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系統識別號 U0002-0408201517043400
中文論文名稱 智慧型馬術模擬復健機之控制系統設計
英文論文名稱 The Intelligent Control System Design for the Simulated Hippotherapy Machine
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 機械與機電工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Mechanical and Electro-Mechanical Engineering
學年度 103
學期 2
出版年 104
研究生中文姓名 辜玟棋
研究生英文姓名 Wen - Ci Ku
學號 602370347
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2015-07-02
論文頁數 70頁
口試委員 指導教授-楊智旭
委員-陳炤彰
委員-楊智旭
委員-吳乾埼
中文關鍵字 踩踏輔助裝置  動力輔助控制系統  模糊控制器 
英文關鍵字 Stampede Auxiliary Device  Assisted Control System  Fuzzy controller 
學科別分類 學科別應用科學機械工程
中文摘要 智慧型馬術模擬復健機可同時復健下肢肌肉群、腰部肌力及訓練身體自主平衡,由於比較嚴重的患者可能下肢較無力,導致無法踩動腳踏板,本研究之目的是設計一個智慧型馬術模擬復健機的動力輔助控制系統,來輔助患者可依照自身的踩踏力量,讓AC伺服馬達輸出相對應的動力帶動腳踏板及座椅,並同時達成上半身核心肌群與下肢肌群,達到復健的效果。
本動力輔助控制系統有兩種模式來輔助患者;第一模式為輔助動力模式,利用踩踏輔助裝置,偵測患者踩踏的力量與飛輪轉速輸入至模糊控制器,再利用模糊控制器輸出電壓訊號使AC伺服馬達產生動力帶動腳踏板及座椅,讓患者能夠踩動且同時訓練腹部核心肌群達到復健之目的。第二模式為等速度運動,採取等速運動的方式讓患者被動做復健,可以訓練其肌耐力,達到肌肉有效的收縮運動。最後,模擬實驗方式驗證本控制系統在不同的踩踏力下馬達則以輸出相對應的動力來輔助患者,達到復健之目的。
英文摘要 The Intelligent Simulated Hippotherapy Machine is helpful to rehabilitate the muscles of legs and waist, also it is beneficial to balance training during the rehabilitation treatment simultaneously. As a result of legs weakness, the patients who are much more serious cannot tread the pedal. For this reason, the objective of this research is to develop power assisted control system of the Intelligent Simulated Hippotherapy Machine. In order to assist patients to tread in accordance with their own strength, the AC servo-motor send a corresponding output voltage to drive the pedals and seat. Owing to this design, the patients can achieve the proper rehabilitated effect of the upper part of the core muscle group and lower limb muscle groups at the same time.
This system has two assisted modes for patients. First mode is auxiliary power system; it takes advantage of stampede auxiliary device to detect the signal of trampling strength and the rotating speed of flywheel. Then transfer it into fuzzy controller and calculate the voltage signal to improve AC servo-motor produces electrical power to drive the pedals and seat. By this, the patients can tread and rehabilitate the muscles of waist all at once.
The second mode is for the constant velocity motion. With uniform motion, the patients can do their recovery passive. This method not only can train their muscle endurance, also can make muscular contraction efficient. At last, the simulated experiment verify this control system can assist the patients by different strength of trampling with corresponding output power to reach the purpose of physical therapy.
論文目次 目錄
中文摘要 I
英文摘要 II
目錄 IV
表目錄 VI
圖目錄 VII
第一章 緒論 1
1-1、 前言 1
1-2、 研究動機與目的 3
1-3、 相關文獻 5
第二章 模糊理論 7
第三章 研究設備 14
3-1、 直流無刷馬達 14
3-2、 AC伺服馬達 21
3-3、 圓形近接開關 24
3-4、 FlexiForce 壓力感測器 25
3-5、 PLC可程式控制器 28
第四章 研究步驟 30
4-1、 硬體系統 31
4-2、 軟體系統 38
4-3、 監控系統介面 49
第五章 實驗結果與驗證 50
5-1、 實驗結果 50
5-2、 騎乘狀態 61
第六章 結論與未來展望 64
6-1、 結論 64
6-2、 未來展望 65
參考文獻 66
附錄A 模糊控制器程式範例 70

表目錄
表1.1 、GMFCS分類系統 2
表3.1 、直流無刷馬達規格 17
表3.2 、直流馬達驅動器規格 18
表3.3 、直流馬達驅動器接線圖 19
表3.4 、AC伺服馬達規格 22
表3.5 、FlexiForce 壓力感測器規格 27
表4.1 、模糊規則庫 44

圖目錄
圖1.1、Rifton公司 復健用的三輪車 6
圖2.1、四種常用的歸屬函數外形 8
圖2.2、模糊邏輯控制器架構 9
圖3.1、直流無刷馬達基本原理 15
圖3.2、電子式換相系統 16
圖3.3、直流無刷馬達實體圖 18
圖3.4、直流馬達驅動器 20
圖3.5、行星減速機 21
圖3.6、控制流程圖 22
圖3.7、AC伺服馬達 23
圖3.8、AC伺服馬達驅動器 23
圖3.9、CST減速機 24
圖3.10、圓形近接開關 25
圖3.11、FlexiForce 壓力感測器 26
圖3.12、壓力與電壓關係圖 28
圖3.13、PLC 內部架構圖 29
圖3.14、台達PLC外觀 29
圖4.1、智慧型馬術模擬復健機 30
圖4.2、壓力感測器線路圖 32
圖4.3、狗嘴套安全踏板 33
圖4.4、足底分區圖 33
圖4.5、踩踏輔助裝置 34
圖4.6、系統整合架構圖 36
圖4.7、動力電路圖 37
圖4.9、第一模式控制流程圖 40
圖4.10、壓力感測器的誤差值(e)歸屬函數 43
圖4.11、轉速(s)歸屬函數 43
圖4.12、馬達輸出(μ)歸屬函數 43
圖4.13、第二模式控制流程圖 47
圖4.14、第一模式/第二模式開關位置 48
圖4.15、PLC監控系統 49
圖5.1、固定壓力誤差值100(1kgf)與馬達動力輸出圖 53
圖5.2、固定壓力誤差值900(5kgf)與馬達動力輸出圖 55
圖5.3、固定轉速(40 RPM)比較圖 57
圖5.5、第一段變速,馬達動力輸出27% 59
圖5.6、第二段變速,馬達動力輸出55% 60
圖5.7、第三段變速,馬達動力輸出80% 60
圖5.8、智慧型馬術模擬復健機前視圖 61
圖5.9、智慧型馬術模擬復健機側視圖 62
圖5.10、智慧型馬術模擬復健機後視圖 63
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