膝關節是人體上最複雜的關節之一。極心線能有效描述膝關節運動特性，可用於設計符合患者健康膝關節特性之輔具。過去文獻中皆以影像法對受試者腿部運動進行拍攝，透過取得之影像求膝關節極心線。本研究配合人類膝關節具有滾動及滑動特性，開發一台極心線量測座椅。該設備安裝兩個旋轉譯碼器及一個光學尺，擷取受試者腿部運動的訊號，進行多項式曲線擬合改善其精度後，利用機構學剛體位移矩陣可迅速計算出受試者膝關節之固定與運動極心線。本研究之固定極心線是固定於大腿上，運動極心線是固定於小腿上。利用小腿上之運動極心線與大腿上之固定極心線互相純滾動之特性，此時之固定極心線為運動極心線之內包絡線，並可完整描述小腿與大腿間之相對運動。在膝關節周圍選取適當之設計點固定於運動極心線上，當運動極心線在固定極心線上純滾動時，所產生之軌跡相當於四連桿機構之耦桿點曲線。選擇二條設計點之耦桿點曲線，作為銷槽機構之依據，即可設計符合原來健康膝關節運動特性之雙溝槽式膝關節輔具。所設計之輔具能符合受試者健康膝關節之運動特性。

The Knee joint is one of the most complicate joints of the human body. The centrode is one of the most efficient ways to describe the kinetic characteristics of human knee joints. There were many studies on the motion of the human knee joint using X-ray or camera to take photographs. This study develops a measuring stand consisting of three encoders are used to record the motion data of the human knee joint. The data averaging method and curve fitting technique have been used to minimize the measuring errors. The rigid body displacement method is used to calculate the fixed and moving centrode of the patients. The fixed centrode is located at thigh and the moving centrode is located at lower leg. When the moving centrode is rolling without slip on the fixed centrode, the trajectory of the certain appropriate point on the lower leg is equivalent to the coupler-point-curve of four-bar linkage. The coupler curves of the coupler-points are analyzed and a pairs of the coupler curves are choose as a pair of pin-in-slot kinematic pairs. The pin-in slot kinematics pairs are used to design the orthoses. The motion of the design of the orthoses is almost the same as the healthy knee of the patient.

謝 誌 ii
中文摘要 iv
Abstract v
目 錄 vi
圖 次 viii
表 次 xii
第 一 章 緒論 1
1.1研究動機與目的 1
1.2文獻回顧 2
1.3本文架構 14
第 二 章 膝關節輔具 15
2.1人體膝關節構造 15
2.2人體步態 18
2.3膝關節輔具設計種類 20
第 三 章 基本理論 22
3.1平面剛體位移 22
3.2極心及極心線基本定義 25
3.3曲線擬合法 26
3.4包絡線原理 28
第 四 章 膝關節量測座椅之設計 30
4.1概念設計 30
4.2參數之定義 31
4.3儀器配置 32
4.4傳動系統設置 38
第 五 章 實驗流程 41
5.1軟體分析與誤差模擬 41
5.1.1軟體分析 41
5.1.2固定極心線公式推導 44
5.1.3驗證極心公式 46
5.1.4儀器誤差範圍模擬極心線變化 47
5.2實際四連桿之量測實驗 50
5.2.1四連桿固定極心線結果 51
5.2.2曲線擬合法 54
5.3人體膝關節量測實驗 58
5.3.1實驗流程 58
5.3.2膝關節之固定與運動極心線 63
5.4輔具設計 68
5.4.1設計點與設計點曲線 69
5.4.2輔具運動模擬與量測實驗結果 73
第 六 章 結論與建議 82
6.1結論 82
6.2建議 83
參考文獻 85
圖附錄一 受試者81組固定極心線 91
圖附錄二 設計點路徑軌跡圖 133

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