經濟部 科技專案成果 技術報告編號：97A2-01E

經濟部九十七年度科技專案技術報告

自行車暨衍生系統關鍵技術開發計畫(2/3)

外展式踏步訓練機開發技術

計畫主持人：廖本彰 分項主持人：陳淳和 子項主持人：徐志宏

研究人員：莊佳勳

財團法人自行車暨健康科技工業研究發展中心

中 華 民 國 97 年 12 月

目 錄

一、摘要 ............................................................................................................. 1

二、前言 ............................................................................................................. 2

(一)研究背景 ................................................................................................. 2

(二)產業現況及需求(國內、外)...................................................................... 2

(三)研究目的 ................................................................................................. 3

(四)研究範圍 ................................................................................................. 3

三、研究方法 ...................................................................................................... 4

(一)理論基礎 ................................................................................................. 4

(二)限制條件 ............................................................................................... 13

(三)系統架構 ............................................................................................... 13

(四)研究步驟 ............................................................................................... 14

四、研究成果 .................................................................................................... 16

五、成果評估與應用 ......................................................................................... 41

六、後續工作方向 ............................................................................................. 42

七、結論 ........................................................................................................... 43

八、參考文獻 .................................................................................................... 44

一、摘要

現今的各項室內健身器材產品中，踏步機也是被廣泛使用的設備之一。它提供了使

用者足部以一近似登階或爬坡的方式進行循環式運動，以模擬人類日常生活中的自然運

動型態，而且由於在運動過程中，足部與踏板始終保持接觸，不會有完全脫離的現象，

相較於一般的跑步運動在著地瞬間產生的反作用力而言，大大降低了對膝蓋關節與踝關

節的衝擊，避免運動傷害的發生。優雅緩和的運動型態再加上良好的運動效果，使踏步

機突破性別的界限，受到各階層使用者的喜愛。雖然動作單純不花俏，卻是目前健身器

材市場上的主流之一。

儘管踏步機具備如此的發展優勢，但仍有其美中不足之處。由於踏步機是基於人體

日常生活中的自然運動型態，雖然動作很自然，但所訓練到的肌肉群大多與常用到的肌

肉群大致相同。這些肌肉群既然因生活上之活動而較有使用的機會，基本上並不易產生

很急遽的功能衰退，因此並不容易出現太大的問題，而有些不常用的肌群因為缺乏鍛鍊

的機會而可能日漸衰弱而不自知，一旦遇到緊急狀況而受到較大的負荷，便容易發生受

傷或產生無法應付的情況。因此，使用踏步機作運動訓練時，固然能提高常用肌群的強

度，但對於日常生活中較少運用的肌肉群卻仍然鮮少助益，容易造成不均衡的訓練結果。

人體下肢在日常生活中常作的動作，限於生理結構的配置，以縱向面的平面運動為

主，而對於橫向面的動作除了特殊狀況外則很少會使用。然而，每一組肌肉既然存在於

人體上，必然有其使用上的需要，可以完成特定的動作。例如下肢的外展肌群，雖然對

對平常行走、跑步來說，並沒有絕對主導的效用，但卻是維持人體平衡的必要肌群；而

偶爾會使用到的側向的移位，也需要靠它來完成；甚至一些特殊動作，例如側踢腿的動

作，也都會使用到它。因此雖然外展肌群的使用度不高，卻是確保人體具有完整的活動

力所必要的，尤其是關於人體平衡的維持，更是維持正常生活機能與行動力所必須的，

因此，強化外展肌群確有其必要性。

目前市售相關外展肌群訓練的產品仍很少，本研究以現有產品為參考指標，進行相

關的創新思考與設計，以連桿式機構設計的技術，發展出具有外展動作的新型踏步訓練

器材，以掌握外展式運動訓練系統關鍵技術及未來發展方向。並以實例說明外展式踏步

訓練系統的開發設計，藉此提供業界在發展相關關鍵技術方面的研究方法與設計流程之

參考。

1

二、前言

(一)研究背景

人類為排除天候、場地、時間等限制，達到運動目的，滿足健康與休閒的需求，因

此發展出各式各樣的運動器材，諸如跑步機、橢圓機、健身車、重量訓練設備….等等，

及其他五花八門的運動輔助器具與用品，型態繁多，可因應不同使用者的需求。對於喜

愛從事身體肢體活動的人來說，這樣多的產品型式，不管在功能性、娛樂性，均提供了

從事器械運動的人口相當豐富的選擇與調配的彈性，已經足夠提供運動休閒方面的實際

需求，而其發展也到了某種程度的瓶頸，在型態方面的創新，也漸漸趨緩，轉而朝向產

品功能之複合與強化，或進行既有型式的衍生機種開發。然而，對於健身與休閒目的來

說，傳統的運動型式並非唯一的選擇，因此，沒有必要拘泥於習知且廣泛流傳的運動型

態，只要能夠達到設定的功能或效果，即具有發展的價值，並可在已經飽和的市場與技

術中，找到另一片開闊的天空。

複合功能的運動器材可以從既有的產品型式為基礎，發展出另具特色的產品，不但

可兼顧慣用的運動模式，同時也增加了需要的新的訓練元素，技術上的突破也可以建構

在既有基礎上，但卻不因此受限，可以兼顧傳統與創新。本研究以傳統踏步運動型態為

基礎，藉由機構型式的變化，產生複合踏步與外展動作的新型態健身器材，藉由新的運

動方式來達到兼顧外展肌群訓練的功效，彌補傳統踏步機功能之不足，使訓練方式更加

完備，以期增進踏步運動型態的產品在運動健身器材市場上的競爭力。

(二)產業現況及需求

現代人生活步調忙碌緊湊，不僅可供從事休閒活動的時間相當有限，同時體力上的

負荷也相當沉重，因此，當工作之餘，卸下了生活壓力的負擔之後，往往可用來從事體

能性休閒活動的能力與意願相對的非常缺乏。這樣的族群在愈高度發展的文明社會中所

佔的比率愈來愈高，然而，長期缺乏體能活動的情況下，影響了維持身體健康的基本能

力，經過相當時日的累積後，不僅可造成整體競爭力的減弱，更可能反而成為社會的負

擔。為使一般人在工作之餘仍有能力與意願來從事適當的運動訓練，促進健康與體能的

維持或增進，因此，需要一種簡單易用，且較具有特色的健身器材，來作為運動訓練的

2

輔助。外展式踏步訓練器材的運動型式雖源自於踏步或登階訓練，然而由於外展動作的

導入，使運動軌跡不限於平面軌跡，而是一種三度空間的運動，加上若使用者以適當的

節奏來運作，會形成一種自然的律動，類似滑冰的動作型態，不但在動作上較不枯燥而

富變化，同時也可因為身體之重心移動而達到若干的平衡訓練效果。目前此類的產品並

不多，因此還有較大的發展空間，若能積極投入，發展此類產品的相關技術，可掌握在

該技術領域相關的關鍵基礎設計，落實專利佈局，取得在該產品技術領域的先驅地位。

(三)研究目的

如前所述，外展式踏步訓練器材具有使用上的實質效益與商業發展的利基與可行

性，因此未來必定有更多業者投入這方面的研發與製造。對許多傳統的運動器材業者而

言，這仍可視為有別於一般習用健身器材的新技術領域，雖然是以踏步機的運動型式為

基礎，然而就其機構設計來說，因為不單純是平面式的運動軌跡，因此在機構配置上勢

必較單純的踏步型式來得複雜，如何保有傳統的踏步動作型式並融入外展的動作需求，

是此器材設計上的一個重點。現已揭露的設計方式主要以踏板所在的桿件之擺動來造成

外展動作，並以鋼索或皮帶方式來作阻動裝置的連動，製造上較不單純，連動上也比較

複雜而不可靠。因此，本研究希望能迴避現有已發展的產品及技術，並發展出較其他作

動方式的機構型式，並以連桿連動來取代鋼索或皮帶方式連動。

另外，在阻動模式方面，擬使用渦電流式磁阻力輪的方式，配合 PWM 脈波式調變

控制，可以在合理的成本下， 有效控制所需的阻力大小，以調節緩衝與耗能效果。

(四)研究範圍

踏步式訓練器材已是成功商業化的消費性產品，也帶來許多商機，因此有發展的可

行性。為提供相關器材研發之參考，本研究以踏步式訓練器材為基礎，導入外展運動模

式，針對其機構設計、阻動模式、作動方式與結構配置，專利資料的解析為主要研究範

圍，以提供產品設計時的參考，增進研發效率與促進技術突破，避免技術的重覆研發，

縮短技術發展的時程，以提供更好的產品供消費者使用。同時亦以所得的研究結果，進

行一原型機的設計開發，以供設計實例參考。

3

三、研究方法

(一)理論基礎

平面四連桿組之應用

根據 Grashof 準則，任一平面四連桿組若滿足

其中

則該平面四連桿組至少含有一根桿可完全迴轉；否則，該平面四連桿組必是只具

搖桿的機構。滿足 Grashof 準測的連桿組稱為 Grashof 型連桿組；反之，則稱

為非 Grashof 型連桿組。

Grashof 型連桿組中，又可以細分為四種機構：

1.固定桿為最短桿，稱為雙曲柄機構。

2.邊桿之一為最短桿，稱為曲柄搖桿機構。

3.耦桿為最短桿，稱為雙搖桿機構。

4

4.當最短桿與最長桿桿長和等於其餘兩桿桿長之和，且最短桿與最長桿為鄰接的

兩桿時，稱為變點機構。

如上圖為一四連桿機構之向量迴路，透過連桿組的機械利益推算，我們可以得知

該連桿組的機械利益為：

PWM 原理

利用 PWM 原理，改變磁阻的平均電流大小達到磁阻力大小的線性控制。

PWM Output Waveform

PWM 週期 PWM 週期

責任週期 責任週期

圖六 PWM 輸出的訊號圖

5

上圖為 PWM 輸出的訊號圖，簡單來說就是一個類似方波的輸出，不過可以

藉由調整 Duty Cycle（責任週期）時間，來改變一個 PWM 週期內訊號「High」

的時間。一般由 Duty Cycle Ratio 值，即可大概知道 PWM 的輸出波形，如下式：

Duty Cycle Ratio = Duty Cycle / PWM Period

故 Duty Cycle Ratio 應小於 1，上圖例的 PWM 輸出其 Duty Cycle Ratio 大

於 0.5。

PWM 的應用很廣，例如常用於馬達的轉速控制、燈光明暗的調光、電池充電

電流控制等。利用 PWM 的原理可以改變流通於磁阻線圈上的平均電流大小，由

磁阻力產生公式： F = ImL x B，可以知道，電流大小和線圈上產生的磁通量成正

比，且磁通量大小也和磁阻力大小成正比關係。也就是說線性的改變電流大小即

可線性的改變磁阻力的大小。

PWM 的控制方式即可達到線性改變電流大小的功能，因此 PWM 是一項適當

可用的控制方式。並且 PWM 在許多單晶片上也已經是一個內建的週邊模組，使

用相當方便。即使選用的單晶片不具有內建的 PWM 模組，仍然可以在市面上輕

易的選購適合使用的 PWM 控制 IC。

ν 功率電晶體的選擇

利用PWM系統來控制開關元件，需考慮到開關元件的切換速度與殘留電壓，

以及開關元件在切換的瞬間可能面臨高電壓與高電流，因此開關元件的選擇需考

慮上述的問題。早期開關元件都是利用閘流體(thyristor)，但因閘流體需有額外的

轉換開關，來使開關截止，所以一般在使用上較為複雜且效率較差。

假設要驅動的元件的額定工作電壓為24V，最大電流為50A。因此我們所選擇

的功率電晶體規格必需大於24V，50A。以實際的觀點而言，我們能選用的功率晶

體大致只有MOSFET、IGBT及BJT。

一個功率電晶體元件，必須具備幾個重要的特性：1.導通電壓要低，以避免導

通時過多的功率損耗。2.切換速度要快，以降低切換時的功率損耗。3.要有很高的

導通電流密度，以降低所需的晶片面積及成本。4.驅動電路要簡單，驅動電流也要

小，以降低驅動時的功率損耗。綜合以上所述，可以知道功率的消耗是一決定元

件的使用及操作頻率的重要考量因素。它不但代表了能源利用的效率，更會影響

6

元件操作時的溫度效應，以及整個電路設計的相關考量及成本。

功率的消耗可以大致分為導通功率消耗(Conduction Losses)與切換功率消耗

(Switching Losses)。在低頻操作時，主導的是導通功率消耗；高頻操作時，主導

的是切換功率消耗。導通功率消耗可以視為導通時的電壓與電流的乘積；切換功

率消耗與元件開啟與關閉時的電壓電流乘積相關。

MOSFET ( Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor )為電壓控制

型之電晶體，有N通道型和P通道型。MOSFET 使用在快速的高頻波電路，以及

高功率交換電路等場合；在選擇MOSFET時，RDS(on)越小導通時消耗功率就越

小，VDSS需要是電源電壓的兩倍以上，防止因反電動勢所造成的過電壓現象，須

特別注意。以下為MOSFET的特徵：

(1)輸入阻抗高，驅動電路簡單，較少的驅動功率即可。

(2)原理上多數載體動作的關係，根據載體﹝電荷﹞的儲蓄效應引起的儲蓄時間不

存在，所以有可能高速交換。

(3) MOSFET具有負溫度係數，熱的方面較為穩定。

(4) 可依驅動電路，調整交換時間。

圖七 MOSFET 之包裝、符號及規格

IGBT可謂是同時擁有MOSFET與BJT的優點：具有MOSFET的控制特性，如

驅動簡單且便宜，安全操作面積大且延遲時間短；舊式IGBT 前置電路欲使IGBT

開關動作，需相對應的提供±12V的電壓控制訊號，+12V 電壓促使IGBT 打開，

-12V 使IGBT 開關截止，為了確保IGBT能夠正常的啟閉開關，新推出的IGBT可

不必提供負電壓即可以正常運作(圖八)。其一般性的優點如下：

（1）單位功率所需矽晶圓面積小。

7

（2）容易驅動，無電荷儲存時間（只有驅動狀態短暫的延遲時間）。

（3）不需切換輔助電路。

（4）可串聯或並聯使用。

但也有其使用上的限制與缺點，如下：

（1）導通壓降ce(sat) V 較GTO高。

（2）頻率應用限制在100kHz以下（與切換損失的權衡考量）。

圖八 IGBT 之包裝、符號及規格

ν 中央控制模組 中央控制模組指的是 CPU(微處理機)+RAM(可存取記憶體)+ROM(唯讀記憶

體)，中央控模組分為兩種架構，一為 CPU 架構另一為微控制器架構。微控制器

（Microcontroller）一般簡寫為 MCU（Micro Controller Unit），也常縮寫成「uC」，

也有人寫成「uP」，中文稱「微控制器」，也就是俗稱的「單晶片」，大陸方面則俗

稱「單片機」。

微控制器通常內含有，程式計數器（PC）、堆疊（STACK）、資料運算單元

（ALU）、中斷控制單元、電源管理單元、指令及位址運算單元、隨機存取記憶體

（RAM）、唯讀記憶體（ROM）、輸出入埠（I/O port）、各種附加功能……等等。

ROM 是儲存程式的地方所以又稱程式記憶體，RAM 是儲存資料的地方所以

又稱資料記憶體，近年來記憶體愈來愈大價格也愈來愈便宜；CPU 是以內部暫存

器的位元數來區分，可分為 8、16、32、64 位元，位元數多代表它一次處理資料

的量愈大，相對位元數大晶片內使用的電晶體也愈多價格及耗電量也愈大，目前

8

較代表性的產品如下：

表 1 中央控制模組

位

元

數 CPU/MCU 名稱

8位

元

Zilog Z80， Intel/Atmel 8051 系列，Microchip PIC12、PIC16、PIC18 系列，盛群 HTxxxx 系列，義隆 EM78 系列

16位

元

8088，8086，MC68000，、dsPIC 系列，ARM 系列

32位

元

68307，ARM 系列，Intel Pentium III，Pentium Celeron，AMD Athlon K7，K6-III，K6-2

CPU 處理資料速度的快慢除了位元數以外，還有就是其時脈的速度，例如時

脈為 20MHz 的八位元的 CPU 和時脈為 10MHz 的十六位元的 CPU，其處理資料

的速度是一樣的，但在工業的控制上速度較不是問題，因為現在 CPU 的時脈都很

快，且至少一秒鍾可以運算一百萬個指令，這對人或其他相關週邊來說實在太快，

CPU 實際上有許多時間是在等待的狀態。

對於小系統來說，ROM 及 RAM 的使用量並不是很多，那就可以考慮使用單

晶片(MCU)，它是將 CPU、ROM、RAM 整合在一顆晶片裡，有些單晶片更整合

了 A/D、PWM、RS232…等，它有指令簡單易學、體積小不佔空間附於機械控制

方便、穩定性佳、價格低廉、容易開發、可縮短生產時間，其實以這樣的一顆單

晶片對運動器材的上控系統已經足夠了，以下就針對目前市面上較常用的單晶片

做一介紹：

λ 8051(8 Bits)

1. 工作電壓 4V~6V 2. 工作時脈可達 20MHz 3. 具有處理布林代數能力(加強單一位元的邏輯運算) 4. 具有 4 組 32 條雙向性 I/O 5. 具有 2 個 16 位元之計時/計數器 6. 晶片內有 128 Bytes 的資料記憶體 7. 具有全雙工之串列埠

9

8. 有 5 個中斷源 9. 內有 4K Bytes 的程式記憶體 10. 程式及資料記憶體可擴充到 64K Bytes 11. 具有 Powerdown mode 及 Idle mode

λ PIC16F87X(8 Bits)

1. 工作電壓 2.5V~6V 2. 使用高性能的 RISC CPU 3. 只需學習 35 個指令即可 4. 幾乎所有指令只需一個指令週期 5. 時脈可達 20MHz 6. 程式記憶體最多可達 8K 的字組(14 Bits)，資料記憶體最多有 368 Bytes 7. 內建電源啟動計時器(Power up Timer)與震盪器啟動計時器(Oscillator Start-up

Timer，OST) 8. 內部的看門狗計時器(Watchdog Timer，WDT)有自己的 RC 振盪器 9. 具有省電功能的睡眠(SLEEP)模式 10. 多種振盪時脈形式的選擇 11. 低功率消耗，在 5V/4MHz 下，低於 2mA；在 3V/32KHz 下，約為 15μA；在

一般待命狀態下，電流小於 1μA 12. 具有三個計時/計數器 13. 集擷取、比較、脈波寬度調變三項功能於一身的 CCP 模組

(Capture/Compare/PWM Module) 14. 具有多通道的 8 位元 A/D 轉換器 15. 提供同步串列通訊埠(Synchronous Serial Port，SSP)，支援 SPI 與 I2C 功能 16. 具有全雙工串列埠 17. 提供 8 位元的平行從屬埠(Parallel Slave Port，PSP)，並有 RD、WR、CS 三

個外接控制接腳 18. 電源電壓不足偵測(Brown-out Detection)電路提供電源電壓不足重置

(Brown-out Reset，BOR)的功能

λ EM78P451(8 Bits)

1. 工作電壓 2.2V~5.5V 2. 工作時脈 0~20MHz(5V)，0~8MHz(3V) 3. 提供串列週邊介面(Serial Peripheral Interface，SPI) 4. 4K Bytes(13 bits)的程式記憶體 5. 11 個特殊功能暫存器 6. 140 個一般暫存器 7. 5 個雙向的 I/O 埠

10

8. 3 個可直接驅動 LED 的接腳 9. 內建 RC 振盪器 10. 5 個堆疊暫存器(給中斷副程式或副程式使用) 11. 8 位元的 Real Time Clock 12. 可經由 I/O 埠(12 個 I/O)喚醒 CPU 13. 內建 Watchdog timer 14. 提供五種中斷方式 Pin changed(?INT) Port changed SPI completed TCC over flow Reloadable counter match

λ 8096(16 Bits)

1. 工作時脈可到 20MHz 2. 內部有 232 Bytes 的一般暫存器及 256 Bytes 的 RAM 3. 具有 28 個中斷源及 16 個向量中斷 4. 具有”週邊轉移伺服器”(Peripheral Transaction Server，簡稱 PTS)的功能，提供

更有效率的中斷處理方法 5. 提供 16 位元的乘法及除法 6. 具有 Powerdown 及 Idle 的工作模式，可節省電力的消耗 7. 有五個 8 Bits 的 I/O 埠 8. 有 16 位元的 Watchdog-Timer，可防止當機 9. 匯流排寬度可以規劃為 16 位元或是八位元的動態結構 10. 具有全雙工的串列埠 11. 具有高速輸入/輸出(High Speed I/O，簡稱 HIS/O)系統，可減低撰寫程式的負

擔，增加工作效率 12. 有兩個 16 位元的 Timer 13. 具有三個脈波寬度調變(Pulse-Width-Modulated，簡稱 PWM)的輸出，可做為

D/A 控制 14. 有四個 16 位元的軟體計時器 15. 有 8 channel 的 8 位元或 10 位元的 A/D 轉換器 16. 有 HOLD/HLDA 的匯流排協定

λ MC68307(32 Bits)

1. 工作電壓 3.3V 到 5V 2. 工作時脈可達 16MHz 3. 具有全雙工的串列埠

11

4. 有兩個 16 位元的 Time/Counter 5. 有 24 條位址線和 16 條資料線

事實上還有許多的 CPU 及 MCU，這裡列出來的都是台灣目前市面上較常看

到的產品，這裡所列的從八位元到三十二位元，當然也有四位元的，但它事實上

只應用在簡單的控制上，例如遙控器，至於比三十二位元還高的六十四位元，目

前鮮少有運用到運動健身器材上的。

一般價位及只有 4、5 組顯示器的電跑機或健身車，其顯示是簡單的數字型

或小型的點矩陣，以這樣的控制系統八位元就夠了，以 8051、PIC16F87X 及

EM78P451 來設計就足夠了，只需在加 LCD 或 LED 的驅動電路即可，頂多再加

介面電路，事實上一塊控制板只有兩三顆 IC 而已，這不只簡單又容易維護，其價

位目前都在百元以內，可說是便宜又好用。

若要作較複雜的控制，比如作圖形化的顯示或需作行程路線規劃等需較複雜

的運算等，因它需較大的程式及資料記憶體，此時八位元的 CPU 就不夠用了，可

能需十六或三十二位元來處理，因它不僅一次處理的資料量大，且它可定址到較

大的記憶體，有些甚至有硬體浮點運算的功能。因它需較大的記憶體，所以外加

記憶體是必須的。

通常 MCU 內部都會內建一些週邊，例如串列通訊用的 UART、SPI、I2C，

或是控制用的 PWM Module，以及資料擷取用的 A/D Module。以 8 位元的 MCU

為例，Microchip 的 PIC18F 系列是常用於健身器材的，以下為其 PWM 及 A/D 架

構方塊圖。

12

圖 一 Microchip PIC18F2520 PWM Block Diagram

(二)限制條件

外展式踏步訓練雖然已有商用產品，但因發展時間仍過於短暫，但尚未有相關的使

用報告或研究，參考資料十分有限，因此其擺動幅度與軌跡的設計尚無明確的參考準則，

實際功效及運動處方之訂定目前尚無較具體的研究結果，無法提供研發人員或使用者作

設計或操作上之參考。

另外，在控制方面，也有電路設計考量與元件規格上的限制：

（1）磁阻工作電壓限定為 DC24V，電磁阻力大小和電流成正比，依照所需要的功

率大小選用適當的變壓器和整流元件。

（2）功率元件，如 MOSFET，安裝時必須考量散熱效果，散熱片的加裝以及散熱

路徑是否良好是必要的考量。

(三)系統架構

13

(四)研究步驟

整體流程：

14

機構設計：

控制設計：

15

四、研究成果

專利檢索與解析

因外展式踏步訓練機為近年來發展的新型器材，故尚未能找到大量商品化產品的專利資

料，僅先提供目前搜尋所得之直接或可能間接相關的專利資料作參考。

專利號碼 20050272562 國際號碼 A63B 022/04

申請日 200/05/6

核準日 專利名稱 EXERCISE MACHINE

申請人 TECHNOGYM

分析人員 莊佳勳 產品分類 踏步訓練機

分析日期 97/02/04

專利內容簡介: 利用傾斜樞軸使腳踏桿對垂直軸方向作傾斜一角度的擺動，使踏板作向機體

外側劃弧線的起伏擺動，形成一具外展型式的踏步動作，並藉由鋼索連結至

阻動系統，以產生緩衝與運動耗能所需要的阻力。

圖示:

16

專利號碼 Tw 577336 國際號碼 A63B 022/00

申請日 2006.11.21

核準日 專利名稱 可形成擴張式擺幅運動

之階梯運動機 申請人 郭海濱

分析人員 莊佳勳 產品分類 踏步訓練機

分析日期 97/03/12

專利內容簡介: 利用一水平偏轉樞軸使腳踏桿擺動面相對縱向垂直面方向夾一傾斜角度，使

踏板踩踏時除上下起伏外，並同時作向機體外側的移位，形成一具外展型式

的踏步動作，並藉由皮帶連結至阻動系統，以產生緩衝與運動耗能所需要的

阻力。

圖示:

17

專利號碼 tw 497431 國際號碼 A63B 022/04

申請日 2002.08.31

核準日 專利名稱 側擺式踏步機結構

申請人 惠景公司

分析人員 莊佳勳 產品分類 踏步訓練機

分析日期 97/03/27

專利內容簡介: 利用一平面四連桿結構使踏板下壓時往外側偏移，造成側向的踩踏動作，利

用一槓桿帶動一鏈條，使踏板踩踏時帶動鏈條與鏈輪，進而帶動阻力裝置產

生阻力，踏板的回位則是靠鏈條末端的拉伸彈簧的回復力來完成回位。本器

材僅產生橫向的平面式連桿運動，並未產生縱向的偏移。

圖示:

18

專利號碼 TW 00570829 國際號碼 A63B 022/00

申請日 2002.10.25

核準日 2004.01.01 專利名稱 滑雪模擬健身機.

申請人 費德黎各.哥拉馬西歐尼

分析人員 莊佳勳 產品分類 踏步訓練機

分析日期 96/04/02

專利內容簡介: 利用兩組互相連動的翹翹板的結構，使一邊的踏板下壓時另外一邊向上浮

起，造成縱向的踩踏動作，翹翹板的支點設有樞軸可水平旋轉，藉以改變踩

踏方向。利用彈簧或重力方式作為阻力源，並利用滑輪機構使兩踏板的動作

連動且動作方向相反。

圖示:

19

專利號碼 US2931354 國際號碼

申請日 1999.01.28

核準日 1999.12.01 專利名稱 motor operated body exerciser 申請人 豪晉工業(股)公司

分析人員 莊佳勳 產品分類 踏步訓練機

分析日期 97/05/02

專利內容簡介: 與簡易型踏步機類似，利用一連桿樞接於機架，並以氣壓桿作緩衝懸吊及回

復裝置，因樞接點為萬向式接頭，故踩踏時可允許側向偏移。

圖示:

現有市售產品資訊

20

21

22

23

24

25

機構設計

構想概念圖： 以四連桿機構為基礎發展出各機構模組。 垂直上下踩踏機構

水平外展機構

連動機構

最終整合踩踏機構

26

踩踏機構實體化之構想概念圖(簡易 CAD 模型)：

註：上左圖之磁阻飛輪為配合左右對稱之踩踏機構，故修訂為直立式放置，如上右圖。

單側踩踏機構實體化設計之實體模型

為控制踏板方向而設置之踏板連動機構。(黃色桿件)

27

整機建構完成之 CAD 實體模型

28

外包覆板金設計

29

人因尺寸確認：

零件打樣與製作

30

零件打樣與製作

實機組立 包覆板金組立

31

控制器

原型機完成

32

電控整合應用

1. 控制單元

使用 Microchip PIC16F877 單晶片 IC，該晶片不但內建有 PWM 週邊模

組，並且也內建 A/D 類比模組，支援多種通訊介面，如 RS232、SPI、I2C 等，

也內建有 EEPROM 可以儲存必要資料，極適合做為運動健身器材的中央控制

單元。

另外可以建立參數記憶機制以利運動者使用。PIC16F877 晶片內部內建

有 256bytes 的 EEPROM，用以做為斷電後的參數記憶保持，可以記錄最後使

用的磁阻設定值，也可記錄基本的個人生理資料，包括身高、體重、年齡、性

別等等，另外也適用於儲存個人化程控的設定資料。

一般如果單晶片本身不具有內建的 EEPROM 時，通常可以選用外接擴充

的方式，如 24 系列的 I2C 通訊模式、25 系列的 SPI 通訊模式以及 93 系列的

Microwire 通訊模式，此三種不同通訊模式的產品及 datasheet 可以向各家專

業 IC 供應商取得。

Microchip 的內建 EEPROM 則使用類似記憶體間接定址的讀寫方式。透

過 EEADR 和 EEDATA 暫存器來設定讀寫的位址和資料，利用 EECON1 暫存

器的控制旗標來做讀寫程序的控制，過程亦為簡單易用。

EEPROM 讀寫程式的函數如下例所示：

// *******************************************************

// EEPROM 的讀取

uns8 eeprom_read(uns8 addr)

{

EEADR=addr; // 要讀取的位址放入 EEADR

EEPGD=0; // 選擇對 EEPROM 做存取

RD=1; // 設定讀取

return(EEDATA); // 傳回該位址的 EEPROM 資料

}

33

// *******************************************************

// EEPROM 的寫入

void eeprom_write(uns8 addr,uns8 write_data)

{

while(WR){} // 確認 EEPROM 沒有在寫入

EEADR=addr; // 要寫入的位址放入 EEADR

EEDATA=write_data; // 要寫入的資料放入 EEDATA

EEPGD=0; // 選擇對 EEPROM 做存取

WREN=1; // Enable write

GIE=0; // 暫時禁止所有中斷

EECON2=0x55; // EECON2 寫入 0x55 (DataBook 所規定的)

EECON2=0xAA; // EECON2 寫入 0xAA (DataBook 所規定的)

WR=1; // 開始寫入資料

GIE=1; // 允許中斷

WREN=0; // 恢復 EEPROM 寫入保護

}

函數使用如下所示範例：（儲存個人資料及磁阻設定值）

// *******************************************************

// function = 0, Load data

// = 1, Save height

// = 2, Save weight

// = 3, Save age

// = 4, Save sex

// = 5, Save magnetic

void data_store(uns8 function)

{

uns8 value, k;

if(function==0)

{ //load data

Height=eeprom_read(dEEaddr_height);

Weight=eeprom_read(dEEaddr_weight);

34

Age=eeprom_read(dEEaddr_age);

Sex=eeprom_read(dEEaddr_sex);

if(Height==0)

{ Height=170;

Weight=60;

Age=25;

Sex=0;

eeprom_write(dEEaddr_height,Height);

eeprom_write(dEEaddr_weight,Weight);

eeprom_write(dEEaddr_age,Age);

eeprom_write(dEEaddr_sex,Sex);

eeprom_write(dEEaddr_mag,Mag);

}

}

if(function==1) eeprom_write(dEEaddr_height,Height);

if(function==2) eeprom_write(dEEaddr_weight,Weight);

if(function==3) eeprom_write(dEEaddr_age,Age);

if(function==4) eeprom_write(dEEaddr_sex,Sex);

if(function==5) eeprom_write(dEEaddr_mag,Mag);

}

2. 介面電路：

使用 PC817 光耦合 IC 作為驅動的介面元件。光耦合 IC（photo-couple

device）屬於光電子元件的一種，目前應用非常廣泛。光耦合元件的輸入輸出

間具有良好的隔離效果，可以避免開關的暫態雜訊感應至控制線路的問題。

35

圖十四 Sharp PC817X datasheet 摘要

3. 驅動電路：

因磁阻所需的功率較高故必須使用功率元件。功率元件常用的有 Power

Transistor、Thyristor、Power MOSFET、IGBT 等等，其中 Power Transistor

開關時的功率損耗太大不適合應用在 PWM 的功率控制上。Power MOSFET

具有低開關電阻、高功率、高耐壓的電氣特性，且開關頻率也適用於 PWM 的

範圍，故選用 MOSFET 作為驅動元件是適當的，並且這也是目前一般最通用

的驅動方式。MOSFET 的低開關阻抗特性可以有效的降低功率損耗。以

International Rectifier 公司所生產的 IRFZ44V 為例，ON 時的阻抗（RDS(ON)）

最大只有 12mΩ，故可以有效降低功率元件的功耗問題。雖然 MOSFET 具有

低開關阻抗的特性，但依電流的大小仍有部分的功率損耗產生。磁阻所需的功

率較大，故設計上仍需注意到散熱的問題，如此方不至有元件燒毀之虞。

36

圖十五 IRF44Z datasheet

依據前述研究，設計磁阻驅動線路的主要電路結構如下圖：

圖十六 磁阻模組驅動電路圖

37

i. 動作原理分析：

1.由於 PIC16F877 的輸出 Pin 已經設定成 PWM 模式，當必須輸出 PWM 訊號時，

只要令該 port 為「output」mode 即可。單晶片會自動的依據設定輸出 PWM

訊號於 port 上。

2.PWM 輸出訊號送到介面元件 PC817 上，驅動光電晶體。Q1、Q2 做為電流放

大，以驅動 Q3 的 MOSFET。

3.以 Q3 MOSFET 直接驅動磁阻，隨著 PWM 訊號的變化，使 MOSFET 也隨著

做 ON/OFF 動作。依據欲設定的磁阻力大小，改變 CCPxL 來變化 PWM 的

Duty Cycle。若 Duty Cycle 增大，則磁阻上產生的阻力也隨之增大，反之則減

小。如此即達到線性控制磁阻功率的目的。

ii. 完成驅動電路實品如下圖：

圖十七 磁阻驅動模組電路板

38

iii. PWM 磁阻值切換概如下列程式所示：

void pwm_output(uns16 p_value)

{

if(p_value>300)

{

p_value=300;

pwm=300;

}

p_value=p_value>>2;

CCPR1L=100-p_value.low8;

}

磁阻值設定為 0~300W，程式令每按一次遞增或遞減按鍵即增減 10W，然後

將數值轉成 PWM 參數值（CCPR1L）輸出，改變 PWM 的 Duty Cycle。使用 3 位

數的 7 段 LED 做為顯示。將功率設定劃分 30 等份，即每次增減量為 10W，以方便

單晶片數位控制。

單晶片設定上令 PR2=100，CCPR1L 範圍限定在 0-100 之間變化。更改

CCPR1L 的值即可達到改變 PWM Duty cycle 的目的。

4. 磁阻電源系統：

磁阻電源電壓設定為 DC24V，故選用變壓器降壓，再整流的方式。變壓器

選用一次側 110V，2 次側 18V 的 5.5A 變壓器。

AC18V 經整流濾波後，理論上約可得到 DC25.3V 的直流壓降。但經線圈

及變壓器本身損失後實際輸出電壓約在 24~25 之間，與實際需求相當。使用

橋式整流及 2200uF 的濾波電容後，做為磁阻電源系統。

5. 上控顯示：

在運動器材的顯示部分，最常用的顯示元件大致為 LED 或是 LCD/LCM。

LED 壽命長且價格越來越低廉，近年來高亮度的 LED 亦相繼開發，只需數 mA

電流即可使 LED 發揮亮度，可說是非常省電。

LCD/LCM 的耗電量則比 LED 更小，可以更加省電。雖然單價比起 LED 來說

39

仍略高了些，但在廠商相繼努力開發下，產能不斷開出，價格也開始逐漸降低。

目前有越來越多的廠家已經開始使用 LCD/LCM 做為上控顯示元件。

本次研究使用 7 段 LED 做為顯示磁阻力大小的元件，使用 LED 或

LCD/LCM 對於系統並無不同，日後亦可採用 LCD/LCM 做為顯示元件。7 段

LED 顯示面板如下圖所示。

圖十八 控制面板顯示器

LED 顯示方式一般可採用直接驅動或分時掃描方式，直接驅動的方式較為

簡單但必須耗用較多的 I/O 資源，如控制晶片本身 I/O 數不夠時則必須以外部

電路擴充的方式增加所需的 I/O 數。

分時掃描的方式優點是較省 I/O 資源，但缺點是結構較複雜，且控制程式必須耗用較多的時間資源來定時掃描所有的 LED。此方式雖然比較複雜但卻可減少部分零件以節省成本，此為其優點。惟必須注意的是，當需掃描的 LED 數量過多時，會因掃描時間過長而造成 LED 顯示時會有閃爍的現像。

40

五、成果評估與應用

外展式踏步訓練機雖然已經有正式的商品出現，也推出有一段時間了，但是還未普

及化，投入的業者也很少，是一個有待開發的領域。由於商業上的具體利機還未明顯，

投入研究的廠商也不多，然而，這確實是目前已發展的健身器材功能中，尚未發展完整

的一個領域，需要再作相關的研發。由於此領域尚在起步，因此技術上還有很大的空間，

較先投入的業者其實有比較機會可以從容的完成一個比較完善的專利佈局。

本報告之內容，從外展式踏步訓練機的現有產品，到專利與機構設計方面的探討，

再導入產品的實際研發設計，希望可以使相關研發工作者對此類器材有一基本而完整的

認識，從而在研發設計的過程中，可以減少盲目的摸索，並使設計成果符合實際的使用

需求、具有實質的功效，減少失敗風險與錯誤的發生，研發的時程也能因而縮短，有效

降低研發成本。

41

六、後續工作方向

由本報告的內容可知外展式踏步訓練機有其發展的根據與潛力，也是一種新興的運

動方式，雖然它發展的時間還不是很長，但未來應會有許多不同型式的設計推出。目前

所推出的設計暫先以達到功能為目標，但構造較為複雜，所以生產技術門檻較高，廠商

較不容易立即投入，如何發展出更多簡化構造的產品，是未來重要課題之一。此外，外

展式踏步訓練的相關研究文獻還不是很豐富，因此許多重要參數，例如提供使用者選擇

的運動處方，及機械規格如踩踏幅度、外展幅度等等，都還沒有一定的參考規範及數據，

各廠商只能就自身的認知來作設計，對消費者的權益比較沒有保障。以上所述，對於外

展式踏步訓練機未來發展有其研究之必要性，值得作為後續之研究方向。

42

七、結論

現代人生活步調忙碌緊湊，不僅可供從事休閒活動的時間相當有限，同時體力上的

負荷也相當沉重，不可能同時從事多種運動。外展式踏步訓練器材結合了踏步與外

展兩種模式的肌肉強度訓練，並且兼具心肺耐力的訓練效果，運動型態上也很合乎

生理結構與類似戶外休閒運動的動作習慣，使用容易操作簡便，使用者可依體能狀

況選擇較耗費體力或較輕鬆的運動阻力型態，更重要的是，可花費較經濟的時間來

達到複合的運動效果，因此非常符合現代生活型態的需求。透過先驅業者的投入與

推動，目前此類產品漸漸受到關注，但因為尚未形成風潮，因此仍在起步階段，為

使有意投入的業者能快速投入相關的技術領域，本研究以實際設計的歷程提供研發

上的參考，希望對業者的技術發展有所助益，藉以帶動國內產業在此領域的發展。

產業發展了以後，會有較多的機會引入相關的使用效果的研究，研究的成果再回饋

至業界，來改善既有的器材設計，如此產業才會再進步，消費者也較能有更符合生

理需求的器材來作提昇體能與健康的應用。

43

八、參考文獻 1. USPTO - United States Patent and Trademark Office 網站

http://www.uspto.gov

2. 中華民國經濟部智慧財產局 網站

http://www.tipo.gov.tw/

3. Arthur G. Erdman ,George N. Sandor,Sridhar Kota , ” Mechanism Design : Analysis and Synthesis Volume I ”，2004， Pearson Education Taiwan Ltd.。

4. 人體計測資料庫 --- 中華民國勞工安全衛生研究所

5. 各國健身器材測試標準比較 ----自行車暨健康科技工業研究發展中心

6. 創意性機構設計、加工與電腦化分析實務講義----工研院機研所 1998.12.09

7. CATIA V5 使用手冊，尤春風著，知城數位科技股份有限公司，2003.02

8. PIC 單晶片學秘笈以 PIC16F877 為例，全威圖書，趙春堂編著

9. PIC16F87x 快速上手，全華圖書，李雪銀、何信龍編著

10. International Rectifier IRFZ44VZ datasheet Sharp PC817x datasheet

11. Microchip PIC18F2420/2520/4420/4520 Data Sheet

12. 自行車研發中心『小型電動車之驅動感測控制技術比較分析』，科專技術報

告，2002,12

13. 自行車暨健康科技工業研究發展中心，「健身器材系統研究」，科專技術報

告，1999。

14. 自行車暨健康科技工業研究發展中心，「電動助行車感測與控制系統開發」，

科專技術報告，2001。

15. 陳玉德，「CPU 微處理機介面技術」，儒林圖書公司，2002.08

16. 市售產品圖片與規格資料來自各製造商或通路商之網站，因數量較多，不一

一列舉。其智財權屬於各來源網站所有。

44

http://www.uspto.gov/http://www.tipo.gov.tw/

二、前言 三、研究方法A63B 022/04A63B 022/00A63B 022/04A63B 022/00

八、參考文獻