臺灣博碩士論文加值系統

人體自然的老化、疾病或意外的發生，常會造成下肢難以自主運動。本論文採用連桿機構，發展一欠驅動機器人系統，可作為未固定式下肢肌肉伸展運動之輔助裝置。本論文所設計之機構可區隔成受力端連桿機構與施力端連桿機構，此兩者藉由齒輪組匹配聯結，施力端則藉由氣壓缸提供動力來源。為適應不同使用者的未知不同施力，本論文在可變外力的擾動假設之下，設計一以函式近似技術為基礎的適應性控制器。此控制器是以多層滑動適應性控制法則來解決系統高度非線性的問題，並使用函數近似技術進行系統未知變數的估測。由模擬結果可知，即使在未知外力的擾動情況之下，所設計的控制器仍能使系統穩定。

The human body's natural aging, disease or accidental occurrence, causes the lower limb to be unable to exercise autonomously. This paper, uses four-bar linkage to develop an underactuated robotics system, which as an unfixed assistive technology device for lower limb stretching exercise. The underactuated robotics can be separated into the force end linkage and the applied force end linkage, both combine with gears and the power source is provided by the pneumatic cylinder. In order to adapt to different user's application forces, this paper designs an adaptive controller based on function approximation technique under the assumption of variable external forces. This controller uses multilayer sliding adaptive control law to solve the problem of highly nonlinear system, and use function approximation technique to estimate the unknown variables. The simulation results show that the controller can still stabilize the system even under the disturbance of unknown external forces.

目錄
明志科技大學碩士學位論文指導教授推薦書 i
明志科技大學碩士學位論文口試委員會審定書 ii
誌謝 iii
中文摘要 iv
ABSTRACT v
目錄 vi
圖目錄 viii
表目錄 x
符號說明 xi
第一章 前言 1
1.1 研究背景 1
1.2 研究動機 1
1.3 研究目的 4
1.4 論文架構 5
第二章 人體下肢構造 6
2.1 肌肉構造 6
2.2 肌肉運動原理 7
2.3 肌肉運動反應 8
2.4 下肢生理結構 10
2.5 伸展運動 13
2.6 下肢計測 14
第三章 系統化機械臂設計 15
3.1 設計構想 15
3.2 運動尺寸合成 16
3.3 驅動器配置 17
3.4 機構自由度與運動鏈 21
3.5 位移方程式 22
3.6 滾動接觸方程式 27
3.7 角速度方程式 29
3.8 角加速度方程式 30
第四章 控制器設計 33
4.1 系統數學模型 33
4.1.1 機械臂之動態方程式 33
4.1.2 壓缸氣室之熱力平衡方程式 38
4.1.3 系統狀態方程式 39
4.2 控制器設計 39
4.2.1 順滑控制器模型 40
4.2.2 函數近似技術 42
4.2.3 Lyapunov穩定度判定 42
第五章 模擬結果 45
5.1 假設條件與參數規格 45
5.2 模擬結果與討論 46
第六章 結論與建議 51
第七章 參考文獻 52
附錄 53

圖目錄
圖1-1 懸吊訓練系統 2
圖1-2 拉筋訓練床 2
圖1-3 下肢用リハビリ装置 LR2 3
圖2-1 骨骼肌構造 6
圖2-2 肌肉收縮方式 8
圖2-3 右腳前視圖(表層、淺層) 10
圖2-4 右腳後視圖(表層、淺層、深層) 10
圖2-5 下肢肌肉分佈圖(前視、後視淺層、後視深層)11
圖2-6 髖關節運動 12
圖2-7 膝關節運動 12
圖2-8 踝關節運動 12
圖2-9 仰躺跨腿式臀部伸展運動 13
圖2-10 仰躺式屈膝之腿後肌伸展運動 13
圖2-11 仰躺式伸直之腿後肌伸展運動 13
圖2-12 人體坐姿側視圖 14
圖3-1 手指解剖構造 16
圖3-2 機構設計圖 17
圖3-3 驅動器配置 18
圖3-4 驅動器配置改良 19
圖3-5 欠驅動機械臂3D模擬圖與成品圖 19
圖3-6 坐姿下肢伸展運動 20
圖3-7 躺姿下肢伸展運動 20
圖3-8 4桿4接頭與3桿3接頭運動簡圖 22
圖3-9 欠驅動機械臂之機構簡圖 23
圖3-10 欠驅動機械臂角位移 28
圖3-11 欠驅動機械臂角速度 30
圖3-12 欠驅動機械臂角加速度 32
圖4-1 欠驅動機械臂系統 33
圖4-2 抗力端機件自由體圖 35
圖4-3 欠驅動機械臂系統局部放大圖 36
圖4-4 施力端機件自由體圖 37
圖5-1 實際軌跡 46
圖5-2 S1訊號誤差 46
圖5-3 實際軌跡 47
圖5-4 S1訊號誤差 47
圖5-5 實際軌跡 48
圖5-6 S1訊號誤差 48
圖5-7 實際軌跡 49
圖5-8 S1訊號誤差 49

表目錄
表1-1 拉筋訓練床功能一覽 2
表1-2 下肢用リハビリ装置 LR2功能一覽 3
表1-3 下肢伸展機構 4
表2-1 下肢肌肉分類 10
表2-2 下肢關節活動度分類 12
表2-3 仰躺式伸展運動 13
表2-4 人體計測表 14
表3-1 機構尺寸設計 17
表5-1 元件規格 45

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