电动跑步机的设计与改进.docx
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电动跑步机的设计与改进.docx
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电动跑步机的设计与改进
随着人们生活水平的提高,人们对身体越来越关爱,
更多地进行体育锻炼。
健身器材作为进行健身活动的重要
工具之一,越来越受到人们的喜爱。
跑步是最方便、最简
单的有氧健身锻炼方式,它可以促进人体血液循环,增强
心肺功能,发展肌肉力量,在慢跑时更能消耗人体脂肪;
在健身运动中,跑步最受人们的喜爱,跑步机成为人们最
受欢迎的健身器材。
人机工程学是本世纪50年代发展起来的一门新兴
学科,它由人体科学、工程技术、环境科学、安全科学和
社会科学等交叉而形成。
人机工程学研究人和机器及环境
的相互作用,把人的因素作为产品设计的重要条件和原
则,使设计出的机器操作简便、省力、安全、可靠高效、
舒适。
当前,人机工程学的研究和应用越来越广泛。
人机
工程学的研究成果对于电动跑步机的设计有着非常重要
的意义。
在人机这一系统中,人是核心因素,电动跑步机
的设计应符合人的生理,心理特点,在这方面的考虑失误,
可能会影响人们的健身效果,甚至会影响人们的安全、健
康。
1
人体尺寸百分位数运用的基本原则电动跑步机的设计应符合人体的尺寸,这是很容易
理解的。
但是由于受人的年龄、性别、种族、地区等因素
的影响,人的身材大小各不相同,那么该用哪一种身材的
人作为跑步机设计的依据?
在对人群进行统计性的人体
尺寸测量时,各种身材的人频数分布状态(出现率)用
百分位数表示。
在国标GB10000中分别给出了不同年龄
段第1、5、10、50、90、95、99百分位的人体尺寸,在
跑步机设计中,常用的是18~60岁年龄组的第5百分位数
和第95百分位数,它考虑了绝大多数的使用者群体。
按人体尺寸确定相关结构与空间的尺寸的原则为:
(1)容空间尺寸设计按第95百分位数(P95)
包容空间是指以人为中心,包容人体(或某部分)的
空间。
例如:
最小作业空间(区域)、通道、维修空间、
肢体自由活动空间、门、舱口等,对于这类空间,要求其
能包容大多数人,按大身材人设计,小身材的人当然也就
包括在内。
(2)被包容空间尺寸设计按第5百分位数(P5)
被包容空间是指以人为中心,被人体(或某部分)所
包容的空间。
例如,肢体的可及范围、椅面高度、搬运物
的宽度等,对于这类空间,应使小身材(P5)能包容其空
间,大身材人当然也就没有问题。
(3)最佳工作区位置尺寸按第50百分位数(P50)
在包容与被包容关系中,要求空间适应人的极限状
态,而对于某些频繁使用的操纵器,则是希望能以最舒适
的状态来进行操作,才不容易疲劳,并达到准确和高效。
例如,重要的、使用频繁的或需精细操作的开关、旋钮等
控制器的设置,各类机械主要操作手柄的设置等。
这时应
按中等身材人设计,因第50百分位附近,人的密度高,
可使多数人处于舒适、高效的作业状态下。
(4)可调节结构尺寸的调节范围为第5至第95百分
位数
由于人体尺寸的差异,欲使每个工作者能处于一种
舒适、准确、高效的工作状态,则应将有关节结构设计成
为可调节的,例如,与控制台有关的座高度和脚踏板的高
度等,应是可调节的,其尺寸应以P50为基准,调节范围
扩展到P5
最早的跑步机是没有动力的普通跑步机,在这种跑步
机上跑步时,需要用力蹬踏跑步机来完成运动,跑步的姿
势不够自然,运动难以协调,效果并不理想。
而应用人机
工程学设计的电动跑步机,人们在跑步时,感到轻松、自
如,运动状态更贴近自然运动状态。
跑步机主要由以下部
分组成:
底架、跑步带、电机、电机盖、立架、扶手、以
及电子显示器。
如图1所示。
图1跑步机
2.1跑步带
跑步带是电动跑步机的一个重要部件,跑步带的性能
好坏直接影响着跑步机质量,影响跑步效果。
要求跑步带
抗延展性好,使用寿命长,不易变形。
因此跑步带可以采
用双层PVC+单层胚布材料。
跑步带的尺寸应满足跑步这
一功能的需要,长度方向应让人能轻松迈开步伐,设计为
1300mm;宽度应按照人体尺寸P95的肩宽来确定,加上
余量,设计为450mm.。
2.2电机
电动跑步机在电机选用上应根据跑步机的应用场所
来决定,家用的功率选小一点,而健身房的则选大一点。
家用一般为2HP以上,健身房的一般在3HP以上,这样
会防止电机的功率小,而产生小马拉大车的现象,造成电
动跑步机不堪重负,容易损坏。
2.3底架
底架主要由两边底管、跑步板和前后轴滚筒组成。
底
管的长度由跑步带的长度和马达的长度来确定,既1300+
400=1700mm。
底管是承担人体重量和跑步时动载荷的
主要零件,因此必须要有足够的刚度,保证人体站在跑步
带上不变形,跑步时,不会发生颤动和振动,产生噪音。
跑步带的下面是跑步板,为了减轻跑步时对人体的冲击,
可在跑步板上装有缓冲橡胶垫。
底架与地面之间采用高密
橡胶垫,可减轻震动和噪音。
电动跑步机的底架高度应该
尽量降低,减少使用者(特别是老年使用者)使用时的危
险性;电动跑步机前面带有调节高度的升降电机,调节整
个跑台的倾斜角度。
2.4扶手
扶手的作用主要有两个:
一是在跑步时,用手扶在
上面,防止身体不稳定晃动而出现意外;二是不跑步时作
双臂曲撑运动,锻炼上肢肌体。
扶手的高度必须与运动者
的身高相适应,扶手太高,作双臂曲撑运动时,感觉不安
全;扶手太低,作双臂曲撑运动时必须缩着小腿。
因此,
扶手的高度一般按P95的立姿肘高的尺寸进行设计。
扶手
的最大高度可由下式确定:
H=A+B+C=1096+200+25=1321(取1320)
式中:
A为立姿肘高;B为底架高(包括底架本身高
度和距地面高度);C为修正量。
上面确定的扶手高度是指最大高度。
为了使大部分人
处于舒服的状态下,也可以考虑按P50的尺寸来设计,这
时扶手的高度应为1250mm,但同时将立柱结构设计成为
可调节式的,调节范围为P5
至P95。
这样每个人可以按照
自己需要的高度来调节扶手高度。
扶手的形状设计:
有很多跑步机的扶手设计成为直
杆式的,在跑步时,用手抓住杆部,由于扶手的高度高于
人的肘部,所以臂部必须上举,会使肩、背及手部肌肉承
受静负荷,时间长了,导致疲劳;同时手腕处于掌屈、背
屈、尺偏等别扭的状态时,就会产生腕部酸疼、握力减小,
如长时间这样操作,会引起腕道综合症、腱鞘炎等症状。
如果设计成弯曲的形状,那么跑步时,手抓住弯曲的部分,
可以使手臂不必抬得太高,减少了抬臂产生的静肌负荷,
同时,也让手腕顺直,腕关节处于正中的放松状态。
扶手
的材料一般采用圆管或椭圆管,它的大小应让人握着舒适
为宜,直径为30~35mm。
扶手上采用发泡塑料做成的扶
手套,可以提高使用者在抓握时的舒适感。
2.5电子显示器的布置
电子显示器的功能是包括:
跑步速度、跑步时间、跑
步距离、心跳数和能量消耗数。
这些功能都为跑步机的人
性化设计提供了必要的保障。
这些功能的实现部分采用了
先进的智能传感器技术和数字信息技术,使该产品的设计
表现出了智能美的技术要求。
使用视觉显示装置,在于迅速、方便、准确地提供视
觉信息,因此,电子显示器的布置应根据人的视觉特点,
按最佳观察方式进行,方能提高视觉认读效率和精度。
显
示器的位置由在使用该器材时人眼与显示装置面板的距
离决定。
面板与人眼的最适当距离为650mm左右。
显示
器与水平面保持25~30度的倾角,使显示信息的面板尽可
能与使用者的视线垂直,以保证获得最高的精度。
2.6材质设计
质地美不取决于材质本身的高级和贵重,而在于恰与机械
其分的运用材料,增加跑步机的外观艺术效果。
电动跑步
机各主要部件采用的主要材质为:
机身和立架采用普通碳
钢管及钢板;扶手套采用发泡塑料;电机盖和显示面板采
用工程塑料。
主框架采用钢材使整个结构展现出朴素、坚
固的材质特性,使用者有很强的安全感。
主框架的钢材表
面作烤漆工艺处理,使其表现肌理光滑而不明亮,给人高
雅之感。
工程塑料的使用可利用注塑技术使电机盖和显示
面板的复杂造型得以实现,并表现出光滑、细腻的材质特
性。
发泡塑料质感柔软、温暖,给使用者带来亲切感。
2.7色彩设计
色彩不仅能表现产品的外观,而且更能表现产品的
精神。
这就要求色彩与产品的功能、环境场所、使用对象
等因素统一起来,在人们的心中产生统一、和谐的感觉。
电动跑步机主色调采用黑色,体现出产品的厚重塌实和使
用者对强健的渴求;同时,因为该器材多在室内使用,黑
色便于与周围环境的色彩进行搭配。
显示器面板底色采用
深灰色,说明字符用白色,明度对比较强,使字符清晰度
高,易辨认。
面板控制键和显示窗口的四周用淡蓝色装饰,
这样与深灰色底色保持协调和统一。
2.8线形设计
电动跑步机除了具备物质功能外,还应该具备装饰
生活环境,体现生活品位的精神功能。
良好的造型可以创
造产品的个性,提高品牌的价值,还能激发使用者的锻炼
热情。
电动跑步机是一种通过跑步而获得锻炼的健身器
材,因此在它的造型设计时,必须充分考虑其造型的动态
特性。
扶手和电子显示器的支撑架采用现代弯管工艺加工
出优美的流线造型;马达盖是由工程塑料通过现代注塑工
艺加工而成,其轮廓生动的曲线型。
流线型的应用改变了
产品呆板、冷硬的造型效果,产生生动活泼富有运动趋势
的美感。
这种设计使产品造型和产品功能得到了很好的统一
制量:
CV(n)=U(n)=U(n-1)+△U(n)=SV对副PID控制块
(FC1101)的SV无影响,实现了无扰动切换。
4
输出跟踪对于配置了手操器的PID控制块应具有输出跟踪功
能,如图1所示。
手操器有以下两种工作状态。
(1)手操器处于HM(手动)工作状态。
当手操作器处于
HM工作状态时,PID控制块处于OP方式,即输出跟踪
开关切向YT位置。
为了实现从有输出跟踪(YT)到无输出
跟踪(NT)状态的无扰动切换,在每个控制周期应使SV跟
踪PV,同时也要使PID差分算式中的历史数据E(n-1)、
E(n-2)等清零,还要将HV(手动操作量)赋给U(n-1)。
这样,一旦PID控制块切向正常工作状态,即无输出
跟踪(NT)时,由于SV=PV(即偏差E(n)为0),PID差分算
式中的历史数据为0,故△U(n)=0而U(n-1)又等于切换
瞬间的HV值。
这就保证了切换瞬间输出控制量的连续性,
即:
CV(n)=U(n)=U(n-1)+△U(n)=HV
(2)手操器处于HA(自动)工作状态。
当手操作器处于
HA工作状态时,可以接收来自计算机的CV,此时PID
控制块处于正常的无输出跟踪(NT)状态。
一旦人工将手操
器切换到HM状态,由于其已跟踪CV,从而实现了从NT
到YT的无扰动切换。
5
结语目前连续生产过程的计算机控制仍然以PID控制为
主,按照上述无平衡无扰动切换原理开发的PID控制组态
软件已运用于过程计算机控制,大大降低在生产过程进行
PID切换中的干扰,保证了我们乙烯各套装置稳定运行,
在我们乙烯“安稳长满优”生产活动中发挥积极作用。
世界上第一台跑步机诞生于1875年发明人是美国东部农村的一位机械
师。
这台机器其实是一台便携式农机设备以牲畜作为动力来源。
1866年纽约
州通过了美国第一部禁止虐待动物的法律用鞭子打牲口被视为非法行为。
“美
国反对虐待动物组织”指责那些爬楼式的动力装置伤害了动物的膝关节给动物
造成了心理压力。
于是有人发明了水平跑步机其传送带和地面平行动物走在
上面就像平时散步一样自然。
现代意义上的跑步机从80年代流行至今,已经历两类产品。
第一类是机械跑
步机是用圆形滚筒组合排列而成的跑台在两个滚筒中间加装塑胶跑带及跑板,
主要运动方式是依靠跑步者脚与跑步带的摩擦力带动来运行从而达到跑步及走
步的效果因为容易产生运动伤害锻炼效果差已被市场淘汰。
第二类是电动
跑步机已发展到第四代产品,第一代产品是可控硅调速电动跑步机应用可控
硅本身的特点实现对跑步机的调速。
第二代跑步机模拟信号电动跑步机是在原
有第一代的基础上改善了调速装置,通过传感器传输和接收马达的工作信号用
电脑控制程序达到调节跑步机速度、坡度、距离等功能第三代跑步机数字信号
跑步机在原有第二代跑步机的基础上去除了传感器以单片机的数据控制马达
的工作状态不会受到外界的干扰从而使跑步机运动更稳定、更安全。
第四代
跑步机是采用的数字变频技术采用HK变频调速器和交流马达组成跑步机的动力
系统因为交流电机结构中没有碳刷所以终生不需要维护所以第四代变频跑
步机具有更安全、更耐用、更安静、更节能、更稳定5大优点,使跑步机运动在真
正意义上超越了传统室外跑步运动。
这里主要介绍电动跑步机的发展历程及四
代电动跑步机的优点和不足。
第一代电动跑步机可控硅调速电动跑步机原理一种以硅单晶为基本材料的P1N1P2N2四层三端器件由于它特性类似于真空闸流
管所以国际上通称为硅晶体闸流管简称晶闸管T。
又由于晶闸管最初应用于可控整流方
面所以又称为硅可控整流元件简称为可控硅SCR。
在性能上可控硅不仅具有单向导电性而且还具有比硅整流元件(谷称“死硅”)更为可
贵的可控性。
它只有导通和关断两种状态。
可控硅能以毫安级电流控制大功率的机电设备如果超过此频率因元件开关损耗显著
增加允许通过的平均电流相降低此时标称电流应降级使用。
可控硅的优点很多例如以小功率控制大功率功率放大倍数高达几十万倍;反应极
快在微秒级内开通、关断;无触点运行无火花、无噪音;效率高成本低等等。
可控硅的弱点静态及动态的过载能力较差;容易受干扰而误导通。
这是由于可控硅的这种可控性所以将其应用到第一代电动跑步机用来控制电动跑步机
的速度。
总结
可控硅调速跑步机优点运动自然速度可控锻炼更方便
缺点静态及动态的过载能力较差;容易受干扰而误导通。
可能导致马
达工作不稳定。
第二代模拟信号电动跑步机
1、电动跑步机的构造原理
电动跑步机是依靠电机带动跑步带运行通过调速器来控制马达转速实现
调节跑步时的速度变化调速器的控制就是将传感器的信号进行处理电压转
换然后计数可以得到速度。
2、安全
电动跑步机是一种主动与被动相结合的运动方式在电动跑步机上的跑或
走都会比普通的人省去了一个蹬腿伸的动作。
这样的话好处就是使得每一个人在
电动跑步机上面跑步会感到十分的轻松、畅快。
3、功能和效果
电动跑步机通过电机带动跑步带使人以不同的速度或坡度被动的跑步或
走动运动的舒适性大大改善而且避免了在室外运动因天气、环境等不利因素
对运动者的身体影响降低发生运动伤害的可能性。
人在电动跑步机上跑动或走
动是一项全身性的运动方式因其运动方式几乎没有蹬伸动作与在陆地上运动
相比可以减小运动强度提高运动量对于提高使用者的心肺功能、肌体耐力
以及脂肪消耗都具有非常好的效果。
在相同的运动强度下电跑较之其他常见的
有氧运动器材诸如健身车、划船器、登山机等每小时可多消耗40的热量。
电动跑步机通过集成的电子设备及控制系统还可以方便地记录运动者运动距离、
耗费的时间、消耗的热量等运动数据心率测试功能可以准确显示出运动者当前
的心率更加科学、安全的进行锻炼。
因此电动跑步机是一种兼具运动生理学、
人机工程学和精密机电一体化等多种技术的高科技产品在电动跑步机上跑步或走动是最好的有氧运动方式之一。
4、发展趋势
电动跑步机的研发与生产是建立在机械跑步机基础上的也可以说将它成
为机械跑步机的升级版。
未来必将向着科技化、人性化、专业化方向发展。
总结
模拟信号跑步机优点运动更自然还有电脑程序电脑控速锻炼更方便
缺点现代的电跑为了达到安全舒适的目的跑带越来越宽、越
来越长相应占地面积比机械跑要大建议同等占地尺寸情况下选择宽跑带的跑
步机。
是通过传感器传输和接收马达的工作信号其随时间、温度、信号强弱等
因素可能导致马达工作不稳定。
第三代数字信号电动跑步机数字跑步机是由第二代模拟电动跑步机发展而来和模拟电动跑步机的主要
区别在于它是由数字信号控制的。
模拟数据(AnalogData)是由传感器采集得到的连续变化的值例如温度、压
力以及目前在电话、无线电和电视广播中的声音和图像数字数据(DigitalData)
则是模拟数据经量化后得到的离散的值例如在计算机中用二进制代码表示的字
符、图形、音频与视频数据。
模拟信号跑步机是通过传感器传输和接收马达的工
作信号其随时间、温度、信号强弱等因素可能导致马达工作不稳定。
而数字
跑步机则是以单片机的数据控制马达的工作状态其不会受到外部因素的干扰
从而使跑步机更稳定更安全。
第二代跑步机马达的转速都是各种型号的传感器
控制的均为模拟信号。
而第三代跑步机是用单片机控制系为数字信号。
模拟信号和数字信号在跑步机中的明显区别
1、模拟信号跑步机的最低速度为0.8kmh以上而数字信号跑步机的最低速度
可制定在0.3kmh以下且输出大扭力。
2、模拟信号跑步机的马达上都有个明显的传感器数字信号跑步机则没有。
3、模拟信号跑步机控制电源上有大大小小的电位器数字信号跑步机则没有。
4、数字信号跑步机在按停止键时使用者在没有感觉的状态下停止运动不会
出现如急刹车时的眩晕感觉。
总结第三代数字跑步机较第二代模拟跑步机的优点有更安全、更精确、
更舒适三大优点。
汇康跑步机是国内独家推出0.3km/h数字电动跑步机的生产厂
家。
第四代数字变频跑步机21世纪是数字信息时代数字变频产品已走进千家万户。
买空调选变频
的节能省电买电视选变频的健康不闪买冰箱选变频的绿色环保。
汇康人
经过多年的潜心研究终于开发出第三代跑步机一数字变频跑步机此数字变频
跑步机自面世以来备受广大消费者青睐。
数字变频跑步机核心控制器采用了全新的交流变频调速器和HK专利电源
交流变频电机结构简单终生不用维护且其运转平稳交流调速时速度变化平稳
扭矩大效率高噪音低平均寿命是直流电机的30倍。
第四代数字变频跑步机与第三代跑步机的区别在于它的核心组件数控系统直
流跑步机(第三代)的控制器采用的是PWM调速电源其工作原理是调整电压、
电流的太小从而控制电机的转速。
交流数字变频跑步机(第三代)采用变频器调
速其工作原理是改变电流的工作频率实现控制电机的转速。
1、为什么更安全
直流电机的碳刷的使用寿命是100天左右如果超过这个时间不及时清理更换
碳刷就会在换向器上磨出一个深槽一旦磨坏换向器即便是再更换碳刷电
机也会出现忽快忽慢、时转时停等现象容易发生危险。
而交流电机不会出现上
述现象它只有2种情况存在要么转要么不转不会出现时转时停的现象。
2、为什么更耐用
直流电机在工作时换向器和碳刷会不停的摩擦在直流电机中最重要的部件也
就在此。
由于碳刷和换向器的摩擦会产生污物同时碳刷也会磨损一付碳刷
的使用寿命在2000个小时左右到期就需更换否则就会损坏电机进而损坏
电源和表芯而数字跑步机用的是交流电机在这种电机中由于取消了碳刷和
换向器的应用没有了摩擦因此它的使用寿命长经久耐用交流电机的设计
使用寿命10-20年是直流电机寿命的30倍。
3、为什么更稳定
直流电机在工作时换向器和碳刷会不停的摩擦必定会产生污物同时碳刷也会
磨损产生污物若不及时清理摩擦阻力增大通过电机的电流必定增大。
这样
必定要求电网对直流电机产生补偿这就是为什么人在直流电机低速运动时电
灯忽暗忽明的原因。
而交流电机因为没有碳刷所以会更稳定。
4、为什么更安静
跑步机的噪音来源于电机辊筒和跑带。
主要的噪音是来源于电机。
直流电机碳
刷和换向器摩擦的声音加上电机转动产生的噪音大小在70-80分贝。
而交流电
机因为少了碳刷和换向器的摩擦因此只有电机转动的声音所以声音大小在
30分贝以下。
5、为什么更节能
汇康数字变频电跑在时速10公里以内时通过数控节能控制每小时能耗1度
电左右。
在最佳减肥消脂速度时速6公里/时每小时能耗0.5度电左右。
按
60KG标准消耗6公里一小时消耗375卡1度电耗金0.6元计算每燃烧1卡
热量消耗金钱0.07分。
既然交流变频有如此优势那为什么没有其他厂家未开发呢
因为交流变频技术的核心技术。
控制器核心组件直流跑步机的控制器采用
的是PWM调速电源其工作原理是调整电压、电流的大小从而控制电机的转速。
交流变频跑步机采用变频器调速其工作原理是改变电流的工作频率实现控制
电机的转速。
公司从2003年开始生产商用跑步机开始就采用的是交流电机一直到现在
已经有十多年的时间了在这个时间里汇康积累了大量的经验在技术人员的
精心研究下终于把数字变频的核心技术变频器的成本降下来了后来经过汇康
公司内部不断的研究测试终于推出了交流变频家用跑步机这个技术上的突破
在全国乃至全世界来说汇康公司是首家并且目前没有一家跑步机公司能够
自主生产变频器汇康公司是独此一家。
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