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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:洪健凱
研究生(外文):Hung, Chien-Kai
論文名稱:手臂外骨骼系統研究
論文名稱(外文):The Study on Arm Exoskeleton System
指導教授:王進猷王進猷引用關係
指導教授(外文):Wang, Chin-Yu
口試委員:李政男沈士育
口試日期:2012-07-10
學位類別:碩士
校院名稱:正修科技大學
系所名稱:機電工程研究所
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2012
畢業學年度:100
語文別:中文
論文頁數:98
中文關鍵詞:撓性壓力感測器手臂外骨骼
外文關鍵詞:Flexiforce SensorArm exoskeleton
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  • 被引用被引用:2
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隨著科學技術的不斷發展,機器人的也應用也越來越深入到我們的日常生活中,機器人的速度、力量與準確性都是一般人所無法比擬的。因此機器人可以代替人從事一些人體所無法承受的工作,但機器人目前的智能並沒有辦法擁有像人一樣的思考和判斷能力,因此也才有了穿戴式外骨骼機器人的誕生。
本論文針對手臂外骨骼設計了以撓性壓力感測器作為感測主體的二軸壓力感測裝置,來感測人體手臂移動方位,透過MCP3208將撓性壓力感測器的類比訊號轉換成數位訊號,利用BC2微電腦系統去分析與推算,得到兩個關節的扭矩分配量,依照扭矩分配量將動力分配至各關節,建立了完整的手臂外骨骼控制系統,並成功的驅動了手臂外骨骼作動。

Following the continuous development of science and technology, robots are more deeply applied in our daily life presently. The speed, strength and accuracy of the robots can’t be compared to the humans. Robots can replace humans in some of the work unbearable to human bodies. However, at present, the intelligence of the robots doesn’t have the ability to think and make decisions like humans do. Thus, the wearable exoskeleton robots were created.
This study focused on the piezoelectric arm exoskeleton and designed a Flexiforce Sensor to serve as the biaxial pressure sensor of the main sensor to detect the range of movement of a human arm. The analog signal of the Flexiforce Sensor is changed to digital signal through MCP3208. Then, BC2 microcomputer was used to conduct the analysis and derivation to obtain torque allocations of the two joints. Last, this study established a complete piezoelectric arm exoskeleton system and successfully operated the movements of the arm exoskeleton according to the torque allocation force distribution to each joints.

摘要 I
Abstract II
致謝 III
目錄 IV
圖目錄 VII
表目錄 XI
第1章 緒論 1
1.1研究動機、目的及背景 1
1.2研究內容與架構 3
1.3文獻回顧 6
第2章 相關介紹與理論基礎 9
2.1感測器 9
2.1.1 撓性壓力感測器(Flexiforce Sensor) 9
2.1.2 分壓電路 11
2.1.3 運算放大器 13
2.2 類比數位訊號 18
2.2.1 類比訊號(Analog signal) 19
2.2.2 數位訊號(Digital signal) 20
2.2.3 類比轉數位與數位轉類比 21
2.3 MCP3208 22
2.4 控制系統 28
2.4.1 BASIC Commander®硬體概述 29
2.5 innoBASIC™ Workshop 開發軟體 33
2.6 雙直流馬達控制模組 MR 2x30a 36
第3章 系統控制策略 40
3.1 手臂運動定義 40
3.2轉向轉速分配 42
3.3 PID控制 52
3.3.1 數位增量式PID算法 52
3.3.2 比例(P) 54
3.3.3 積分(I) 54
3.3.4 微分(D) 54
第4章 系統軟硬體架構 56
4.1 二軸壓力感測裝置 56
4.2手臂外骨骼架構 58
4.3 控制系統電路 63
4.4 系統軟體規劃 66
第5章 系統測試與實驗結果 68
5.1 壓力感測裝置角度試驗 68
5.2 手臂外骨骼運作軌跡 73
第6章 結論與展望 80
6.1 結論 80
6.2 未來展望 81
參考文獻 82

[1] 杜金霞,”仿人臂通用機器人的研究”, 蘭州理工大學碩士學位論文,2008。
[2] 李向軍,”手臂助力系統設計及實驗研究”,北京交通大學碩士學位論文,2008。
[3] 李華召,”手臂外骨骼的控制及仿真研究”,哈爾濱工程大學工學碩士學位論文,2008。
[4] 李慶玲,”基於 sEMG 信號的外骨骼式機器人上肢康復系統研究”,哈爾濱工業大學工學博士學位論文,2009。
[5] 孫建,余永,葛運建,陳峰,沈煌煥,”基於接觸力信息的可穿戴型下肢助力機器人傳感系統研究”,中國科學技術大學學報,2008。
[6] 鍾啓仁,”機器人控制入門-以BASIC Commander MCU為例”,藍海文化,2011。
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[8] C. G. Burgar, P. S. Lum, P. C. Shor, et al. Development of robots for Rehabilitation therapy: the Palo Alto VA/Stanford experience. Journal of rehabilitation research and development. 2000, 37(6): 663-673.
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[10] P. S. Lum, C. G. Burgar, P. C. Shor. Use of the MIME robotic system to retrain multi-joint reaching in post-stroke hemiparesis: why some movement patterns work better than others. Proceeding of the 25th IEEE International Conference on Engineering in Medicine and Biology Society. 2003: 1475-1478.
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[14] Jiping He, E. J. Koeneman, R. S. Schultz, et al. RUPERT: a device for robotic upper extremity repetitive therapy. Proceeding of the 27th IEEE International Conference on Engineering in Medicine and Biology Society. 2005: 6844-6847.
[15] T. G. Sugar, Jiping He. E. J. Koeneman. Design and control of RUPERT: a device for robotic upper extremity repetitive therapy. IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering. 2007, 15(3): 336-346.

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