便攜式橢圓機的設計研究

張 曉， 黃 強

（九江學院，江西 九江 332005）

橢圓機也被稱為交叉訓練機，結合了各種最受歡迎的家用健身器材的訓練動作。“橢圓”這個詞源于踩踏板運動時的軌跡為近似橢圓形狀，這是一種將跑步機、爬樓梯、騎車、滑雪的部分動作合而為一的器械。它成功的將手臂和腿部的運動有機結合起來，達到四肢協(xié)調(diào)、健美形體的目的，其運動利于心肺功能訓練，且強度不大，適合各類人群。

目前市場上各種檔次的橢圓機外形尺寸都較大（170×70×160cm以上），一般只能在專用健身房或是居住面積富余的家庭使用。而且橢圓機都比較重（70kg以上），挪動和搬遷都不方便。對于一般的家庭來說，這種橢圓機既不經(jīng)濟，也浪費家居空間。由此提出設計一種新型便攜式的橢圓機，大大減小重量與占地空間，同時成本價格也降低，從而成為更多普通家庭選擇的健身器械。

1 新型橢圓機性能技術條件與結構原理

普通的橢圓機產(chǎn)品，健身者在操作時會有與跑步同樣的效果，但卻不會有與地面接觸所產(chǎn)生的沖擊力，再配合上手部的運動，使手腳能同時達到運動的效果，如圖1所示。

圖1 常見的橢圓機產(chǎn)品

通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前中高端橢圓機產(chǎn)品價格昂貴，而且會占用許多生活空間。分析得出的設計目標是在保留現(xiàn)有產(chǎn)品的運動穩(wěn)定性和基本功能基礎上，盡可能的縮小其外形尺寸和質(zhì)量,同時保證低廉的價格。設計對象的性能及技術條件如表1所示。

表1 便攜式橢圓機的性能及技術條件

新型便攜式橢圓機去除了扶手結構，主要由底架、飛輪、磁控阻尼器、左右腳踏板、滾輪和滑道等部件組成，機構簡圖如圖2所示。

圖2 新型便攜式橢圓機機構簡圖

當雙腳蹬踩腳踏板的時候，帶動飛輪作圓周運動，滾輪在滑道上往返滾動，這時，腳踏板上腳踝位置點的空間軌跡近似為橢圓。調(diào)節(jié)磁控阻尼器與飛輪的間距，可以獲得不同大小的運動負載，達到不同鍛煉效果。使用者兩腳的上抬、前踏、后擺、折疊等運動，使腿部、臀部、臂部和髖部得到充分而全面的鍛煉，同時可模擬登階和慢跑等運動，增添運動鍛煉的趣味性。

2 考慮人因工程學原理的設計

人因工程學是一門以心理學、生理學、解剖學、人體測量學等學科為基礎，研究如何使人—機—環(huán)境系統(tǒng)的設計符合人的身體結構和生理心理特點，以實現(xiàn)人、機、環(huán)境之間的最佳匹配，使處于不同條件下的人能有效地、安全地、健康和舒適地進行工作與生活的科學[1]。

在人—橢圓機系統(tǒng)中，人為主要因素，因為其同時完成控制和驅(qū)動的作用。在便攜式橢圓機設計中，不僅要考慮到人身體關節(jié)的調(diào)節(jié)范圍、結構尺寸，更要考慮到人的生理特點，如視野、視距、人體動作用力的特點等人的因素影響。

人在跑步時，腳踝運動軌跡類似一個橢圓曲線，且根據(jù)不同的速度，其橢圓軌跡線會有不同的短軸與長軸比值[2]。當速度快時，橢圓的短軸與長軸比值較小且橢圓的長短軸較速度慢時小。反之速度慢時，其橢圓軌跡較接近理想橢圓曲線，且步伐會變得較大使得長短軸變長，如圖3所示。由于有些使用者患有膝關節(jié)疾病，或是利用于下肢康復，且大部分鍛煉者使用橢圓機都是屬于較緩和的慢跑運動，因此本研究目的是將便攜式橢圓機設計成為慢跑型尺寸，其橢圓長短軸比值為介于1.90到1.96之間，以提供較符合使用者的運動方式。

根據(jù)慢跑時踝關節(jié)軌跡曲線并結合人體模板關節(jié)調(diào)整范圍[1]可以確定踏板最大傾角。運動過程中，踏板（使用者腳掌基準線）與小腿間的夾角隨位置的不同在不斷地變化，此角不應太大，否則會使使用者身體處于不自然的運動狀態(tài)，甚至造成運動損傷。根據(jù)人因工程學，立姿腳踝上擺活動范圍為70°～90°，下擺范圍90°～125°，應合理設計結構尺寸，使踏板能保證腳踝最大活動角度不超出上述范圍[3]。

圖3 慢跑模擬橢圓軌跡曲線

3 運動幾何學分析

使用者在橢圓機上運動平穩(wěn)的條件是踏板的速度波動小，且位置曲線盡可能與圖 3中的擬合橢圓相似。在機構中設置一個飛輪可減小這種波動，從而增加使用者的運動安全性和心理舒適度。因此設計過程中，如何確定橢圓機的結構形式和構件尺寸從而保證機構的運動順暢成為本設計的一個關鍵。便攜式橢圓機結構骨架可以簡化為一個偏置曲柄滑塊四桿機構，如圖4所示。

首先根據(jù)解析法列出矢量方程，如式(1)所示

圖4 四桿曲柄滑塊機構的位置矢量環(huán)

獨立變量為曲柄角θ2，構件長度a和b，偏距c和角θ4為已知。建立的坐標系是平行和垂直于滑塊軸線的，角θ1為0°和角θ4為90°。根據(jù)方程組(2)可解出位置解

式(1)對時間求導，注意到此情況下a、b、c、θ1(0)和 θ4(π/2)都是常數(shù)，但構件 d的長度是隨時間變化的。

上式中ω2為曲柄的角速度。

根據(jù)θ3和d的位置解和速度解，便可獲得曲柄與連桿的運動關系。

另外通過working model分析也了獲得曲柄滑塊運動曲線特征[4]。首先利用軟件建立機構的運動模型，如圖5(a)所示。假設曲柄為原動件且作勻速圓周運動，生成P點（踏板）的分析測量結果，得到位移、速度曲線如圖5(b)所示。結果表明只要選擇合適的機構桿件尺寸和飛輪質(zhì)量，P點的速度曲線光滑且較平緩，保證運動慣性順暢，可實現(xiàn)預期的性能技術條件。

圖5 便攜式橢圓機working model運動分析

4 三維實體造型

根據(jù)以上的分析結論，確定機構的設計尺寸。并采用Pro/E進行三維實體建模，虛擬裝配，如圖6所示[5]。兩踏板間距180mm，踏板與地面平行時距地面110mm，最高點踏板梁與地面的夾角162°，最低點踏板梁與地面夾角18°。便攜式橢圓機的整體尺寸為 500×260×280mm，重量約16kg。與現(xiàn)有橢圓機產(chǎn)品相比，在實現(xiàn)運動功能的同時，外形尺寸和重量大大減小。

圖6 便攜式橢圓機的虛擬裝配圖

5 結束語

新型便攜式橢圓機，利用Pro/E軟件完成了簡易的實體模型，并驗證其運動可行性。此外也經(jīng)人因工程學和運動幾何學分析作為各桿件尺寸設計的依據(jù)。目前正在進行實用新型專利的申請和原型樣機的加工制造。

[1]丁玉蘭. 人因工程學[M]. 上海: 上海交通大學出版社, 2004: 24-31.

[2]王曉光, 武永強. 考慮人因工程學的橢圓機設計[J].工程圖學學報, 2007, (1): 123-128.

[3]蔡清華, 王繼成. 磁控健身車設計中的人機工程學[J].工程圖學學報, 2003, (2): 132-136.

[4]陳立周, 韓建友. 機器和機構綜合與分析[M]. 北京:機械工業(yè)出版社, 2007: 432-438.

[5]林清安. Pro/ENGINEER野火3.0中文版動態(tài)機構設計與仿真[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2007:361-385.