具有防撞傷功能的安全漫步機(jī)設(shè)計(jì)分析

蔡如奕，劉志豪，夏鑫，鄧曉龍，尹學(xué)展

（河海大學(xué)，南京 213000）

0 引言

在我國很多社區(qū)和公園都配備了各式各樣的健身器材，但由于種種原因，健身器材造成的人身傷害層出不窮[1]。因此在設(shè)計(jì)和使用健身器材的時(shí)候，器材的安全性設(shè)計(jì)和保障就顯得尤其重要。邢申建[2]設(shè)計(jì)了一種帶有防護(hù)裝置的太空漫步機(jī)腳蹬板，包括腳蹬板、內(nèi)護(hù)墊和外護(hù)墊等。這個(gè)設(shè)計(jì)能克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，內(nèi)外均設(shè)置防護(hù)措施，起到了保護(hù)自己和他人的目的。同樣的針對擺幅的大小控制，胡妃[3]設(shè)計(jì)出一種擺動(dòng)幅度可調(diào)的健身用漫步機(jī)。利用阻擋部件在限位桿上的間距可調(diào)，使用者在使用時(shí)可根據(jù)自身身體狀況來限制對漫步機(jī)擺桿的擺動(dòng)幅度，避免了無意中的拉傷，具有很好的實(shí)用性。李叔彥等[4]設(shè)計(jì)了三種保護(hù)方案，分別是后方卷柱防護(hù)、后方伸縮條防護(hù)和金屬塔桿防護(hù)。利用伸縮裝置圈出一塊安全地進(jìn)行防護(hù)。

以上方案終究只是治標(biāo)不治本的方法，無法保證使用者的使用安全。因?yàn)椴灰?guī)范的使用習(xí)慣，使用者從漫步機(jī)上下來時(shí)漫步機(jī)的腳蹬卻還在擺動(dòng)，從而打到使用者腿的事件時(shí)有發(fā)生。根據(jù)現(xiàn)有收集資料，未找到能在使用者不使用漫步機(jī)時(shí)，腳蹬能快速停下防止撞傷人的一種保護(hù)措施。本項(xiàng)目針對漫步機(jī)打腿這一缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)出一種實(shí)用性制動(dòng)裝置，具有實(shí)用性和創(chuàng)新性，巧妙地使這個(gè)問題有了一定程度上的解決。

1 安全漫步機(jī)的工作原理

針對漫步機(jī)安全隱患，設(shè)計(jì)一款具有防撞傷功能的漫步機(jī)。該漫步機(jī)裝置包括五個(gè)方面，分別是基礎(chǔ)裝置、腳離停止裝置和手動(dòng)緩?fù)Ｑb置、儲(chǔ)能裝置和報(bào)警裝置。

1）基礎(chǔ)裝置。基礎(chǔ)裝置在傳統(tǒng)裝置的基礎(chǔ)上增設(shè)了一個(gè)制動(dòng)箱。制動(dòng)箱采用可拆裝的方式，方便將頂蓋拆除檢查內(nèi)部各零件的情況。

2）腳離停止裝置。當(dāng)使用者站在腳瞪上時(shí)，壓力傳感器檢測到適當(dāng)壓力，碟剎器松開碟剎片，漫步機(jī)正常工作，計(jì)時(shí)器開始計(jì)時(shí)。壓力達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，漫步機(jī)才可以使用，從而避免兒童的誤用。當(dāng)使用者從漫步機(jī)上下來時(shí)，壓力傳感器檢測不到適當(dāng)壓力，碟剎器瞬間夾緊碟剎片，擺桿立即停止擺動(dòng)，計(jì)時(shí)器停止計(jì)時(shí)。

3）手動(dòng)緩?fù)Ｑb置。當(dāng)使用者握緊手剎時(shí)，閘線帶動(dòng)剎車片，在限位桿的限制下，剎車片向外翻轉(zhuǎn)，從而松開腳蹬的桿，漫步機(jī)正常工作。當(dāng)使用者松開手剎時(shí)，剎車片在彈簧的推力下向內(nèi)翻轉(zhuǎn)恢復(fù)至原來的位置，腳蹬在剎車片的擠壓下緩慢停下。

手剎的存在既可保證使用者使用姿勢的正確性。一旦使用者其中一只手沒有按住手剎，腳蹬就會(huì)緩慢停下。又可增加健身的效果，促進(jìn)使用者小臂肌肉的鍛煉。

4）儲(chǔ)能裝置。超越離合器安裝在腳蹬的桿上，從而進(jìn)行一個(gè)單向的傳遞，齒輪將力傳遞至減速器處，減速器反接從而提升轉(zhuǎn)速，再接至發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電，產(chǎn)生的電通過導(dǎo)線儲(chǔ)存到蓄電池內(nèi)。為了環(huán)?？紤]，裝置上的供電采用太陽能和漫步機(jī)擺動(dòng)供電的雙重方式為蓄電池供電。

5）報(bào)警裝置。在漫步機(jī)的立柱側(cè)面安裝距離傳感器，當(dāng)前后的隱患距離內(nèi)出現(xiàn)行人時(shí)，觸發(fā)漫步機(jī)的抱閘裝置，鎖死漫步機(jī)的擺桿，避免撞傷行人。同時(shí)蜂鳴器響起，提醒使用者注意安全。

2 工作過程

當(dāng)使用者站在腳蹬上時(shí)，壓力傳感器檢測到適當(dāng)?shù)膲毫Γ鷦x器松開。當(dāng)使用者雙手握緊剎車時(shí)，剎車片松開。計(jì)時(shí)器開始計(jì)時(shí)，使用者可以正常使用。發(fā)電機(jī)將使用者運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的機(jī)械能一部分收集起來，存儲(chǔ)在蓄電池中。

當(dāng)使用者松開手剎時(shí)，剎車片夾緊，腳蹬在剎車片夾緊的作用下緩慢停下。

當(dāng)使用者腳離開腳蹬時(shí)，壓力傳感器檢測不到適當(dāng)?shù)膲毫Γ鷦x器夾緊，計(jì)時(shí)器停止計(jì)時(shí)。

若使用者在使用過程中因使用不規(guī)范觸發(fā)了紅外線傳感器，紅外線傳感器收到信號后，蜂鳴器響起，提醒使用者注意。當(dāng)紅外線傳感器檢測不到信號時(shí)，蜂鳴器關(guān)閉。

太陽能板吸收太陽能，將其轉(zhuǎn)化為電能儲(chǔ)存在蓄電池內(nèi)，工作原理如圖2所示。

圖1 裝置原理圖

圖2 工作流程圖

3 漫步機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本漫步機(jī)利用單片機(jī)來控制漫步機(jī)的速度幅度，采用壓力傳感器來檢測使用者的使用情況。如果出現(xiàn)意外情況，可以及時(shí)地停止漫步機(jī)的運(yùn)動(dòng)，以避免對使用者造成傷害，同時(shí)采用紅外傳感模塊來保護(hù)周圍人的安全，在外來者經(jīng)過的時(shí)候能及時(shí)停止漫步機(jī)，從而避免對其造成傷害，如圖3所示。

圖3 控制模塊

壓力傳感器用于監(jiān)測使用者是否安全地站在腳踏板上，通過壓力控制確保非兒童觸發(fā)裝置，如圖4所示。

圖4 壓力傳感器模塊

紅外傳感模塊用于檢測周圍的突發(fā)情況，如行人經(jīng)過則快速停止，使用者在使用過程中可以上下漫步機(jī)，如圖5所示。

圖5 紅外循跡模塊

4 漫步機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1）力學(xué)計(jì)算。

考慮到特殊情況，暫且假設(shè)使用者的體重M=150 kg，身高H=180 cm。

由數(shù)據(jù)表明[5]，人的重心位置約為總身高的56%。

設(shè)兩腳踏板中心之間的間距為D，人重心到踏板的距離為L，人重心到頭頂距離為N，人 重心到踏板所在平面的距離為M，如圖6所示。

圖6 擺動(dòng)受力示意圖

表1 計(jì)算結(jié)果

對重心位置受力分析和人的腳掌受力分析則有：

故可得出一個(gè)結(jié)論：踏板的壓力不會(huì)隨著擺動(dòng)而發(fā)生變化，且只與人的重力有關(guān)。

將其假設(shè)為一個(gè)理想化模型，如圖7所示。

圖7 工作時(shí)漫步機(jī)的受力分析

在最低點(diǎn)人體給出一個(gè)w，使人從最低點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到最高點(diǎn)，轉(zhuǎn)動(dòng)的最大的角度為35°，即在最高處時(shí)α=35°，v=0 m/s。

由動(dòng)能定理可知：

c. 綜上所述，當(dāng)m=1時(shí)，可選擇Z1≥11、Z2≥117 的 直 齒錐齒輪。

當(dāng)m=2時(shí)，可選擇Z1≥15、Z2≥31的直齒錐齒輪（如表2）。

表2 齒輪參數(shù)總結(jié)

3）軸承計(jì)算。

經(jīng)計(jì)算可得：

支承2 型號的確定：

a.面對面安裝在一個(gè)支點(diǎn)時(shí)，當(dāng)量動(dòng)載荷可按下式計(jì)算：當(dāng)Fa/Fr≤0.68時(shí)，P=Fr+0.92Fa；當(dāng)Fa/Fr＞0.68時(shí)，P=0.67Fr+1.41Fa。

c.計(jì)算預(yù)期壽命。根據(jù)資料預(yù)測[6]，器材的安全使用壽命應(yīng)不小于8 a，最大預(yù)期壽命為每天使用5 h，每年使用天數(shù)為365 d，安全使用壽命為8 a，則Lh′=14600 h。

d. 計(jì)算轉(zhuǎn)速。經(jīng)實(shí)際測算選取最高轉(zhuǎn)速為n=240 r/min。

e.計(jì)算該對軸承應(yīng)具有的基本額定公載荷值：

f.選擇軸承型號。查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊，選擇7206AC型軸承。

同理可確定支承1型號選擇為6206型深溝球軸承。

表3 軸承參數(shù)總結(jié)

5 結(jié)論

本文研究了一種能自動(dòng)快速停止擺動(dòng)的漫步機(jī)，腳動(dòng)為第一層制動(dòng)，需要腳蹬能夠在腳離開的時(shí)候立即停止擺動(dòng)。對此，采用制動(dòng)力較強(qiáng)且迅速的碟剎進(jìn)行制動(dòng)，確保使用者在停止使用時(shí)能立即制動(dòng)。手動(dòng)方面則是第二層保險(xiǎn)，采用阻尼緩?fù)＃鼓_蹬既能在短時(shí)間內(nèi)快速停下來，使用者又不會(huì)失去平衡。當(dāng)握緊手剎的時(shí)候，剎車片松開，腳蹬可以自由擺動(dòng)，當(dāng)松開的時(shí)候，剎車片夾住轉(zhuǎn)軸，腳蹬在短時(shí)間內(nèi)停下。同時(shí)，手動(dòng)裝置可以促使使用者兩手握住扶手，從而增加漫步機(jī)使用的安全性?？紤]到絕大多數(shù)漫步機(jī)都露天放置在小區(qū)內(nèi)，將漫步機(jī)設(shè)計(jì)成自供電的形式，節(jié)能環(huán)保，安全方便。