新型折叠健身车的设计方案

1 新型折叠健身车的设计方案 第一章 绪 论 1研究动机 每天能养成规律 的运动习惯和适当的休闲娱 乐 ，可以促进体适能、减少各种 心血管疾病， 不但 对身体有好处， 更 可提高工作效率，达到事半功倍的效果。其 中，有氧运动可以改善心肺耐力 与减少身体脂肪，并适当提升肌力与肌耐力。有 氧运动是指在运动时，呼吸是成规律 性的呼气、吸气，肌肉是呈现规律性的紧张、 放松相互交替，长期从事有氧运动可使肌肉线条修长、匀称，如 慢跑、健走、骑脚踏车 等运动皆是有氧运动，而有氧运动除 可加强心肺功能外，并可促进人 体新陈代谢。 老年人因骨骼机 能的退化，慢跑、健走时下肢容易 承受 来 自地面的冲击 力 ， 造成一般影响 行 走能力之膝关节炎及体关节炎 ，以上 两种皆会使关节疼痛及 变形，进而影响正常步态。体关节炎产生之 不正常步态情形为上半身过度向患侧 侧移及另一侧骨盆向下掉，如图 示；膝关节炎产生之 不正常 步态情形为步速变慢、步长缩短、 两脚步宽变宽、 两脚 站 立 期 与摆荡期皆增长。另外，脚踏 车 的 两轮 设计对老年人产生害怕与 不 安心感以 致于容易 产生跌跤的危险。 健身器材的种类 很多，小至重量训练用的沙包、哑铃，大至直立式固定脚踏 车 ，皆属于健身器材，甚至像机械构造复杂的跑步机 、椭圆机等， 都 归纳于健身 器材的范围中，也因为大众的需求越 来 越多，让我们 更 有很多机会接触到这些健 身器材的机会。其中，椭圆机的运动过程中没有撞击地面所产生的冲击 力 ，这对 关节 不 适的人而言，是相当适合的低冲击性运动器材。又如跑步机、椭圆机 等运动器材只限于室内使用，且价格昂贵、体积太大，使得一般家庭室内无法有摆放空间。所以本 项目 将针对现有椭圆机的步态驱动机构做完整的收集以及分 析， 设计出具椭圆步态驱动机构的新型折叠健身车，以达到椭圆机原 本健身的功能及改善其缺点。 2 本研究将针对大众 利用 椭圆机的步态驱动机构，结合脚踏 车 的构造，设计 出一台能健身、休闲、代步且方便的新型折叠健身车 ，提供其规律的运动和适当的休闲娱 乐 ， 以提高人们对生活的质量与 乐 趣。其步态是以人体最自然 行 走的方式，搭 配椭圆机的步态驱动方式，减少地面对下肢的冲击 力 。三 轮 式的 车 身设计，在于 改善骑脚踏 车 时跌跤的危险。 1椭圆机相关研究 椭圆机主要能以全身性 运动，平 滑 顺畅地模拟跑步或是走 路 ，并且减少跑步 及走 路 时 来 自地面的冲击 力 ，对于刚开始使用健身器材的人们而言，是非常 错 的选择。针对椭圆运动机搜集及分析现有专 利 ，归纳出其设计需求及设计限制，再经由系统化的设 计程序，根据功能需求合成并评估可 行 的新型椭圆运动机构想，选定新型构想后， 配合所订定的需求运动曲线， 合成出新型椭圆运动机各 参数 尺寸 ，完成新型椭圆运动机的运动设计。其新型椭圆运动机的特性有 一、脚踏板位置的曲线为近似椭圆形的封闭曲线，其跨距长与高 度 符合一般人的跨步距离 ；二、曲柄的位置在使用者前方，使用者可以 更 自由 的伸展运动；三、 所有杆件皆为 连杆 ，没有滚子或 滑件 所造成的噪音及磨损的问题。 归纳国外有关椭圆运动机结构专 利 资 ，配合人体 行 走轨迹，以 数学 推导方式 进 行 改 良 式 ； 六连杆 椭圆运动机，使其运动轨迹最佳化，并根据文献计算后得到的 数据 ，作为椭圆运动机的尺寸需求与限制 椭圆轨迹长轴 长 475525短轴比值为 3，为 得到 类似于登山的效果，椭圆长轴角度上扬 10 ，手握杆摆动角 度 约 40 ，手握把摆动距离 约 384 10位成年 男女进行摄影 拍摄分析，观察行 走时脚跟的轨迹变化，建构出合理的椭圆运动轨迹， 设计出可以符合 人类正常步态之四 连杆 椭圆运动机。由文献可知，在进行椭圆运动机结构设计时，人 体步态轨迹是必须考量 的，唯有符合人体工学之设计，才能给予人 体舒适的使用感与最低的运动伤害。 21研究目的 3 3 第一章 绪论 1究动机 1 献回顾 1究目的 第二章 设计步骤 2究方法与步骤 2计规范 2念设计 2论 第三章 具体设计与实作测试 3轮式车身 3态驱动系统 3功能转向系统 3作测试与改良设计 3论 第四章 步态驱动机构的概念设计 4计程序 4念设计 4论 第五章 步态驱动机构的具体设计 5态观察方法 5定运动需求曲线 5态尺寸合成 5论 第六章 结论与建议 6论 6议 4 第二章 设计步骤 本研究主要以大众为设计考量 ，发展出一套设计方法，以研发出新型折叠健身车，然后进 行 分析选优、制作原型机，并进 行 实作与测试。因此， 本章首先建立一套新型折叠健身车的设计程序，再根据其流程 ，建 立 设计规范和概 念 设计，而 整体的具体设计与实作和测试则于第三章介绍 2研究方法与步骤 为满足大众需求和设计考量 ，新型折叠健身车的研发，从产品开发与工程设计的程序 来 进 行 设计。整个设计 流 程如下图 所示，包括：一 . 需求的确认与任务的界定、二 . 概 念 设计的产出、三 . 具体设计的建构、四 . 模型的细部设计、以及五 方法与步骤如下 步骤一、需求的确认与任务的界定 首先是收集有关椭圆运动机、步态驱动机构等相关的学术 论 文、技术报 告、 参考 书目、以及 专 利 文献，并进一步整理与分析。其次，进 行 市场的调 查与分析，一般产品的设计之所以被市场放弃的重要因素，主要在于缺少使用者之需求与意见 的考量。再者，规划和理清设计需求与限制，透过文献 研究与市场分析 来认识 问题、定义问题，以规划和理清设计需求与限 制，并确立 设计的目标和规范。最后，订定功能规格，将设计规范与产 品特点转化成 量 化的功能规格表 步骤二、概 念 设计的产出 在概 念 设计阶段中，我们将根据上述所得到的设计需求与限制、功 能规格，着手进 行 新型折叠健身车的概 念 设计与分析选优。首先将上步骤所 建立 的系统功能分解为三 轮 式 车 身、 可调式步态驱动机构、三种使用模 式的多功能转向系统等次功能，因这些次功能组成较具体、明确的能 量 、材料、及讯号 流程 ，并辅以 步态驱动机构等技巧，可初步找到可能的技术解决方法；再由次功能的解决方法组合成次系统及系统：再者，将解决方案组合稍加具体设计，将系统配置、重要 零 组件规格、重要功能组件之设计 参数 找出 来 ，以技术、市场、及成本考量 选择暂时的最佳设计方案，并撰写概念 设计的报告。 5 5 步骤三、具体设计的建构 本步骤主要在于将概 念 设计的最佳解决方案具体化，包括整个新型折叠健身车等模型的建构，并确认系统配置、重要 零 组件规格、重要功能 组件的设计 参数 和其供应 来源 。 在此具体设计步骤，主要进 行 尺寸设计以及实体模型的建构工作，其中 含有 零件 建构、组合件装配、与工程图制作。此步骤的方法是以运用 件来 进行具体设计。因 参变数 合 并运用并以特征化的方式进行 实体模型的建构工作，其中含有 零件 建构、组 合件装配、及工程图制作等三部份基本模块，所有几何资料 透过单一资料库 可以达到双向的资 沟通与传递 更新 ，完全符合同步工程的设计要求。 6 6 步骤四、模型的运动仿真与细部设计 本步骤是将上步骤所建构的新型折叠健身车 的 实体模型 ， 采 其运动模拟、检查错误、干涉，消除设计缺点、及降低 成 本。 步骤五、原型机的实作与测试 1. 实作 将 件 制作成工程图，进 行 加 工、组装，制作出新型折叠健身车 的原型机，并建立详细的 零件图 及材料 表和撰写生产、组装、操作 说明 文件。 2. 测试 当新型健身车 实作完成后，本研究将就下列项目进行测试。 （ 1）驱动能力 ：主要是针对驱动系统进行测试，观察使用者是否可以 无碍地驱动前进、驱动动作是否顺畅等。 （ 2）最大速度 ：测试折叠健身车前进时的最大速度。 （ 3）爬坡能力 ：测试折叠健身车于爬坡时的最大角度。 （ 4）刹车 性能：主要在测试折叠健身车刹车性能，观察在各种速度之刹车 的时间及距离 ，及所需施加于刹车装置 力量 是否适当 。 （ 5）转向性能：主要在测试转向难易度 ，观察在各种 行 进速度的转向 动作是否顺畅、及转向操作的难易度 等。 （ 6）舒适 度 ：主要在测试折叠健身车 行 驶时，所产生的振动于使用上的舒适 程度 是否恰当，以及各种人机接口是否符合人因工程设计。 （ 7）稳定 度 ：测试折叠健身车于前进、转弯、及刹车时健身车的稳定情形。 尤其，在各种颠簸 路 面、速度的转弯、刹车时是否有翻覆的疑虑。 （ 8）安全性：测试折叠健身车 的安全性，检查其结构是否坚固及可承载之 重量 ，并检视各运动杆件，运动时是否对人体有危险性。 7 7 2设计规范 根据第一章对椭圆机的步态驱动之文献研究的结果，本项目开发的新型折叠健身车 ，其目的主要是结合现有椭圆机以及自行车的优点与市场优势，并将 其提升到完善的境界，以实现 更便利 、 更 舒适、以及新型健身车 的出现。 新型折叠健身车 是针对脚踏 车 的外型构造，结合椭圆机的步态驱动机构，目的 在改善跑步机、健身踏步 车 、椭圆机等运动器材只限于室内使用，且价格昂贵、 体积太大等缺点，但仍须保留 自行车其操作简 、可移植性、及具有很好的转 向系统等优点。因此，以下将对新型折叠健身车 确立设计规范和特点并撰写 量化 的 功能规格表 (表 （ 1）稳定安全的三 轮 式 车 身 增加安全感及稳定平衡性，让使用者 会感到 害怕与 安心感。 （ 2）可调式步态驱动机构 要能 省力 且需符合人体自然步态，能长时间操 作， 不 会造成运动伤害；并且步态驱动机构的设计要简单、维修要容 易 、操控要简易。 + （ 3）三种使用模式的多功能转向系统 转向操控要直接且位移要明确，并提供三种 不同 的使用情境。 表 能规格描述 1. 可行驶路宽 2. 最大的前进速度达 10km/ 3. 可爬行约 7的坡道。 4. 最大 前进速度时的刹车距离为 25 5. 双手操控转向把手向左、向右为 20的最大转向角度。 6. 回转半径为 根据上诉的设计规范与功能规格，新型折叠健身车分为三轮式车身、可调式驱动机构、多功能转向系统进行其概念设计，以产出健身车的概念设计。 8 8 2概 念 设计 1. 稳定安全的三 轮 式 车 身 为考虑骑乘的安全和稳定性，是以三 轮 方式进行 车 身结构与稳定性设 计。其前 轮 是 两轮 设计，具有 轮 距调整器，可依 路况 或个人喜好，调整 两轮 宽度， 窄者骑乘较 灵活 且可适应小巷道或田间小路，宽则增加其稳定性。前 轮 亦具有 特 殊机构设计，可适于颠颇的 路面 ，故其 但安全舒适，因其稳 定平衡佳， 需任 何机构即可随时随地停放，具较高的机动性和 便利 性。亦适合孩童使用，故可符 合全家运动休闲娱乐 的生活要求，能促进家庭和谐，享受天 伦之乐 。 2. 可调式椭圆步态驱动机构 本设计的驱动系统是四 连杆 之椭圆步态驱动机构，其设计的出发点是模拟人 行走 时的运动步态轨迹， 良好 的设计可以提供脚部与手部作近似慢跑的动作，可 进行 全身性运动，同时可避免地面对下肢的冲击 力 ，可减少膝关节损伤，是有效 的有氧适能训 练 方式，适合作心肺耐力、肌力训练、以及户外活动。 本设计 的步态轨迹是 利用 步态微调器 来 进 行 每隔 45度 之 8个位置的调整，及可调位置的踏板设计，用以改变驱动者的跨距和步态轨迹，以配合使用者的习惯。 3. 三种使用模式的多功能转向系统 本设计的转向系统设计，创造出定点、定轨迹、代步等三种使用模式， 但 能在室内做运动，也可到户外进 行 休闲、购物等活动。其中，定点、定轨迹的模 式时，健身车 即是一种椭圆机的运动方式，以手脚并用之慢跑运动动作，以驱动 椭圆步态驱动机构。在定点或室内时可以用支撑架撑起整个后 轮 ，让使用者在操 作时能够稳固且 会摇晃，在 原地进行 运动、 复健 等活动。在户外 或较大的空间 时，转向角度 控制器可以固定 龙头 的转向角度形成直线或各种圆周运动之户外定 轨迹椭圆机模式的健身运动，使用者 会感到枯燥乏味。支撑架在移行时须提至 上方转换为一置物架，其是 利用 拨杆把支撑架卡槽的定位销 拉起 ，以调整支架控 制机构 来 进 行切换 。 代步模式则健身车 为一脚踏 车 的骑乘方式，以双脚踩踏椭圆步态驱动机构， 双手时操控 龙头的方向与转向，可以较舒适的驱动方式进行骑乘，可符合全家运 动休闲娱 乐 的生活要求。其中，转向把手具有特殊的接头设 计，可以简 便地随插 即用的进行 转向杆与手杆间 切换 。 9 9 2结 论 本研究提 出一套系统化之新型折叠健身车 的设计程序 来进行 设计，根据其 流程 ，首先透过文献研究与市场分析 来 规划和厘清设计需求与限制，并订定新型折叠健身车的设计规范，其设计规范归纳有 1 稳定安全的三 轮 式 车 身、 2 可调式的步态驱动机构、 3三种使用模式的多功能转向系统。根据上述的设计规范，分别进行 产出其概念设计。稳定安全的三 轮 式 车 身是以三 轮 方式进行 车 身结构与稳定性设计， 但舒适安全，又因稳定性佳， 需其它的 固定机构就可随时停放，因此具有很好的 便利 性与机动性。可调式椭圆步态机构是模拟人自然的运动步 态轨迹，提供脚部与手部作 近似慢跑的动作，进行 全身性的运动，而步态轨迹是 利用 步态微调器 来进行 八个位置的调整，只需小工具即可做到，另外还有可调位 置的踏板，拆装容易 且不须 任何手工具，用以改变使用者的跨距和步态轨迹。三 种使用模式的多功能转向系统主要提供定点、定轨迹、代步等三种使用模式， 但能在室内做运动，也可到户外进 行 休闲等购物活动， 利用 转向角度控制器及支 撑架 来进行切换 。以上概念设计 可作为新型折叠健身车 具体设计与细部设计的依据 及 参考 。 第三章 具体设计与实作测试 10 具体设计主要在于将概 念 设计的最佳解决方案具体化，包含整个模型的建 构，并确认系统配置、重要 零 组件规格、重要功能组件的设计参数 和其供应 来源 。 在此具体设计步骤，包括尺寸设计与干涉的检查与消除，并进 行 实体模型的建构 工作，其中含有 零件 建构、组合件装配、与工程图制作。此步骤的方法是以运用 进 行 具体设计。 3三 轮 式 车 身 自 行车 是 省 能源、无污染的代步工具， 更 是愉悦 心 灵 的运动休闲器材，其具 有 廉 价、 灵 巧、 省 时、 省 地、健身等优点，特别是可促进心肺功能、增强肌肉耐 力 等健身 复 健的功能，广受人们喜爱，但也容易 造成膝、足踝等的运动伤害。 椭圆机在国内是一个 年 轻的运动器材，其设计的出发点是模拟人 行 走时的运 动轨迹， 良 好的设计可以提供脚部与手部模拟各种 同的动作，可进 行 全身性运 动，同时可避免地面对下肢的冲击 力 ，是有效的有氧适能训 练 工具。但只限于室 内运动。新型折叠健身车 是以椭圆机的驱动方式结合自 行车 的移 行 功能 ，使其可以避免运动伤害、 不 限室内或户外、 不 限时间、自由自在、随心所欲地进 行 有氧健 身 运动。为考虑骑乘的安全和稳定性，是以三 轮 方式进 行 结构与稳定性设计，其 前 轮 是 两轮 设计，故其 不 但安全舒适，因其稳定平衡佳， 需任何机构即可随时 随地停放，具较高的机动性和便利 性。亦适合大众使用，故新型折叠健身车可符合全家运动休闲娱乐 的生活要求，能促进家庭和谐，享受天 伦乐 。 整台健身车 的构造主要是由一脚踏 车车 架、 车 架后端的后 轮 及支撑架、 车 架 前端的可调高 度 的转向 龙 头、随插即用 的转向把手以及向下延伸至前 两 小 轮 、固 定于 车 架前端并位于 龙 头后方的步态微调器，及二组装于 车 架 两 侧以供使用者踩 踏并驱动后 轮 的可调感应踏板，如 图 所示。 11 11 图 三 轮 式 车 身的具体设计 轮 距调整器，可依 路 况或个人喜好，调整 两轮 宽 度 ，主要是由调整 滑 块在 滑 轨上 作移动，调整 两轮 的间距后，以锁紧 螺 丝固定，窄者可适应小巷道或田间小 路 ，宽则增加其稳定性。前 轮 亦有避震器，可适合于颠颇 路 面且安全 舒适，如图 示。 12 12 轮 距调整器的具体设计 3步态驱动系统 本设计的驱动系统是 利 用椭圆机的步态驱动机构，其设计主要是模拟人 行 走 时的运动步态轨迹， 良 好的设计可以提供脚部与手部近似慢跑的动作，可进 行 全 身性的运动，同时可避免因慢跑时 来 自地面对下肢的冲击 力 ，可减少膝关节损伤， 是一种有效的有氧健身训 练 方式，适合 大众 作心肺耐 力 、肌力训练、以 及 户外活动。本设计的步态轨迹主要是 利 用步态微调 器 来 进 行 8个 位置的调整，及可调整位置的脚踏板设计，用以改变驱动者的跨距和步态轨迹，以配合个人的使用习惯，如图 示。步态微调器 (图 由 螺 丝将手杆支点座固定在 车 架的中柱杆，把 8 面游戏杆轴配置在上方，两 端由手游戏杆接合，使用者只要调整好就可以把内 六 角 螺 锁紧将手杆外盖固定。 13 13 图 步态驱动的具体设计 14 14 图 步态微调器的具体设计 可调式踏板的构造是由脚踏板、踏板固定座、踏板柱、踏板固定勾、 内 六 角螺丝、蝶型螺丝所组成，使用者要调整适当的位置时将蝶螺丝解开，再把脚踏 板放置于脚踏杆上面的 U 型槽，再将蝶型螺 丝锁紧踏板固定勾即可，如图 示 图 可调式踏板的具体设计 15 15 3多功能转向系统 健身车 的转向系统，主要是 以转向 龙 头直接操控，经由转向杆让前 两轮 进 行 运动与转向，转向操控简单而明确，转弯时也 不 会有 轮 胎打 滑 的问题产生，大幅 提升 行 驶时的安全性。 转向系统是由随插即用的转向把手、可调高 度 的转向 龙 头、转向角 度 控制器、 转向杆、转向长管、 两 小 轮 组成，如图 中 ， 利 用转向把手经由转向杆、转向长管以直接操控前 两轮 以达到转向的功能。 图 转向系统的具体设计 16 16 本设计的转向系统设计，可以创造出定点、定轨迹、代步等三种使用模式， 不 但能在室内做运动，也可以到户外进 行 休闲、购物等活动。其中，定点模式时 (图 步 行车 是一种椭圆机的运动方式，以手脚并用的运动动作，驱动椭圆步态驱 动机构。在定点或室内时可以用支撑架撑起整个后 轮 ，让使用者在操作时能够稳 固且 不 会摇晃，在原地进 行复 健等活动。另外， 定轨迹模式 (图 就是在户外或较大的空间时， 利 用转向角 度 控制器固定 龙 头的转向角 度 形成直线或各种圆周 运动之户外定轨迹椭圆机模式的健身运动，让使用者 不 会枯燥 乏味。 图 17 17 图 转角 度 控制器 (图 用手 拉 动固定销经由弹簧的作用让固定条紧压固定在 转向杆的齿 轮来 进 行 固定的动作， 不 需要任何手工具就可以轻松的让使用者进 行 圆周或直线上的运动情境。 (a)固定状态 b) 松 开 状 态 18 图 转角 度 控制器 支撑架在移 行 时须提至上方转换为一置物架，其是 利 用拨杆把支撑架卡槽的 定位销 拉 起， 以调整支架控制机构 来 进 行切 换，如图 示。 图 支撑架与支架控制机构 代步模式 (图 健身车 为一脚踏 车 的骑乘方式，以双脚踩踏椭圆步踏驱 动机构，双手操控 龙 头的方向与转向，可以较舒适的驱动方式进 行 骑乘，可符合 全家运动休闲娱 乐 的生活要求。其中，转向把手具有特殊的接头设计， 利 用把手 的锁紧套可以简 便 地随插即用的进行 转向杆与手游戏杆间 切 换，如图 示。 19 图 代步模式 20 20 图 插即用的转向把手设计 3实作测试与改 良 设计 经由前三节的过程得到新型折叠健身车 的具体设计，本小节将其建构为实体模 型，进 行 细部设计并绘制成工程图，以 利 加工制作出原型机。 3实作 依照健身车 的具体设计 (图 以 件所绘制的 立 体组合图， 再将健身车 的所有 零 件转换制作成工程图 (图 立 体图 (图 以 利 现场 加工人员依照图面尺寸， 来 进 行 各 零 件 的加工。图 步 行车 的 零 件明细图， 其明细如表 示，最后，依照各 零 件的相关位置 来 进 行 原型机的组装，并进 行 测试。 21 21 图 健身车 的具体设计 22 22 图 模型工程图 23 23 (a)代步模式 （ b）定轨迹模式 （ c）定点模式 图 模型 立 体图 24 24 图 零件图 25 25 表 零件表 零件编号 名称 件数 备注 1 手握把 2 2 锁紧套 4 3 转向龙头 1 4 转向杆 1 5 固定销 1 6 龙头前管 1 现成品 7 中柱杆 1 8 龙头长管 1 9 手摇杆 2 10 垫圈 20 现成品 11 小轮 2 现成品 12 避震器 2 现成品 13 脚踏杆 2 14 脚踏板 2 15 蝶型螺丝 8 现成品 16 内六角螺丝 26 现成品 17 车架 1 现成品 18 拨杆线 2 19 定位销 2 20 曲柄 2 21 后轮 1 现成品 22 支撑架 1 23 座椅 1 现成品 24 拨杆 1 25 8面摇杆轴 1 26 手杆外盖 1 27 手杆固定座 1 28 固定螺丝 17 现成品 26 26 3试 经由上述的实作过程，得到新型折叠健身车 的原型机，并根据 2的测试项目进 行 测试，以了解步 行车 的各项特性与其 性能，并建 立资 料 档，以做为 修正的依 据。测试项目与结果如下所示 （ 1）驱动能 力 ：主要针对健身车驱动系统 来 进行测试，使用者在踩踏的结果， 可以用很轻松的步伐 来 驱动整台健身车。 （ 2）最大速 度 ：此项目主要在测试健身车前进的最大速 度 ，步 行车前进的最 大速 度 为 km/见 后面 说 明 )。 （ 3）爬坡能 力 ：此项目主要在测试健身车于爬坡时的最大角 度 ，本研究寻找 到残障 7度 的坡道，很困难地驱动步 行车 前进，如以人 行 道上的 小 型坡道，则可驱动前进。 （ 4）刹车 性能：此项目主要在测试健身车的刹车性能，步 行车 于最大速 度 时 刹车 距 离 96 见 后面 说 明 )。 （ 5）转向性能：此项目主要在测试健身车 的转向能 力 ，经由测试，步 行车 的 转向操控直接、位移明确，最大转向角 度 为 25度 ，回转半径可达 2m，但由于原型机的转向机构设计 不 佳，所以在转弯过 度 会有倾倒的危险。 （ 6）舒适 度 ：此项目主要在测试健身车使用上的舒适程 度 是否恰当，经由测 试，驱动者在使用时，因避震器的作用， 不 会有 不 舒服的感觉。 （ 7）稳定 度 ：此项目主要在测试代步模式 、定轨迹模式、定点模式、及刹车时健身车 的稳定情形，经由测试，健身车可 行 驶 路 宽 稳定 度良 好。 （ 8）安 全性：此项目是测试健身车 的安全性，经由测试，驱动者在使用时， 并无任何危险性。 从以上的测试结果，我们可得知原型机的设计有些无法满足原订的设计需求，总共有以下三点 架前端没有足够的空间，会造成 上下 车 的 不 方 便 。 转向虽然可以与脚踏 车 一样操作简单，但转向过 度 会有倾倒的危险。 考小型椭圆机 来 进 行 设计， 不 适合成 年 人 来 驱动，因步态小而影 响到健身车 的最大速 度 ，所以前往远距 离 的地点购物，既费 力 又费时。 27 27 3改 良 设计 经由测试的结果，本小 结主要针对原型机的缺失进 行 一些修改，如图 示，首先针对步 行车 整体的外型美观、空间上进行改良而步态驱动机构的尺寸是 以成 年 人来设计，为 了 让使用者能以 更省力 、 更轻 松的步态来驱动健身车，步态 驱动机构是采用 六连 杆设计，其设计的出发点是模拟人快走时的运动步态轨迹 (第四章、第五章作详细介绍 )。 图 新型折叠健身车 新型折叠健身车 的转向系统，采用 车 辆前 轮 转向的方式。主要是以转向 龙 头直接 操控，经由转向机构使让前两 轮 进 行 运动与转向，转向操控简单而明确，转弯时 也不 会有 轮 胎打滑问题产生，大幅提升行驶时的安全性。 转向系统是由随插即用的转向把手、可调高 度 的转向 龙 头、转向角 度控制器 转向杆、转向接头、传动杆、转向机构、 两 小 轮 组成，如图 示，其中， 利 用转向把手经由转向杆、传动杆、转向臂操控横 拉 杆带动转向机构使前 两轮 达到 转向的功能，如图 示。 28 28 图 转向系统的具体设计 29 29 健身车 之转向系统的设计需 不 违反 理 ，即步 行车 在代步模式的转 向系统为三 轮行 驶的 状 态， 龙 头转向时步 行车 的前 两轮的转向中心 都 在大 轮 的轴 心在线，故 不 违反 理 ，步行 车转向可保持顺畅，如图 示。 图 理 30 3结 论 根据第二章第三节健身车 的各个创意特点， 来 进 行 三 轮 式的 车 身设计、可调 式步态驱动系统、三种使用模式的多功能转向系统等三大特点的具体设计。经由整台新型折叠健身车 实体模型的建构，并针对各系统装置的细部尺寸与实际功能来 绘制，这其中也包含 了 各系统分析与机构干涉的检查与消除，顺 利 的完成具体设 计的产出。 制作原型机最主要的目的，在于验证健身车 的设计结果，是否达到设计的 要求，并经由测试过程与结果 了 解设计的缺失，以做为后续设计的依据。 经由上述测试过程，将健身车 实体模型的所有 零 件制作成工程图，在进 行 加工、组装，得到健身车的原型机，进 行 测试，经由测试得到以下结果 (1)驱动的最大速 度 km/(2) 最大爬 行 坡道为 。 (原型机的步态 驱动是 参 考小型椭圆机 来 进 地 设计，所以步态非常小，影响健身车的最大速 度 以及导致双脚施 力 小而无法爬升坡 度 较大的坡道 )。 (3)刹车 的距 离 高达 96 要 来 自于 车 体的重 量 重，刹车时只有后 轮 有作用，故造成刹车距 离 过长。 (4)原型机的前 两轮不 是以 车 辆的转向机构 设计，导致在转弯时，前两 轮 的轴心线与后 轮 轴心线的夹角相同，所以转向过 度 时，会发生倾倒的危 险。然而，以上的设计缺失 不 影响健身车一些附属的功能，并且在改 良 过的 健身车 一并获得 解决，以符合其设计规范的要求。 31 31 第四章 步态驱动机构的概 念 设计 本章节的步态驱动主要是参考文献，提出一套系统化的设计程序，以合成出满足设计需求与限制的 六连 杆机构简图，并做为下一章机 构尺寸设计之依据。 4设计程序 本研究将以 六连 杆机构进 行 驱动机构的设计， 首先进 行 椭圆运动机文献的收集，以归纳出步态驱动机构之机构特性，并订定出 设计需求与限制，以图 进 行 一般化、特殊化、及再生化，系 统化合成出所有满足设计需求与限制的 六 杆七接头步态驱动机构。以下 说 明其设 计步骤 步骤一、原始设计 本步骤是寻找一个 (或者多个 )合乎设计需求的现有机构，当作设计的原始机构，并分析此原始机构，归纳出其构造特性及设计需求与限制。 分析一个已有机械装置的首要步骤为判认其 拓 朴构造。机械装置的 拓扑构造 ，决定于机件与接头的 类 型及 数 目，以及机件与接头之间的 邻接和附随关系。倘 若 无法由文献资 料 得到原始设计，直接跳到步骤三，从一般 化链目 录 寻找符合设计规范要求的一般化链图谱。 步骤二、一般化链 任何一个已有设计 都 可作为原始设计，本步骤是选择可用的既有设计作为原 始设计，以一般化原则与规则， 将其转化为相对应的一般化链。 32 32 图 态驱动机构的设计程序 一般化的目的，是将含有各种 类型 的机件和接头的原始机械装置，转化成只 含有一般化 连杆 和一般化接头的一般化链。机械装置的组成组件虽各有 同，但 均可对应转化成只含一般化 连杆和一般化接头的一般化链。一般化过程的基础是 建 立 在一套一般化规则上，而一般化规则是根据所定义的一般化原则导出。经由 一般化过程，设计者能够用一种非常基本的方式 来 研究和比较 同的设计。许多 机械装置起初乍看之下并 相同，却可能具有相同的一般化形式。 步骤三、一般化 链目 录 本步骤是运用 数 目合成 理论 或图 论 ，合成出与原始一般化链的杆件 数 与接头 数 相同的所有可能的一般化链。各种一般化链的图谱，可运用 数 目合成 理论 ，即通过对其相对应的 连 杆 类 配对进 行 组合 来 获得，亦可 利 用图 论 之 区块的图谱转换而得到。但一些重要的一般化链图谱 都 已建成资 料 库，可 直接由资 料 库选用即可 。 33 33 步骤四、可 行 之特殊化链 经由特殊化程序，将就步骤四所获得的每一个一般化链，指定其机件与接头 类 型，以获得符合设计需求与限制的可 行 特殊化链图谱。 根据一定的设计需求与限制，在可 行 的一般化链图谱中分配特定类 型的杆件 与接头的过程，称为特殊化。一个一般化链，在根据设计需求进行特殊化以后，即称为特殊化链。满足设计限制的特殊化链，则称为可 行 特殊化链 。特殊化程序可用于枚举并计算出所有可能的非同构特殊化链。根据此程序，设计者能够获得具有特定 类 型的杆件和接头的可 行 特殊化链的完整图谱。一个一般化链可以特殊化为 拓 朴构造 不 同的各 种机械装置。 步骤五、可 行 机构目 录 将可 行 特殊化链图谱根据机械装置的运动与功能要求，一一再生化为与其相 对应的机构简图，以获得机构图谱目 录 。就图示而言，再生化是一般化的逆向过 程，可通过应用一般化规则的逆向顺序 来 完成。 4概 念 设计 步骤一、原始设计 本步骤针对椭圆运动机的文献资 ，并从中 参考 其步态驱 动机构来 进 行 探讨及分析，得到步态驱动机构应具有下 的机构特性 1. 它是一个具 杆单自由 度 之平面机构。 2. 它有一个机架，作为步态驱动的固定杆。 3. 它有一个输入杆为输入源， 来 控制整个机构做运动。 4. 脚踏板的运动轨迹为没有交叉点的封闭曲线。 5. 手部的运动可以是往返 摇摆运动或封闭曲线运动。 6. 接头可以是旋转对、 滑行 对及滚动对。 7. 两侧 的曲柄以相差 180 度连 接。 8. 同一侧的手跟脚在相同时间内为相反的动作 步骤二、一般化链 本步骤是选择文献中可用的既有设计作为原始设计，以一般化原则与规则，将其转化为相对应的一般化链 。 本研究主要是针对 六 杆设计，所以从现有的文献选择 六 杆步态驱动机构，再 经由一般化，如图 示，比对步骤四的可 行 特殊化链，会有相同的设计再从中 删除。 34 35 35 步骤三、一般化链目 录 本研究是采用具有一个 六 杆单自由 度 的一般化链，可以直接由一般化链目 录 寻找符合设计要求的 六 杆一般化链图谱，如图 示。 图 具 六 杆单自 由 度 之一般化链目录 36 36 步骤四、可 行 之特殊化链 本步骤是根据设计需求与限制进 行 特殊化程序 ，设计需求与限制是根据步骤一步态驱动机构的特性所订定出 来 的，而本研究主要针对六连 杆机构设计，所订 定的需求与限制必须满足于下 列 12条项目，以作为特殊化程序的依据： 的平面机构。 杆 1)当作机架。 杆 2)与机架 连 接。 杆 3)与机架 连 接而形成往 复 摇摆运动。 杆 4)作为输入杆，其上有一个脚踏板，为封闭曲线运动， 不 与机架相 连 接 。 10. 接头 不 采用复接头 (减少机构排 列 的层 数 )。 11. 接头皆采用旋转对 (为了 减少使用时的噪音及磨损 )。 杆。 在上步骤获得一般化图谱后，根据上述的设计需求与限制，依照下 列 步骤可 以找出全部可能的特殊化链： 出全部可能情形下的固定杆。 1 获得的每一个情形，找出杆 2。 2 获得的每一个情形，找出杆 3。 3 获得的每一个情形，找出杆 4。 根据特殊化程序，共获得 9个可 行 特殊化链，如图 37 37 图 可 行 之特殊化链 38 38 步骤五、可 行 机构目 录 再生化程序，一般并没有遵循一定的程序就能得到新的 理 想结果。为使其可 操 行 提高，在进 行 再生化程序时，根据步态驱动机构的运动与功能要求， 参 考可 行 之特殊化链目 录 的收放机构设计。因此，将图 特殊化链目 录 再生化 ，获 得与其对应的图 单自由度 步态机构目 录 。 图 六 杆单自由 度 步态机构目 录 39 39 图 六 杆单自由 度 步态机构目 录（续） 40 40 4结 论 本章主要针对椭圆运动机的步态驱动机构进行 机构分析，归纳出这些设计的 构造特性，并订定步态驱动机构的设计需求与限制。步态驱动机构的概 念 设计是 根据具 六 杆单自由 度 的一般化链图谱进行的，程序过程中设计需求与限制订定是 弹性多变的。本研究最后得到 9个具 六杆单自由 度 步态驱动机构的概 念 设计，考 虑整台健身车 的配置、构造简单还有后续找寻快走的步态 轨迹，从中选用图 4.5(a) 作为健身车的步态驱动机构，但也并非否定其它的机构形式，所以选择一种较佳 的方案为提供后续进 行 具体设计的主要依据与 参 考。 41 41 第五章 步态驱动机构的具体设计 5步态 观察方法 本节是采用生物 力 学最广泛应 用的摄影法，先架设摄影机，然后请被摄影者以快走方式左右 来 回 行 走 数 十次，取其脚跟点的位置距离 。拍摄地点为学校，拍摄人 数 以 22岁左右 10位男生，身高平均 170 5 由拍摄后，观察整个快走时的步态的跨距长 度 、跨越高 度 ，如图 算方法是以实际地面上的 15 的方式计算出距 离 ，然后把 10位学生步伐的 数 据，平均计算后所得出的结果，如表 a) 跨距长 度 (快走一步的距 离 42 本章节是根据第四章步态驱动的概 念 设计， 最后得到 9个具 六 杆单自由 度 步态驱动机构，从中选用图 4.5(a)做为健身车 的 步 态驱动机构，其中步态轨迹是由四 连 杆产生的 耦杆 曲线，其余 两 杆再决定手握杆， 至于手部的运动，只需往 复 摇摆即可，本章就依照以下步骤进 行 整个快走步态轨 42 （ b） 跨越高 度 (跨越时的最高点与地面距 离 ) 图 快走时的步态的跨距长 度 、跨越高 度 表 快走时跨距长度、跨越高 的计算结果 性别 身高（ 体重 距离长度（ 跨越高度（ 1 男 171 65 男 165 52 男 171 58 男 165 62 男 175 58 男 166 65 男 168 55 男 175 68 男 173 69 0 男 170 58 均结果 定运动需求曲线 本小节主要订定快走时的运动曲线，以一个平 滑 近似 泪 滴型的步态轨迹，定为本设计的需求曲线，让使用者在踩踏时，期望可以得到良 好快走的运动效果，并且须近似由实验结果后所得到的平均 数 据，跨距长 度 越高 度 图 43 5步态尺寸合 成 首先我们选用一组可 行 的四 连 杆机构 (图 各尺寸为 杆 1=1047 2=336 3=800 4=1200a=755b=525mm、为健身车的驱动 来 源，当然这组四 连 杆机构尺寸是以图集搜寻法查阅及 参 阅过去的学术 论 文选用一组与需求曲线相似的图形 (图 且经过多次反复调整过后，使耦杆曲线 更 接 近需求曲线，且能够获得较适当的机构尺寸及配置，在使用的软件方面主要是由 出所需求的四 连 杆机构图，如 图 下 来 把耦杆上的踏板点用软件内的动态仿真，仿真出所需求的耦杆轨迹图，如图 来 撷取软件上的影像取成相片，并汇入 一比一的方式 量 测整个轨迹的跨越高 度 、跨距长 度 ，所得到的 量 测结果，如图 图 可 行 的四 连 杆机构 44 44 c= 图 需求曲线相似的图形 图 软件绘出四 连 杆机构图 45 (a) 执 行 软件内的动态 仿真 (b) 经由动态仿真后所执 行 出 来 的轨迹 图 耦杆轨迹图 46 46 （ a）从 像撷取相片汇入 b) 跨越高 度 、跨距长 度 的 量 测结果放大图 图 跨越高 度 、跨距长 度 的 量 测结果 由以上的步骤决定出整个健身车快走的步 行 轨迹后，接下 来 另外两 杆合成出手部的运动，此步骤我们先以绘出步 行车 的具体设计图(图 直接 利 用具体设计图在图上调整及修改手部的摆动角 度 ，一般人在快走时，手部运动的摆动约为 60 ，使用者