能量的供給與傳遞等等面向,從科技的原理進行分析解構,進而產出設計創想,建構嶄新的科研技術,其應用領域極廣,舉凡生物、材料、工程、醫學、機械、農業等等都是。

因應農業從業人口高齡化及農業勞動安全意識的提高,本計畫團隊所開發的穿戴式省力機具,即是透過模仿臂猿擺盪時,肩關節的骨骼、筋、肌肉結構間的運動關係,仿照並改良製作成為無動力的省力穿戴式裝置(請見圖1),讓農民朋友進行農事作業時,透過穿戴式裝置提供支撐力,減少手臂的出力,進而降低農事人員進行田間作業時,因為手臂反覆抬舉而帶來的疲勞痠痛,以及減少後續職業傷害的發生。

由於不同果物的農事作業會有不同的作動需求,因此所需要的輔助也不盡相同,使用者可依果樹種類而選擇適合的省力輔具。

(一)機構式省力輔具:採用機構式組裝,使用者不需額外背負電池或馬達,適合使用於棚架式作物或抬臂式的作業內容,例如葡萄疏果、小果蕃茄摘芽、苦瓜整蔓等工作,(請見圖2),可依作物種類及務農工作的不同需求,選擇適合的手臂輔助支撐力道,單臂的輔助力為3至9公斤。

圖2、農事人員穿戴省力機具進行棚架類農事工作圖2、農事人員穿戴省力機具進行棚架類農事工作

(二)磁動力式省力輔具:適合使用在需要長時間舉臂的果樹作業上,例如採收木瓜時,農事人員需要長時間將手臂維持在一定的高度進行木瓜的採摘或修枝等作業,手臂肌力及體力的消耗會高於一般的採摘作業,此套磁動式省力機具單臂可提供3至5公斤的輔助力,透過磁動式動力源提供支撐力,將手臂固定在需要支撐的高度,以減少作業時的體力消耗。

此項研究成果已獲得「穿戴式上臂人機輔具」、「可調式外骨骼裝置」、「可調式省力裝置」、「穿戴式下肢人機輔具」等4項中華民國“發明”專利,國外的專利也正進行審查中。

三、技術應用與未來發展

「農用穿戴式省力機具」,可於農友工作時提供上肢手臂的輔助支撐力,降低農事人員進行採收與搬運時的體力負荷,經由儀器的量測數據也顯示具有明顯的省力效果,例如在葡萄園進行疏果作業30分鐘,男性農友可節省約27.7%的肌力消耗,女性農友則可減少52.7%肌力消耗;而使用在小果番茄的整蔓、摘芽工作上,女性農友可節省約65.9%的肌力消耗;在進行苦瓜的整蔓、套袋作業時,男性農友可降低約42.35%的肌力消耗;而男性農友進行文旦噴藥工作時,則可節省48%的肌力損耗,能讓農民減少體力負擔與疲勞感,增進工作效率,以及提升工作後的生活品質。

農委會並於109年度輔以農村再生基金計畫支持製作農用穿戴式省力機具80套,放置於全臺各區農改場,提供農友借用,計畫團隊並與桃園、臺中、臺南、高雄、臺東等區農業改良場、地方政府等合作,向全臺各地農會、農業師傅、農技團與產銷班進行推廣與測試,已陸續進行葡萄、棗、文旦、小果番茄、苦瓜、鳳梨釋迦、香蕉、木瓜等果樹的工作測試及近50場的應用說明會,經由田間實測及農事人員使用心得回饋統整,歸納出運用於棚架類作物或是需要長時間抬舉手臂作業的果樹最能發揮輔具的輔助效能。

此套省力機具技術研發成果,已於110年1月21日舉辦「農用穿戴式省力機具技術移轉簽約記者會」,廠商規劃預計今年第1季將可量產上市,後續農委會也將輔導業者申請納入農機補助,期能將此農業科技研發成果達到落地應用及擴散效益,在產、官、學三方合作下,為農事人員打造更優質友善的安全從農環境。

▲研發團隊:國立中山大學機械與機電工程學系

聯絡人:林韋至 副教授

電話:07-5252000分機4226

E-mail:wcl27cam@gmail.com

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