新型四驱健身车的研制.pdf

2Vol.3No.7/Jul.2009NEB.+EEHLo-84EB,X新型四驱健身车的研制靳海洋张俊龙志健胡颖1引言从20世纪80年代中期开始，随着生活质量的不断提高，我国健身器材产业开始快速发展起来。北京奥运会的成功举办为我国健身器材产业的发展提供了有利条件。我国健身器材产业开始注重产品的技术含量和创新性。这使得产品质量有了普遍提高。但与此同时，外国健身器材企业开始瞄准中国市场，并借助奥运招商的机会纷纷进入中国市场，并以他们优质的产品和积极可行的市场营销方案来抢占中国的健身器材市场1。在与国外健身器材企业的竞争中，国产品牌暴露出缺乏产品研发，技术创新能力和技术含量不高等弊端。因此迫切需要加大对健身器材的科技创新力度，提高产品质量，加强自主研发能力，使本国的产品与国际接轨，在健身器材市场上赢得一席之地。健身车是一种常用的家用/商用室内健身器材。它由自行车衍生而来，并沿袭了自行车双脚交替踩踏的运动方式。从结构形式上，健身车可分为立式(图1)和卧式(图2)两种。另外，还出现了采用同样运动形式的手摇式健身车(图3)。虽然采用手来驱动，锻炼的肌肉群也与普通健身车不同，但是根本上来说，他们都是模拟自行车的双脚交替呈180的运动形式。多年来，健身车产业在市场需求的推动下虽然发展迅速，但都只是在舒适性和安全性上进行的改进，在其核心运动形式并没有突破性的进步。新型四驱分立式健身车具有手、脚共4个独立驱动。结合人体工程学的合理设计，每个驱动都能顺畅、舒适地完成360整周运动。这种四驱的运动形式是对传统健身车运动形式的一种质的突破，不仅充分锻炼了人体上下肢、腰腹等主要肌肉群，其丰富多样的运动方式组合也使锻炼过程充满趣味性，更能让人体验到前所未有的自由奔驰的感觉。2四驱分立的原理和设计2.1运动原理四驱健身车采用了双手双脚分别驱动的原理，使每个输入端都能在不影响其他驱动的情况下，独立驱动主轴转动，从而使骑行者能根据个人喜好，以不同的的运动姿态进行运动，实现踏楼梯、豹奔跑、蛙泳等不同运动方式。这种双手双脚多驱动装置主要利用了超越离合器的超越功能。其四套独立的驱动装置代替了以往摘要全本项目研究一种具有手脚四驱分立的多功能互动健身车。通过变换双手和双脚的运动组合和运动姿态，不仅可以实现一般自行车的交替骑方式，还可以实现如踏楼梯、豹奔跑、蛙泳等不同运动方式。本文主要针对其全新的运动方式和独特的结构方案进行系统分析和设计，并着重分析了其运动原理，对关键结构进行设计，并在此基础上进行了人因工程分析设计以及产业化机型的研制。关键词四驱健身车；仿生跑；人因设计图1立式健身车图2卧式健身车图3手摇式健身车NEB.+EEHLo-84EB,X新型四驱健身车的研制3NEB.+EEHLo-84EB,X健身车的单驱动装置，并分别驱动阻力系统的从动元件。超越离合器是一种特殊的机械离合器，在机械传动中，它可以根据主、从动部分相对运动速度的变化或旋转方向的改变，自动结合或脱开。驱动元件只能从单一方向使从动元件转动。如果驱动元件改变方向(如顺时针变为逆时针方向)，从动元件则自动脱离，不产生任何传递动力的功能。图4超越离合器的使用示意图以两驱动为例，如图4所示，每个驱动装置用一个超越离合器作为驱动装置的正、反向自动转换开关。当驱动装置A按图示箭头方向旋转时，超越离合器A结合，带动从动装置按同一方向旋转。此时，超越离合器B自动脱离(超越)，使得驱动装置B不连动。反之，驱动装置B按图箭头方向旋转时，离合器B结合，带动从动装置旋转，此时，超越离合器A脱离(超越)。2.2传动系统设计区别于普通健身车固定式把手的设计，四驱健身车的双手也能进行运动。因此手脚传动系统需要将双手的运动传递到主轴上，使双手双脚的四组分动系统联合起来，实现共同驱动健身车的从动装置。常用的传动方式为带传动以及链传动。但它们都只能在固定长度的前提下来进行功率传递，无法满足设计要求。由于本健身车的把手支撑杆需要满足伸缩调节功能，同时考虑到传递力矩、平稳性以及噪音的问题，本健身车的上肢功率传递采用直齿锥齿轮加花键轴传动。考虑到体积问题，决定采用1：1的传动比2。如图5所示，左右手都能通过各自的超越离合器分别将功率传递给锥齿轮1。内外花键轴分别与锥齿轮2和锥齿轮3固定。其主要作用是能够在不影响传递效率的情况下改变双手双脚间的传递距离，从而达到满足不同人士的需求。通过锥齿轮以及花键轴的传递，健身车输出功率传递给锥齿轮4，进而高效率地传递给健身车主轴。与此同时，双脚同样也是通过超越离合器将功率传递给主轴，最终达到双手双脚同时驱动的效果。图5传动系统示意图2.3运动生理学分析由于双手双脚都可以独立驱动健身车，骑乘者可以做出多种在普通健身车上无法实现的动作，如交替骑、仿生跑和踏楼梯等多种骑乘方式，并且能够随意交替变换。这种一张一弛的运动可使骑乘者得到有氧(心血管)和无氧(力量)的训练。其最具特色的是具有仿生跑功能。与通常健身自行车双脚交替蹬踏的运动方式不同，仿生跑功能是指仿照马、豹、虎等动物奔跑时四肢蹬开的姿态，即在双脚大力蹬踏的同时，双手大力向前摇动，使运动者身体充分地舒展开来。这种姿态不仅可以最大程度地发挥人体潜能，使双臂、双腿、腰肌、腹肌等几乎全身的肌群得到均衡的锻炼，并且使运动者感受到自由奔跑的意境。再配合上虚拟现实场景和音效系统，可以创造出在自然世界自由奔驰的境界。3复合式阻力系统设计健身车的阻力系统按照接触方式可以分为接触式和非接触式两种。接触式阻力系统由于利用摩擦力来控制阻力大小，不但噪声比较大，并且摩擦介质磨损比较严重，一般只用于低端的健身车上。非接触式阻力系统主要是指磁控阻力方式。这种阻力系统主要是利用电磁感应原理和金属内部涡流原理3，将运动的动能转化为金属内部涡流产生的热能，从而产生阻力。非接触式阻力系统因其无磨损、低噪音等优点，在一些中高端健身车上比较流行，本四驱健身车也采用这种磁控阻力系统。NEB.+EEHLo-84EB,XVol.3No.7/Jul.2009NEB.+EEHLo-84EB,XNEB.+EEHLo-84EB,X3.1四驱健身车阻力特性分析对于一般健身车而言，在一个蹬踏周期内，可以将曲柄所在位置划分成4个区间(图6)4-6。正常骑行时，一侧蹬踏，起到驱动作用，另一侧的提拉并不产生驱动作用。图6蹬踏周期及曲柄位置区间对于新型四驱分立式健身车，其脚部周期性踏力有着自身的特点。由于双脚分别驱动，并且在蹬踏和提拉阶段均产生对健身车的驱动力。故在整个周期内，驱动力永远为正，且有两个峰值。一个峰值出现在II区，为踩踏力的峰值；另一个出现在区，为提拉力的峰值。且踩踏力峰值远大于提拉力峰值。由于人的正常运动中很少用到腿部的提拉动作，故这种踏力波动将会造成骑乘的舒适性大打折扣。必须减小这种周期性波动的幅度。此外，由于新型四驱分立式健身车可以实现多种运动方式。不同运动方式的驱动能力不同。在骑乘者自由转换运动方式的过程中，势必破坏原运动方式下的驱动力与阻力的平衡。造成感觉上的不舒适。这种由于运动方式变化而引起的运动不顺畅，也需要由阻力系统的设计来克服。3.2复合式阻力系统设计在四驱健身车影响阻力大小的三个因素中，基础阻力水平由骑乘者主动确定。由运动方式变化引起的驱动力波动可以通过检测飞轮转速来衡量。当低速状态时，系统阻力减小，以使骑乘者可以比较容易的启动；飞轮转速较高时，系统阻力增大，以防止踏空现象的发生。这两个调节对于实时性的要求并不高，可以采用传感器采集速度后再与基础阻力相综合，最后输出为舵机转角的方法。对于周期性踏力产生的波动，我们必须进行实时的调整。对于曲柄所处的区域进行跟踪，并同时进行阻力调节。当曲柄位于II区时，我们可以认为骑乘者正在进行踩踏动作。相应的，当曲柄位于IV区时，我们可以认为骑乘者正在进行提拉动作。I区、III区为过度区域。利用与曲柄同步转动的凸轮机构，就可以在准确的跟踪曲柄位置的同时，对阻力大小进行实时性的调节，如图7。图7复合式阻力系统实现方式4健身车机构的人因工程设计4.1人因工程学人因工程学是研究人、机械及其工作环境之间相互作用的学科。该学科在其自身的发展过程中，逐步打破了各学科之间的界限，并有机地融合了各相关学科的理论，不断地完善自身的基本概念、理论体系、研究方法以及技术标准和规范，从而形成了一门研究和应用范围都极为广泛的综合性边缘学科7。因此，它具有现代各门新兴边缘学科共有的特点，并己成为一切工程技术人员必不可少的工具，是实现工业设计目标的重要手段。人的一切活动都是通过人体骨骼、关节与骨骼肌组成的运动系统实现的。人体的不同部位所实现的运动范围、速度、操纵准确性以及所能施加力的大小均不同。而且就同一施力部位而言，不同方向的施力速度、大小、准确性也不尽相同。随着持续时间的变化其速度、大小、准确性也会发生变化。人因工程学提供的人体尺度参数、肢体活动范围、肢体活动角度确定了健身车各个部位的尺寸大小以及相对位置，使得人的体力得到最有效地发挥。因此在健身车设计中要充分合理利用人因工程设计。4.2机构的人因设计4.2.1踏板曲柄的设计踏板曲柄的设计可以参照自行车的踏板曲柄结构。众所周知，人在骑自行车运动时，踏板曲柄新型四驱健身车的研制DE$90DE运动一周，相当于人在自然状态下行走一步8。所谓符合人机工程学，就是使人在进行操作时的状态最接近人的自然状态。由此，可以得出曲柄的运动直径最理想的长度等于人在自然状态下的行走的步长。我国成年人在自然状态下行走步长约为300400mm。因此，曲柄的长度取值范围为150200mm，一般取中间值170mm。4.2.2手摇曲柄的设计四驱健身车在双脚进行蹬踏运动的同时，双手也能进行360的旋转运动。因此手摇部分也要进行曲柄长度的设计。由于脚踏曲柄按照人在自然状态下的步长设计，且双手双脚在同时运动时是模仿动物奔跑时的姿态的，因此手摇曲柄的长度应该与踏板曲柄的长度保持一致，从而达到模仿动物奔跑的效果，取值170mm。4.2.3座垫杆的设计座垫杆所涉及两个主要参数是倾斜角度和长度调节范围。(1)倾斜角度的分析骑行者在骑健身车运动时，大腿、小腿、踏板曲柄和座垫杆的平面位置关系如图8所示9。为了确定座垫杆的倾斜角度，假设骑行者的腿伸直，即大腿和小腿处于同一直线上的情况下，踏板曲柄正处于水平位置.现取GB/T15759-95标准所提供的最小人体外形模板，即取女性最小会阴高h673mm作为设计基准，则绝大多数骑行者将无需把腿伸直，就可将踏板曲柄蹬到最底部。同时根据人体生理特点，D$8.75170/673arctan/arctanlhE$8.75dEEmmhmm856673ddEsinhLmmLmm2.8867.696ddmmLmm900680dd角最大取值9010，则现取D$8.75170/673arctan/arctanlhE$8.75dEEmmhmm856673ddEsinhLmmLmm2.8867.696ddmmLmm900680dd为90的位置进行计算。图8健身车运动人体下肢示意图那么D$8.75170/673arctan/arctanlhE$8.75dEEmmhmm856673ddEsinhLmmLmm2.8867.696ddmmLmm900680dd(1)于是有，D$8.75170/673arctan/arctanlhE$8.75dEEmmhmm856673ddEsinhLmmLmm2.8867.696ddmmLmm900680dd。根据受力情况，D$8.75170/673arctan/arctanlhE$8.75dEEmmhmm856673ddEsinhLmmLmm2.8867.696ddmmLmm900680dd的理想角度为90。当D$8.75170/673arctan/arctanlhE$8.75dEEmmhmm856673ddEsinhLmmLmm2.8867.696ddmmLmm900680dd越小，座垫杆的倾斜越大，对座垫杆的材料强度要求就越高。因此取D$8.75170/673arctan/arctanlhE$8.75dEEmmhmm856673ddEsinhLmmLmm2.8867.696ddmmLmm900680dd75。(2)长度调节范围的设计确定座垫杆倾斜角D$8.75170/673arctan/arctanlhE$8.75dEEmmhmm856673ddEsinhLmmLmm2.8867.696ddmmLmm900680dd后，就可以确定座垫杆长度的调解范围。首先确定座垫高度h的调节范围。它的取值范围应该介于一级人体模板立姿会阴高和四级人体模板立姿会阴高之间，即D$8.75170/673arctan/arctanlhE$8.75dEEmmhmm856673ddEsinhLmmLmm2.8867.696ddmmLmm900680dd。座垫杆长度L与座垫高度h的关系为D$8.75170/673arctan/arctanlhE$8.75dEEmmhmm856673ddEsinhLmmLmm2.8867.696ddmmLmm900680dd(2)因此:696.7mmD$8.75170/673arctan/arctanlhE$8.75dEEmmhmm856673ddEsinhLmmLmm2.8867.696ddmmLmm900680dd886.2mm增加功能调节量并取整得700mmD$8.75170/673arctan/arctanlhE$8.75dEEmmhmm856673ddEsinhLmmLmm2.8867.696ddmmLmm900680dd880mm4.2.4把手的设计目前市场上绝大部分的健身车都将把手设计为固定位置，不可