Kinematic Synthesis of Rehabilitation to Mechanisms for Human Knees

由於膝關節患者的復健需求，市場上可見多種不同型式的膝關節復健器，但其中多數都把設計的重點放在收納方便、操作簡易與其附屬功能上，較少考量人體膝關節的真實運動型式。 以人體膝關節的被動運動實驗為基礎，本研究綜合運用機構合成理論以及運動極心線之最佳化程序，嘗試尋求最接近原始動作的機構來導引膝關節。由其成果可見，合成機構的運動軌跡可與實驗所得者相符，該機構將可導引膝關節之真實動作，減少患者在使用時的不適，以發揮連續被動式運動的復建功能，從而有助於復建器的實務設計與改良。Owing to the needs of rehabilitation, there exist many types of knee rehabilitation devices in the market. However, most of them are designed by the convenience of storage, easy operation, and other auxiliary functions. The real motion of human knees is, in general, less considered. Based on the experiment of human knee motion, this project applies the theory of synthesis and an optimization procedure towards motion centroid in order to search for the best mechanism which fits human knees. The resulted mechanism has been proved to be able to faithfully trace the paths generated by the experiment. Using this approach, it is hoped to reduce discomfort of patients in their recovery and improve the design of current rehabilitation devices.誌謝 i 中文摘要 ii 英文摘要 iii 目錄 iv 第一章 序論 1 1.1 研究背景與動機 1 1.2 復健器之設計與回顧 2 1.2.1 單軸式 2 1.2.2 非單軸式 4 1.3 文獻回顧 6 1.3.1 復健之理論依據 6 1.3.2 運動數據處理 8 1.3.3 機構合成理論 9 1.4 研究目的與流程 10 1.5 論文架構 11 表格 13 圖例 14 第二章 膝關節運動之量測 22 2.1 實驗設備與方法 22 2.1.1 標記方式 22 2.1.2 標記點之選取 23 2.1.3 量測設備 24 2.1.4 實驗流程 24 2.2 座標轉換 25 2.2.1 尤拉角法 26 2.2.2 方向餘弦表示法 28 2.3 運動數據處理 29 2.3.1 剛體修正法 29 2.3.2 高頻濾波轉換 31 2.3.3 平面擷取 34 2.3.4 曲線擬合 35 表格 36 圖例 36 第三章 機構合成與最佳化 43 3.1 膝關節之運動極心線 43 3.2 合成設計規範 43 3.3 剛體位置導引法 44 3.4 閉迴路方程式 45 3.5 分支問題 46 3.6 機構合成之最佳化 48 3.6.1 設計變數 49 3.6.2 目標函數 49 3.6.3 限制條件 50 3.6.4 初猜值之選用 51 3.6.5 最佳化的數值方法 51 3.7 流程驗證與討論 54 表格 58 圖例 61 第四章 膝關節復健器合成 68 4.1 膝關節極心線 68 4.2 合成結果與分析 68 4.3運動實驗數據之相似性分析 70 4.4各種膝關節運動極心線之比較 73 4.4.1 三維死體被動量測實驗 73 4.4.2其他膝關節機構之運動特性分析 74 4.5合成結果討論 77 表格 80 圖例 81 第五章 結論與建議 91 5.1結論 91 5.2建議 92 5.3未來展望 93 參考文獻 9