新型多連桿足式橢圓儀健身代步車的研究

王友朋

（北京市潞河中學(xué),北京,101100)

新型多連桿足式橢圓儀健身代步車的研究

王友朋

（北京市潞河中學(xué),北京,101100)

本文中的“多連桿足式橢圓儀健身代步車”，基于橢圓儀物理模型的設(shè)計思想，通過將仿生機械腿創(chuàng)新設(shè)計替代傳統(tǒng)的行走方式，實現(xiàn)休閑健身和行走代步相結(jié)合以及代步應(yīng)用行走方式的創(chuàng)新，增強健身安全性的同時提高娛樂性。本文注重“橢圓機構(gòu)與運動磨損”的數(shù)據(jù)理論分析，以及針對不同的使用人群，如何采用合適的尺寸數(shù)據(jù)來保證器材的穩(wěn)定性。研究過程中使用了Solidworks建模軟件完成整機方案建模，引入了人因工程學(xué)的概念，采用動態(tài)物理分析等研究方法。

橢圓儀；機械腿；人因工程學(xué)；健身器；動態(tài)分析

0 引言

在研究“橢圓機”領(lǐng)域的論文中，機械結(jié)構(gòu)少有創(chuàng)新，多為在原有基礎(chǔ)上加以細(xì)節(jié)的改進(jìn)，市場上所銷售的橢圓機類型也相對單一，少有整體運動模式的突破，同時領(lǐng)域內(nèi)權(quán)威創(chuàng)新性論文并非很多，本文作者將“橢圓儀”“機械腿結(jié)構(gòu)”“健身器”有機結(jié)合起來。

1 橢圓機的定義及基本原理

當(dāng)人體慢走、快走或跑步時，腳踝的運動軌跡近似于橢圓，而橢圓儀（又稱橢圓機）則是應(yīng)用這樣的原理，通過一定的連桿結(jié)構(gòu)，在外力的驅(qū)動下，踏板可以以一個完整的橢圓軌跡進(jìn)行運動。同時，當(dāng)橢圓儀整體開始運動后，踏板所形成的橢圓軌跡會來引導(dǎo)使用者腳步進(jìn)行近似橢圓運動，這便使機器的運動規(guī)律，與人的自然跨步相互吻合，從而讓人體以最舒適的方式進(jìn)行運動，消耗能量，達(dá)到減肥健身的目的。利用這樣的原理制作的幾何機械便可以稱為橢圓機。

在橢圓儀與人體運動步態(tài)軌跡高度擬合的基礎(chǔ)上，本研究中兩個重點研究機構(gòu)“橢圓機”、“足式結(jié)構(gòu)”對適用人體進(jìn)行健身過程中的安全性、穩(wěn)定性、舒適性、娛樂性起到了關(guān)鍵性的作用。

2 適用人群與針對性調(diào)整結(jié)構(gòu)

該健身對以下三類人群可以起到最佳的運動健身效果。

(1)嬰幼兒、學(xué)齡前學(xué)步使用；

(2)中老年運動健身、腿部術(shù)后康復(fù)；

(3)希望減緩生活的快節(jié)奏，讓自身得到釋放，同時希望以一種新穎的方式來健身運動的年輕人。

在適應(yīng)以上三種適用人群的設(shè)計基礎(chǔ)上，考慮到了個體的差異性，因此在設(shè)計時考慮到了可調(diào)節(jié)性的部件結(jié)構(gòu)，具體體現(xiàn)在了中杠桿踏板滑軌鎖死設(shè)計、雙模式把手的鎖死固定等方面。

本研究的健身器因為有著提高運動高效性、便捷性以及增強健身趣味性、藝術(shù)觀賞性的設(shè)計理念以及希望在更多環(huán)境下得到實際應(yīng)用的想法，所以在設(shè)計中將多功能操作模式加入進(jìn)來。

3 多功能操作特征

3.1 立地式和運動式

傳統(tǒng)橢圓儀健身器極大多數(shù)為立地式的運動模式，使用者只能通過踩踏踏板同時雙手搖動把手，來進(jìn)行協(xié)調(diào)運動，從而達(dá)到健身的目的。但是這種方式只能固定不動地重復(fù)循環(huán)，容易感到枯燥無味，降低運動效率。因此本健身器在這方面采用到的多功能設(shè)計可以擁有兩種健身模式，一種是類似于傳統(tǒng)的立地式，另外一種是運動式。

3.2 傳統(tǒng)搖擺式與轉(zhuǎn)向式

這兩種模式表現(xiàn)在把手與機體的配合上，傳統(tǒng)搖擺模式是在配合立地式運動模式使用的，保留了傳統(tǒng)橢圓機的健身模式，手部搖擺的健身方式有利于調(diào)動全身肌肉一起運動，提高運動效率。增強的本設(shè)計的應(yīng)用面，使普適性更強。為了針對不同年齡、不同生理條件的適用人群，能夠科學(xué)、舒適地使用本健身器，同時也考慮到整體的重心平衡調(diào)節(jié)，所以作者在設(shè)計腳踏板時采用了可調(diào)節(jié)踩踏板的設(shè)計方式。

4 數(shù)據(jù)采集

多連桿足式橢圓儀健身代步車（如圖1(a）(b)所示)的桿件數(shù)據(jù)主要以傳統(tǒng)立地式的橢圓機構(gòu)健身器為模板，進(jìn)行等比例縮放和適當(dāng)調(diào)整來配合本設(shè)計的功能和正常使用。數(shù)據(jù)采集過程中，選擇多個實物進(jìn)行多次測量，取得大體相似但細(xì)節(jié)上稍有改動的不同款式橢圓機尺寸，在取得相近款式橢圓儀健身器的平均尺寸后即獲得原始尺寸，經(jīng)過適度修改與調(diào)整后，在保證運動規(guī)律依然符合人因工程學(xué)的基礎(chǔ)上獲得本設(shè)計中主要桿件的具體尺寸。

圖1 多連桿足式橢圓儀健身代步車

5 設(shè)計特點及其實用意義

橢圓儀結(jié)構(gòu)與機械腿結(jié)合的實際意義。

(1)橢圓機構(gòu)的運動與多組機械腿的運動都具有節(jié)奏性、規(guī)律性以及運動的和諧性，兩者相互結(jié)合有利于突出健身器的工業(yè)藝術(shù)性，并對人因工程學(xué)當(dāng)中的機械對人的心理影響有著一定的作用。

(2)結(jié)合兩種機械結(jié)構(gòu)的運動特征，橢圓機構(gòu)可以有效地保護(hù)人體在運動過程中的健康，同時減少可能發(fā)生的運動損傷損傷；機械腿可以有效限制運動的最高速度，同時使運動具有節(jié)奏性，應(yīng)用在健身方面上具有一定的創(chuàng)新意義，兩者相互結(jié)合相互補充，而并非機械地結(jié)合在一起，雙方的特點都有利于提高本健身器在市場當(dāng)中的競爭優(yōu)勢。

(3)兩者均屬于幾何機械結(jié)構(gòu)，相互結(jié)合有利于批量生產(chǎn)、問題檢修以及后期的維護(hù)操作。

本器材的使用活動范圍較傳統(tǒng)的立地式橢圓機而言廣泛很多，傳統(tǒng)立地式橢圓機只能固定在小區(qū)娛樂場、健身房或者若家庭有條件的話購置的家用橢圓機，這些都是無法進(jìn)行移動的，導(dǎo)致運動場所一成不變，容易造成運動枯燥，降低娛樂性和健身效果。本研究中的健身器由于它的體積相對而言有所縮小，具有可活動性的特點，所以既可以在家中固定運動，也可以在室外進(jìn)行代步、健身活動，甚至若家中活動范圍允許可以再家中進(jìn)行一定范圍內(nèi)的活動，，可移動和便捷性的使用特點也提高了產(chǎn)品的可遷移性，這樣在搬家等需要遠(yuǎn)距離轉(zhuǎn)移機體的活動就會方便很多。

6 總結(jié)

本研究是以多連桿橢圓儀足式健身代步車為研究對象進(jìn)行系統(tǒng)化地前期分析，中期對比、學(xué)習(xí)、修改，后期整合、完善、結(jié)題的完整性研究。所研究設(shè)計并進(jìn)行模擬分析的健身代步車，以橢圓儀結(jié)構(gòu)、多連桿多組足式機械腿結(jié)構(gòu)、車架設(shè)計作為重點研究結(jié)構(gòu)，在運動整體結(jié)構(gòu)上有所創(chuàng)新，在運動過程中具有運動高效性、安全性、配合流暢性的特點，在整體結(jié)構(gòu)的特點上有著便捷性、穩(wěn)定性、靈活性。完成了將傳統(tǒng)立地式橢圓機走出固定場所的預(yù)期目標(biāo)，并且新型健身器能夠極大地增強健身運動的娛樂性，提高運動者的健身熱情，從而提升運動效率，對于幼兒、老人、患者初愈等相關(guān)人群也有著一定的輔助和康復(fù)作用，達(dá)到了設(shè)計目標(biāo)。

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[3]高欣，孫漢旭，賈慶軒，宋荊洲，趙峰.自行車仿真健身器的設(shè)計與實現(xiàn)[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報.2005(05).

[4]郭光增.橢圓儀及其應(yīng)用[J].機械工程師.2006(04).

[5]武永強.基于人因工程學(xué)的雙橢圓機設(shè)計方法研究[D].湖北，武漢理工大學(xué)，2006.

New type multi-link foot elliptical instrument fitness walking vehicle research

Wang Youpeng
(Beijing luhe middle school,Beijing,101100)

This paper of the multi-link foot type ellipse instrument fitness walking car ", based on the elliptical machine the design thought of the physical model by using a bionic mechanical innovation design alternatives to traditional way of walking legs, combination of leisure fitness walking and walking and walking walking style of innovation, enhance health security at the same time improve the entertaining. This paper pays attention to "oval institutions and sports wear and tear" theory of data analysis, and the use of different people, how to adopt the suitable size data to ensure the stability of the equipment. Solidworks modeling software is used in the research process to complete the whole project modeling, introduces the concept of human factors engineering, using the methods of dynamic physical analysis.

the elliptical instrument; Mechanical legs; Human factors engineering. Machines; A dynamic analysis