蔡如奕，劉志豪，夏鑫，鄧曉龍，尹學(xué)展

（河海大學(xué)，南京 213000）

0 引言

在我國很多社區(qū)和公園都配備了各式各樣的健身器材，但由于種種原因，健身器材造成的人身傷害層出不窮[1]。因此在設(shè)計和使用健身器材的時候，器材的安全性設(shè)計和保障就顯得尤其重要。邢申建[2]設(shè)計了一種帶有防護裝置的太空漫步機腳蹬板，包括腳蹬板、內(nèi)護墊和外護墊等。這個設(shè)計能克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，內(nèi)外均設(shè)置防護措施，起到了保護自己和他人的目的。同樣的針對擺幅的大小控制，胡妃[3]設(shè)計出一種擺動幅度可調(diào)的健身用漫步機。利用阻擋部件在限位桿上的間距可調(diào)，使用者在使用時可根據(jù)自身身體狀況來限制對漫步機擺桿的擺動幅度，避免了無意中的拉傷，具有很好的實用性。李叔彥等[4]設(shè)計了三種保護方案，分別是后方卷柱防護、后方伸縮條防護和金屬塔桿防護。利用伸縮裝置圈出一塊安全地進行防護。

以上方案終究只是治標(biāo)不治本的方法，無法保證使用者的使用安全。因為不規(guī)范的使用習(xí)慣，使用者從漫步機上下來時漫步機的腳蹬卻還在擺動，從而打到使用者腿的事件時有發(fā)生。根據(jù)現(xiàn)有收集資料，未找到能在使用者不使用漫步機時，腳蹬能快速停下防止撞傷人的一種保護措施。本項目針對漫步機打腿這一缺點，設(shè)計出一種實用性制動裝置，具有實用性和創(chuàng)新性，巧妙地使這個問題有了一定程度上的解決。

1 安全漫步機的工作原理

針對漫步機安全隱患，設(shè)計一款具有防撞傷功能的漫步機。該漫步機裝置包括五個方面，分別是基礎(chǔ)裝置、腳離停止裝置和手動緩?fù)Ｑb置、儲能裝置和報警裝置。

1）基礎(chǔ)裝置。基礎(chǔ)裝置在傳統(tǒng)裝置的基礎(chǔ)上增設(shè)了一個制動箱。制動箱采用可拆裝的方式，方便將頂蓋拆除檢查內(nèi)部各零件的情況。

2）腳離停止裝置。當(dāng)使用者站在腳瞪上時，壓力傳感器檢測到適當(dāng)壓力，碟剎器松開碟剎片，漫步機正常工作，計時器開始計時。壓力達到一定數(shù)值時，漫步機才可以使用，從而避免兒童的誤用。當(dāng)使用者從漫步機上下來時，壓力傳感器檢測不到適當(dāng)壓力，碟剎器瞬間夾緊碟剎片，擺桿立即停止擺動，計時器停止計時。

3）手動緩?fù)Ｑb置。當(dāng)使用者握緊手剎時，閘線帶動剎車片，在限位桿的限制下，剎車片向外翻轉(zhuǎn)，從而松開腳蹬的桿，漫步機正常工作。當(dāng)使用者松開手剎時，剎車片在彈簧的推力下向內(nèi)翻轉(zhuǎn)恢復(fù)至原來的位置，腳蹬在剎車片的擠壓下緩慢停下。

手剎的存在既可保證使用者使用姿勢的正確性。一旦使用者其中一只手沒有按住手剎，腳蹬就會緩慢停下。又可增加健身的效果，促進使用者小臂肌肉的鍛煉。

4）儲能裝置。超越離合器安裝在腳蹬的桿上，從而進行一個單向的傳遞，齒輪將力傳遞至減速器處，減速器反接從而提升轉(zhuǎn)速，再接至發(fā)電機進行發(fā)電，產(chǎn)生的電通過導(dǎo)線儲存到蓄電池內(nèi)。為了環(huán)保考慮，裝置上的供電采用太陽能和漫步機擺動供電的雙重方式為蓄電池供電。

5）報警裝置。在漫步機的立柱側(cè)面安裝距離傳感器，當(dāng)前后的隱患距離內(nèi)出現(xiàn)行人時，觸發(fā)漫步機的抱閘裝置，鎖死漫步機的擺桿，避免撞傷行人。同時蜂鳴器響起，提醒使用者注意安全。

2 工作過程

當(dāng)使用者站在腳蹬上時，壓力傳感器檢測到適當(dāng)?shù)膲毫?，碟剎器松開。當(dāng)使用者雙手握緊剎車時，剎車片松開。計時器開始計時，使用者可以正常使用。發(fā)電機將使用者運動時產(chǎn)生的機械能一部分收集起來，存儲在蓄電池中。

當(dāng)使用者松開手剎時，剎車片夾緊，腳蹬在剎車片夾緊的作用下緩慢停下。

當(dāng)使用者腳離開腳蹬時，壓力傳感器檢測不到適當(dāng)?shù)膲毫?，碟剎器夾緊，計時器停止計時。

若使用者在使用過程中因使用不規(guī)范觸發(fā)了紅外線傳感器，紅外線傳感器收到信號后，蜂鳴器響起，提醒使用者注意。當(dāng)紅外線傳感器檢測不到信號時，蜂鳴器關(guān)閉。

太陽能板吸收太陽能，將其轉(zhuǎn)化為電能儲存在蓄電池內(nèi)，工作原理如圖2所示。

圖1 裝置原理圖

圖2 工作流程圖

3 漫步機的控制系統(tǒng)設(shè)計

本漫步機利用單片機來控制漫步機的速度幅度，采用壓力傳感器來檢測使用者的使用情況。如果出現(xiàn)意外情況，可以及時地停止漫步機的運動，以避免對使用者造成傷害，同時采用紅外傳感模塊來保護周圍人的安全，在外來者經(jīng)過的時候能及時停止漫步機，從而避免對其造成傷害，如圖3所示。

圖3 控制模塊

壓力傳感器用于監(jiān)測使用者是否安全地站在腳踏板上，通過壓力控制確保非兒童觸發(fā)裝置，如圖4所示。

圖4 壓力傳感器模塊

紅外傳感模塊用于檢測周圍的突發(fā)情況，如行人經(jīng)過則快速停止，使用者在使用過程中可以上下漫步機，如圖5所示。

圖5 紅外循跡模塊

4 漫步機結(jié)構(gòu)設(shè)計

1）力學(xué)計算。

考慮到特殊情況，暫且假設(shè)使用者的體重M=150 kg，身高H=180 cm。

由數(shù)據(jù)表明[5]，人的重心位置約為總身高的56%。

設(shè)兩腳踏板中心之間的間距為D，人重心到踏板的距離為L，人重心到頭頂距離為N，人 重心到踏板所在平面的距離為M，如圖6所示。

圖6 擺動受力示意圖

表1 計算結(jié)果

對重心位置受力分析和人的腳掌受力分析則有：

故可得出一個結(jié)論：踏板的壓力不會隨著擺動而發(fā)生變化，且只與人的重力有關(guān)。

將其假設(shè)為一個理想化模型，如圖7所示。

圖7 工作時漫步機的受力分析

在最低點人體給出一個w，使人從最低點運動到最高點，轉(zhuǎn)動的最大的角度為35°，即在最高處時α=35°，v=0 m/s。

由動能定理可知：

c. 綜上所述，當(dāng)m=1時，可選擇Z1≥11、Z2≥117 的 直 齒錐齒輪。

當(dāng)m=2時，可選擇Z1≥15、Z2≥31的直齒錐齒輪（如表2）。

表2 齒輪參數(shù)總結(jié)

3）軸承計算。

經(jīng)計算可得：

支承2 型號的確定：

a.面對面安裝在一個支點時，當(dāng)量動載荷可按下式計算：當(dāng)Fa/Fr≤0.68時，P=Fr+0.92Fa；當(dāng)Fa/Fr＞0.68時，P=0.67Fr+1.41Fa。

c.計算預(yù)期壽命。根據(jù)資料預(yù)測[6]，器材的安全使用壽命應(yīng)不小于8 a，最大預(yù)期壽命為每天使用5 h，每年使用天數(shù)為365 d，安全使用壽命為8 a，則Lh′=14600 h。

d. 計算轉(zhuǎn)速。經(jīng)實際測算選取最高轉(zhuǎn)速為n=240 r/min。

e.計算該對軸承應(yīng)具有的基本額定公載荷值：

f.選擇軸承型號。查機械設(shè)計手冊，選擇7206AC型軸承。

同理可確定支承1型號選擇為6206型深溝球軸承。

表3 軸承參數(shù)總結(jié)

5 結(jié)論

本文研究了一種能自動快速停止擺動的漫步機，腳動為第一層制動，需要腳蹬能夠在腳離開的時候立即停止擺動。對此，采用制動力較強且迅速的碟剎進行制動，確保使用者在停止使用時能立即制動。手動方面則是第二層保險，采用阻尼緩?fù)＃鼓_蹬既能在短時間內(nèi)快速停下來，使用者又不會失去平衡。當(dāng)握緊手剎的時候，剎車片松開，腳蹬可以自由擺動，當(dāng)松開的時候，剎車片夾住轉(zhuǎn)軸，腳蹬在短時間內(nèi)停下。同時，手動裝置可以促使使用者兩手握住扶手，從而增加漫步機使用的安全性。考慮到絕大多數(shù)漫步機都露天放置在小區(qū)內(nèi)，將漫步機設(shè)計成自供電的形式，節(jié)能環(huán)保，安全方便。