臺灣博碩士論文加值系統

本論文基於開發智能通用設計的概念，依照現有復健醫學理論與人體工學，將國內外現有的下肢步態訓練系統及行動輔具技術，加入了新的元素，目的在於開發小型輕量化、價格便宜、以及兼具行動輔助與下肢步態復健及提供恆定減重之模組。在機構設計以改善上述現有系統的缺點，設計出兼具行動輔助功能之可移動式下肢復健系統的機械結構，其囊括三項系統模組：一、下肢外骨骼，二、行動輔具，三、減重支撐系統，外骨骼以Solidworks進行機構動態模擬及驗證。在分析系統動力學與運動學，利用D-H座標轉換法推導下肢外骨骼機構的正逆向運動學解，也依照拉格朗日(Lagrange)法推導動力學方程式，透過MATLAB進行下肢外骨骼的運動學方程式解的驗證與工作空間模擬。控制器設計採用『Type Ⅱ模糊滑動脈衝寬度調變控制策略』與『Type Ⅱ模糊滑動控制策略』，分別控制減重支撐時的恆定減重控制與單腿外骨骼的步態軌跡追蹤控制。在控制系統的部分，將嵌入式控制系統作為主軸，採用LabVIEW開發軟體環境搭配NI myRIO嵌入式控制器，完成下肢外骨骼、減重支撐系統與行動輔具的系統控制設計。硬體製作與系統設置及實驗的部分，根據設計方案進行研製足以驗證系統功能之機型與導入控制系統做實驗研究，根據實驗結果可證明，兼具行動輔助功能之可移動式下肢復健系統的控制系統可達到上述三項系統模組的設計要求；本論文所設計之控制器可應用於減重支撐系統的靜、動態恆定減重功能與下肢外骨骼的步態軌跡追蹤控制，實現行動輔具的安全性提升。

This thesis is based on the conception of intelligent universal design according to the theory of Physical Medicine and Rehabilitation and Human Factors and Ergonomics. This design involves new components to Lower Limb Rehabilitation Training and techniques for Mobility Aids, with the purpose to develop the small, lighter and cheap module with Mobile Rehabilitation System for Lower Limbs with Walking Aid Function and provide effective weight support. To improve the defects of the system, we design Mobile Rehabilitation System for Lower Limbs with Walking Aid Function which contains three system modules: (1) Lower Limbs Exoskeleton, (2) Mobility Aids, (3) Hanging weight support system. Lower Limbs Exoskeleton will be tested, verified and had dynamics simulation with Solidworks. To analyze the system of Dynamics and Kinematics, we try to deduce the forward and inverse kinematics solution for the structure of Lower Limbs Exoskeleton with The D-H coordinate transformation. We also deduce the Dynamics formula with The Lagrange method. Then we test and verify the Kinematics formula of Lower Limbs Exoskeleton and do the workspace simulation with MATLAB. The controller is designed with Type II Fuzzy Sliding PWM control and Type II fuzzy slide-mode control to control constant common hanging weight support and the treading track of single-leg Exoskeleton. For controlling the system, we use the core and the control system as the main axis with the core and the controller of NI myRIO by adopting LabVIEW to complete the design of system controller of Lower Limbs Exoskeleton, hanging weight support system and Mobility Aids. In the section of hardware production as well as the test and the setting of the system, the thesis is based on the design to research, produce and test the model of system function and import control system. According to the outcome of the experiment, the controlling system of Mobile Rehabilitation System for Lower Limbs with Walking Aid Function meets the demand of three system modules as mentioned. The controller designed for the thesis can be applied to the static or dynamic common weight support of hanging weight support system and the treading track of Lower Limbs Exoskeleton in order to enhance the safety of Mobility Aids.

摘要 i
ABSTRACT ii
誌謝 iv
目錄 v
表目錄 vii
圖目錄 viii
第一章 緒論 1
1.1 前言 1
1.2 文獻回顧 4
1.2.1 國外下肢助力及復健之研究 4
1.2.2 國內下肢助力及復健之研究 11
1.2.3 國外行動輔具之研究 13
1.2.4 國內行動輔具之研究 17
1.2.5 控制理論文獻回顧 18
1.3 研究動機及目的 20
1.4 論文架構 23
第二章 機構設計與原型機製作 24
2.1 人體腰部及下肢結構分析 24
2.1.1 人體下肢骨骼模型結構 25
2.1.2 人體下肢步態分析 28
2.1.3 人體下肢異常步態分析 30
2.2 兼具行動輔助功能之可移動式下肢復健系統研製 30
2.2.1 行動輔具 37
2.2.2 下肢外骨骼 42
2.2.3 減重支撐系統 49
2.2.4 嵌入式控制系統及電源規劃 53
第三章 運動學分析 58
3.1 下肢外骨骼運動學分析 58
3.1.1 正向運動學 59
3.1.2 逆向運動學 63
3.1.3 正逆向運動學模型驗證 65
3.2 下肢外骨骼動力學分析 67
3.3 行動輔具動態數學模型建立 78
3.4 人體步態軌跡曲線擬合 82
第四章 控制器設計 86
4.1 模糊邏輯控制理論 87
4.1.1 第一型模糊邏輯理論介紹 87
4.1.2 第二型模糊邏輯理論介紹 91
4.1.3 區間第二型模糊邏輯理論介紹 92
4.1.4 KM演算法 96
4.2 脈衝寬度調變 98
4.2.1 脈衝寬度調變原理介紹 99
4.2.2 基於脈衝寬度調變之直流馬達控制方式 100
4.3 區間第二型模糊滑動控制器 102
4.3.1 區間第二型模糊滑動平面控制器 102
4.3.2 歸屬函數的建立 104
4.4 區間第二型模糊滑動脈衝寬度調變控制器 105
第五章 實驗結果與討論 107
5.1 減重支撐系統恆定減重控制 107
5.1.1 減重支撐系統校正 108
5.1.2 靜態減重控制實驗 112
5.1.3 動態減重控制實驗 116
5.2 下肢外骨骼步態軌跡追蹤控制 119
5.2.1 下肢外骨骼單腿膝關節步態軌跡追蹤控制 119
5.2.2 下肢外骨骼單腿髖關節步態軌跡追蹤控制 121
5.2.3 下肢外骨骼單腿雙關節步態軌跡追蹤控制 122
5.3 行動輔具功能驗證 125
5.3.1 障礙物偵測與自動避障功能實驗 125
5.3.2 超音波感測功能實驗 132
5.3.3 遠端監控功能實驗 134
第六章 結論與未來展望 139
6.1 結論 139
6.2 未來展望 142
參考文獻 144
作者簡介 150

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