1.1 研究背景與動機
隨著醫療科學進步，人類平均壽命延長，老年人口數逐年上升。從人口組成 來看，民國八十二年，老年人口數佔總人口的7.1%，已達聯合國世界衛生組織 所訂的高齡化社會指標(意即老年人口總數達全國總人口數的 7%以上)。
醫學可以延長人類的壽命，但仍然無法避免生理機能的退化。對於年老退化 而產生的生活功能障礙，可以使用輔具來加以改善。現今醫學已將人類行走姿態 資料收集完全，依據Jacquelin Perry 於 1992 年提出之步態分析成果[1]，如圖 1-1 所示，將一個步態週期分成站立(Stance)與擺動(Swing)兩個姿態，又細分為七個 階段－1)重量承受(LR)、2)站立中期(MSt)、3)站立末期(TSt)、4)擺動前(PSw)、
5)擺動初期(ISw)、6)擺動中期(MSw)、7)擺動末期(TSw)；對髖部(Hip)、膝部(Knee) 和踝部(Ankle)等部位的運動曲線完整的呈現。
圖1-1 行走一週期各部位之運動量 [1]
而腦中風高居國人十大死因中第二名，平均每年中風人數約在4～5 萬人；
中風以後大概百分之三十會死亡，其餘的百分之七十可以生存，保守的估計，每 年大約有三萬人「活下來」的中風病人需要做復健。
在其中約有80%的倖存者會出現行動力不足，50%會有慢性功能衰退的症狀 出現，近年來，隨著機器動力學和機電整合的發展，調節式輔具已被用於復健者 身上，不僅恢復復健者部分身體機能，也提升其獨立生活的能力。
多數傳統輔具屬於被動式，其機械特性如摩擦力、勁度與阻尼係數等都是不 容易變動的，為了迎合各種環境和使用者的需求，主動式輔具的產生可以使其性 能更符合使用條件。經過控制的輔具可以輕易的合乎各種條件，卻有能源攜帶問 題，所以半主動式輔具則負責調節部份性能，基本性能則還是由被動式機構裝置 來達成，可以大幅減少能量需求。半主動式設備大多使用磁黏滯液體(MR-fluid) 或電子黏滯液體(Electrorheological ,ER-fluid)再進行磁場或電場的控制阻力大小。
目前台灣多數輔具皆依賴國外進口，再依個案進行調整，無法通用於所有人 身上，因此本研究將利用磁黏滯液體設計開發出半主動式阻尼器，應用於針對雙 足俱全但因先天性肌力不足或肌肉退化而造成行走困難的患者，確保其在站立或 行走時的安全性及完成更好的行走姿態，並是通用式且容易調整的膝關節輔具。
此阻尼器將採用永久磁石提供固定的能量源使阻尼器在初始狀態有較高的阻尼 力，藉由電磁線圈產生與永久磁石反相磁場，減少通過磁黏滯液體的磁場，以降 低阻尼器之阻尼力。
1.2 文獻回顧
對於可控制的液體阻尼器表現行為已建立了多種不同數學模型，基本上可分 為兩種類型：非參數化與參數化模型。
Ehrgott和Masri[2]提出剪力型ER阻尼器的阻尼力引用柴比雪夫多項式 (Chebychev polynomials)來建構其非參數化數學模型， Gavin等人[3]將此研究沿 用至各式ER阻尼器；Chang和Roschke[4]將MR阻尼器的動態特性以彷真方式轉成 類神經網路，然而非參數化之模型僅止於此。Stanway[5]等人提出了一個簡易的 機械模型：Bingham數學模型，其庫倫摩擦(Coulomb friction)元素與阻尼器之功
黏彈、塑性(Viscoelastic-plastic)數學模型，此模型將一個標準線性固體模型融入 Bingham數學模型之中；Makris[7]、Kamath[8]和Wereley[9]等人利用參數化方程 式來描繪ER和MR阻尼器之特性；Dyke[10]、Spencer[11]和Yang[12]等人發表了 多樣性的Bouc-Wen數學模型用來敘述液體廣大變化的遲滯現象。在控制的邏輯 項目中，Dyke等人[13、14]發表了以MR阻尼器的加速度為回饋訊號的最佳化邏 輯控制演算法； Chang和Zhou[15]利用類神經網路來模擬MR阻尼器的動態現 象，陸續又提出合適的模糊控制來保護外力對建築物的危害[16]。
在阻尼器或是減震器的運用上，利用磁黏滯液體已經開發出非常多樣化的裝 置，其中包含旋轉剎車器、離合器、義足裝置，以及拋光和研磨裝置。
圖1-2為LORD公司製作的旋轉式剎車器[17]，系統結構中一個置於磁黏滯液 體中的轉動鋼盤，環型電磁線圈產生剎車阻尼所需的磁場，磁黏滯液體以剪力方 式產生黏滯阻尼力，作動反應時間可達10~30 ms。其可以使用於運動器材、氣壓 致動器、線控轉向系統(Steer-by-wire systems)和其它類似的應用。
圖1-2 LORD 公司產製的旋轉式磁黏滯剎車器
目前最有前瞻性的磁黏滯液體開發可能是用於自適應義足裝置的即時可控 制阻尼器，此裝置使用小的MR阻尼器即時的控制義足膝關節的運動，使得步態 更為自然，並且可以自動調整適應於各種環境條件之中。Biedermann Motech介 紹了髖關節或膝關節以上的高智慧義足。圖1-3(a)為主要元件構成圖，一系列的 感測器為偵測即時的膝關節狀態：膝關節夾角、擺動速度、軸向力和力矩，微電 腦控制器根據使用者瞬間的動作，判斷且控制MR阻尼器，允許膝關節義足做適 當的活動或鎖死。只需要一次步態校準，系統即可自動且即時適應使用者之行走 速度、爬臺階或身體傾斜度。所有的電子元件、MR阻尼器和電池皆整合於膝關 節義足的機械結構上，如圖1-3(b)所示。
(a)組成架構圖 (b)細部配置圖
圖1-3 James 等人[18]開發磁黏滯膝關節義足
1.3 內容簡介
本論文共分為六章。本章為緒論，介紹研究背與動機，對相關文獻加以整理 與探討。
第二章首先介紹磁黏滯液體之基本性質，接著說明液體在阻尼器上最主要的 三種應用方式：剪力型式、流動型式和擠壓型式。
第三章闡述本論文所開發的磁黏滯式旋轉阻尼器之設計概念並選擇可行性 及功能性最高的鰭片旋轉阻尼器進行開發，說明其系統架構。
第四章呈現磁黏滯式旋轉阻尼器之輸出扭力矩，以及磁迴路設計對通過磁黏 滯液體之磁場強度，以分析方式探討功能特性。
第五章進行電磁線圈之功能探討，透過實驗實際驗証磁黏滯阻尼器的運轉特 性及可能產生之誤差。
第六章為總結與未來展望，彙整本研究設計開發及實驗分析成果，並提出後 續的研究方向。
可逆反應