王智森 ， 倪惠發(fā)

（景德鎮(zhèn)學(xué)院機(jī)械電子工程學(xué)院，江西 景德鎮(zhèn) 333000）

0 引言

跑步是一項(xiàng)既科學(xué)又高效的健身運(yùn)動(dòng)方式，一直在醫(yī)學(xué)和體育界受到極高的認(rèn)可。跑步一定程度上使人的各項(xiàng)身體器官功能改善，是鍛煉身體及防范疾病的重要手段之一[1]。隨著生活節(jié)奏加快且戶外跑步受環(huán)境等因素約束，跑步機(jī)成為目前熱門的健身器材[2]。跑步機(jī)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測用戶運(yùn)動(dòng)過程中的身體狀況，用戶通過反饋數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r(shí)調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度。

近年來，健身器械行業(yè)具有非常廣闊的發(fā)展空間，從購買人群來看，器材質(zhì)量和用戶體驗(yàn)是影響消費(fèi)者購買的主要原因，其中2015—2020年占市場銷售份額最多的是跑步機(jī)[3]。國外跑步機(jī)發(fā)展較早，功能多樣、專用性較強(qiáng)，但存在價(jià)格昂貴、占用空間大、不易操作、用戶受眾面窄等問題；國內(nèi)傳統(tǒng)機(jī)械跑步機(jī)起步較晚，同時(shí)存在資金投入不足、功能單一等問題。從用戶角度來看，跑步機(jī)實(shí)用性應(yīng)具備價(jià)格實(shí)惠、輕巧時(shí)尚、方便操作等要求。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在道路上跑步1 000 m，雙腳撞擊地面1 000次左右，腳腕和膝蓋受到振動(dòng)，肌肉容易扭傷[4]。因此，設(shè)計(jì)一款減震、助力、多功能的跑步機(jī)顯得尤為必要。

1 跑步機(jī)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 傳動(dòng)模塊設(shè)計(jì)

跑步機(jī)承載重量是人體重的1~3倍，因此傳動(dòng)模塊設(shè)計(jì)中電機(jī)選型至關(guān)重要，保證跑步機(jī)在不同狀態(tài)下均能正常運(yùn)轉(zhuǎn)。1個(gè)馬力的承載重量約為60 kg，跑步機(jī)承載重量與跑步帶的面積有關(guān)，在一定范圍內(nèi)，跑步帶面積越大所需馬力就越大。一般來說，家用跑步機(jī)馬力約為1.5，如果家庭中有肥胖患者，則需選擇2.0馬力以上的跑步機(jī)，本課題組設(shè)計(jì)的多功能跑步機(jī)電機(jī)參數(shù)如表1所示。

表1 多功能跑步機(jī)電機(jī)參數(shù)

由于帶傳動(dòng)具備結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計(jì)成本較低、運(yùn)行平穩(wěn)且安全性能高等特點(diǎn)，選用帶傳動(dòng)類型為多楔帶傳動(dòng)，適用于家用跑步機(jī)場合。傳動(dòng)模塊中多楔帶、帶輪、傳動(dòng)軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)步驟分為10個(gè)：確定計(jì)算功率Pd；初定帶輪基準(zhǔn)直徑de；驗(yàn)算帶速ν；初定中心距a0；確定帶基準(zhǔn)長度Le；計(jì)算實(shí)際中心距a；驗(yàn)算小帶輪包角α1；計(jì)算各楔塊傳輸額定功率pi及增量ΔPi；計(jì)算帶的楔數(shù)Z；帶傳動(dòng)的有效圓周力Fr。帶傳動(dòng)計(jì)算功率公式為：

式中，KA為工作條件系數(shù)[5]，如表2所示，根據(jù)載荷性質(zhì)及工作時(shí)間的要求，選用KA為1.2，則Pd為2.4 kW。在驗(yàn)算帶速滿足5 m/s~25 m/s的前提下初定小帶輪傳動(dòng)軸最小直徑dmin為24 mm。中心距對帶傳動(dòng)的影響：a0增大使輪廓尺寸增大，傳動(dòng)帶因負(fù)載變化而引起顫振導(dǎo)致脫落；a0減小使傳動(dòng)帶長度減小，單位時(shí)間內(nèi)應(yīng)力循環(huán)次數(shù)多，疲勞損傷快，如果傳動(dòng)比i過大，包角減小。初始中心距經(jīng)驗(yàn)公式為：

表2 帶傳動(dòng)工作條件系數(shù)

根據(jù)初定的大、小帶輪基準(zhǔn)直徑 、 代入上式，取整確定a0為145 mm。傳動(dòng)帶基準(zhǔn)長度計(jì)算公式為：

將初始中心距a0代入上式，取整確定Le為430 mm。將中心距調(diào)整量考慮進(jìn)去，確定實(shí)際中心距a為150 mm，并驗(yàn)算小帶輪包角α1滿足正常要求，最終計(jì)算帶的楔數(shù)Z為12。根據(jù)上述結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尺寸值，通過UG軟件完成傳動(dòng)軸、帶輪、多楔帶的三維建模。

1.2 骨架模塊設(shè)計(jì)

跑步機(jī)跑步帶及滾筒的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)以跑步機(jī)骨架模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，因此跑步機(jī)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的第一步應(yīng)該是外部框架的設(shè)計(jì)。在本次設(shè)計(jì)的前期，對市場上評價(jià)較好的跑步機(jī)產(chǎn)品進(jìn)行了調(diào)研，為多功能跑步機(jī)的外部框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。通過借鑒市場上已有的不同型號跑步機(jī)產(chǎn)品，減少結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的不合理因素，根據(jù)人體工程學(xué)優(yōu)化跑步機(jī)外部框架的細(xì)節(jié)尺寸。跑步機(jī)外部框架尺寸為1.3 m×0.45 m，能夠滿足不同體型用戶的需求，通過UG軟件完成外部框架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖1所示。

圖1 跑步機(jī)外部框架

跑步機(jī)的支架設(shè)計(jì)采取了可拆卸式的設(shè)計(jì)方法，如圖2所示，便于跑步機(jī)搬運(yùn)、拆卸及安裝，提高用戶使用體驗(yàn)。跑步機(jī)的支架采用了空心鋼管，空心鋼管之間通過焊接方式進(jìn)行連接。在跑步機(jī)的支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上增加了用戶實(shí)用的輔助支架，使跑步機(jī)的功能更加完善，例如提供俯臥撐、按摩等功能。輔助支架通過螺絲來和支架進(jìn)行連接，一方面，可以方便輔助支架的安裝，另一方面，不需要輔助功能情況下便于輔助支架的拆卸。

1.3 減震模塊設(shè)計(jì)

跑步機(jī)的減震功能采取有彈性作用的橡膠墊把底座框架墊與跑步機(jī)的跑臺分隔開，跑臺成為浮懸狀態(tài)，產(chǎn)生吸震效果而達(dá)到避震作用。跑步帶和水泥地面之間的最大區(qū)別是水泥地面對損傷膝蓋等部位沖擊力大，跑步過程中為了避免膝蓋等部位受到損傷，需要配合合適的跑步鞋進(jìn)行健身。

跑步帶主要包括耐磨層和軟體層，材料由PVC橡膠、聚酯絲網(wǎng)及經(jīng)緯紗3層結(jié)合而成，起到增加摩擦力、消除靜電及防止跑步帶變形的作用。跑步帶使用高分子軟體層，高分子軟體層與耐磨層緊密相粘連，其中軟體層包含很多緩沖孔，當(dāng)人的腳部與跑步帶發(fā)生擠壓時(shí)，緩沖孔緩沖效果顯著。

2 跑步機(jī)多功能設(shè)計(jì)

2.1 瘦腰功能設(shè)計(jì)

在本課題組設(shè)計(jì)前期，通過對國內(nèi)外市場上多種型號家用多功能跑步機(jī)的功能及用戶滿意度進(jìn)行抽樣調(diào)查，抽取100個(gè)樣本分析得出某型號多功能跑步機(jī)功能豐富且智能化程度相對較高，但占地面積大、價(jià)格昂貴及操作難度高，不適用于家庭消費(fèi)者群體使用。市場上的跑步機(jī)大多數(shù)是僅限于對臂力和腿部肌肉的鍛煉與提升，缺少身體其他部位的練習(xí)。以某型跑步機(jī)為研究對象，結(jié)合抽樣調(diào)查結(jié)果，反饋用戶體驗(yàn)需求，設(shè)計(jì)了鍛煉腿部、腳踝關(guān)節(jié)、腰部、手臂等健身娛樂功能為一體的跑步機(jī)，讓用戶真正認(rèn)識到跑步機(jī)多功能設(shè)計(jì)帶來的優(yōu)勢，為促進(jìn)多功能跑步機(jī)在國內(nèi)外市場銷售份額的提高奠定基礎(chǔ)。消費(fèi)者可以在滿足自身使用要求基礎(chǔ)上花最少的成本體驗(yàn)多樣的功能，如圖3所示，合理地利用扭腰盤功能可以促進(jìn)老年人心血管疾病的恢復(fù)，加強(qiáng)血液循環(huán)，提高自身免疫力。

圖3 扭腰盤底座

2.2 俯臥撐功能設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)跑步機(jī)的跑步臺兩側(cè)沒有設(shè)計(jì)多余的功能。本課題組利用兩側(cè)的鋼架結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)出俯臥撐支架，固定在跑步臺底座兩側(cè)支架上，結(jié)構(gòu)緊湊且方便操作。支撐架的手握部分設(shè)計(jì)安裝海綿類的材料，減少對手部的摩擦及沖擊，對手部起到保護(hù)作用。俯臥撐功能對人體的好處有：一方面，改善心血管循環(huán)以及中樞神經(jīng)系統(tǒng)，有利于骨骼的發(fā)育與關(guān)節(jié)的靈活；另一方面，改善人體生理機(jī)能，增強(qiáng)個(gè)人體質(zhì)以及肺活量，提高手臂和腹肌力量。

2.3 仰臥起坐功能設(shè)計(jì)

為了合理利用跑步機(jī)支架結(jié)構(gòu)部分的空間，減少健身空間的占用，本課題組通過UG軟件設(shè)計(jì)出一個(gè)實(shí)現(xiàn)仰臥起坐功能的簡易結(jié)構(gòu)，既方便安裝又方便拆卸，且符合用戶使用習(xí)慣。仰臥起坐功能模塊整體設(shè)計(jì)是在跑步機(jī)跑步臺支架處焊接4根鋼管，其中兩根鋼管之間的距離適合小腿及腳踝之間的寬度，且4根鋼管外部包有海綿體結(jié)構(gòu)，保護(hù)腳關(guān)節(jié)不受損傷。用戶可以平躺在跑步臺上，兩腳夾住海綿體結(jié)構(gòu)部位，根據(jù)個(gè)人喜好進(jìn)行仰臥起坐運(yùn)動(dòng)。

通過UG軟件設(shè)計(jì)的多功能跑步機(jī)三維模型如圖4所示，針對健身用戶不同的愛好和需求，設(shè)計(jì)出一款集成型儀表盤，主要由顯示面板和控制按鈕等組成。其中功能較豐富的顯示面板主要顯示跑步者預(yù)先設(shè)定的跑步距離、跑步用時(shí)、跑步配速、卡路里消耗、心率以及系統(tǒng)工作狀況等；控制按鈕主要根據(jù)健身用戶自身體驗(yàn)需求來調(diào)節(jié)速度、坡度以及跑步模式、緊急開關(guān)等功能。其中速度、坡度的調(diào)節(jié)用于跑步者預(yù)先設(shè)定的跑步帶速度以及跑步機(jī)跑步臺坡度。跑步模式可以根據(jù)使用者自身情況合理選擇相應(yīng)的模式，例如平地跑、爬坡及慢跑等。

圖4 多功能跑步機(jī)三維模型

3 結(jié)論

本課題組以某型跑步機(jī)為研究對象，從零件結(jié)構(gòu)和材料角度分析，基于UG三維軟件進(jìn)行多功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。相較于傳統(tǒng)機(jī)械跑步機(jī)，多動(dòng)能跑步機(jī)空間利用率高，減震效果好，能夠保護(hù)用戶腿部韌帶、膝部、踝關(guān)節(jié)等部位，滿足健身產(chǎn)品人性化設(shè)計(jì)。該款跑步機(jī)涵蓋跑步、瘦腰、俯臥撐及仰臥起坐4個(gè)健身項(xiàng)目，有助于關(guān)節(jié)損傷患者進(jìn)行康復(fù)性訓(xùn)練，在功能性和舒適度方面均有顯著改進(jìn)和提升。