某型跑步機專用檢測設備的設計

葉連鳳，王靈美，易仲成，楊海慶

（中國船舶重工集團公司第七一○研究所，湖北宜昌 443000）

0 引言

進入21世紀，當人民的生活水平達到一定的水準后，人們對健康意識的提高以及更高生活品質的追求使得跑步機應運而生并深受百姓歡迎。跑步機是多年來國際上最為廣泛使用的健身器材之一，以電機驅動跑帶，人在跑帶上進行被動跑步運動，通過控制電機的不同轉速，鍛煉者可以自行選用不同速度進行跑步訓練[1]。跑步機分為機械式和電動式，機械式以人力為動力，驅動跑步機運轉，需要人體付出更大的蹬力，容易產生疲勞和運動損傷，目前逐漸被電動跑步機替代[2]。

HR5系列履帶式自發電跑步機采用多項先進技術自主研發的新概念綠色跑步機。當人在跑步機上運動，不輸出用電時，則通過蓄電池將電量存儲以備用輸出[3]。該系列跑步機采用彈性橡膠弧形跑臺、履帶式跑帶貼合技術、自發電控制技術及軸承傳動技術，其儀表可以輕松地記錄運動員的距離[4]、時間、步數、運動速度、最高速度、心率、卡路里等參數。

該跑步按照Q/HS02－2014標準進行檢驗，檢驗項目包括：連續運行試驗、準確度試驗、緊急停止裝置、自發電系統輸出直流電壓和產品功能等。其中連續運行試驗、準確度試驗十分重要，是該產品交到用戶前的試驗重點和使用壽命的保障基礎。

1 檢驗項目及要求

1.1 準確度試驗

準確度試驗包括時間準確度、距離準確度、速度準確度試驗項目，具體操作如下。

1.2 連續運行試驗

（1）時間準確度。待跑步機勻速平穩運轉后測試人員以某一時間作為開始運動，記錄該時間為開始時間，同時按下秒表計時，運動5 min后，記錄該時間為停止時間，顯示時間（t）=停止時間-開始時間，顯示值與秒表的誤差要求≤1%。

（2）距離準確度。待跑步機勻速平穩運轉后測試人員計數做標記的跑步板經過某一固定位置的次數，記錄在該固定位置顯示運動距離即開始距離，測試不低于50圈，記錄在該固定位置運行某圈數的顯示運動距離即停止距離，計算距離（s）=圈數×3.6，顯示距離（s）=停止距離-開始距離，顯示值與計算值誤差要求≤5%。

（3）速度準確度。分別測量跑步速度約7 km/h、12 km/h。

待跑步機勻速平穩運轉后測試人員計數做標記的跑步板經過某一固定位置的次數，測試人員同時按秒表計時，測試不低于20圈，距離（s）=圈數×3.6，速度=距離/時間，顯示實時速度值與計算值誤差要求≤5%。

跑步機設置最大限制速度后，啟動跑步機，速度緩慢上升到10～12 km/h后，定速運行，進行不小于30 min連續試驗后，將跑步機速度緩慢調節到17～18 km/h，再運行2 min。跑步機在運轉中顯示正常，整機無異響；測試完成后檢查產品各連接部位和支撐部位不得松動，跑步帶上螺釘不得松動或脫出，跑帶不得有偏移。

2 實際操作中遇到的問題

（1）速度準確度試驗：HR5系列履帶式自發電跑步機的儀表速度控制功能是控制跑步的最高速度，運動速度由使用者通過處于不同區域隨心調節。檢驗人員在測試跑步機時無法定速運行20圈以上，通過檢驗人員運動帶動跑步機運行無法準確測定跑步機的實際運行速度，因此也無法得到準確的速度值。

（2）連續運行試驗：該系列跑步機出廠前必須連續運行且時間不小于30 min。由于該跑步機需要運動人員利用重力作用帶動跑步帶實現跑步運動，體能消耗大。光靠檢驗人員無法完成所有跑步機30 min的測試，必須通過設備實現此項測試。

3 解決方案

為了保證跑步機產品的檢驗質量，解決檢驗人員無法完成速度準確度試驗和跑步機30 min連續測試的問題，以及縮短檢驗時間，進行了多次試驗，最終決定模擬電動自行車的原理設計了專用檢測設備，替代檢驗人員完成跑步機30 min連續運行試驗。

3.1 專用檢測設備主要組成

專用檢測設備主要由直流穩壓恒流開關電源、調速手柄、控制器、無刷電機和測試架4部分組成。直流穩壓恒流開關電源主要實現將輸入交流電壓130～260 V變化時，能達到良好的穩定輸出電壓為48 V供控制器和無刷電機供電功能；轉動調速手柄用來檢測不同的電壓值；控制器是用來控制電機的轉動；無刷電機是用來帶動測試架上的滾筒的轉動；測試架用來連接跑步機并帶動其跑合。

3.2 專用檢測設備工作原理

直流穩壓電源由電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩壓電路4部分組成[5]。直流穩壓恒流開關電源經過一個控制器給電機供電，電機放在跑臺的滾筒內，電機的轉動帶動滾筒的旋轉，控制器連接一個調速手柄，轉動調速手柄可以讓控制器檢測不同的電壓值，控制器根據電壓值的大小，模擬調節輸送給電機電壓的高低，從而控制了電機的轉動，控制方框圖如圖1所示。

調速手柄選用帶自動巡航功能，把調速手柄轉到所需的角度，跑臺的滾筒達到相應速度后，在5 s（時間可變）內調速手柄不轉動，則滾筒就保持這個速度轉動，這時操作者就可以松開調速手柄，免去手一直擰著調速手柄之累。自動巡航后只有松開調速手柄，并重新旋轉調速手柄，即可以再次調節滾筒的速度。

其工作原理借用電動自行車的控制原理。無刷直流電動機是電動自行車的主要部件。它借助電機霍爾傳感器信號，通過驅動控制電路來驅動逆變電路的功率開關元件，使電樞繞組依一定次序饋電，從而在氣隙中產生步進式旋轉磁場，拖動永磁轉子旋轉[6]。選用市場上電動自行車比較常用的24管48-72 V 1 500 W的帶自動巡航功能控制器和其配套的72 V 1 500 W直流無刷大功率電機。

根據HR5系列履帶式自發電跑步機的結構，測試架設計成由底部固定支架、頂端活動支架、滾筒、千斤頂、腳輪支架組成。其中底部固定支架用支撐頂端活動支架及連接跑步機，固定支架上的檔距大于跑步機最外擋，防止干涉；固定支架上安裝有腳輪支架用于連接跑步機腳輪，防止跑臺與跑步機運轉時產生相對運動；固定支架與活動支架之間通過千斤頂連接，主要用于調節活動支架的高度，滾筒內裝有電機，用于跑合跑步機，滾筒及電機的固定主要靠活動支架。跑步機結構圖和測試架示意圖分別如圖2和圖3所示。

圖1 控制方框圖

圖2 跑步機結構圖

3.3 加工專用檢測設備的樣機驗證試驗

根據設計方案，加工出專用檢測設備的樣機并將其連接到跑步機帶動跑步機運行。轉動調速手柄，跑步機運行速度能夠在0～20 km/h范圍內定速運行；調速手柄轉動到檢驗人員所需的跑步機顯示速度時，啟動自動巡航使跑步機一直恒速運行。檢驗人員可以根據產品檢驗規范要求輕松地完成連續運行試驗和速度準確度測試。

圖3 測試架示意圖

3.4 專用檢測設備的優點

（1）該專用檢測設備的直流穩壓恒流開關電源、調速手柄、控制器、無刷電機都是現有易采購的產品，只要采購回來后按要求接好線即可使用，降低了加工難度。

（2）該設備操作簡便，制造簡單，維護方便。

（3）將測試架進行局部的改進即可以推廣到其它系列跑步機進行測試。

4 結論

本文提出了一種適用于檢驗HR5系列跑步機速度準確度和連續運行試驗的專用檢測設備。從方案上論述了專用檢測設備的實現途徑。根據設計方案，加工出了試驗樣機并進行了試驗。試驗結果表明該專用檢測設備設計合理，能夠準確地測定跑步機的實際運行速度和帶動跑步機運行進行跑合測試。該跑步機結構及各功能穩定性，達到了預期的效果，縮短了檢驗時間，節省了人力。