基于人机工程学的家用多功能跑步机优化设计.pdf

机械工程师 M E C H A N lC A LE N G lN E E R 基于人机工程学的家用多功能跑步机优化设计 刘玉德 侯亚茹 宋贝贝 北京工商大学材料与机械工程学院 北京1 0 0 0 4 8 摘要 针对扶手高度不适宜 跑步带面积不合理等问题 文中基于人机工程学原理 从跑步机的电动机选择 跑步带面积 基架尺寸 扶手高度 扶手长度 扶手中心距 支架角度 电子显示器的布置 前后罩等方面进行了优化设计 以设计出更舒 适的跑步机 关键词 人机工程学 多功能 跑步机 优化设计 中图分类号 T H12文献标志码 A文章编号 1 0 0 2 2 3 3 3 2 0 1 7 0 2 0 0 1 8 一0 3 O p t im iz a t io nD e s ig no ft h eM u lt if u n c t io nT r e a d m ill f o rH o m eB a s e do nE r g o n o m ic s L I U Y u d e H O UY a r u S O N GB e ib e i S c h o o lo fM a t e r ia lsS c ie n c ea n dM e c h a n ic a lE n g in e e r in g B e ij in gT e c h n o lo g ya n dB u s in e s sU n iv e r s it y B e ij in g10 0 0 4 8 C h in a A b s t r a c t I ns o m et r e a d m ill t h ea r m r e s th e ig h ta n dt h er u n n in gb e lta r e ao ft h et r e a d m illa r en o tr e a s o n a b le T od e s ig na m o r ec o m f o r t a b let r e a d m ill t h isp a p e rc a r r ie so u to p t im a l d e s ig no ft r e a d m ill int e r m so fm o t o rs e le c t io n r u n n in gb e lta r e a b a s ef r a m es iz e a r m r e s th e ig h t a r m r e s tle n g t h c e n t e rd is t a n c eo fa r m r e s t b r a c ea n g le t h ea r r a n g e m e n to fe le c t r o n ic d is p la y t h ef r o n ta n db a c kc o v e r e t c K e yw o r d s e r g o n o m ic s m u lt if u n c t io n t r e a d m ill o p t im a ld e s ig n 0 引言 社会的发展 技术的进步 产品的更新 生活节奏的 加快等等一系列社会物质因素 使人们在享受物质生活 的同时 更加注重产品在 方便 舒适 方面的评价 也 就是在产品设计中常提到的人性化设计问题 人机工程 学提供了人体各部分的尺寸 重量 体表面积 比重 重心 以及人体各部分在活动时的相互关系和可及范围等人体 结构特征参数 人机工程学的研究成果对于家用跑步机 的设计有非常重要的意义 在人机这一系统中 人是核心 因素 家用跑步机的设计应符合人的生理 心理特点 在 这方面考虑失误 可能会影响人的健身效果 甚至会影响 人们的安全健身 1 基本功能 跑步机是家庭和健身房常备的简单而有效的健身器 材 其基本功能就是构建一条运动的跑道 跑步带 跑道 的运动方向与运动者的跑动方向相反 跑步者可以根据 设定好的跑步机速度 调节自己的速度 使自己的跑步速 度与跑步机的设定速度相一致 这样就使得运动者能够 在原地进行跑步锻炼了 此外 随着人们生活品质以及缝康意识的增强 家用跑 步机除了具备最基本的跑步功能外 还应该多功能化 为喜 欢锻炼臂肌的人士提供哑铃项目以及为喜欢锻炼腹肌的人 士提供仰卧起坐项目 锻炼完成后 人们可以根据自身的需 求进行身体各部位的振动按摩 以调整机体功能 2 跑步机人机工程优化设计 多功能跑步机基本组成主要包括电动机 可调电源 装置 跑步带 基架 支架 滚筒 多功能支架及仪表控制 盘等 支架放置在地面上 支架与基架通过螺栓连接 基 架通过螺栓定轴转动 实现基架的收放 基架的底部通过 气压杆与支架连接 当基架需要收起来时 气压杆的作用 力可以使支架保持平衡 使其保持在收起来的状态 前轴 与后轴分别装在基架的两端 前滚筒与后滚筒分别用轴 承套装在前后轴上 前轴固定 通过在后轴两端各装一个 螺钉 调节后轴沿轨道水平运动 以实现跑步带的张紧 跑步皮带中间装有支撑跑步板 起支撑作用 从动皮带轮 紧装在前滚筒的一端 电动机 可调电源安装在基架的前 端 控制传感器装在电动机上 速度传感器安装在紧靠在 从动皮带轮的框架上 跑步机仪表控制盘安装于扶手架 上 扶手架安装于支架的顶端 此外 跑步机支架上安有可拆卸的多功能支架 多 功能支架上附带三种锻炼身体的器材 1 哑铃 附带的两 支哑铃 根据锻炼者需求的不同可以配置3k g 4k g 5 2 0 lo 1 2 付全 赵慧勤 吴壮志 运动捕捉技术在体育运动仿真中的应 用 J 山西大同大学学报 自然科学版 2 0 1 3 5 8 1 8 3 1 3 蓝箭 李印 赵炎 等 一种基于肢体形态的虚拟试衣方法研究 J 工业控制计算机 2 0 1 6 1 1 0 5 1 0 8 1 4 赵京 卫沅 机器人实验教学系统创新实践方法及应用 J 实 验室研究与探索 2 0 1 5 11 2 1 0 2 1I 1 5 马乐 宋嵘 刘燕 等 基于虚拟现实技术的康复训练系统设计 与实验验iiF J 计算机应用与软件 2 0 1 3 7 9 4 9 7 编辑立明 作者简介马广韬 1 9 6 2 一 男教授 硕士生导师 研究方向为工业设计 崔建伟 1 9 7 4 一 男 副教授 硕士研究生研究方向为工业设计 收稿日期 2 0 1 6 0 9 0 1 1 8 2 0 1 7 年第2 期网址 W W W j x g c sc o m 电邮 h r b e n g in e e r 1 6 3 c o r n 机械工程师 M E C H A N e A L 薹N G iN E E R 蝇 1 0 蚝 1 5k g 等不同规格的哑铃 根据购买者的需求 配套设置 2 仰卧起坐装置 锻炼者根据自己需要可以躺 在跑步机上做仰卧起坐 3 振动按摩器 通过一条按摩带 与振动器相连 按摩带可以贴在人身体的各个部位 对锻 炼者身体的各个部位进行按摩 以减轻疲劳 图1 为跑步 机的整体设计 2 J 电动机 电动机是跑步机最核心的部件 可以说它就是跑步 机的心脏 在选购跑步机时 一要考虑到马力的大小 马 力并非越大越好 二要考虑电动机工作时的声音 健身过 程中声音太大会大大影响人们健身体验 直流电动机比 较安全 不用经常维护 噪声比交流小 输出稳定 一般连 续工作4h 没有问题 所以说直流电动机比较适合家用跑 步机 经调查 市面上的家用跑步机 一般是1 5 H P 广 1 7 5 H P 2 H P 2 5 H P 3 H P H o r c eP o w e r 1 H P 跑步机的功率为7 3 5 硼 左右 通常1 5 H P 或者 2 H P 适合于慢跑或老年 人使用 而2 5 H P 或者 3 H P 可以满足一般人群 的1 3 常需求 购买家庭应该根据实际情况选择合适马力 跑步机 2 2 跑步带 跑步机其实就是提供一个跑步的面积 跑步面积直 接影响人们的健身体感 若跑步面积太小 会迈不开步 伐 跑起来不顺畅 甚至跌到 若跑步面积太大 则浪费材 料 则会导致跑步机笨重 体积庞大 不美观 根据人体运 动工学推算 1 4 0 0m m 的长度可以保证人跑步时足够的 图3基架的设计 长度 宽度参考G B T1 0 0 0 0 根据1 8 6 0 岁年龄组的第9 5 百分位数肩宽为4 0 3m m 加上设计余量 将宽度设计为 4 2 0m m 理论土 在相同马力下 电动机所能带动的跑步 面积越大 其设计方案越好 2 基架 基架的设计是整个设计的基础 也是其他设计的基 准 支架的设计 滚筒的选择 前后罩的设计都是依据基 架的尺寸和形状设计的 所以首先要考虑基架的设计 而 基架的尺寸又由跑步带决定 相关计算为三基架 L 电动机 L 跑步带 4 0 0 1 4 0 0 1 8 0 0m m 宽度形基架 形跑步带 形左右踏条 基 架两边的左右踏条 一是为锻炼过程中短暂的休息提供 两脚踩放的位置 二是为跑步机失灵发生意外时 人可快 速两脚分开脱离旋转的跑带 提供足够的安全踩放位置 踏条的宽度参考G B T1 00 0 0 根据1 6 8 0 岁年龄组的第 9 5 百分位数 足宽为1 0 3m m 加上设计余量 将踏条的 宽度设计为1 5 0m I l 则W 基地 4 2 0 3 0 0 7 2 0m m 机架踏 条采用防滑设计 将上平面设计为粗糙平面 以防滑 保 护跑步者的安全 此外基架设计成双层 可以起到减震作 用 图3 为基架的设计 2 4 支架 支架设计分为基本支架和多功能支架 两者通过螺 栓连接 基本支架包括扶手 仪表安装辅助支架等 多功 能支架包括哑铃 仰卧起坐器 电动按摩机等 如图6 扶 手的主要作用有两个 一是在跑步时 用手扶在上面 防 止身体不稳定晃动而出现意外 二是不跑步时双臂曲撑 运动 锻炼上肢肌体 2 4 1 扶手高度计算 扶手的高度根据G B T1 0 0 0 0 中1 8 6 0 岁年龄组百分 位数为9 5 的立姿肘高的尺寸来计算 男士为1 0 9 6m m 女 士为1 0 2 3m m 扶手的最大高度 男士 H A B C 1 0 9 6 2 0 0 2 5 4 j 5 0 一一 l r 一 导 j 2 L 0 0 8 0 0 一 L 图4 支架角度计算 嚣篓鬻攀零飘参 一 亟馥i差 手番毒 圣 每羹薹茧5 蓊 圈 档m 篓 暹盘鳖 垂嘲 董 潮 基查塞苤的遮让 网址 W W W j x g c sc o m 电邮 h r b e n g in e e r 1 6 3c o m2 0 1 7 年第2 期 19 机械工程师 黼基C H A N C A L 董N G lN E E R 图6 多功能支架的设计 一 w 图7 总支架的设计 1 3 2 1m m 扶手的最大高度 女士 日划 B c 1 0 2 3 2 0 0 2 5 1 2 4 8m m 其中A 为立姿肘高 B 为基架离地面高度 C 为设计余量 因此扶手的高度可以设计为1 2 4 0 1 3 2 5m m 可调节 式的 这样人们可以根据自己的高度进行调整 保证舒适 的健身体验 2 4 2 扶手长度和中心距计算 根据G B1 7 4 9 8 6 2 0 0 8 跑步机附加的特殊安全要求 和试验方法中规定 跑步机扶手长度应不小于跑步表面 长度的3 0 也就是不应小于4 2 0m m 初定扶手长度4 5 0 m m 根据标准 扶手中心距最大距离不应大于9 0 0m m 结 合人体肩宽 初步设计扶手中心距为8 0 0m r ll 2 4 3 支架的角度计算 翱 图9 前罩的设计 图1 0 后罩的设计 范围 一般取中间范围3 5 5 0 视觉效果较佳 幽8 为视觉 分析图 2 5 萌 后罩 跑步机前后设置A B S 塑料安全罩 使传动机构与执 行机构进行隔离 既保证了使用者安全 又美化了设备的 外观 以基架为设计基准 将前后罩卡在基架上 方便安 装与维修 3 结论 随着科技的发展 生活品质的提高 健康意识的增 强 人们对跑步机要求也相应提高 越来越多的人在选购 跑步机的时候 不仅追求外形 多功能 而且追求跑步机 跑步时的舒适度 所以从人体工程设计学研究跑步机非 常必要 参考文献 1 李俊 人机工程学在机械设计中的应用 J 硅谷 2 0 1 1 1 9 1 6 4 1 6 5 2 徐华文 李文峰 电动跑步机的人机工程设计 J 机械 2 0 0 4 3 1 增刊1 1 7 1 9 3 杨翠丽 谭文达 多功能电动跑步机设计 J 中国新技术新产品 2 0 1 6 1 3 5 4 韩方匣跑步机的动力选择和传动设计 J 科技信息 2 0 1 0 31 1 8 6 5 李月恩 刘敏 医疗器械设计的形态造型指导思想与原则初探 J 中国医疗器械信息 2 0 0 6 1 1 2 2 2 6 武林青 人机工程学与汽车设计初探 J 汽车实用技术 2 0 11 f 3 9 1 2 7 潘成华 浅谈产品设计中的人性化原则 J 民营科技 2 0 1 0 1 2 3