电动跑步机的人机工程设计

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1、机械年第卷增刊? 电动跑步机的人机工程设计 徐华文，李文峰 （武汉理工大学 物流工程系，湖北 武汉 430063） 摘要：利用人机工程学的理论和方法，深入研究电动跑步机的人机工程设计，阐明了跑步机的合理布局和其本身机构设计时应符合人机工程学的有关要求。 关键词：跑步机；人机工程；设计 Ergonomics design of the motorized treadmill Abstract: The paper use the theory and method of Ergonomics to lucubrate ergonomics design of the motorized trea

2、dmill, illustrate the layout of treadmill and make the design accord with the request of Ergonomics. Key word: treadmil；ergonomics；design 随着人们生活水平的提高，人们对身体越来越关爱，更多地进行体育锻炼。健身器材作为进行健身活动的重要工具之一，越来越受到人们的喜爱。跑步是最方便、最简单的有氧健身锻炼方式，它可以促进人体血液循环，增强心肺功能，发展肌肉力量，在慢跑时更能消耗人体脂肪;在健身运动中，跑步最受人们的喜爱，跑步机成为人们最受欢迎的健身器材。 人机工程

3、学是本世纪50年代发展起来的一门新兴学科，它由人体科学、工程技术、环境科学、安全科学和社会科学等交叉而形成。人机工程学研究人和机器及环境的相互作用，把人的因素作为产品设计的重要条件和原则，使设计出的机器操作简便、省力、安全、可靠高效、舒适。当前，人机工程学的研究和应用越来越广泛。人机工程学的研究成果对于电动跑步机的设计有着非常重要的意义。在人机这一系统中，人是核心因素，电动跑步机的设计应符合人的生理，心理特点，在这方面的考虑失误，可能会影响人们的健身效果，甚至会影响人们的安全、健康。 1 人体尺寸百分位数运用的基本原则 电动跑步机的设计应符合人体的尺寸，这是很容易理解的。但是由于受人的年龄、性

4、别、种族、地区等因素的影响，人的身材大小各不相同，那么该用哪一种身材的人作为跑步机设计的依据？在对人群进行统计性的人体尺寸测量时，各种身材的人 频数分布状态（出现率）用百分位数表示。在国标GB10000中分别给出了不同年龄段第1、5、10、50、90、95、99百分位的人体尺寸，在跑步机设计中，常用的是1860岁年龄组的第5百分位数和第95百分位数，它考虑了绝大多数的使用者群体。 按人体尺寸确定相关结构与空间的尺寸的原则为： （1）容空间尺寸设计按第95百分位数（P95） 包容空间是指以人为中心，包容人体（或某部分）的空间。例如：最小作业空间（区域）、通道、维修空间、肢体自由活动空间、门、舱口

5、等，对于这类空间，要求其能包容大多数人，按大身材人设计，小身材的人当然也就包括在内。 （2）被包容空间尺寸设计按第5百分位数（P5） 被包容空间是指以人为中心，被人体（或某部分）所包容的空间。例如，肢体的可及范围、椅面高度、搬运物的宽度等，对于这类空间，应使小身材（P5）能包容其空间，大身材人当然也就没有问题。 （3）最佳工作区位置尺寸按第50百分位数（P50） 在包容与被包容关系中，要求空间适应人的极限状态，而对于某些频繁使用的操纵器，则是希望能以最舒适的状态来进行操作，才不容易疲劳，并达到准确和高效。例如，重要的、使用频繁的或需精细操作的开关、旋钮等控制器的设置，各类机械主要操作手柄的设置

6、等。这时应按中等身材人设计，因第50百分位附近，人的密度高，可使多数人处于舒适、高效的作业状态下。 （4）可调节结构尺寸的调节范围为第5至第95百分位数 由于人体尺寸的差异，欲使每个工作者能处于一种舒适、准确、高效的工作状态，则应将有关节结构设计成为可调节的，例如，与控制台有关的座高度和脚踏板的高度等，应是可调节的，其尺寸应以P50为基准，调节范围扩展到P5 至P95。 2 电动跑步机的人机工程设计 ?机械年第卷增刊 最早的跑步机是没有动力的普通跑步机，在这种跑步机上跑步时，需要用力蹬踏跑步机来完成运动，跑步的姿势不够自然，运动难以协调，效果并不理想。而应用人机工程学设计的电动跑步机，人们在跑

7、步时，感到轻松、自如，运动状态更贴近自然运动状态。跑步机主要由以下部分组成：底架、跑步带、电机、电机盖、立架、扶手、以及电子显示器。如图1所示。 图1 跑步机 2 .1跑步带 跑步带是电动跑步机的一个重要部件，跑步带的性能好坏直接影响着跑步机质量，影响跑步效果。要求跑步带抗延展性好，使用寿命长，不易变形。因此跑步带可以采用双层PVC+单层胚布材料。跑步带的尺寸应满足跑步这一功能的需要，长度方向应让人能轻松迈开步伐，设计为1300 mm；宽度应按照人体尺寸P 95的肩宽来确定，加上余量，设计为450 mm.。 2. 2电机 电动跑步机在电机选用上应根据跑步机的应用场所来决定，家用的功率选小一点，

8、而健身房的则选大一点。家用一般为2HP以上，健身房的一般在3HP以上，这样会防止电机的功率小，而产生小马拉大车的现象，造成电动跑步机不堪重负，容易损坏。 2. 3底架 底架主要由两边底管、跑步板和前后轴滚筒组成。底管的长度由跑步带的长度和马达的长度来确定，既1300 + 400 = 1700 mm。底管是承担人体重量和跑步时动载荷的主要零件，因此必须要有足够的刚度，保证人体站在跑步带上不变形，跑步时，不会发生颤动和振动，产生噪音。跑步带的下面是跑步板，为了减轻跑步时对人体的冲击，可在跑步板上装有缓冲橡胶垫。底架与地面之间采用高密橡胶垫，可减轻震动和噪音。电动跑步机的底架高度应该尽量降低，减少使

9、用者（特别是老年使用者）使用时的危险性；电动跑步机前面带有调节高度的升降电机，调节整个跑台的倾斜角度。 2. 4扶手 扶手的作用主要有两个：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；二是不跑步时作双臂曲撑运动,锻炼上肢肌体。扶手的高度必须与运动者的身高相适应，扶手太高，作双臂曲撑运动时，感觉不安全；扶手太低，作双臂曲撑运动时必须缩着小腿。因此，扶手的高度一般按P95的立姿肘高的尺寸进行设计。扶手的最大高度可由下式确定： H=A+B+C=1096+200+25= 1321（取1320） 式中：A为立姿肘高；B为底架高（包括底架本身高度和距地面高度）；C为修正量。 上面确定的扶手高

10、度是指最大高度。为了使大部分人处于舒服的状态下，也可以考虑按P50的尺寸来设计，这时扶手的高度应为1250 mm，但同时将立柱结构设计成为可调节式的，调节范围为P5 至P95。这样每个人可以按照自己需要的高度来调节扶手高度。 扶手的形状设计：有很多跑步机的扶手设计成为直杆式的，在跑步时，用手抓住杆部，由于扶手的高度高于人的肘部，所以臂部必须上举，会使肩、背及手部肌肉承受静负荷，时间长了，导致疲劳；同时手腕处于掌屈、背屈、尺偏等别扭的状态时，就会产生腕部酸疼、握力减小，如长时间这样操作，会引起腕道综合症、腱鞘炎等症状。如果设计成弯曲的形状，那么跑步时，手抓住弯曲的部分，可以使手臂不必抬得太高，减

11、少了抬臂产生的静肌负荷，同时，也让手腕顺直，腕关节处于正中的放松状态。扶手的材料一般采用圆管或椭圆管，它的大小应让人握着舒适为宜，直径为3035mm。扶手上采用发泡塑料做成的扶手套，可以提高使用者在抓握时的舒适感。 2. 5电子显示器的布置 电子显示器的功能是包括：跑步速度、跑步时间、跑步距离、心跳数和能量消耗数。这些功能都为跑步机的人性化设计提供了必要的保障。这些功能的实现部分采用了先进的智能传感器技术和数字信息技术，使该产品的设计表现出了智能美的技术要求。 使用视觉显示装置，在于迅速、方便、准确地提供视觉信息，因此，电子显示器的布置应根据人的视觉特点，按最佳观察方式进行，方能提高视觉认读效

12、率和精度。显示器的位置由在使用该器材时人眼与显示装置面板的距离决定。面板与人眼的最适当距离为650mm左右。显示器与水平面保持2530度的倾角，使显示信息的面板尽可能与使用者的视线垂直，以保证获得最高的精度。 2. 6 材质设计 质地美不取决于材质本身的高级和贵重，而在于恰与机械年第卷增刊? 其分的运用材料，增加跑步机的外观艺术效果。电动跑步机各主要部件采用的主要材质为：机身和立架采用普通碳钢管及钢板；扶手套采用发泡塑料；电机盖和显示面板采用工程塑料。主框架采用钢材使整个结构展现出朴素、坚固的材质特性，使用者有很强的安全感。主框架的钢材表面作烤漆工艺处理，使其表现肌理光滑而不明亮，给人高雅之感

13、。工程塑料的使用可利用注塑技术使电机盖和显示面板的复杂造型得以实现，并表现出光滑、细腻的材质特性。发泡塑料质感柔软、温暖，给使用者带来亲切感。 2. 7色彩设计 色彩不仅能表现产品的外观，而且更能表现产品的精神。这就要求色彩与产品的功能、环境场所、使用对象等因素统一起来，在人们的心中产生统一 、和谐的感觉。电动跑步机主色调采用黑色，体现出产品的厚重塌实和使用者对强健的渴求；同时，因为该器材多在室内使用，黑色便于与周围环境的色彩进行搭配。显示器面板底色采用深灰色，说明字符用白色，明度对比较强，使字符清晰度高，易辨认。面板控制键和显示窗口的四周用淡蓝色装饰，这样与深灰色底色保持协调和统一。 2.

14、8 线形设计 电动跑步机除了具备物质功能外，还应该具备装饰生活环境，体现生活品位的精神功能。良好的造型可以创造产品的个性，提高品牌的价值，还能激发使用者的锻炼热情。电动跑步机是一种通过跑步而获得锻炼的健身器材，因此在它的造型设计时，必须充分考虑其造型的动态特性。扶手和电子显示器的支撑架采用现代弯管工艺加工出优美的流线造型；马达盖是由工程塑料通过现代注塑工艺加工而成，其轮廓生动的曲线型。流线型的应用改变了产品呆板、冷硬的造型效果，产生生动活泼富有运动趋势的美感。这种设计使产品造型和产品功能得到了很好的统一。 3 结束语 本文利用人机工程学的原理和方法，并根据“中国成年人人体尺寸”作为基本依据，对

15、电动跑步机的主要部件的一些尺寸、形状、材质和色彩进行设计，使电动跑步机具有良好的使用性，达到安全、舒适、健康。 参考文献： 1GB/T 1298591.在产品设计中应用人体尺寸百分位数的通则. 2丁玉兰.人机工程学（修订版）M.北京理工大学出版社，2000. 3庞志成，等.工业造型设计M.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社. 1995. 制量：CV(n)=U(n)=U(n1)+U(n)=SV对副PID控制块(FC1101)的SV无影响，实现了无扰动切换。 4 输出跟踪 对于配置了手操器的PID控制块应具有输出跟踪功能，如图1所示。手操器有以下两种工作状态。 (1)手操器处于HM(手动)工作状态。当手

16、操作器处于HM工作状态时，PID控制块处于OP方式，即输出跟踪开关切向YT位置。为了实现从有输出跟踪(YT)到无输出跟踪(NT)状态的无扰动切换，在每个控制周期应使SV跟踪PV，同时也要使PID差分算式中的历史数据E(n1)、E(n2)等清零，还要将HV(手动操作量)赋给U(n1)。 这样，一旦PID控制块切向正常工作状态，即无输出跟踪(NT)时，由于SV=PV(即偏差E(n)为0)，PID差分算式中的历史数据为0，故U(n)=0而U(n1)又等于切换瞬间的HV值。这就保证了切换瞬间输出控制量的连续性，即：CV(n)=U(n)=U(n1)+ U(n)=HV (2)手操器处于HA(自动)工作状态

17、。当手操作器处于 HA工作状态时，可以接收来自计算机的CV，此时PID 控制块处于正常的无输出跟踪(NT)状态。一旦人工将手操器切换到HM状态，由于其已跟踪CV，从而实现了从NT到YT的无扰动切换。 5 结语 目前连续生产过程的计算机控制仍然以PID控制为主，按照上述无平衡无扰动切换原理开发的PID控制组态软件已运用于过程计算机控制，大大降低在生产过程进行PID切换中的干扰，保证了我们乙烯各套装置稳定运行，在我们乙烯“安稳长满优”生产活动中发挥积极作用。 参考文献： 1王锦标，方崇智过程计算机控制M清华大学出版社 2曹润生，黄祯地，周泽魁过程控制仪表M浙江大学出版社 3TDC-3000组态手册. （上接第16页）