人机界面设计案例

1、案例 考虑人因工程学的椭圆机设计,椭圆机是利用人体慢走、快走或跑步时，脚踝的运动轨迹近似于椭圆形的原理，通过一定的机构，使踏板以一椭圆轨迹进行运动，以踏板所形成的椭圆轨迹来引导使用者脚部的运动，使椭圆机的健身动作与人的自然跨步相吻合；在整个健身运动的过程中，脚部不会完全离开踏板，故不产生对膝关节大的冲击，并能同时运动上下肢肌肉群，被看作是近几年有氧运动器材的一项突破，是健身器材的主要产品。,b,两种不同结构形式的椭圆机,1.椭圆机的基本要求为：,1）踏板所形成的轨迹与锻炼者自然跨步时脚踝的轨迹尽可能一致，同时兼顾锻炼者的快走、慢跑、快跑等不同速度运动时的情况； 2）把手所形成的轨迹与锻炼者在上

2、述情况下运动时手的轨迹尽可能一致； 3）椭圆机的结构尺寸符合锻炼者的人体尺寸； 4）设计合适的结构形式和结构参数，保证椭圆机运动惯性顺畅； 5）椭圆机的运动负载符合生物力学原理，并且可以准确调节、显示、记录等。除了上述运动功能设计要求外，还有外形美观、符合运动心理学等设计要求。,2.人体尺寸的选择 为了使椭圆机的设计能符合人的生理特点，就必须在设计时充分考虑人体的各种尺度。,案例 考虑人因工程学的椭圆机设计,案例 考虑人因工程学的椭圆机设计,椭圆机属于成年男、女通用的产品，可用男性1860 岁年龄组的第95 百分位数和女性18 55岁年龄组的第5 百分位数，作为尺寸上下限的依据，它考虑了绝大多

3、数的使用者群体。所需要的数据，如表1、表2 所示。,案例 考虑人因工程学的椭圆机设计,3.椭圆机的结构设计 椭圆机基本的机构形式为曲柄滑块机构和曲柄摇杆机构，如图2、3所示，在实际设计中两种形式均有应用。当曲柄旋转时，连杆的另外一端作直线（或是圆弧）往复运动；由于连杆一端作圆周运动，而另外一端作直线（圆弧可看作近似直线）运动，连杆上的其他位置就以椭圆轨迹运动；踏板安装在连杆上。两种形式的曲柄在椭圆机中的前后位置不同。另外，图2 形式的活动把手设计稍复杂。,图2 曲柄滑块机构,图3 曲柄摇杆机构,案例 考虑人因工程学的椭圆机设计,3.1 踏板轨迹的设计 为使人在椭圆机上运动时的状态接近自然状态，

4、其结构参数须根据人体在自然状态下行走（或者是跑步）时脚部的实际轨迹进行设计。脚部的实际轨迹可用椭圆形状来拟合。若确定了拟合椭圆的形状，即可设计连杆机构再现此形状。拟合的椭圆长轴、长轴方向的倾角与实测轨迹吻合；但实测轨迹和椭圆在整体上有一定的差异。,3.2 踏板间距和踏板最大倾角 不自然的姿势会影响人的平衡觉，甚至人体会失去平衡，故设计应考虑人体在运动过程中保持姿势的舒适。为此，要控制运动时两脚之间的距离，即椭圆机的踏板间距。踏板间距太大，对使用者而言，其健身运动的方式就不自然，容易出现对臀部和下背部的压迫和损伤。人在走路时，两脚之间的距离约为5cm 或者是一个拳头的大小，设计可以此作为参考。,

5、案例 考虑人因工程学的椭圆机设计,运动过程中，人的双脚站于踏板上，踏板与小腿间夹角随位置的不同在不断地变化，此角不应太大，否则会使锻炼者身体处于不自然的状态，甚至造成运动损伤。根据人因工程学，立姿踝关节上摆（脚背弯曲）活动范围为7090，下摆（脚掌弯曲）范围为90125，应合理设计连杆机构，使踏板能保证脚踝最大活动角度不超出上述的范围。图4 为实测的简易椭圆机踏板与小腿间夹角极值，极小值a 约为63，极大值b 约为100，a 超出相应的范围，故此设计不甚合理，可通过选择合适的连杆点进行改进,a,b,图4 踏板、小腿间夹角极值示意图,3.4 把手的设计,为同时锻炼上肢肌肉群，一般在椭圆机上设计活

6、动把手；为保证锻炼者在上、下椭圆机时的安全，设计一个固定把手。,案例 考虑人因工程学的椭圆机设计,3.3 飞轮的设计 在椭圆机运动中，若曲柄转动的速度波动过大，健身运动不顺畅，会对锻炼者心理状态造成不利影响，较低档次的椭圆机产品普遍有此问题。为减小速度的波动，须设计飞轮装置。飞轮能量大小可表示为：e = 1 22i（i为转动惯量，为角速度）。可见：因此，若采用单速方式，飞轮尺寸主要受椭圆机结构尺寸的限制，其转动惯量不能满足要求时，可采用一级增速，在曲柄轴和飞轮之间通过带传动或链传动，加大飞轮的角速度。一般情况下，飞轮半径取1530cm，重量612kg。,案例 考虑人因工程学的椭圆机设计,此外，

7、设计两种把手，可允许锻炼者变换姿势，不易引起疲劳。把手（包括固定和活动的）的空间位置必须在锻炼者上肢功能尺寸范围之内。人到把手的距离不能太近，最近距离不能低于男性p95 的前臂功能最小尺寸；也不能太远，最远距离不能超过女性p5 的上肢功能最大尺寸。因锻炼者是站于椭圆机上，而我国成年人体尺寸国家标准中立姿无相关数据可用，借用表2 中坐姿数据，如图5 所示，大于男性p95 前臂功能尺寸区和小于女性p5 上肢功能尺寸区的 重合网格阴影区域即为把手位置区，取其中心位置最佳。 活动把手的轨迹应与运动时人手的实际轨迹尽可能一致，图6 为5 位受测者（分别为身高155 女性、165 男、169 男、169 男和170 男，单位：）在跑步机上运动时腕关节的实测轨迹。从图6可见：各曲线的曲率中心在其上方，位置随受测者身高不同而变化，身材越高曲线位置越靠上，形状大体相似，可用一簇互相平行曲线段来拟。,中等身材的人群密度高，可取中等身材的人的手腕实测轨迹来设计把手的轨迹。目前，椭圆机产品其把手轨迹的曲率中心在曲线下方，可做进一步改进。,图6 手腕运动轨迹实测图,图5 把手位置示意图,案例 考虑人因工程学的椭圆机设计,案例 考虑人因工程学的椭圆机设计,4 结 束 语 将人因工程学原理应用于椭圆机的设计中，提出椭圆机的人因工程学设计准则，进一步完善