新型健身车

�2 Vol. 3 No.7 / Jul. 2009 ऎ ऎ ऎ ऎ 亲䕂 ⺕ഫ 䕀䕈 䰏࡯ⶽ 㠉ᴎ ᢝ㒓 ߌ䕂᥻ࠊ ⱘᨚᴚ � 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，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 ऎ ऎ ऎ ऎ 亲䕂 ⺕ഫ 䕀䕈 䰏࡯ⶽ 㠉ᴎ ᢝ㒓 ߌ䕂᥻ࠊ ⱘᨚᴚ � 新型四驱健身车的研制 �3 ऎ ऎ ऎ ऎ 亲䕂 ⺕ഫ 䕀䕈 䰏࡯ⶽ 㠉ᴎ ᢝ㒓 ߌ䕂᥻ࠊ ⱘᨚᴚ � 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，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。 ऎ ऎ ऎ ऎ 亲䕂 ⺕ഫ 䕀䕈 䰏࡯ⶽ 㠉ᴎ ᢝ㒓 ߌ䕂᥻ࠊ ⱘᨚᴚ � �� Vol. 3 No.7 / Jul. 2009 ऎ ऎ ऎ ऎ 亲䕂 ⺕ഫ 䕀䕈 䰏࡯ⶽ 㠉ᴎ ᢝ㒓 ߌ䕂᥻ࠊ ⱘᨚᴚ � ऎ ऎ ऎ ऎ 亲䕂 ⺕ഫ 䕀䕈 䰏࡯ⶽ 㠉ᴎ ᢝ㒓 ߌ䕂᥻ࠊ ⱘᨚᴚ � 3.1 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Ⅳ 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，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 �� D E $90 D E 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300～400mm。因此，曲柄的长度取值范围为 150～200mm，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/T 15759-95标准所提供的最小 人体外形模板，即取女性最小会阴高h＝673mm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/arctan lhE $8.75dE � E � mmhmm 856673 dd � EsinhL � mmLmm 2.8867.696 dd � mmLmm 900680 dd � 角最大取值90°[10]，则现取D �� � � � � $8.75170/673arctan/arctan lhE $8.75dE � E � mmhmm 856673 dd � EsinhL � mmLmm 2.8867.696 dd � mmLmm 900680 dd � 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/arctan lhE $8.75dE � E � mmhmm 856673 dd � EsinhL � mmLmm 2.8867.696 dd � mmLmm 900680 dd � (1) 于是有， D �� � � � � $8.75170/673arctan/arctan lhE $8.75dE � E � mmhmm 856673 dd � EsinhL � mmLmm 2.8867.696 dd � mmLmm 900680 dd � 。根据受力情况， D �� � � � � $8.75170/673arctan/arctan lhE $8.75dE � E � mmhmm 856673 dd � EsinhL � mmLmm 2.8867.696 dd � mmLmm 900680 dd � 的理想角 度为90°。当 D �� � � � � $8.75170/673arctan/arctan lhE $8.75dE � E � mmhmm 856673 dd � EsinhL � mmLmm 2.8867.696 dd � mmLmm 900680 dd � 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/arctan lhE $8.75dE � E � mmhmm 856673 dd � EsinhL � mmLmm 2.8867.696 dd � mmLmm 900680 dd � ＝75°。 (2)长度调节范围的设计 确定座垫杆倾斜角 D �� � � � � $8.75170/673arctan/arctan lhE $8.75dE � E � mmhmm 856673 dd � EsinhL � mmLmm 2.8867.696 dd � mmLmm 900680 dd � 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/arctan lhE $8.75dE � E � mmhmm 856673 dd � EsinhL � mmLmm 2.8867.696 dd � mmLmm 900680 dd � 。座垫杆长度L与座垫高度h 的关系为 D �� � � � � $8.75170/673arctan/arctan lhE $8.75dE � E � mmhmm 856673 dd � EsinhL � mmLmm 2.8867.696 dd � mmLmm 900680 dd � (2) 因此:696.7mm D �� � � � � $8.75170/673arctan/arctan lhE $8.75dE � E � mmhmm 856673 dd � EsinhL � mmLmm 2.8867.696 dd � mmLmm 900680 dd � 886.2mm 增加功能调节量并取整得700mm D �� � � � � $8.75170/673arctan/arctan lhE $8.75dE � E � mmhmm 856673 dd � EsinhL � mmLmm 2.8867.696 dd � mmLmm 900680 dd �880mm 4.2.4 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，不可调整，不适用于本健身车。而有别 于其他健身车的把手，本健身车的把手支撑设计为 既可像座垫杆那样进行高度上的调节，还增加了通 过支撑杆绕着主轴转动的调节方式来多方位调节健 身车把手的位置，以满足不同人群的需求。 (1)高度调整 根据把手和座垫的高度差的设计，高度差越 大，操控性越差，对手臂的压力也越大。骑乘者在 使用本健身车时，除双脚有蹬踏、提拉动作外，其 双手也参与运动，同时上身也会得到一定的摆幅运 动。此外，人体保持舒适坐姿的向前最大倾斜角度 45°。因此，为了使其更为舒适地发力，把手不宜 过低，应该设计为把手比座垫高。 (2)角度调整 通过高度调整，能使骑乘者在一个相对舒适 图9 人体极限运动姿态示意图 D E $90 D E �� Vol. 3 No.7 / Jul. 2009 D E $90 D E 的高度差范围内进行运动。而在水平方向上，则要 求把手的空间位置必须在训练者上肢功能尺寸范围 内，且与座垫的距离不能太远。否则造成超过人体 保持舒适坐姿的向前最大倾斜角度45°。最远距离 不能超过四级人体模板上肢功能最大尺寸。因此考 虑最远位置，即当四级人体模板上身倾斜45°时的 运动姿态，即可确定把手支撑杆的最大倾斜角度。 根据四级人体模板的尺寸，座垫杆的长度为 900mm，其坐姿肩高为641mm，坐姿上肢功能前 伸长量为789mm。骑行时双臂与上身间通常处于垂 直位置，同时考虑到双手能实现360°圆周运动， 而手摇曲柄长为170mm，因此把手位置相应地减为 619mm。根据余弦定理，可求得把手支撑杆最大倾 角约为36.64°。 4.3 人因设计交互界面 由于本健身车具有独特的双手双脚同时运动的 特性，骑行者的身体舒适性以及协调性尤为重要。 加上不同的骑行者，人体尺寸各不相同，分析上述 所讨论的机构应该如何设置，才能使骑行者能够在 一个最为舒适。以及最能发挥自身体力的运动方式 来进行运动。 图10 人因设计交互界面 为此设计一个交互界面。通过骑乘者输入部分 人体参数来确定各个机构的调节尺寸。按照这些参 数，可以得出最符合骑行者的调节尺寸，由此选择 最为接近的各个调节级数。骑乘者只需要按照给出 的调整参数对健身车进行适当的调整就能获得最佳 的运动姿态。 5 样机研制和实验 目前已搭建出第一台试验样机，着重对确定方 案的原理以及结构进行设计。其中包括传动系统、 阻力系统以及人因工程学的设计。经过对样机进行 多次调试以及相应的原理性实验，验证了该设计方 案原理上的可行性。同时按照人因工程设计的各个 机构调节尺寸也都基本符合舒适度的要求。 第一台样机的机构调节满足尺寸和舒适度的要 求，但没有考虑到调节的方便性。为此，在第二台 样机上增加了更多的人性化设计。主要包括了座垫 前后以及上下、把手的伸缩以及俯仰的旋钮调节(如 图11中的圆圈所示)等。同时加上了脚踏的调节。这 样使得骑行者随时能够舒适地、简便地进行调节， 从而更好地满足产业化的需求。 图11 样机的实物图 在对仿生跑运动方式进行测试的过程中发现， 当把手支撑杆的俯角较大时，测试者腰腹部肌肉的 疲劳感较为明显；俯角较小时，测试者四肢的锻疲 劳感较为明显。这表明健身车把手支撑俯角的变化 对锻炼效果有较大影响。 6  结论 本文通过对新型四驱健身车进行原理性以及生 理学分析，验证了健身车的可行性。并按照人因工 程学的要求对其进行整体尺寸规划以及机构设计， 使其更符合产业化的需求。开发了人性化的控制界 面，以便让骑行者及时获取健身信息以及准确方便 地控制，并实现良好的人机信息交互。新型四驱健 身车所提出的全新运动理念，和它给予使用者更大 的锻炼和想象空间，使其势必成为健身器材市场中 一个新的亮点。它的成功研制和产业化将大大地提 升我国健身器械的技术层次。 参考文献 [1] 唐丽,夏炎. 2008年北京奥运会对我国体育健身器材产业的影 响[J]. 山西师大体育学院学报,2007(22): 8-10. [2] 机械设计手册编委会. 机械设计手册[M].北京：机械工业出 版社,2004.8. [3] 黄可淼 . 健身脚踏车阻尼磁系的研制 [ J ] . 磁性材料及器 件,1994(5): 15-17. [4] 吴翠娥,袁鹏等. 不同蹬踏频率下自行车运动员蹬踏力研究[J]. D E $90 D E 新型四驱健身车的研制 �7 体育与科技,2007(1): 72-75. [5] 何其昌,范秀敏,马登哲等. 交互式自行车模拟器中的力觉反馈 研究,系统仿真学报,2005,17(4): 795-797. [6] 高 欣,孙汉旭,贾庆轩等. 自行车仿真健身器的设计与实现,系 统仿真学报,2005,17(5): 1163-1167. [7] 张志强.面向家用健身器材的人机工程理论分析与研究[D]. 山 东：山东大学,2008.5. [8] 徐华文. 基于人机工程的产品设计与仿真研究[D]. 武汉： 武 汉理工大学,2004.3. [9] 张娜英. 人机工程学在自行车产品设计中的应用[J]. 中国自行 车,2001(1)：25-29. [10] 丁玉兰. 人机工程学[M]. 北京： 北京理工大学出版社,2000.1. [11] Das, B. and Behara, D. N., 1998, Three-dimensional workspace for industrial workstations, Human Factors, Vol.40, No.4, pp.633-646. 作者简介 靳海洋 男，哈尔滨工业大学深圳研究生院机械电子 工程在读硕士研究生，现为中科院先进技术 研究院认知技术研究室客座学生，主要研究 互动健身车的数字显示系统及控制系统设 计。 张  俊 男，硕士，深圳先进技术研究院研究实习 员。分别于2005年和2007年获得浙江大学 学士学位和硕士学位，2006年在瑞士联邦材 料研究所(EMPA)参加研究实习。曾参与国 家自然科学基金项目“中小离散制造企业车 间生产系统远程精益驾驶舱研究”、微创胸 外科手术辅助机器人等项目的工作。主要研 究兴趣包括外科手术机器人、医疗机器人和 智能机器人。 龙志健 男，哈尔滨工业大学深圳研究生院机械电子 工程在读硕士研究生，现为中科院先进技术 研究院认知技术研究室客座学生，主要研究 互动健身车的机构设计及人因分析。 胡  颖 作者简介见本期封二页。