中風病人穿戴式外骨骼之設計分析

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姓名

黃靖傑(Ching-Chieh Huang) 查詢紙本館藏

畢業系所

機械工程學系

論文名稱

中風病人穿戴式外骨骼之設計分析
(Design and Analysis of Wearable Exoskeleton for Stroke Patients)

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摘要(中)

腦血管疾病是國人的一大威脅，雖現今已有一定的醫療水準，仍有以肢體運動功能障礙為主的後遺症，而此類後遺症所造成的生活不方便，可以透過外骨骼復健得到相當程度的改善。
目前國內之外骨骼大多採用無動力外骨骼或電機外骨骼，鮮少使用液壓作為外骨骼動力來源，而液壓系統可以較小的體積輸出較大的功率，也不存在減速齒輪磨耗的問題，因此是一項新穎的外骨骼驅動系統。
本研究建立一套外骨骼輔具機構，採用液壓作為致動系統，期望達到大的輸出力度。在設計方面，透過SolidWorks 建構出外骨骼模型，外骨骼的長度以人體骨骼做為參考，並以Ansys Workbench對外骨骼進行靜態負載下的應力、應變及變形量分析，並且達到收斂性分析15%內，也模擬外骨骼在病患負載下的分析，確保外骨骼在上述情況下不會產生塑性變形。
在外骨骼驅動方面，本研究使用TMS320F28335數位訊號處理器作為控制器，控制外骨骼的運作。

摘要(英)

Cerebrovascular diseases pose a significant threat to the population of the country. Although there has been considerable progress in medical standards, residual effects, primarily manifested as impaired limb mobility, continue to persist. These post-effects lead to inconvenience in daily life, which can be significantly improved through exoskeleton rehabilitation.
Currently, most domestically developed exoskeletons utilize either non-powered exoskeletons or motorized exoskeletons. Hydraulic systems, however, are rarely employed as an exoskeleton power source. Hydraulic systems offer the advantage of producing larger power output with a smaller volume, while also avoiding issues related to gear wear. Consequently, hydraulic systems present a novel approach to exoskeleton propulsion.
This study aims to establish an exoskeleton assistive mechanism utilizing hydraulic power for actuation, with the goal of achieving substantial output force. In the design phase, the exoskeleton model is created using SolidWorks, with the length of the exoskeleton derived from human skeletal dimensions. Ansys Workbench is employed to conduct stress, strain, and deformation analyses on the exoskeleton under static loads. The analysis is performed until achieving convergence within 15% and is extended to simulate exoskeleton behavior under patient loads, ensuring that the exoskeleton does not undergo plastic deformation under the aforementioned conditions.
Regarding exoskeleton propulsion, this research employs the TMS320F28335 digital signal processor as the controller to regulate the operation of the exoskeleton.

關鍵字(中)

★ 穿戴式外骨骼
★ DSP數位訊號處理器

關鍵字(英)

★ Wearable Exoskeleton
★ DSP

論文目次

摘要 i
Abstract ii
謝誌 ii
目錄 iv
圖目錄 vi
表目錄 ix
一、緒論 1
1-1 研究背景與動機 1
1-2 文獻回顧 5
1-3 論文架構 10
二、研究設備介紹 11
2-1 實驗軟體設備 11
2-1-1 SolidWorks 3D CAD 軟體 11
2-1-2 Ansys Workbench工程模擬軟體 12
2-1-3 Code Composer Studio 編程軟體 12
2-2 實驗硬體設備 13
2-2-1 TMS320F28335 數位訊號處理器 13
i. 通用數位輸入/輸出(GPIO) 15
2-2-2 液壓系統 17
i. 液壓動力單元 17
ii. 液壓缸 19
iii. 電磁換向閥 22
2-2-3 繼電器模組 25
2-3 實驗架構 27
三、研究方法 29
3-1 機構設計 29
3-1-1 上肢設計 30
3-1-2 下肢設計 32
3-1-3 材料機械性質考量 33
3-2 Ansys Workbench分析 35
四、研究成果 37
4-1 SolidWorks 外骨骼建模 37
4-2 Ansys Workbench分析 42
五、結論與未來展望 53
5-1 結論 53
5-2 未來展望 54
六、參考文獻 55

參考文獻

[1] 衛生福利部：110年國人死因統計結果。111年6月30日，取自https://www.mohw.gov.tw/cp-16-70314-1.html。
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[3] 元氣網：僅6.8公斤智慧輔具機器人當你的另一雙腳。107年3月8日，取自https://health.udn.com/health/story/5967/3018160。
[4] 李思平：淺談動力外骨骼發展（上）：輔助動力緣起與硬式外骨骼。取自https://www.dtmdatabase.com/News.aspx?id=730。
[5] 吳聖麟，「可切換坐/站姿態的重力平衡下外骨骼設計」，國立臺灣大學，碩士論文，民國110年。
[6] Z. Tang, et al. “Electro-hydraulic Servo System For Human Lower-limb Exoskeleton Based On Sliding Mode Variable Structure Control”, in 2013 IEEE International Conference on Information and Automation(ICIA), Yinchuan, China, 26-28 August 2013。
[7] D. Liu, et al. “The Motion Control of Lower Extremity Exoskeleton Based on RBF Neural Network Identification”, in 2015 IEEE International Conference on Information and Automation(ICIA), Lijiang, China, 08-10 August 2015。
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[10] 張卿杰等，手把手教你學DSP-基於TMS320F28335，第2版，北京航空航天大學出版社，北京，2018年。
[11] 莆洋國際電子有限公司，說明書下載，1208系列-5/12/24V 1路/2路/4路/8路繼電器高/低電平驅動板，第8頁。取自http://www.pu-yang.com.tw/download.html。
[12] 壹讀：第171講：5個細節打磨彎舉動作，讓你的肱二頭肌訓練事半功倍。107年10月2日。取自https://read01.com/zh-hk/oLgRNkQ.html。
[13] 維基百科：股四頭肌。取自https://zh.wikipedia.org/zh-tw/%E8%82%A1%E5%9B%9B%E9%A0%AD%E8%82%8C。
[14] 東野精機股份有限公司，M8系列-鋁擠型，斷面圖。取自https://www.efc-tono.com/index.php?route=product/product&path=4_15
&product_id=105。

指導教授

董必正(Pi-Cheng Tung)

審核日期

2023-8-17

推文