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研究生: 嚴健淳
Yen, Chien-Chun
論文名稱: 馬達驅動及可調節阻力之橋式運動器材原型設計
Design of a prototype motor-driven bridge exercise equipment with adjustable resistance
指導教授: 黃才烱
Huang, Tsai-Jeon
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工學院 - 機械工程學系
Department of Mechanical Engineering
論文出版年: 2026
畢業學年度: 114
語文別: 中文
論文頁數: 122
中文關鍵詞: 橋式運動輔助裝置伺服馬達可調式阻力扭矩補償
外文關鍵詞: bridge exercise, assistive device, servo motor, adjustable resistance, torque compensation
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  • 本研究旨在設計一套馬達驅動及可調式阻力之橋式運動輔助裝置原型,並提出位置相依扭矩補償策略,以改善固定扭矩控制下因機構負載變化所造成的運動不平順問題。橋式運動常用於臀部、腿後側與核心肌群訓練,亦可應用於復健與功能性訓練。然而,肌力不足者可能因骨盆抬升困難而產生動作不完整或腰部代償;肌力較佳者則可能因徒手橋式負荷不足,而難以獲得進一步訓練刺激。
    本研究裝置由伺服馬達、滾珠螺桿、線性滑軌、滑台、RRRP 滑塊搖桿機構與背板支撐結構組成。伺服馬達帶動滾珠螺桿,使滑台產生直線位移,再透過推桿與背板支撐桿帶動背板抬升或下降,使使用者能在背板支撐下進行橋式運動。控制方面,先以固定扭矩控制觀察裝置運動特性,結果顯示固定扭矩會因機構位置改變而造成速度不均。因此,本研究透過低速等速量測建立位置-扭矩補償資料,並依即時編碼器位置輸出對應扭矩命令,以形成與位置相依的扭矩補償控制。
    研究結果顯示,導入補償後,背板運動較固定扭矩控制更為平順。進一步加入扭矩偏移量後,可使補償曲線整體上移或下移,形成助力、無負載與阻力模式。使用者實際體驗結果顯示,助力模式可降低主觀費力程度,阻力模式則可增加訓練負荷感受。綜合而言,本研究完成橋式運動輔助裝置之機構設計、控制策略建立與初步使用者驗證,證實本裝置具備助力與阻力模式切換之可行性。未來可加入力感測器、荷重元與肌電訊號量測,以進一步評估人體實際受力與肌肉活化情形。

    This study aims to design a prototype of a servo motor-driven bridge exercise assistive device with adjustable resistance and to develop a position-dependent torque compensation strategy for improving motion smoothness. Bridge exercise is commonly used for gluteal, hamstring, and core stabilization training. However, users with insufficient muscle strength may have difficulty lifting the pelvis, while users with better strength may find bodyweight bridge exercise insufficient for training stimulus.
    The proposed device consists of a servo motor, servo drive, ball screw, linear guide, slide, RRRP slider-rocker mechanism, safety belt, and backboard structure. The servo motor drives the ball screw to convert rotational motion into linear motion, and the slide transmits motion to the backboard through the linkage mechanism. The control system uses torque control with encoder feedback. A constant torque test showed that fixed torque control caused nonuniform motion because the mechanical load varied with position. Therefore, a low-speed constant-velocity test was conducted to establish position–torque compensation data, and a position-dependent torque compensation strategy was implemented.
    User testing with eight healthy adults showed that the assistance mode reduced perceived effort, while the resistance mode increased perceived training load. These results indicate that the proposed device can provide distinguishable assistance and resistance effects. Future work should include force sensors, load cells, and electromyography to evaluate actual human-device interaction force and muscle activation.

    摘要 i 目錄 vi 表目錄 x 圖目錄 xii 1 第一章 緒論 1 1.1 橋式運動之訓練特性與應用價值 1 1.1.1 橋式運動動作與主要參與肌群 1 1.1.2 傳統橋式運動之限制 4 1.2 研究目的 5 1.3 目標族群 6 1.4 論文架構 7 2 第二章 背景與文獻回顧 9 2.1 治療性運動與訓練強度調整 9 2.2 主動輔助運動與阻力運動之應用 11 2.3 橋式運動中的向心與離心控制 12 2.3.1 上升階段之向心控制 12 2.3.2 下降階段之離心控制 13 2.3.3 對本研究助力與阻力模式之啟發 13 2.4 既有橋式運動相關器材回顧 14 2.4.1 阻力式器材:臀推機 14 2.4.2 助力式器材:橋式運動輔助裝置 15 2.4.3 既有器材限制與本研究延伸方向 16 2.5 本章小結 17 3 第三章 裝置與控制方法設計 18 3.1 研究設計流程與設計需求整理 18 3.2 橋式運動輔助裝置設計 20 3.2.1 使用者姿勢與背板支撐構想 20 3.2.2 背板抬升機構之自由度確認 21 3.2.3 RRRP 滑塊搖桿機構之選用 23 3.2.4 死點問題與滑塊位置修正 24 3.2.5 推桿驅動方式與整體模型建立 24 3.2.6 原型機機構選材 25 3.2.7 安全帶配置 29 3.3 原型機尺寸選擇 30 3.3.1 滑塊搖桿機構尺寸配置 32 3.3.2 床體高度與寬度尺寸配置 34 3.4 結構分析與驅動系統選型 37 3.4.1 背板支撐桿配置與自由體圖 37 3.4.2 背板支撐桿材料與有限元素分析 39 3.4.3 推桿配置與有限元素分析 41 3.4.4 軸心、軸承與軸座配置 42 3.4.5 滾珠螺桿、線性滑軌與馬達選型 46 3.5 控制系統與扭矩補償設計 53 3.5.1 控制系統架構 54 3.5.2 馬達扭矩命令值與資料紀錄方式 55 3.5.3 固定扭矩控制的觀察與問題點 56 3.5.4 低速等速量測與補償資料建立 58 3.5.5 扭矩補償控制與成果 60 3.5.6 扭矩偏移量與助力/阻力模式 61 4 第四章 使用者體驗與回饋 63 4.1 使用者體驗概述 63 4.2 使用者實際操作體驗方法 63 4.2.1 體驗目的 63 4.2.2 體驗對象 63 4.2.3 體驗之控制模式 64 4.2.4 體驗流程與資料紀錄 64 4.3 結果 65 4.3.1 使用者操作速度差異分析 65 4.3.2 馬達扭矩命令值與正規化位置之關係 66 4.3.3 不同扭矩偏移量模式之比較 68 4.3.4 運動自覺用力結果分析 70 4.3.5 使用者主觀感受問卷分析 71 4.4 本章小結 72 5 第五章 結論與未來工作 74 5.1 結論 74 5.2 研究貢獻 76 5.3 未來工作 77 參考文獻 81 附錄 84 程式碼 84

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