基于人機工程學的家用多功能跑步機優(yōu)化設(shè)計研究

王鵬偉，孫曉普

（山西嘉世達機器人技術(shù)有限公司，山西 太原 030006）

1.跑步機的結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 基本組成

跑步機其基本組成包括有電動機、基架、滾筒以及控制臺等部分，各部分經(jīng)設(shè)計安裝，良好構(gòu)成了完整的多功能跑步機[1-2]。支架結(jié)構(gòu)放置于家庭地面上，使用螺栓零件將基架做以連接，而基架進行收放操作便是根據(jù)螺栓零件完成，將螺栓定軸進行轉(zhuǎn)動，便能帶動基架做出抬起/放下等模式的應用。基架收放還需要借助氣壓桿零件，氣壓桿可在基架運動時，產(chǎn)生作用力，支撐起整個基架重力，讓基架收放過程保持較大安全性。基架上安裝了前后兩種軸體，前軸滾筒利用軸承結(jié)構(gòu)將自身固定在軸體上，而后軸滾筒則是加裝螺釘零件，當跑步機運動時，前軸可不斷收緊，后軸則能沿著基架限定出的軌道做水平循環(huán)運動，由此完成了跑步帶的滾動[3]。跑步機使用電力能源啟動電動機結(jié)構(gòu)，通過速度傳感器來完成皮帶輪的轉(zhuǎn)動，進而帶動跑步帶移動，用戶可由控制臺操控跑步速度。圖1展示了跑步機的基本結(jié)構(gòu)組成。

圖1 跑步機的整體結(jié)構(gòu)組成

1.2 輔助器材

理論上看，在跑步機支架上可進行多功能設(shè)計，比如帶有可裝卸的支架，讓支架結(jié)構(gòu)附帶不同器材，由此實現(xiàn)不同功能。首先，可為練臂用戶提供支架上的啞鈴，而根據(jù)用戶鍛煉需求不同，可以選擇配置不同重量規(guī)格的啞鈴部件，讓用戶自選3KG至15KG之間的重量[4]。其次，可為練腹用戶附帶仰臥起坐部件，用戶能以基架作為水平面按需做仰臥起坐運動，鍛煉腹部肌肉。最后，將跑步機可裝卸支架附帶振動按摩器，采用振動器部件和按摩帶連接，按摩帶便可在控制中緊密貼合用戶身體各部位，讓用戶在按摩時舒緩鍛煉疲勞，緊致肌肉。

2.跑步機人機工程優(yōu)化

家用設(shè)計的跑步機設(shè)備，需要和健身房所用設(shè)備做以區(qū)分，更多考慮家庭用戶的人機工程學特征，以此為依據(jù)，不斷優(yōu)化跑步機設(shè)計中的各要素。本文對電動機、支架等跑步機各部分做以細致層面的優(yōu)化設(shè)計分析，探究優(yōu)化后的各部分能為家庭用戶帶來何種需求上的滿足。

2.1 電動機

跑步機的電能傳導動力過程由電動機完成，可以說電動機為跑步機設(shè)備最為核心、重要的部件之一，電動機優(yōu)化設(shè)計需要考慮家庭應用跑步機的實際所需馬力情況。首先，要理解電動機馬力大小的區(qū)分，并不一定馬力越大則跑步機性能越好，家庭使用選擇適合居家使用的馬力便可，否則馬力過大將會造成樓層振動幅度過大現(xiàn)象，由此產(chǎn)生噪音危害，不利于健身需求的落實及鄰里關(guān)系保持。其次，優(yōu)化后的電動機類型選擇直流模式，該種電動機能完成更高的使用效率，并且不會發(fā)出較大噪音，使用壽命也更高，更加適宜家用。據(jù)了解，市面上常用跑步機為適宜慢跑或者老年用戶使用的2HP及以下（1.5、1.75）馬力數(shù)值，和適宜一般用戶人群使用的2.5、3HP馬力數(shù)值[5]。

2.2 跑步帶

跑步帶結(jié)構(gòu)其作用較為單一，無論是在跑步功能下，還是在輔助多功能下，跑步帶都是作為運動平面來完成整個跑步機功能設(shè)計過程的。不過針對家用跑步機類型，仍要將跑步帶設(shè)計的更為人性化，避免影響用戶健身體感。首先，跑步帶長度需要進行設(shè)計，用戶跑步應邁得開步子，如果跑步帶長度較小，則較易發(fā)生跌倒危害，如果跑步帶過長，則浪費材料之余，還會影響跑步機整體運輸環(huán)節(jié)，不利于售賣[6]。此時根據(jù)人機工程學的運動工學做以長度推算，將跑步帶長度設(shè)計優(yōu)化為1400 mm，便可最大限度均衡跑步帶長度引發(fā)的問題。其次，分析跑步帶寬度，以18-60歲為目標用戶對象，則可根據(jù)肩寬、運動幅度等數(shù)據(jù)，從百分位數(shù)的第95位數(shù)值403mm基礎(chǔ)上加設(shè)余量，最終將跑步帶寬度設(shè)定為420 mm[7]。

跑步機的跑帶是由底紗和橡膠組成的，正反面使用不同的材質(zhì)，反面摩擦力小，正面摩擦力大。底紗主要為網(wǎng)狀尼龍織物，可以非常有效的防止跑帶發(fā)生變形，延長跑帶的使用壽命，加大跑帶底層的耐磨性，并且非常好的減少摩擦。正面摩擦力一方面可以從材料本身摩擦系數(shù)提升，另一方面可以在表面增加不同的紋理從而增加防滑。

2.3 基架

基架的設(shè)計是整個設(shè)計的基礎(chǔ)，也是其他設(shè)計的基準。支架的設(shè)計、滾簡的選擇、前后罩的設(shè)計都是依據(jù)基架的尺寸和形狀設(shè)計的，所以首先要考慮基架的設(shè)計。而基架的尺寸又由跑步帶決定。相關(guān)計算是將電動機長度和跑步帶設(shè)計長度相加，則400 mm+1400 mm，基架設(shè)計長度為1800 mm[8]。而基架寬度數(shù)值則是將跑步帶寬度和左右踏板條寬度相加，基架兩邊的左右踏條，能夠為用戶提供足夠的安全踩放位置。踏條的寬度參考GB/T10000，根據(jù)16-80歲年齡組的第95百分位數(shù)，足寬為103 mm，加上設(shè)計余量，將踏條的寬度設(shè)計為150 mm，則W基架=420+300=720 mm。另外，將跑步機的外部基架設(shè)計成雙層結(jié)構(gòu)，踏板條上層設(shè)為粗糙材質(zhì)，可起到減震、防滑作用。

2.4 支架

跑步機支架部分在設(shè)計時，因功能上的多元性，可將其分成基本支架與多功能輔助支架，兩類支架也采用螺栓零件做以連接。其中基本支架分為扶手、儀表盤支架等，多功能輔助支架按照用戶需求進行相關(guān)設(shè)計（比如啞鈴、電動按摩機械等）。扶手的優(yōu)化設(shè)計在支架設(shè)計中是重要部分，因為扶手有兩個不可替代作用，其一為手扶防止跑步意外發(fā)生、其二為雙臂曲撐運動時防止用戶摔落。

首先計算支架扶手高度。以人機工程學理論作為輔助支持，判斷用戶群體的立姿肘高度為男士1096mm，女士1023mm。此時進行扶手最大高度算法，男士為1096+基架離地高度200+余量25，計算數(shù)值為1321mm，女士同理算得為1248mm[9]。此時將支架扶手設(shè)備設(shè)計為可調(diào)節(jié)模式，用戶可根據(jù)需求在1240-1325之間進行扶手高度調(diào)節(jié)，以此獲得更舒適的體感。

其次計算支架角度。電子顯示器在支架結(jié)構(gòu)上，能夠讓用戶清楚看到跑步各項數(shù)據(jù)，為給用戶創(chuàng)造良好觀看體感，需將支架角度做以計算。據(jù)理論分析，用戶在看顯示器的時候會適當?shù)皖^，視線會下移30°左右，這樣人眼良好視區(qū)在-20°到-60°范圍區(qū)間內(nèi) ，此時電子顯示器角度和水平面應保持在30°到70°范圍[10]。此時獲得中間范圍，將用戶視覺中心位于35°到50°，可為用戶提供最佳視覺效果。圖2為視覺分析。

圖2 視覺分析

經(jīng)調(diào)研分析，目前大部分用戶在進行地面健身時手機都不離身，主要是用來視聽音樂、課程、新聞等音頻內(nèi)容，其次可以做健身記錄。因此，根據(jù)不同的手機尺寸大小，我們可以為用戶提供可自動調(diào)節(jié)長寬尺寸的手機支架，用來代替一體的電子顯示屏屏幕。通過wifi、藍牙等無線連接，將跑步機數(shù)據(jù)同步于手機APP端，這樣不僅可以節(jié)約成本，同時軟、硬件結(jié)合也大大提升用戶體驗。

另外由于市場趨勢，大部分用戶住房需求都在110平米左右的中小戶型，室內(nèi)空間小也是非常大的痛點，所以我們在設(shè)計跑步機時，可以考慮基架與支架的折疊收納，同時底部四角增加輔輪，便于用戶收納或換位時移動。

2.5 前后罩

該優(yōu)化設(shè)計后的跑步機設(shè)備，在選擇前后罩材質(zhì)時，使用ABS塑料材料制成的安全罩，并利用傳動、執(zhí)行等機構(gòu)將安全罩和跑步機主體結(jié)構(gòu)進行分離。隔斷后的跑步機總體結(jié)構(gòu)變得完整，且極大保證了用戶家中跑步的安全性，并可通過不同顏色、工藝和簡約的造型來改善跑步機外觀，讓跑步機更易受到當下市場消費者接納。跑步機前罩結(jié)構(gòu)的設(shè)計為，前后罩結(jié)構(gòu)在安裝時，以結(jié)構(gòu)基架作為設(shè)計的基準結(jié)構(gòu)，由此衍生出能卡在基架上的前后罩結(jié)構(gòu)，更方便跑步機整體安裝及部分維修階段的及時拆/裝罩操作。

3.結(jié)語

科技發(fā)展之下，人類健身所需設(shè)備品質(zhì)需求逐漸提高，更多用戶在選擇家用跑步機時，將選擇更多功能展示，移動方便，可折疊收納且擁有較高使用舒適程度的簡約跑步機風格，以此滿足日益增長的物質(zhì)享受心理需求。通過將電動機、跑步帶、基架、支架、前后罩等結(jié)構(gòu)做以人機工程學下的相關(guān)設(shè)計優(yōu)化方案，能增加用戶跑步行為的舒適程度，并為用戶提供了更多的功能選擇，所以采用人機工程學進行跑步機設(shè)計，有其必要性，將更容易設(shè)計出符合當代人健身心理的家用跑步機設(shè)備。