本論文主要目的是設計一部上、下階梯訓練之下肢復健系統。系統設計目標可分為兩項：第一，限制系統空間維度使其適用於居家環境中；第二，系統可隨患者訓練方向自動的調控其循環之方向。

本論文藉由TRIZ理論建構系統之概念設計，並運用此理論分析系統設計之問題。透過理論分析可知本論文設計問題主要在解決三大部份：空間分析及最佳化、階梯型態轉換、階梯循環控制。空間分析，主要透過階梯的運動軌跡探討如何將系統的空間壓縮至最低，設計前先假設運動軌跡之幾何屬性，並藉由數學分析找出問題之最佳解。階梯型態轉換，是一種改造階梯型態的設計，可將階梯型態轉換由展開到收闔或收闔到展開，且為了讓階梯型態轉換順利並將一小部分的階梯軌跡改為彈性設計。階梯循環控制是為了讓使用者於訓練過程能維持在相同位置之設計，此研究將採用PID控制器的設計來探討此控制器是否可讓系統達到此項設計要求。

本論文的下肢復建系統藉由研究結果表示，透過一定的設計過程可針對此三個問題提出解決方案，並且都有不錯之結果顯示。

The study is to propose a novel design for the lower limb rehabilitation system through the motion training of stepping upward or downward. A main goal of this design is to constrain the system dimension to a small value for home use purpose. It is also desired that the functioning of system is automatic that the direction of stepping upward or downward can be changed arbitrarily in the training process.

The TRIZ theory, which offers a systematic thinking process for problem solving, is adopted in this study to construct the first step of conceptual design. From the theory, the problems of system design is mainly to deal with three issues, which are the spatial analysis and optimization, motion conversion design for ladder, and the motion control of ladder. The spatial analysis is to investigate the optimal trajectory of ladder motion that the total space of the system can be minimized. It is done by assuming a specific geometrical property of ladder trajectory and solving the optimization problem through the parameter optimization. The motion conversion design is to invent an approach to change the configuration of ladder from either open-to-close or close-to-open status. To do so, a small section of ladder trajectory is asked to be flexible and a mechanism to trigger the configuration change is proposed. The motion control is to maintain the user located in an almost same location while the training is preceded. In this study, the PID control scheme is adopted to examine whether the control goal can be properly achieved.

This study reveals that a proper design can be obtained through the specific process of problem solving. The system is shown to function well when the above
three issues are solved by the proposed schemes.

謝誌 I
目錄 II
圖索引 IV
表索引 VI
摘要 VII
Abstract VIII
第一章 緒論 1
1-1 研究背景與動機 1
1-2 現有技術及相關研究回顧 2
1-3 研究方法 8
1-4 內容介紹 9
第二章 概念設計 10
2-1 問題解決策略的回顧 10
2-2 下肢復健系統概念設計 16
2-3 下肢復健系統設計之雛型 22
第三章 空間分析及最佳化 23
3-1 軌道架構設計 23
3-2 上、下軌道為同心圓的空間分析 29
3-3 上、下軌道為非同心圓的空間分析 35
3-4 上、下軌道空間最佳化的設計 38
第四章 階梯型態轉換系統設計 39
4-1 分析上、下軌間距設計對階梯轉換型態系統的影響 39
4-2 階梯型態轉換系統設計 41
第五章 位置控制系統設計 46

5-1 下肢復健系統回饋控制 46
5-2 控制器的設計 50
第六章 討論 57
6-1 空間之分析與最佳化 57
6-2 階梯型態轉換系統設計 58
6-3 位置控制系統設計 58
第七章 結論 60
未來展望 61
參考文獻 63
附錄一 66
附錄二 68

【1】 內政統計資訊服務網 http://www.moi.gov.tw/stat/
【2】 健康美醫材行-復健器材 http://www.healthymaster.com.tw/sitebuilder/page242.php
【3】 陳昇全，健身梯，中華民國專利公告第80595號，1986。
【4】 A. L.W. BEGG, System Of Locomotion, 美國專利第1,239,077號, 1917.
【5】 Temple W. Allen, Stair Step Exercise Machine, 美國專利第5,328,420號, 1994.
【6】 Paul Cares, Exerciser, 美國專利第5,145,475號, 1992.
【7】 Shao-Ying Chang, Exercise Stair Device, 美國專利第4,726,581號, 1988
【8】 W.K.Harrison ET AL, Exercise Escalator, 美國專利第3,497,215號, 1970.
【9】 Billie D. Parsons Milesville, S. Dak., Revolving Step Exerciser With Adjustable slope, 美國專利第3,592,466號, 1971.
【10】 Lanny L. Potts, Treadmill Exerciser, 美國專利第4,687,195號, 1987.
【11】 張紹營，階梯式健身機，中華民國專利第286564號，1995。
【12】 徐孟輝，階梯式健步機，中華民國專利第552961號，2002。
【13】 熊欣怡、顏國智、廖嘉郁、陳俊瑋、顏鴻森，循環式階梯機，中華民國專利第448062 號，2000。
【14】 莊錦賜，TRIZ 創意技法，http://www.ccda.org.tw/
【15】 宋明弘 (民國98年)，TRIZ萃智-系統性創新理論與應用。台北：鼎茂圖書。
【16】 姜台林譯 (2008)，TRIZ發明問題解決理論。台北：宇河文化出版。
【17】 潘志文、蕭詠今譯 (2008)，TRIZ矛盾創意思可突破法。台北：鼎茂出版社。

【18】 Yoshiki Nakamura, (2003). The Effective Use of TRIZ with Brainstorming, The TRIZ Journal.
【19】 Semyon D. Savransky, (2000). Engineering of Creativity：Introduction to TRIZ Methodology of Inventive Problem Solving, Boca Raton, Fla：CRC Press.
【20】 Theory of Inventive Problem Solving (TRIZ)，http://www.mazur.net/triz/
【21】 創意問題解決－TRIZ，http://www.cyut.edu.tw/~tengli/methods/TRIZ/TRIZ%20intro.htm
【22】 Alan Webb, (2002). TRIZ：an inventive approach to invention, Engineering Management Journal (IEEE).
【23】 王仁慶，TRIZ創新設計方法之改良研究，成功大學碩士論文，2002。
【24】 劉志成，TRIZ方法改良與綠色創新設計方法之研究，成功大學博士論文，2003。
【25】 朱晏樟，整合TRIZ與功能分析之設計方法研究，成功\\\\\\\\大學碩士論文，2003年6月。
【26】 Rantanen K., & Domb E., (2002). Simplified TRIZ : New Problem-Solving Applications for Engineers & Manufacturing Professionals, CRC.
【27】 Michael A. Orloff, (2006). Inventive Thinking through TRIZ: A Practical Guide, Springer(2nd ed).
【28】 Ik-Cheol Kim, (2005). 40 Principles as a problem finder, The TRIZ Journal.
【29】 Genrich Altshuller, (1997). 40 Principles：The keys to technical innovation, Worcester, MA：Technical Innovation Center.
【30】 Ellen Domb, (1997). 40 Inventive Principles with Examples, The TRIZ Journal.
【31】 顏鴻森(著)，謝龍昌、徐孟輝、瞿嘉駿、黃馨慧 (譯) (2006)，機械裝置的創意性設計。台北：臺灣東華。

【32】 鄒慧君、顏鴻森(2008)，機械創新設計理論與方法。北京市：高等教育出版社。
【33】 顏鴻森(1997)，機構學。台北市：臺灣東華。
【34】 蘇楓元，一種沙發床之機構設計，成功大學碩士論文，2007。
【35】 林義閔，一種新型多點式榫眼鎖之機構設計，成功大學碩士論文，2007。