本研究以混成法(hybrid method)為基礎，發展一套可提供轉矩控制（Moment Control）與角度位移控制（Angular-Displacement Control）的連續式純彎矩負載測 試平台。機台主體架構由鋁擠型組成（長 150 公分 x 寬 100 公分 x 高 115 公分）
(圖 2-1~2-3)，包含致動模組、控制模組與量測模組三部份。馬達為動力輸出來源，
藉由伸縮導桿組傳動負載至試樣頂端，施予試樣純彎矩負載。利用 LabVIEW （由 National instrument 公司所發行之軟體）程式擷取系統中各感測器訊號，並搭配二 台 CCD 紀錄椎骨連續式運動。藉由機器視覺的直接線性轉換法（Direct Linear Transformation，DLT）原理，將連續的二維影像轉換成三維空間中廣義座標的三 維旋轉量，以分析試樣的運動情形。
圖 2- 1 混成法測試機台主體
圖 2- 2 機台前視圖
圖 2- 3 機台後視圖 2-1-1 致動模組
如圖 2-4，致動模組包含馬達（東方馬達公司，BX460AM-200）、伸縮導桿組，
以及一上夾具。伸縮導桿全長 90 公分，有 10 公分的伸縮行程。前端為長度 70 公 分的鋁桿，後端以高剛性聯軸器串聯相接具有 10 公分伸縮行程的伸縮套筒。
圖 2- 4 致動模組(紅色) 2-1-1-1 伸縮導桿組
伸縮導桿組包含滾珠導桿（BESKF-200）和套筒（圖 2-5），導桿與套筒可以 前後滑動不相對旋轉的機構設計讓伸縮導桿只傳送扭矩而不產生軸向推力。另 外，導桿的前後端各接上萬向接頭，使導桿可隨試樣移動而跟隨不受拘束。導桿 可傳達馬達輸出的扭矩到試樣端，並使試樣在受到負載後保持在主平面（principle plane）上運動。
圖 2- 5 伸縮導桿組 2-1-1-2 上夾具
上夾具有頭重平衡裝置，可平衡夾具重量，夾具上置有單軸扭力計與雙軸角 度計(如圖 2-6)。上夾具全重約 1.5 公斤，夾具重心位在平板中心上方約 0.5 公分處。
為了不讓上夾具重量直接施加於受測試樣上，影響椎骨運動表現，所以在上夾具 重心處吊起 1.5 公斤的砝碼，繞過頭重平衡裝置平衡上夾具重量。上夾具的功能主 要是固定受測試樣的頂端，並且傳達純彎矩負載予試樣。夾具上有單軸扭力計以 及雙軸角度計，透過 LabVIEW 程式可以即時（real time）存取監控單軸扭力計和 雙軸角度計輸出的類比電壓，控制馬達運轉方向或停止運轉。
2-1-2 控制模組
控制模組訊號來源為夾具上之單軸扭力計以及角度計，藉由此訊號，可控制馬達 的輸出扭力或角度。
2-1-2-1 單軸扭力計及校正
單軸扭力計主要監測馬達輸出扭矩，當測試機台在扭矩控制模式下時，馬達固定 速度運轉施予扭矩，LabVIEW 程式同步監測並儲存扭力計輸出的類比電壓，套入 校正公式轉換成真實扭矩。扭力計的校正方法如下；先將扭力計固定於校正平台 上（圖 2-7），前端架上力臂，在左右兩端懸吊砝碼產生順/逆時針扭矩，控制輸入 扭矩，計錄扭力計輸出之電壓。最後將扭矩值與電壓值作線性迴歸，計算校正公 式（圖 2-7）。
圖 2- 6 上夾具
圖 2- 7 扭力計校正平台及線性校正公式
2-1-2-2 扭矩控制程式
首先設定數據的擷取頻率，輸入馬達的順、逆時針扭矩值及扭力計校正公式，
選擇是否存檔（圖 2-8）。記錄的參數主要為扭力計、角度計和 6D 測力元的電壓值。
試樣從中立姿勢(neutral position)出發，完成前彎-後仰後再回到中立姿勢後，視為 一個完整循環負載，每次測試執行三個循環。當啟動鈕觸發馬達運轉後， LabVIEW 每 0.5 秒收集一次扭力計電壓值判斷，當電壓達到所設定之電壓值時，LabVIEW 再發送一訊號使馬達改變轉動方向或停止。
圖 2- 8 扭矩控制程式 2-2-2-3 角度位移控制程式
設定數據的擷取頻率，輸入馬達在正、負轉向時試樣所需達到之角度值，選 擇是否存檔（圖 2-9）。試樣從中立姿勢(neutral position)出發，完成前彎-後仰後再 回到中立姿勢後，視為一個完整循環負載，每次測試執行三個循環。按下啟動鈕 觸發馬達運轉後，馬達即以固定轉速轉動，此時 LabVIEW 每 0.5 秒會收集一次角 度計電壓值判斷，當電壓達到所設定之電壓值時，LabVIEW 再發送一訊號使馬達 改變轉動方向或停止。
A. 擷取頻率 B. 輸入扭矩 C. 存檔鈕 D. 緊急停止鈕
圖 2- 9 角度位移控制程式 2-1-3 量測模組
量測模組由二台 CCD 攝影機構成，CCD 攝影機可連續記錄旗標上反光點的移 動，利用「直接線性轉換法」（Direct Linear Transformation，DLT），將相機所記錄 的二維座標轉換為三維座標，再運算得到椎體的三維運動度變化。試樣下方的 6D 測力元可量測到試樣底部所受到的三軸軸向力量以及三軸力矩。
2-1-3-1 CCD 即時錄影程式
此 CCD 即時錄影程式介面是由軟體 LabVIEW 所撰寫，首先設定影像存檔的 路徑(左右兩邊 CCD 需設定不同存檔路徑)，輸入影像每秒存取張數(fps)，選擇是 否存檔即將錄影之影像，按下啟動扭程式後，即開始錄影，若欲停止錄影時按下 停止鈕即可。圖 2-10 中，G 處的地方會即時顯示出目前 CCD 所拍攝到之影像。
A. 擷取頻率 B. 輸入角度 C. 存檔鈕 D. 緊急停止鈕
圖 2- 10 CCD 即時錄影程式 2-1-3-2 CCD 及影像校正
CCD 是選用 Guppy F-033C 系列機，其特色為支援 1394 高速傳輸介面，相較 於 CMOS 有較高之影像擷取頻率、高影像品質及較佳的暗處感光度和銳利度。由 於 CCD 影像會有扭曲失真的情形，因此必須藉由程式來進行影像校正，其校正方 法如下(圖 2-11、2-12)：（1）首先印出一張由黑白方格所組成的 A4 紙，將其貼在 平面木板上，固定 CCD 位置及焦距（2）在 CCD 的視野內，拍攝 A4 紙在各個位 置與角度的影像（3）讀取影像至影像校正程式中（4）圈選影像中黑白方格的邊 緣，共四點（5）得到影像校正方程式（6）輸入公式校正影像（圖 2-13）2。
圖 2- 11 讀取影像至校正程式
A. 存檔路徑 B. 每秒存取張數 C. 觸發模式 D. 擷取頻率 E. 存檔 F. 停止鈕 G. 即時影像
圖 2- 12 圈選方格的邊緣
圖 2- 13 影像校正前後（校正前/校正後）
2-1-3-3 運動分析
利用兩台 CCD，連續拍攝各個旗標（marker flag）上反光點的移動，藉由程 式分析可得知椎骨在三維空間中的運動變化。程式分析的部份，則是利用『直接 線性轉換法』（Direct Linear transformation，DLT），將 CCD 所拍攝到的二維影像座 標轉換為三維座標，進而求出椎骨在三維空間中的運動變化。
『直接線性轉換法』，必須建立影像中二維座標與空間中三維座標的直接線性 關係；因此，必須固定 CCD 的焦距以及兩 CCD 之間的距離。空間中的一點可由 左右 CCD 所拍攝到的照片同時呈現，並提供二個方程式，因此必須再藉由空間中
已知座標的六個控制點（control point）所提供的十二條方程式來滿足轉換關係的 矩陣計算，進行空間座標定位7。
我們製作一 33.5 公分 x 30 公分 x 30 公分的定位板（圖 2-14），作為已知座標 定位的方式。定位板中設置 12 個座標控制點供使用者在操作時自由選取，控制點 的選取原則以可能包含待測物的最大運動範圍為主。
圖 2- 14 定位板建立之量測空間 2-1-3-4 運動追蹤程式
主要執行步驟如下：首先，在事先建立好的三維空間座標系統中選取參考點 並輸入參考點的座標值於撰寫好的運動分析程式中(圖 2-15A)，接著選取旗標上的 反光點，三個反光點構成一組運動分析單位(圖 2-15B)。程式會自動追蹤所選取的 反光點直到運動結束(圖 2-15C)，最後由座標間的反運算求得標的物的三維運動情 形(圖 2-15D)
（A）三維空間座標系統 （B）三個反光點構成一組運動分析單位
（C）程式會自動追蹤所選取的反光點 （D）標的物三維運動分析 圖 2- 15 A-D 運動追蹤程式分析