電動跑步機(jī)的人機(jī)工程設(shè)計

機(jī)械２００４年第３１卷增刊?１７?電動跑步機(jī)的人機(jī)工程設(shè)計徐華文，李文峰（武漢理工大學(xué)物流工程系，湖北武漢430063）摘要：利用人機(jī)工程學(xué)的理論和方法，深入研究電動跑步機(jī)的人機(jī)工程設(shè)計，闡明了跑步機(jī)的合理布局和其本身機(jī)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)符合人機(jī)工程學(xué)的有關(guān)要求。關(guān)鍵詞：跑步機(jī)；人機(jī)工程；設(shè)計ErgonomicsdesignofthemotorizedtreadmillAbstract:ThepaperusethetheoryandmethodofErgonomicstolucubrateergonomicsdesignofthemotorizedtreadmill,illustratethelayoutoftreadmillandmakethedesignaccordwiththerequestofErgonomics.Keyword:treadmil；ergonomics；design隨著人們生活水平的提高，人們對身體越來越關(guān)愛，更多地進(jìn)行體育鍛煉。健身器材作為進(jìn)行健身活動的重要工具之一，越來越受到人們的喜愛。跑步是最方便、最簡單的有氧健身鍛煉方式，它可以促進(jìn)人體血液循環(huán)，增強(qiáng)心肺功能，發(fā)展肌肉力量，在慢跑時更能消耗人體脂肪;在健身運動中，跑步最受人們的喜愛，跑步機(jī)成為人們最受歡迎的健身器材。人機(jī)工程學(xué)是本世紀(jì)50年代發(fā)展起來的一門新興學(xué)科，它由人體科學(xué)、工程技術(shù)、環(huán)境科學(xué)、安全科學(xué)和社會科學(xué)等交叉而形成。人機(jī)工程學(xué)研究人和機(jī)器及環(huán)境的相互作用，把人的因素作為產(chǎn)品設(shè)計的重要條件和原則，使設(shè)計出的機(jī)器操作簡便、省力、安全、可靠高效、舒適。當(dāng)前，人機(jī)工程學(xué)的研究和應(yīng)用越來越廣泛。人機(jī)工程學(xué)的研究成果對于電動跑步機(jī)的設(shè)計有著非常重要的意義。在人機(jī)這一系統(tǒng)中，人是核心因素，電動跑步機(jī)的設(shè)計應(yīng)符合人的生理，心理特點，在這方面的考慮失誤，可能會影響人們的健身效果，甚至?xí)绊懭藗兊陌踩?、健康。按人體尺寸確定相關(guān)結(jié)構(gòu)與空間的尺寸的原則為：（1）容空間尺寸設(shè)計按第95百分位數(shù)（P95）包容空間是指以人為中心，包容人體（或某部分）的空間。例如：最小作業(yè)空間（區(qū)域）、通道、維修空間、肢體自由活動空間、門、艙口等，對于這類空間，要求其能包容大多數(shù)人，按大身材人設(shè)計，小身材的人當(dāng)然也就包括在內(nèi)。（2）被包容空間尺寸設(shè)計按第5百分位數(shù)（P5）被包容空間是指以人為中心，被人體（或某部分）所包容的空間。例如，肢體的可及范圍、椅面高度、搬運物的寬度等，對于這類空間，應(yīng)使小身材（P5）能包容其空間，大身材人當(dāng)然也就沒有問題。（3）最佳工作區(qū)位置尺寸按第50百分位數(shù)（P50）在包容與被包容關(guān)系中，要求空間適應(yīng)人的極限狀態(tài)，而對于某些頻繁使用的操縱器，則是希望能以最舒適的狀態(tài)來進(jìn)行操作，才不容易疲勞，并達(dá)到準(zhǔn)確和高效。例如，重要的、使用頻繁的或需精細(xì)操作的開關(guān)、旋鈕等控制器的設(shè)置，各類機(jī)械主要操作手柄的設(shè)置等。這時應(yīng)按中等身材人設(shè)計，因第50百分位附近，人的密度高，可使多數(shù)人處于舒適、高效的作業(yè)狀態(tài)下。（4）可調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)尺寸的調(diào)節(jié)范圍為第5至第95百分電動跑步機(jī)的設(shè)計應(yīng)符合人體的尺寸，這是很容易理解的。但是由于受人的年齡、性別、種族、地區(qū)等因素的影響，人的身材大小各不相同，那么該用哪一種身材的人作為跑步機(jī)設(shè)計的依據(jù)？在對人群進(jìn)行統(tǒng)計性的人體尺寸測量時，各種身材的人頻數(shù)分布狀態(tài)（出現(xiàn)率）用百分位數(shù)表示。在國標(biāo)GB10000中分別給出了不同年齡段第1、5、10、50、90、95、99百分位的人體尺寸，在跑步機(jī)設(shè)計中，常用的是18~60歲年齡組的第5百分位數(shù)和第95百分位數(shù)，它考慮了絕大多數(shù)的使用者群體。位數(shù)由于人體尺寸的差異，欲使每個工作者能處于一種舒適、準(zhǔn)確、高效的工作狀態(tài)，則應(yīng)將有關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計成為可調(diào)節(jié)的，例如，與控制臺有關(guān)的座高度和腳踏板的高度等，應(yīng)是可調(diào)節(jié)的，其尺寸應(yīng)以P50為基準(zhǔn)，調(diào)節(jié)范圍擴(kuò)展到P5至P95。1人體尺寸百分位數(shù)運用的基本原則2電動跑步機(jī)的人機(jī)工程設(shè)計?１８?機(jī)械２００４年第３１卷增刊最早的跑步機(jī)是沒有動力的普通跑步機(jī)，在這種跑步機(jī)上跑步時，需要用力蹬踏跑步機(jī)來完成運動，跑步的姿勢不夠自然，運動難以協(xié)調(diào)，效果并不理想。而應(yīng)用人機(jī)工程學(xué)設(shè)計的電動跑步機(jī)，人們在跑步時，感到輕松、自如，運動狀態(tài)更貼近自然運動狀態(tài)。跑步機(jī)主要由以下部分組成：底架、跑步帶、電機(jī)、電機(jī)蓋、立架、扶手、以及電子顯示器。如圖1所示。圖1跑步機(jī)2.1跑步帶跑步帶是電動跑步機(jī)的一個重要部件，跑步帶的性能好壞直接影響著跑步機(jī)質(zhì)量，影響跑步效果。要求跑步帶抗延展性好，使用壽命長，不易變形。因此跑步帶可以采用雙層PVC+單層胚布材料。跑步帶的尺寸應(yīng)滿足跑步這一功能的需要，長度方向應(yīng)讓人能輕松邁開步伐，設(shè)計為1300mm；寬度應(yīng)按照人體尺寸P95的肩寬來確定，加上余量，設(shè)計為450mm.。2.2電機(jī)電動跑步機(jī)在電機(jī)選用上應(yīng)根據(jù)跑步機(jī)的應(yīng)用場所來決定，家用的功率選小一點，而健身房的則選大一點。家用一般為2HP以上，健身房的一般在3HP以上，這樣會防止電機(jī)的功率小，而產(chǎn)生小馬拉大車的現(xiàn)象，造成電動跑步機(jī)不堪重負(fù)，容易損壞。2.3底架底架主要由兩邊底管、跑步板和前后軸滾筒組成。底管的長度由跑步帶的長度和馬達(dá)的長度來確定，既1300+400=1700mm。底管是承擔(dān)人體重量和跑步時動載荷的主要零件，因此必須要有足夠的剛度，保證人體站在跑步帶上不變形，跑步時，不會發(fā)生顫動和振動，產(chǎn)生噪音。跑步帶的下面是跑步板，為了減輕跑步時對人體的沖擊，可在跑步板上裝有緩沖橡膠墊。底架與地面之間采用高密橡膠墊，可減輕震動和噪音。電動跑步機(jī)的底架高度應(yīng)該盡量降低，減少使用者（特別是老年使用者）使用時的危險性；電動跑步機(jī)前面帶有調(diào)節(jié)高度的升降電機(jī)，調(diào)節(jié)整個跑臺的傾斜角度。2.4扶手扶手的作用主要有兩個：一是在跑步時，用手扶在上面，防止身體不穩(wěn)定晃動而出現(xiàn)意外；二是不跑步時作雙臂曲撐運動,鍛煉上肢肌體。扶手的高度必須與運動者的身高相適應(yīng)，扶手太高，作雙臂曲撐運動時，感覺不安全；扶手太低，作雙臂曲撐運動時必須縮著小腿。因此，扶手的高度一般按P95的立姿肘高的尺寸進(jìn)行設(shè)計。扶手的最大高度可由下式確定：H=A+B+C=1096+200+25=1321（取1320）式中：A為立姿肘高；B為底架高（包括底架本身高度和距地面高度）；C為修正量。上面確定的扶手高度是指最大高度。為了使大部分人處于舒服的狀態(tài)下，也可以考慮按P50的尺寸來設(shè)計，這時扶手的高度應(yīng)為1250mm，但同時將立柱結(jié)構(gòu)設(shè)計成為可調(diào)節(jié)式的，調(diào)節(jié)范圍為P5至P95。這樣每個人可以按照自己需要的高度來調(diào)節(jié)扶手高度。扶手的形狀設(shè)計：有很多跑步機(jī)的扶手設(shè)計成為直桿式的，在跑步時，用手抓住桿部，由于扶手的高度高于人的肘部，所以臂部必須上舉，會使肩、背及手部肌肉承受靜負(fù)荷，時間長了，導(dǎo)致疲勞；同時手腕處于掌屈、背屈、尺偏等別扭的狀態(tài)時，就會產(chǎn)生腕部酸疼、握力減小，如長時間這樣操作，會引起腕道綜合癥、腱鞘炎等癥狀。如果設(shè)計成彎曲的形狀，那么跑步時，手抓住彎曲的部分，可以使手臂不必抬得太高，減少了抬臂產(chǎn)生的靜肌負(fù)荷，同時，也讓手腕順直，腕關(guān)節(jié)處于正中的放松狀態(tài)。扶手的材料一般采用圓管或橢圓管，它的大小應(yīng)讓人握著舒適為宜，直徑為30~35mm。扶手上采用發(fā)泡塑料做成的扶手套，可以提高使用者在抓握時的舒適感。2.5電子顯示器的布置電子顯示器的功能是包括：跑步速度、跑步時間、跑步距離、心跳數(shù)和能量消耗數(shù)。這些功能都為跑步機(jī)的人性化設(shè)計提供了必要的保障。這些功能的實現(xiàn)部分采用了先進(jìn)的智能傳感器技術(shù)和數(shù)字信息技術(shù)，使該產(chǎn)品的設(shè)計表現(xiàn)出了智能美的技術(shù)要求。使用視覺顯示裝置，在于迅速、方便、準(zhǔn)確地提供視覺信息，因此，電子顯示器的布置應(yīng)根據(jù)人的視覺特點，按最佳觀察方式進(jìn)行，方能提高視覺認(rèn)讀效率和精度。顯示器的位置由在使用該器材時人眼與顯示裝置面板的距離決定。面板與人眼的最適當(dāng)距離為650mm左右。顯示器與水平面保持25~30度的傾角，使顯示信息的面板盡可能與使用者的視線垂直，以保證獲得最高的精度。2.6材質(zhì)設(shè)計質(zhì)地美不取決于材質(zhì)本身的高級和貴重，而在于恰與機(jī)械２００４年第３１卷增刊?１９?其分的運用材料，增加跑步機(jī)的外觀藝術(shù)效果。電動跑步機(jī)各主要部件采用的主要材質(zhì)為：機(jī)身和立架采用普通碳鋼管及鋼板；扶手套采用發(fā)泡塑料；電機(jī)蓋和顯示面板采用工程塑料。主框架采用鋼材使整個結(jié)構(gòu)展現(xiàn)出樸素、堅固的材質(zhì)特性，使用者有很強(qiáng)的安全感。主框架的鋼材表面作烤漆工藝處理，使其表現(xiàn)肌理光滑而不明亮，給人高雅之感。工程塑料的使用可利用注塑技術(shù)使電機(jī)蓋和顯示面板的復(fù)雜造型得以實現(xiàn)，并表現(xiàn)出光滑、細(xì)膩的材質(zhì)特性。發(fā)泡塑料質(zhì)感柔軟、溫暖，給使用者帶來親切感。2.7色彩設(shè)計色彩不僅能表現(xiàn)產(chǎn)品的外觀，而且更能表現(xiàn)產(chǎn)品的精神。這就要求色彩與產(chǎn)品的功能、環(huán)境場所、使用對象等因素統(tǒng)一起來，在人們的心中產(chǎn)生統(tǒng)一、和諧的感覺。電動跑步機(jī)主色調(diào)采用黑色，體現(xiàn)出產(chǎn)品的厚重塌實和使用者對強(qiáng)健的渴求；同時，因為該器材多在室內(nèi)使用，黑色便于與周圍環(huán)境的色彩進(jìn)行搭配。顯示器面板底色采用深灰色，說明字符用白色，明度對比較強(qiáng)，使字符清晰度高，易辨認(rèn)。面板控制鍵和顯示窗口的四周用淡藍(lán)色裝飾，這樣與深灰色底色保持協(xié)調(diào)和統(tǒng)一。2.8線形設(shè)計電動跑步機(jī)除了具備物質(zhì)功能外，還應(yīng)該具備裝飾（上接第16頁）制量：CV(n)=U(n)=U(n－1)+△U(n)=SV對副PID控制塊(FC1101)的SV無影響，實現(xiàn)了無擾動切換。生活環(huán)境，體現(xiàn)生活品位的精神功能。良好的造型可以創(chuàng)造產(chǎn)品的個性，提高品牌的價值，還能激發(fā)使用者的鍛煉熱情。電動跑步機(jī)是一種通過跑步而獲得鍛煉的健身器材，因此在它的造型設(shè)計時，必須充分考慮其造型的動態(tài)特性。扶手和電子顯示器的支撐架采用現(xiàn)代彎管工藝加工出優(yōu)美的流線造型；馬達(dá)蓋是由工程塑料通過現(xiàn)代注塑工藝加工而成，其輪廓生動的曲線型。流線型的應(yīng)用改變了產(chǎn)品呆板、冷硬的造型效果，產(chǎn)生生動活潑富有運動趨勢的美感。這種設(shè)計使產(chǎn)品造型和產(chǎn)品功能得到了很好的統(tǒng)一。3結(jié)束語本文利用人機(jī)工程學(xué)的原理和方法，并根據(jù)“中國成年人人體尺寸”作為基本依據(jù)，對電動跑步機(jī)的主要部件的一些尺寸、形狀、材質(zhì)和色彩進(jìn)行設(shè)計，使電動跑步機(jī)具有良好的使用性，達(dá)到安全、舒適、健康。參考文獻(xiàn)：[1]GB/T12985—91.在產(chǎn)品設(shè)計中應(yīng)用人體尺寸百分位數(shù)的通則.[2]丁玉蘭.人機(jī)工程學(xué)（修訂版）[M].北京理工大學(xué)出版社，2000.[3]龐志成，等.工業(yè)造型設(shè)計[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社.1995.HA工作狀態(tài)時，可以接收來自計算機(jī)的CV，此時PID控制塊處于正常的無輸出跟蹤(NT)狀態(tài)。一旦人工將手操器切換到HM狀態(tài)，由于其已跟蹤C(jī)V，從而實現(xiàn)了從NT到Y(jié)T的無擾動切換。4輸出跟蹤5結(jié)語對于配置了手操器的PID控制塊應(yīng)具有輸出跟蹤功能，如圖1所示。手操器有以下兩種工作狀態(tài)。(1)手操器處于HM(手動)工作狀態(tài)。當(dāng)手操作器處于HM工作狀態(tài)時，PID控制塊處于OP方式，即輸出跟蹤開關(guān)切向YT位置。為了實現(xiàn)從有輸出跟蹤(YT)到無輸出跟蹤(NT)狀態(tài)的無擾動切換，在每個控制周期應(yīng)使SV跟蹤PV，同時也要使PID差分算式中的歷史數(shù)據(jù)E(n－1)、E(n－2)等清零，還要將HV(手動操作量)賦給U(n－1)。這樣，一旦PID控制塊切向正常工作狀態(tài)，即無輸出跟蹤(NT)時，由于SV=PV(即偏差E(n)為0)，PID差分算式中的歷史數(shù)據(jù)為0，故△U(n)=0而U(n－1)又等于切換瞬間的HV值。這就保證了切換瞬間輸出控制量的