I

崑山科技大學

資訊工程系

專題製作報告

電輔助健身系統

學 生：4970E016 劉名峻

4970E070 呂奇穎

4970E101 王琮賢

4970E103 洪聖凱

指導老師：任才俊

中華民國 101 年 6 月

II

電輔助健身系統

學 生： 劉名峻 Ming-Chun Liu

呂奇穎 Chi-Ying Lu

王琮賢 Cong-Sian Wang

洪聖凱 Sheng-Kai Hong

指導老師： 任才俊 Advisor: Tsai-Jiun Ren

崑山科技大學

資訊工程系

專題報告

A Report

Submitted to Department of Information Engineering

Kun Shan University

in Partial Fulfillment of the Requirements

for the Degree of Bachelor

in

Information Engineering

June 2012

Tainan, Taiwan, Republic of China

中華民國 101 年 6 月

III

專題製作報告授權同意書

I

中文摘要

學生： 劉名峻 呂奇穎 王琮賢 洪聖凱 指導老師：任才俊

崑山科技大學資訊工程系

摘 要

現今的社會隨著生活品質的上升，人們對於保健與醫療都有積極投入，使得

保健與醫療發展的快速，人們對於健康議題也逐漸抬頭。對健身器材來說，健身

器材種類、開發公司與俱樂部都相當多，其中有些健身器材加入了馬達，例如:

電動腳踏車或是電動慢跑機，這些都加入了馬達，藉由馬達來調整運動速度。本

專題將馬達加入到一般機械式健身器材，並使加入馬達的健身器材能多功能的使

用，例如:舉重、擴胸、拉舉等等功能。

本專題之特色，體積與重量比一般機械式健身器材小，較不佔空間、移動方

便、無需添加或購買質塊、阻尼、彈簧，只需調整軟體即可增加或減少訓練程度。

滑軌兩端配置微動開關，以達到保護使用者安全和避免機器損壞，並使用馬達搭

配線性螺桿來代替鏈條與皮帶，避免在使用者在操作時，鏈條或皮帶斷裂，造成

使用者受傷或機體的損毀。

利用無重力型與重力型阻抗模組，建立各種阻抗健身器材的參考模組，並使

用阻抗控制器控制電輔助健身器材的輸出。本專題先利用 Matlab 模擬系統參數，

觀察其響應與結果，再將最佳的模擬參數套用至本專題中。

本專題使用 dsPIC30F4011 微控制器作為電輔助健身器材的控制核心。當施

力於拉力計後，施力值傳至制控制核心，經由類比轉數位到阻抗模組中，再由阻

抗控制器控制馬達輸出，使施力的平台移動，即可達成健身器材之功能。而在實

驗結果與模擬數據都近似下，證明了本專題可以達成相關健身器材之功能。

II

英文摘要

Student: Ming-Chun Liu Chi-Ying Lu Cong-Sian Wang Sheng-Kai Hong

Advisor: Tsai-Jiun Ren

Department of Information Engineering

Kun Shan University

Abstract

Nowadays, human concern health and medicine with the quality of life. The

health care industry and medical industry are developed rapidly. Hence, there are

many body-building companies and health clubs in our city. Many body-building

machines, like electric bike and electric treadmill, can be adjusted its motion speed by

motors. A electric body-building machine is proposed in this study. The machine can

provide multi functions, like weight lifting and chest developer function by electric

motors.

The topic characteristics of this study is that the size and weight of the proposed

machine is smaller than the average mechanical fitness equipment, less space, easy to

move, adjust the impedance by software without any others accessories. Two limit

switches are set at both ends of the proposed rail machine. The switches are used to

protect the safety of users, and avoid damage to the machine. In the others, rail

machine applies the motor with a linear screw to replace the chain and a belt. The rail

machine can avoid the belt breaking that injury the user or damage to the machine.

In this study, the mathematic model of weightlessness and gravity-type

impedance module are derived. The parameters of impedance model are selected by

Matlab simulation. The proposed system applies an impedance control to make the

output of the rail machine is similar to real fitness equipment. The dsPIC30F4011

microcontroller is applied to implement the impedance control of the proposed

system. After user forces on the machine, the force value is transmitted to the system

via A/D conversion. The motion of the skid in the proposed machine is based on the

the user force and reference impedance values such that the system is like a

body-building machine. Compare with the experimental results and simulation data,

the results demonstrate this study can practice the functions of body-building

equipment.

III

誌謝

在崑山科技大學裡的四年之間，感謝學校的老師都很認真、很努力的教導我

們，讓我們從不會到會，從不熟練到熟練。而且也經常的請業界講師到校演講，

為我們講解現在業界所研究的技術與現況，使我們能清楚了解未來業界所需要的

人才應需具備的專業知識與技術。促使我們在大學四年內可以好好的充實自己在

未來業界所需的專業知識與技術，雖然在學習的過程中時有艱苦，可也充滿不少

歡樂，這些過程都將成為我們生命中一個難忘的回憶。再次感謝大學期間認真教

導我們的每位老師，他們指導我們許多專業的知識與技能。

在此，特別感謝任才俊老師認真指導我們製作專題，讓我們的專題能夠順利

的完成。在製作專題的時候，途中遇到了許多無法解決難題，老師非常有耐心的

給予我們教導與協助。而在專題報告製作方面，也很耐心的指導我們如何寫出好

的報告與寫報告的格式。另外，也感謝組員們的努力與付出，雖然裡面有心酸也

有歡笑，但我們還是共同努力完成了這個專題，讓我們在大學的尾聲有個完美的

結束。

IV

目錄

中文摘要 ............................................................................................................................ I

英文摘要 ........................................................................................................................... II

誌謝 ................................................................................................................................. III

目錄 ................................................................................................................................. IV

圖列 ................................................................................................................................ VII

第一章 緒論 ..................................................................................................................... 1

1.1 研究動機 .......................................................................................................... 1

1.2 研究背景 .......................................................................................................... 1

1.3 研究目的 .......................................................................................................... 2

1.4 研究方法 .......................................................................................................... 3

1.5 專題特色 .......................................................................................................... 4

第二章 阻抗數學模式建立 ............................................................................................. 6

2.1 無重力阻抗數學式 .......................................................................................... 6

2.2 重力型阻抗數學式 .......................................................................................... 7

2.3 阻抗控制器 ...................................................................................................... 9

2.4 使用Matlab進行阻抗數值模擬 ..................................................................... 12

第三章 系統架構 ........................................................................................................... 18

3.1 系統介紹 ...................................................................................................... 18

3.2 dsPIC30F4011功能說明 .............................................................................. 20

3.2.1 dsPIC30F4011規格 .............................................................................. 22

3.2.2 計時器TIMER1 .................................................................................. 23

3.2.3 計時器TIMER2 .................................................................................. 24

3.2.4 類比轉數位A/D .................................................................................. 24

3.2.5 正交編碼器介面QEI .......................................................................... 25

V

3.2.6 脈波寬度調變PWM ........................................................................... 26

3.2.7 串列外設介面SPI ............................................................................... 27

第四章 硬體架構與實驗 ............................................................................................... 28

4.1 硬體介紹 ........................................................................................................ 28

4.1.1 dsPIC30F4011控制電路 ...................................................................... 28

4.1.2 驅動電路 ............................................................................................. 29

4.1.3 功率晶體 ............................................................................................. 29

4.1.4 拉力計 ................................................................................................. 30

4.1.5 線性滑軌 ............................................................................................. 30

4.2 實驗結果 ........................................................................................................ 32

第五章 結論 ................................................................................................................... 40

5.1 結論與建議 .................................................................................................... 40

5.2 未來展望 ........................................................................................................ 41

參考文獻 ......................................................................................................................... 42

VI

表列

表 2.1 各項 PID 控制規則優缺點 .............................................................................. 10

表 4.1 功率晶體規格表 ............................................................................................... 30

表 4.2 拉力計規格表 ................................................................................................... 30

表 4.3 線性滑軌規格表 ............................................................................................... 32

VII

圖列

圖 1.1 系統架構圖 ......................................................................................................... 4

圖 1.2 專題特色圖 ......................................................................................................... 5

圖 2.1 無重力型健身器材示意圖 ................................................................................. 6

圖 2.2 重力型健身器材示意圖 ..................................................................................... 8

圖 2.3 PI 控制示意圖 .................................................................................................. 11

圖 2.4 無重力阻抗模擬-實驗參數 D1 之結果 .......................................................... 13

圖 2.5 增加 D1 參數 M 至 500kg 之結果 .................................................................. 14

圖 2.6 增加 D1 參數 B 至 1000 N．s/m 之結果 ....................................................... 14

圖 2.7 增加 D1 參數 K 至 500 N/m 之結果 ............................................................... 15

圖 2.8 無重力阻抗模擬-實驗參數 D2 之結果 .......................................................... 15

圖 2.9 具重力阻抗模擬-實驗參數 D3 之結果 .......................................................... 16

圖 2.10 具重力阻抗模擬-實驗參數 D4 之結果 ........................................................ 17

圖 3.1 控制架構圖 ....................................................................................................... 18

圖 3.2 機構運作流程圖 ............................................................................................... 20

圖 3.3 線性滑軌 ........................................................................................................... 21

圖 3.4 dsPIC30F4011 腳位圖 ...................................................................................... 21

圖 4.1 控制電路 ........................................................................................................... 28

圖 4.2 驅動電路 ........................................................................................................... 29

圖 4.3 功率晶體 ........................................................................................................... 29

圖 4.4 拉力計. .............................................................................................................. 30

圖 4.5 線性滑軌外觀圖 ............................................................................................... 31

圖 4.6 無重力之非連動模式-實驗參數 S1 之結果 ................................................... 34

圖 4.7 無重力之非連動模式-實驗參數 S2 之結果 ................................................... 34

圖 4.8 具重力之非連動模式-實驗參數 S3 之結果 ................................................... 35

圖 4.9 具重力之非連動模式-實驗參數 S4 之結果 ................................................... 35

圖 4.10 無重力之連動模式滑軌單邊施力-實驗參數 D1 之結果 ............................ 36

圖 4.11 無重力之連動模式滑軌雙邊施力-實驗參數 D1 之結果............................. 36

圖 4.12 無重力之連動模式滑軌單邊施力-實驗參數 D2 之結果 ............................ 37

圖 4.13 無重力之連動模式滑軌雙邊施力-實驗參數 D2 之結果 ............................ 37

圖 4.14 具重力之連動模式滑軌單邊施力-實驗參數 D3 之結果 ............................ 38

圖 4.15 具重力之連動模式滑軌雙邊施力-實驗參數 D3 之結果 ............................ 38

圖 4.16 具重力之連動模式滑軌單邊施力-實驗參數 D4 之結果 ............................ 39

圖 4.17 具重力之連動模式滑軌雙邊施力-實驗參數 D4 之結果 ............................ 39

1

第一章 緒論

1.1 研究動機

近年來，由於生物科技的發達，所以人類的壽命也跟著變長；隨著人類年紀

的增長，身體漸漸的開始退化，抵抗力也跟著下降導致病魔纏身。為了在工作退

休後的老年生活能夠跟家人共享天倫之樂，也能不被病痛所苦、拖累子孫，就得

要活的健康；想要保持自己的身體健康，運動健身是對自己的身體最有保障的唯

一辦法。

現今的社會隨著生活品質的上升，人們對於運動保健及醫療也相對更加的積

極投入；因此，政府不只在國家設立了勞保健保制度，更在地方上廣設公園、體

育館鼓勵附近的民眾使用；民間企業也看到了運動健身這個龐大的商機，紛紛成

立許多健身房、健身俱樂部，提供場地及器材，讓想使用的人們去申請，空閒之

餘可以去運動還能訓練身體。這些健身房不只是設備齊全，也聘請了許多擁有專

業證照的健身教練來教導健身的方法及器材的使用方式。隨著醫療保健、運動健

身的蓬勃發展，運動健身不僅能讓身體的線條看起來更加完美，也能增加身體的

抵抗力讓身體保持健康，因此運動健身就成為現代重要的議題。

1.2 研究背景

健身公司所研發出來的健身器材相當多樣化，這些健身器材可針對特定部位

進行加強訓練，讓使用者達到理想中的體態與結實的肌肉。健身器材如:擴胸器

材、舉重器材、拉舉器材等等，絕大多數都是使用傳統的質塊或是調整物理彈簧

來鍛鍊身體。但是這些器材幾乎都是體積龐大，重量也非常重，通常只有健身房

或是坪數較大的家庭才有空間擺放，對於一般家庭來說這些健身器材佔的空間非

2

常大而且重量又非常笨重以至於難以移動，所以一般家庭想要使用健身器材只能

有兩種選擇，一是前往健身房來鍛鍊；二是再購買更多的坪數或者清出不要的東

西來增加家裡的空間，有了空間之後再購買健身器材來擺放在家裡面使用。如果

使用者對於訓練時的重量感到不滿，想再加重重量時，就需要再另外購買質塊來

增加重量，以求達到更進一步的鍛鍊效果。

我們希望本專題能夠解決擺放傳統健身器材所需要的空間太大、重量太重以

及使用者因為操作不當有可能會受傷的問題。

1.3 研究目的

本專題的主要的目標為解決傳統健身器材所佔空間太大、重量太重以及有可

能造成使用者受傷這三大方向。

目前健身器材所佔的空間相當大，重量也非常重，對於一般家庭來說是既佔

空間又難移動，而且想要加強鍛鍊還需購買質塊來增加重量；不管是只訓練同一

個部位會覺得很單調、無聊，或者是想要訓練的身體部位不同，都會因為每個部

位必須使用到特定的設備進行訓練，所以就要購買各種針對特定部位的健身設

備。每個健身設備不僅體積非常的龐大而且重量又很重，不管是一次買齊還是分

開購買，都會因為家裡面的面積太小而放不下，現在部份地區的地價又非常高，

更何況是買坪數來放體積龐大的健身器材，而且價格又昂貴。

傳統的健身器材都是使用插拔式的，使用者欲訓練多少重量就將插銷插入相

對應的重量質塊當中，並以皮帶或鍊條帶動，將重量質塊提起或推動，來達到訓

練的效果；其實這樣的系統潛藏著危險性，皮帶或鍊條經過長時間的使用會有磨

損，無法像全新未使用時可以承受相對應的重量，以至於使用者在使用時，可能

會有斷裂的危險，造成使用者受傷。在訓練過程中使用者必須全身都使用到才能

達到某個部位的訓練，不僅會浪費多於的力氣，也很有可能因此導致身體別處受

傷。而且如果在使用的途中因為使用者操作不當而把手鬆開，握把就會因為受到

3

重力的影響往下掉的質塊拉扯而瞬間彈回去，不只會對設備造成損壞，且可能會

進一步造成使用者受傷。因此，如果使用電能來驅動馬達，讓馬達來代替質塊的

重量和彈簧所產生的反作用力，這樣不但可以讓使用者無需再加購質塊或彈簧來

加強鍛鍊，只需調整重量的設定，而且所佔的空間與重量也相對的大大減少，讓

健身器材能更容易進入一般家庭之中，使一般家庭能夠隨時隨地使用鍛鍊，無需

再跑到健身房來訓練。改用馬達的健身器材，因為沒有使用皮帶或鍊條，自然沒

有斷裂的危險，也就沒有讓使用者受傷的餘慮；再者使用者訓練時，可以不必用

到訓練以外的地方只用到訓練的部位，如此就不會受傷；在訓練途中如果使用者

因為操作不當而把手鬆開，由於沒有使用到質塊或彈簧的關係，握把並不會瞬間

彈回去導致使用者受傷，如此也不會造成器材的磨損。

1.4 研究方法

本專題之系統架構圖如下圖 1.1 所示。本專題使用兩組線性滑軌來模擬健身

器材的運動模式，以達成許多的訓練動作，運用旋轉式馬達加上線性螺桿來實現

直線運動，並且使用光學尺來輸出滑軌位置的編碼，讓系統作為回授信號，再搭

配控制器做阻抗控制，來實現質量、阻尼、彈簧系統的作用。

使用阻抗控制可以建立各種不同類型健身器材的模組，讓各種不同類型的健

身器材合為一體，讓使用者能選擇各種健身功能，並且不需要再針對特定的訓練

部位分別購買不同的健身器材，而且也無需再添加或減少質塊、阻尼器、彈簧，

只需調整參數值即可加強或是減輕訓練的輕重，不僅使用方便，還能有效的節省

空間。本專題將會建立兩種數學模組，用以實現各種可能的健身器材的使用方式

模擬；其一，拉舉器材模式：用來實現重量訓練機之拉舉器材等等需要使用雙手

同時進行訓練之設備；其二，蝴蝶式擴胸器材模式；用以實現欲進行雙手不同時

使用，但是雙手力量大小不同時，可進行調整重量之設備；另有一種屬於蝴蝶式

4

擴胸器材模式之特殊模式， 彈簧擴胸器材模式：用來實現彈簧擴胸器材之類只

需使用單手進行訓練的設備。

圖 1.1 系統架構圖

1.5 專題特色

本專題「電輔助健身系統」，主要是以線性滑軌模擬健身房裡健身器材的運

動模式，用輕巧的滑軌取代笨重的傳統健身器材的超大體積、並且可以靈活的變

換數學模組來切換運動的模式，用以取代多種類的健身器材，不只方便也確實有

效的節省了很多不必要的空間；本專題使用旋轉式馬達加上線性螺桿來模擬傳統

的鍊條或皮帶，並且使用光學尺來輸出滑軌位置的編碼，讓系統作為回授信號，

在搭配控制器做阻抗控制，來實現質量、阻尼、彈簧系統的作用，所以不會有使

用過久皮帶或鍊條斷裂的問題，也沒有因為使用者操作不當把手鬆開，握把瞬間

彈回去導致使用者受傷以及造成設備受損的情形，可以確實為使用者及設備作好

5

安全保護的機制。本專題之特色最後歸總為下圖 1.2。

圖 1.2 專題特色圖

節省空間

安全保護

靈活變換

6

第二章 阻抗數學模式建立

2.1 無重力阻抗數學式

一般機械式健身器材，利用質量、阻尼、彈簧系統與質塊重量來當阻力來源，

而且有些健身器材除了使用者的外加施力，還需加上重力的影響，其中舉重相關

方面之健身器材就會受到重力影響，其阻力為質塊和地心引力之影響所產生的重

力，本專題將使用到無加入重力與加入重力之數學式。

以下為無重力型阻抗數學式，如(2.1)式:

𝐹 = 𝑀𝑠2𝑥 + 𝐵𝑠𝑥 + 𝐾𝑥 (𝟐. 𝟏)

移項整理後如下式:

𝑥

𝐹=

1

𝑀𝑠2 + 𝐵𝑠 + 𝐾 (𝟐. 𝟐)

下為無重力型健身器材示意圖，如圖 2.1。

圖 2.1 無重力型健身器材示意圖

7

利用(2.2)式推導為差分方程式後，其式如下:

𝑥(𝑘) =𝑇(𝑇𝐹(𝑘) + 𝐵𝑥(𝑘 − 1)) + 𝑀(2𝑥(𝑘 − 1) − 𝑥(𝑘 − 2))

(𝑀 + 𝑇𝐵 + 𝑇2𝐾) (𝟐. 𝟑)

F:使用者的施力。

M:質量。

B:阻尼係數。

K 彈簧係數。

T:取樣時間

𝑥:系統位移。

上述之數學式(2.3)，即可建立不受重力影響之健身器材阻抗的參考模型。

2.2 重力型阻抗數學式

利用質量、阻尼、彈簧系統與質塊重量來當阻力來源，而健身器材除了使用

者的外加施力之外，還需考慮重力影響。

以下為重力型阻抗數學式，如(2.4)式

{𝐹 − 𝑀𝑔 = 𝑀𝑠2𝑥 + 𝐵𝑠𝑥 + 𝐾𝑥 𝑖𝑓 𝐹 − 𝑀 · 𝑔 > 0𝑥 = 0 𝑖𝑓 𝐹 − 𝑀 · 𝑔 ≤ 0

(𝟐. 𝟒)

8

下為重力型健身器材示意圖，如圖 2.2。

圖 2.2 重力型健身器材示意圖

利用(2.4)式推導為差分方程式後，其式如下:

𝑖𝑓 𝐹 − 𝑀 · 𝑔 > 0

𝑥(𝑘) =𝑀(2𝑥(𝑘 − 1) − 𝑥(𝑘 − 2)) + 𝑇(𝑇(𝐹(𝑘) − 𝑀(𝑘)𝑔) − 𝐵𝑥(𝑘 − 1))

(𝑀 + 𝑇𝐵 + 𝑇2𝐾)

𝑖𝑓 𝐹 − 𝑀 · 𝑔 ≤ 0

𝑥(𝑘) =𝑀(2𝑥(𝑘 − 1) − 𝑥(𝑘 − 2)) + 𝑇(𝑇 · 0 − 𝐵𝑥(𝑘 − 1))

(𝑀 + 𝑇𝐵 + 𝑇2𝐾)

(𝟐. 𝟓)

𝑔:重力加速度

上述之數學式(2.5)，即可建立受到重力影響之健身器材阻抗的參考模型。

9

2.3 阻抗控制器

PID(比例、積分、微分)控制器是一個在工業控制應用中常見的反饋迴路部

件。這個控制器把收集到的數據和一個參考值進行比較，然後把這個差別用於計

算新的輸入值，這個新的輸入值的目的是可以讓系統的數據達到或者保持在參考

值。和其他簡單的控制運算不同，PID 控制器可以根據歷史數據和差別的出現率

來調整輸入值，這樣可以使系統更加準確，更加確定。可以通過數學的方法證明，

在其他控制方法導致系統有穩定誤差或過程反覆的情形況下，一個反饋迴路卻可

以保持系統的穩定。

控制器從感測器得到測量結果，然後用需求結果減去測量結果來得到誤差。

然後用誤差來計算出一個對系統的修正值來作為輸入結果，這樣系統就可以從他

的輸出結果中消除誤差。

在一個 PID 迴路中，這個修正值有三種演算法，消除目前的誤差，平均過

去的誤差，透過誤差的改變來預測將來的誤差。

PID 是以他的三種修正演算法而命名的。這三種演算法都是用加法調整被控

制的數值。而實際上這些加法運算大部分變成了減法運算因為被加數總是負值。

這三種演算法是：

比例(P)：來控制當前，誤差值和一個負常數 P(表示比例)相乘，然後和預定

的值相加。P 只是在控制器的輸出和系統的誤差成比例的時候成立。

積分(I)：來控制過去，誤差值是過去一段時間的誤差和，然後乘以一個負常

數 I，然後和預定值相加。I 從過去的平均誤差值來找到系統的輸出結果和

預定值的平均誤差。一個簡單的比例系統會振盪，在預定值的附近來回變

化，因為系統無法消除多餘的修正。通過加上一個負的平均誤差比例值，平

均的那個系統誤差值就會一直減少。所以最終這個 PID 迴路系統會在預定

值穩定下來。

微分(D)：來控制將來，計算誤差的一階導數，並和一個負常數 D 相乘，最

10

後和預定值相加。這個導數的控制會對系統的改變做出反應。導數的結果越

大，控制系統就對輸出結果做出更快的反應。這個 D 參數也是 PID 被稱為

可預測的控制器的原因。D 參數對減少控制器短期的改變很有幫助。一些實

際中的速度緩慢的系統可以不需要 D 參數。

儘管不同類型的控制器，其結構原理各不相同，但是基本控制規則只有三

個：比例(P)控制、積分(I)控制和微分(D)控制。這幾種控制規則可以單獨使用，

但是更多場合是組合使用，如 P 控制、PI 控制、PID 控制等；以下將各個規則的

優缺點做整理，如表 2.1 所示：

表 2.1 各項 PID 控制規則優缺點

控制規則 優點 缺點

P 控制 控制即時 始終無法消除誤差

I 控制 消除誤差 控制不即時

D 控制 動作迅速，有超前調節功能 無法消除誤差；只要誤差不變化，就

沒有任何控制作用

PI 控制 控制即時、可以消除誤差 系統強健性較差

PD 控制

比比例控制速度更快、有超

前調節功能 始終無法消除誤差

PID 控制

控制即時、可以消除誤差、

有超前調節功能

11

PID 控制可應用於：

測量原件：利用各種原理以測量程序中的物理量和化學變化，如溫度、壓力、

流量及液位等，其測量結果常以機械位移，壓力、電流、電壓等

變數代表示。

傳送器：由測量測得的變數，須先轉換成適合於傳送的信號。

控制器：將測量的控制變數與設定值相比較而產生與誤差相對應的控制信

號，以行使必要的修正動作。

控制閥：一般調節操作量的最後控制機構以控制閥居多，控制閥的開度與所

接受電流或空氣壓力等控制信號的大小相對應。

指示器：指示器可分為類比型及數字型。

本專題採用 PI 控制器加入電輔助健身系統中，如圖 2.3 所示，PI 控制是自

動控制的一種方法，自動控制是指利用各種儀器去測量操作程序內的變數情形，

然後經由這些儀器加以適當的調節，使此操作程序中的測定值與目標值保持平

衡。

圖 2.3 PI 控制示意圖

12

阻抗控制器之數學式如下:

e = y∗ − y

𝑑∗

𝑒= 𝐾𝑃 +

𝐾𝐼

𝑠 (𝟐. 𝟔)

利用上式推導為差分方程式，其差分方程式如下:

𝑑∗(𝑘) = 𝑑∗(𝑘 − 1) + 𝐾𝑃 (𝑒(𝑘) − 𝑒(𝑘 − 1)) + 𝐾𝐼𝑇𝑒(𝑘) (𝟐. 𝟕)

𝑑∗:責任週期。

e:誤差。

𝐾𝑃:比例之參數。

𝐾𝐼:積分之參數。

T:取樣時間。

2.4 使用 Matlab 進行阻抗數值模擬

Matlab 是應用於科學與工程領域中數值計算、分析與模擬的應用軟體，結

合了數值分析、矩陣運算、訊號處理、系統模擬及繪圖等功能，功能強大、操作

介面簡易，故使用 Matlab 進行阻抗數值模擬測試，其目的為觀察輸出響應與其

輸出結果。

實驗參數 D1：M=50kg、B=600N．s/m、K=200N/m

實驗參數 D2：M=80kg、B=1200N．s/m、K=500N/m

實驗參數 D3：M=2kg、B=600N．s/m、K=200N/m

實驗參數 D4：M=4kg、B=800N．s/m、K=150N/m

13

利用(2.3)式，以 Matlab 模擬無重力之響應，模擬結果如圖 2.4、2.8，其施力

維持在 98N，。再以圖 2.4 為基準，將其參數分別調大，觀察其響應，模擬如圖

2.5-2.7。由阻抗參數調整模擬可知，施力(98N)相同時，M 影響上升曲線之初始

上升速度，當 M 值越大，其上曲線初始上升速度越慢，反之 M 值越小，曲線初

始上升速度則越快；B 影響上升曲線之上數度，B 值越大，曲線之上升速度越慢，

當 B 值越小，曲線上升速度則越快；K 影響滑軌位移距離，當 K 值越大，其滑

軌移動距離越少，反之 K 值越小，滑軌移動之距離越遠。

再利用(2.5)式，以 Matlab 模擬有重力之響應，模擬結果如圖 2.9、2.10。

圖 2.9(a)、2.10(a)之前 5 秒施力小於 M·g，5 秒後施力(98N)大於 M·g，觀察其響

應與結果。圖 2.9(b)、2.10(b)為施力圖。圖 2.9-2.10 的前幾秒施力小於 M·g，所

以位移量為零，而施力開始大於 M·g 時，位移量開始增加；因此施力需大於 M·g，

才會使位移量增加。

圖 2.4 無重力阻抗模擬-實驗參數 D1 之結果

14

圖 2.5 增加 D1 參數 M 至 500kg 之結果

圖 2.6 增加 D1 參數 B 至 1000 N．s/m 之結果

15

圖 2.7 增加 D1 參數 K 至 500 N/m 之結果

圖 2.8 無重力阻抗模擬-實驗參數 D2 之結果

16

圖 2.9 具重力阻抗模擬-實驗參數 D3 之結果

17

圖 2.10 具重力阻抗模擬-實驗參數 D4 之結果

18

第三章 系統架構

3.1 系統介紹

本專題使用 dsPIC30F4011 為控制核心，控制整個系統的運作。使用磁簧開

關、微動開關來做移動平台的原點位置判斷以及系統的安全機制功能，將拉力計

所偵測到的訊號送到控制核心。用由 TLP250、IR2101 所組成的驅動電路及大功

率晶體 6MBI15L-120 來驅動馬達使線性滑軌移動。

本系統兩組線性滑軌的虛擬連結，是經由控制核心中的 SPI(串列外設介面)

模組來實現，主控線性滑軌跟從屬線性滑軌作溝通，故將兩組線性滑軌的拉力計

所讀取到的訊號都送到主控線性滑軌的控制核心 A，再經由 SPI 模組傳送給從屬

線性滑軌的控制核心 B，控制核心 B 再利用 PI 控制方程式計算後，從 PWM(脈

波寬度調變)模組產生波形，輸出給驅動電路做後續動作。控制架構如下圖 3.1

所示。

圖 3.1 控制架構圖

19

本系統使用馬達來替代一般健身器材的鍊條或皮帶，以通電之後產生的轉速

和扭力來替代質塊或彈簧。本系統的機構運作流程圖如下圖 3.2 所示，開始運作

後兩個移動平台會先進行歸位的動作，必須先往馬達方向移動，碰到微動開關後

再往磁簧開關移動，磁簧開關感應到後便停止，等兩個移動平台都歸位到原點之

後，才完成歸位的動作，沒有的話就繼續進行；拉力計用來偵測輸入訊號，拉力

計上面的壓力感測器偵測到訊號後，送到控制核心經由 A/D(類比轉數位)運算計

算出力的值，用來計算使用者力的大小。磁簧開關用來當做原點的偵測，移動平

台的下方有一個鐵片，只要經過磁簧開關就會送出訊號，有訊號就代表回到原點。

歸位完成之後進入到 PWM 的工作模式，拉力計就會開始感應使用者所出的

力。線性滑軌的前後兩側各有一個微動開關，用來防止因使用者施力過大所造成

的失控情形，只要移動平台碰到微動開關，就會關閉 PMW 波形輸出讓機器停止

運作，不僅保護使用者的安全也可以保護機器因此而受損，如果沒有，就會經由

QEI(正交編碼器介面)去作移動平台位置的讀取，經過 PI 控制器運算後，產生適

當的 PWM 訊號，移動平台就會開始隨著使用者所出的力往歸位的反方向移動；

光學尺用於將移動平台的位置編碼送到控制核心經由 QEI 位置讀取之後再經由

數學式計算移動平台的位置。

本系統將兩組線性滑軌，使用 SPI 功能來實現虛擬連接，SPI 主要做兩組控

制核心的溝通功能，運用虛擬連接建立各種不同類型之健身器材。舉重模式、滑

輪下拉模式、拉舉模式，以上模式利用 SPI 進行虛擬連接後，兩組線性滑軌的動

作與位移將相同，是為了實踐需使用雙手同時動作的健身器材所設計。彈簧健身

機模式、蝴蝶機模式、蝴蝶式擴胸機。而雙手在不同時間內進行運動，兩組線性

滑軌將不再同步，在此模式中如果雙手施力程度不同時，可經由調整內部阻抗參

數讓雙手可擁有各自適合的程度進行訓練，而不會造成一隻手過度訓練，另外一

隻手訓練過輕的情況。

線性滑軌(圖 3.3) 可說是本系統中最重要的一部份，是由直流有刷馬達、螺

桿滑台及光學尺為主，搭配上微動開關、磁簧開關及減速機所組成，整個系統最

20

終的結果是由線性滑軌來實現。利用調整馬達的扭力，提供相對應的重量，來達

到訓練的目的。

圖 3.2 機構運作流程圖

3.2 dsPIC30F4011 功能說明

本專題使用微控制器 dsPIC30F4011 來做為控制電路的控制核心。其功能包

含計時器(TIMER)、正交編碼器介面(QEI)、串列外設介面(SPI)、類比轉數位功

能(A/D)、脈波寬度調變功能(PWM)等。圖 3.4 為 dsPIC30F4011 腳位圖，可以由

腳位圖得知 dsPIC30F4011 所提供的各個接腳之功能。

21

圖 3.3 線性滑軌

圖 3.4 dsPIC30F4011 腳位圖

22

本專題使用 dsPIC30F4011 的 I/O 功能、TIMER1、TIMER2 功能、A/D 功能、

QEI 功能、PWM 功能、SPI 功能。以下針對這些功能做說明。

3.2.1 dsPIC30F4011 規格

高性能改進型 RISC CPU：

1KB 非揮發性資料 EEPROM

最高 30MIPs 的工作速度：

DC 到 40MHz 外部時鐘輸入

4MHz-10MHz 振盪器輸入，帶 PLL(4 倍頻、8 倍頻和 16 倍頻)

16x16 位元工作暫存器陣列

外設特性：

16 位元比較/PWM 輸出功能

3 線 SPI 模組(支持 4 種框架模式)

馬達控制 PWM 模組特性：

6 個 PWM 輸出通道：

互補或獨立的輸出模式

邊緣和中心對齊模式

3 個正佔空比產生器

用於互補模式的死區控制

手動輸出控制

用於 A/D 轉換的觸發器

正交編碼器介面模組特性：

A 相、B 相和索引脈衝輸入

16 位元遞增/遞減位置計數器

23

計數方向狀態

位置測量(x2 和 x4)模式

類比特性：

帶 4 個取樣/保持(S/H)輸入的 10 位元類比數位轉換器(Analog-to-Digital

Converter，ADC)：

500Ksps 轉換速率

9 個輸入通道

在休眠和空閒期間可以進行轉換

特殊微控制器特性：

靈活的看門狗計時器(Watchdog Timer，WDT)，帶片上低功率 RC 震盪器以

便可靠的工作

可選擇的能源管理模式：

休眠、空閒和備用時鐘模式

CMOS 技術：

低功率高速快取技術

寬工作電壓範圍(2.5V 至 5.5V)

工業級和擴展級溫度範圍

低功率消耗

3.2.2 計時器 TIMER1

TIMER1 模組是一個 16 位元計時器。16 位元計時器有下列模式：

16 位元計時器

16 位元同步計數器

16 位元非同步計數器

24

3.2.3 計時器 TIMER2

TIMER2：TIMER2/3 模組是一個 32 位元計時器，具有可被選擇的操作模式：

設定成兩組 16 位元的計時器 TIMER2、TIMER3。

32 位元計時器有下列模式：

兩個獨立的 16 位元計時器(TIMER2 和 TIMER3)，支持所有 16 位元工作模

式(非同步計數器模式除外)

一個 32 位元計時器

一個 32 位元同步計數器

16 位元模式：在 16 位元模式下，TIMER2 和 TIMER3 可以配置為兩個獨立

的 16 位元計時器。每個計時器均可設置為 16 位元計時器模式或 16 位元同步計

時器模式。TIMER2 和 TMER3 之間唯一的功能差異是 TIMER2 提供了時鐘預分

頻器輸出同步。這對於高頻外部時鐘輸入很有用。

3.2.4 類比轉數位 A/D

10 位元高速類比數位轉換器(A/D)可將類比輸入信號轉換為 10 位元數位數

值。這個模組可以實現最大 500ksps 的取樣速率。A/D 模組具有 16 個類比輸入

通道，經過多路開關連接到 4 個取樣和保持放大器。取樣和保持電路的輸出輸入

到轉換器，經轉換器轉換後得到數值結果。A/D 模組有一個獨特的功能：當硬體

處於休眠模式時，A/D 仍然可以工作。

A/D 模組有 6 個 16 位元暫存器：

A/D 控制暫存器 1(ADCON1)

A/D 控制暫存器 2(ADCON2)

A/D 控制暫存器 3(ADCON3)

A/D 輸入選擇暫存器(ADCHS)

25

A/D 埠位配置暫存器(ADPCFG)

A/D 輸入掃描選擇暫存器(ADCSSL)

ADCON1、ADCON2 和 ADCON3 暫存器控制 A/D 模組的工作。ADCHS 暫

存器選擇要轉換的輸入通道。ADPCFG 暫存器用於將埠位接腳配置為類比輸入

或數位 I/O。ADCSSL 暫存器用於選擇要掃描的輸入通道。

3.2.5 正交編碼器介面 QEI

QEI 模組提供了與用於獲得機械位置數據的增量式編碼器的介面。

QEI 的工作特性包括：

3 個輸入通道，分別為兩相信號和索引脈衝輸入

16 位元遞增/遞減位置計數器

計數方向狀態

位置測量(x2 和 x4)模式

典型的增量式編碼器(又名光電式編碼器)具有 3 個輸出：A 相、B 相和索引

脈衝。在交流感應馬達(ACIM)和切換式磁阻馬達(SR)的位置和速度控制中，這

三個信號非常有用，且通常是必需的。

A 相(QEA)和 B 相(QEB)這兩個通道具有特定的關係。如果 A 相超前 B 相，

被視為正向旋轉。如果 A 相落後於 B 相，被視為反向旋轉。第三個通道稱為索

引脈衝，每轉一圈就產生一個脈衝，作為基準用來確定絕對位置。索引脈衝與 A

相和 B 相一致，皆為低電位。

16 位元遞增/遞減位置計數器模式：16 位元遞增/遞減計數器在每一個計數脈

衝遞增或遞減計數，該脈衝信號由 A 相和 B 相輸入信號的關係確定。計數器作

為一個積分器，其計數值與位置成正比。計數方向由 UPDN 信號決定，該信號

由正交編碼器介面邏輯產生。

位置測量模式：QEI 支持兩種測量模式，分別為 x2 和 x4 模式。當選擇 x2

26

模式，此時 QEI 邏輯將只通過 A 相輸入信號來確定位置計數器遞增速率。A 相

信號的每個上緣和下緣都會導致位置計數器遞增或遞減。和在 x4 模式下一樣，

B 相信號仍用於確定計數器方向。當選擇 x4 模式，此時 QEI 邏輯將通過 A 相和

B 相輸入信號的每個邊緣來確定位置計數器遞增速率。A 相和 B 相輸入信號的每

個邊緣都會導致位置計數器遞增或遞減。x4 測量模式為了確定馬達位置提供了

更高精度的測量數據(更多的位置計數)。

3.2.6 脈波寬度調變 PWM

此模組簡化了產生多個同步脈波寬度調變(PWM)輸出的任務。特別是 PWM

模組還能支持以下電源和馬達控制應用：

三相交流感應馬達

切換式磁阻馬達(Switched Reluctance，SR)

直流無刷馬達(Brushless DC，BLDC)

不間斷電源供應器(Uninterruptible Power Supply，UPS)

PWM 模組具有以下特性：

6 個具備 3 個正佔空比產生器的 PWM I/O 接腳

最高 16 位元分辨率

“運行時”PWM頻率更改

邊緣和中心對齊模式

單脈衝生成模式

在中心對齊模式下，為不對稱更新提供了中斷支持

此模組包含 3 個正佔空比產生器，編號從 1 到 3。此模組具有 6 個 PWM 輸

出腳位，編號從 PWM1H/PWM1L 到 PWM3H/PWM3L。6 個 I/O 腳位可組合為 3

個高/低端號碼對，字尾分別以標示 H 或 L 表示。對於互補的負載，低端 PWM

腳位的狀態總是與高端 I/O 腳位的狀態相反。PWM 模組允許多種工作模式，有

27

利於實現特定的功率控制應用。

PWM 週期：PTPER 是一個 15 位元暫存器，用於設置 PWM 時基的計數週

期。PTPER 是一個雙緩衝暫存器。PTPER 緩衝器的內容在發生以下情形時被讀

入 PTPTER 暫存器：

自由執行和單事件模式：當 PTMR 暫存器在與 PTPER 暫存器匹配後復位為

零時。

連續遞增/遞減計數模式：當 PTMR 暫存器為零時。

3.2.7 串列外設介面 SPI

串列外設介面(SPI)模組是同步串列介面，可用於其它外設(如 EEPROM、移

位暫存器、顯示驅動器和 A/D 轉換器等)或者其它微控制器進行通信。SPI 模組

與 Motorola 的 SPI 和 SIOP 介面兼容。

功能說明：SPI 模組由一個用於將資料移入和移出的 16 位元移位暫存器

SPI1SR 和一個緩衝暫存器 SPI1BUF 組成。在主控模式下 SCK1 是時鐘輸出，但

是在從屬模式下他是時鐘輸入。接收操作和傳輸操作都同樣是雙緩衝器的。當位

元組接收完畢時，將位元組從 SPI1SR 傳輸到 SPI1BUF。當主控硬體或從屬硬體

傳輸完成後，SPI1SR 的內容將被傳送給接收緩衝器。如果緩衝暫存器被寫入了

任何傳輸資料，傳輸緩衝器的內容將被傳送給 SPI1SR。接收到的資料存放在

SPI1BUF 中，並且 SPI1SR 中傳輸資料已經準備好下一次的傳送。

28

第四章 硬體架構與實驗

4.1 硬體介紹

本系統是採用 dsPIC30F4011 所設計的控制電路，以及 TLP250 及 IR2101 兩

種 IC 所設計而成的驅動電路為主要的核心。搭配上 6MBI15L-120 功率晶體驅動

馬達。由拉力計偵測數值，最後再經由線性滑軌來實現。

4.1.1 dsPIC30F4011 控制電路

控制電路是由 dsPIC30F4011 為核心所建置而成，主要作為整個系統的控制

核心(圖 4.1)。控制其健身系統之滑軌連動與非連動模式，以及將系統周邊設備

的回傳數值作計算或判斷，如拉力計、微動開關、磁簧開關等。並將計算或判斷

過後的訊號送出給系統作控制。

圖 4.1 控制電路

29

4.1.2 驅動電路

驅動電路主要是由 TLP250 光耦合 IC 及 IR2101 驅動 IC 為主而成，主要作

為系統的馬達驅動(圖 4.2)。TLP250 主要功用在於隔離兩側不同的電壓，以防止

高壓損毀低壓側的零件，以及放大控制電路所輸入之 PWM 脈波訊號；IR2101

主要功能在於驅動功率晶體，進一步驅動馬達動作。

圖 4.2 驅動電路

4.1.3 功率晶體

功率晶體主要功能在於作為開關驅動伺服馬達(圖4.3)，其規格如表 4.1所示。

圖 4.3 功率晶體

30

表 4.1 功率晶體規格表

名稱 功率晶體

廠牌型號 富士 FUJI 6MBI15L-120

額定 1200V 15A

4.1.4 拉力計

拉力計主要用於測量使用者所施的力量(圖 4.4)，及規格如表 4.2。

圖 4.4 拉力計

表 4.2 拉力計規格表

名稱 拉力計

型號 VERNIER HD-BTA

範圍 0N~600N±0.06N

4.1.5 線性滑軌

線性滑軌為本專題最重要之部分，其外觀如下圖 4.5 所示，其規格表如表

4.3，各個所標示的部份分別為：

31

A.主控線性滑軌

B.從屬線性滑軌

C.線性光學尺

D.拉力計

E.移動平台

F.馬達

B

A

D

E

F

C

圖 4.5 線性滑軌外觀圖

32

表 4.3 線性滑軌規格表

4.2 實驗結果

實驗參數 D1：M=50kg、B=600N．s/m、K=200N/m

實驗參數 D2：M=80kg、B=1200N．s/m、K=500N/m

實驗參數 D3：M=2kg、B=600N．s/m、K=200N/m

實驗參數 D4：M=4kg、B=800N．s/m、K=150N/m

實驗參數 S1：圖(a)(b)參數為阻抗模式 D1

圖(c)(d)參數為 M=50kg、B=600N．s/m、K=500N/m

實驗參數 S2：圖(a)(b)參數為阻抗模式 D2

圖(c)(d)參數為阻抗模式 D1

實驗參數 S3：圖(a)(b)參數為阻抗模式 D3

圖(c)(d)參數為 M=4kg、B=600N．s/m、K=200N/m

實驗參數 S4：圖(a)(b)參數為阻抗模式 D3

圖(c)(d)參數為阻抗模式 D4

實驗目的在於觀察滑軌在單動模式及連動模式中，不管實驗參數改變，其系

統運行軌跡皆會與參考模式相同，且進一步將地心引力因素加入討論，觀察在重

力模式下，是否施力大於 M·g 才會開始動作。

名稱 具光學尺之線性滑軌

廠牌 飛統自動化實業有限公司

型號 WW01H

主要配備規格

NSK 螺桿滑台 工作總行程 800 mm

直流有刷馬達 24V、6.5A、100W、1800RPM、7kg/cm

光學尺 800mm、解析度 5μm

其他配備

微動開關、磁簧開關、減速機

33

圖 4.6 所示，在單動模式下，將兩組滑軌實驗配置為實驗參數 S1，由實驗結

果可以看出，兩組滑軌移動到相同位置時，B 滑軌所施的力明顯比 A 滑軌大，

可看出在相同重量下，參數的設置亦會影響滑軌的效果。而圖 4.7 將兩組滑軌實

驗參數皆設置不同，其係數參考實驗參數 S2，可以看見兩組滑軌位置，參考模

組曲線及使用者施力皆不同，可證明兩組滑軌在單動模式下皆為獨立動作，進一

步將地心引力因素加入考慮。圖 4.8 將兩組滑軌實驗參數設定如實驗參數 S3，可

以看出圖(a)(b)施力大於 19.6N 滑軌才開始動作，而圖(c)(d)則需大於 39.2N 滑軌

方能動作，且兩組滑軌移動到相同位置時，B 滑軌所需的力會比 A 滑軌所需的

力大，可證明改變實驗參數 M 可以確實改變訓練重量。且圖 4.9 將兩組實驗參

數設置不同，如實驗參數 S4，一樣會有良好的響應。

圖 4.10 所呈現為在連動模式下，將實驗參數設置為實驗參數 D1，並只施力

於 A 滑軌，可看見其運行軌跡與參考模式相同，並對照圖 4.11，在參數固定不

變的條件下同時施力於兩組滑軌，可以看出滑軌位移到相似位置，A 滑軌施力明

顯減少，可證明位移計算是為兩組滑軌所施力的總合，而為驗證其不同參數依然

可以有良好響應，圖 4.12 將實驗參數設置為實驗參數 D2，比照先前實驗步驟先

施力於 A 滑軌，其後並對照圖 4.13 同時施力於兩組滑軌，可以看出其運行軌跡

與參考模式相同，可驗證改變實驗參數或施力方式並不會影響滑軌響應。接下來

將地心引力因素加入考慮，圖 4.14 將參數設置實驗參數 D3，可以明顯看出，開

始施力時滑軌並沒有動作，當施力大於 19.6N 時才開始動作，而兩組滑軌運行軌

跡與參考模式相同，對照圖 4.15 相同參數下兩組滑軌同時施力，可以看出施力

方式不會影響實驗結果，而為驗證不同參數下依然可以有良好響應，圖 4.16 將

參數設置為實驗參數 D4，依照先前實驗步驟，並對照圖 4.17，可以看出滑軌需

施力大於 39.2N 才開始動作，且響應依然良好，不受參數改變影響。

34

圖 4.6 無重力之非連動模式-實驗參數

S1 之結果

圖 4.7 無重力之非連動模式-實驗參數

S2 之結果

35

圖 4.8 具重力之非連動模式-實驗參數

S3 之結果

圖 4.9 具重力之非連動模式-實驗參數

S4 之結果

36

圖 4.10 無重力之連動模式滑軌單邊施

力-實驗參數 D1 之結果

圖 4.11 無重力之連動模式滑軌雙邊施

力-實驗參數 D1 之結果

37

圖 4.12 無重力之連動模式滑軌單邊施

力-實驗參數 D2 之結果

圖 4.13 無重力之連動模式滑軌雙邊施

力-實驗參數 D2 之結果

38

圖 4.14 具重力之連動模式滑軌單邊施

力-實驗參數 D3 之結果

圖 4.15 具重力之連動模式滑軌雙邊施

力-實驗參數 D3 之結果

39

圖 4.16 具重力之連動模式滑軌單邊施

力-實驗參數 D4 之結果

圖 4.17 具重力之連動模式滑軌雙邊施

力-實驗參數 D4 之結果

40

第五章 結論

5.1 結論與建議

現今社會中，保健意識逐漸高漲，各種健身器材五花八門，而大多數健身器

材不但體積龐大，重量笨重，還有些使用上的危險性。本專題與一般機械式健身

器材不同處在於，使用馬達搭配線性螺桿之機構，在進行動作時為直線運動，由

於使用馬達來產生阻抗，所以在重量方面也比一般機械式健身器材來的輕，體積

也比一般機械式健身器材小上許多，安全性方面排除了一般機械式健身器材會發

生鍊條或皮帶斷裂的危險性。

本專題之設備有線性滑軌的機械結構、直流馬達與驅動器、dsPIC30F4011

控制電路，當拉力計受到施力作用時，拉力計會回傳感測值，由 dsPIC30F4011

內之 A/D 轉換功能，再經過運算後驅動線性滑軌的馬達產生作用力以及移動，

線性滑軌上的光學尺經由 dsPIC30F4011 中的 QEI 功能來擷取其位置編碼，再計

算出線性滑軌的速度與位移量，再以上述之兩項訊號以 dsPIC30F4011 程式計算

出馬達的控制命令，最後由 dsPIC30F4011 內的 PWM 功能，驅動線性滑軌的馬

達，使本專題能達到健身器材之效果與目的。

本專題提出的健身器材阻抗的參考模組搭配PI控制，實現電輔助健身系統，

使用者施力，電輔助健身系統會依據施力和位置產生出相對應的抗力，讓電輔助

健身系統可以更趨近一般機械式健身器材上之效果與真實感，電輔助健身系統在

測試之結果可知，提出的健身器材阻抗的參考模組與PI控制，可有良好的位置追

蹤，因此產生之阻抗與一般機械式健身器材所使用的質塊、阻尼、彈簧效果相同，

證實本專題使用之方法對於電輔助健身器材上可與一般機械式健身器材相同之

功能。

本專題之產品體積與重量比一般機械式健身器材小，較不佔空間、移動方

41

便、無需添加或購買質塊、阻尼、彈簧，滑軌兩端配置微動開關，用來保護使用

者安全和避免機器損壞，並使用馬達搭配線性螺桿來代替鏈條與皮帶，避免在使

用者使用時，鏈條或皮帶斷裂，造成使用者受傷或機體的損毀。

本專題在系統實現使用連動與無連動的方式進行，再各自以無重力與有重力

的方式套用兩組不同的系統參數來做實驗，實驗出來的數據都與 Matlab 模擬之

數據近似，因此可證明本專題之系統的正確性。從系統實現中可得本專題確實可

達成相關健身器材的功能。

5.2 未來展望

未來本專題之產品可大幅度降低一般市面上的機械式健身器材之缺點，如:

需較大空間擺放健身器材、健身器材機體本身重量與使用的阻抗(質塊、阻尼、

彈簧)之重量，兩者重量導致移動上有較大的困難度、機械式健身器材使用上的

安全性，本專題之產品降低以上機械式健身器材之缺點，還設計可調整阻抗參

數，使訓練程度可由自身情況做調整，對於健身房與一般家庭而言，可省下添購

費用或擺放質塊、阻尼、彈簧之空間。

本專題在未來發展上，因體積、重量都比一般機械式健身器材小且輕，而且

更安全，非常適合生存於一般家庭之中，對於一般家庭算是種福音，本專題在未

來可能會配合使用資料庫，記錄使用者在使用本產品期間，所進行的訓練相關訊

息，好讓使用者能獲得自己的身體狀態的資訊，以便加強或減弱其訓練之強度。

42

參考文獻

[1] PID 控制器，維基百科，自由的百科全書。

(http://zh.wikipedia.org/wiki/PID%E6%8E%A7%E5%88%B6%E5%99%A8)

[2] PID 控制器，百度百科。

(http://baike.baidu.com/view/104644.htm)

[3] 比例積分微分控制系統，香港理工大學工業中心製作。

(http://tds.ic.polyu.edu.hk/mtu/atm/pid/)

[4] dsPIC30F4011 數據手冊。

(http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/70135e_cn.pdf)

[5] 曾百由著，DSPIC:數位訊號控制器原理與應用，宏友圖書，2005 年出版。

[6] 沈金鐘著，PID 控制器:理論、調整與實現，滄海書局，2001 年出版。

[7] 林豐文，直流無刷馬達驅動系統於變動負載的設計與實現，崑山科技大學機

械工程系，碩士論文，2007 年 6 月。

[8] 吳敏章/吳昭穎/陳朝烈，PID 控制系統，崑山科技大學電子工程系，2003 年

6 月。

[9] PID 控制原理，百度文庫。

(http://wenku.baidu.com/view/5e1709a20029bd64783e2cc0.html)

[10] 陳佳鴻，PID 控制器之最佳化設計與感應馬達速度控制之研究，崑山科技

大學電機工程研究所，碩士論文，2009 年 6 月。

[11] 陶永華，新型 PID 控制及其應用(第 2 版)，機械工業出版社，1998 年。

[12] PID 閉迴路控制原理，IT 論壇。

(http://it360.tw/forum/forum_posts.asp?TID=3639&get=last)

[13] 數位比例、積分和微分控制技術的應用技巧。

(http://www.eettaiwan.com/ART_8800082174_876045_TA_0d114d1a.HTM)