丁麒諭，梁佧楠，洪昌琪，沈國棟，馬新玲

華東理工大學 機械與動力工程學院，上海 200237

目前市面上流行的健身器材存在著功能單一、產(chǎn)品同質化嚴重[1]、科技智能元素欠缺以及價格昂貴等問題。例如Alter G 反重力跑步機[2]，科技感十足，但是價格昂貴；攀爬健身器[3]，功能單一，運動時存在一定的安全隱患；虛擬保齡球游藝健身機[4]，具有豐富的趣味性，但是健身效果存在缺陷。這些不足使得運動無法持續(xù)給用戶帶來新鮮感，難以養(yǎng)成健身的習慣。與此同時，平日里缺乏健身經(jīng)驗和知識的人，在居家環(huán)境中缺乏必要的、科學的健身動作指導，不僅容易造成健身活動的盲目性與無序性，更易產(chǎn)生運動損傷的風險隱患[5]。

本文設計了一款針對核心肌群鍛煉的多功能輔助健身器械，通過機械結構與傳感器控制系統(tǒng)的協(xié)作，實現(xiàn)了俯臥撐、平板支撐運動助力的多級調節(jié)，以及其他多種針對核心肌群訓練的輔助功能。在做到高度自動化的同時，提供了個性化的選擇與調節(jié)，交互友好、經(jīng)濟實用。

1 總體方案設計

整機結構如圖1 所示。本機器通過多模塊的協(xié)調運作，可實現(xiàn)俯臥撐、平板支撐、仰臥起坐以及各類轉體動作的運動輔助功能，同時，可在俯臥撐與平板支撐的運動中為缺乏力量的用戶提供腰部助力，并在結束運動后自動清潔機器表面滴落的汗?jié)n。

圖1 整機三維模型圖

首先，用戶通過機器上的觸摸屏輸入身高、體重等信息，選擇運動類型并觀看教學視頻；之后，選擇是否需要助力。接著，各模塊電機將根據(jù)用戶選擇，執(zhí)行指定命令。機器各輔助功能模塊工作流程如下。

俯臥撐輔助：首先，龍門握把根據(jù)所選俯臥撐的寬窄，移動到指定位置；其次，助力裝置將移動到使用者的腰部位置，移動距離由用戶輸入的身高計算得出；再次，彈力調節(jié)模塊的步進電機控制轉換座，拉伸彈力繩達到指定位置；最后，舵機控制助力桿抬起，因棘輪的單向運動，使其停留在用戶腰部高度位置。運動中，用戶俯身下壓，拉伸彈力繩，產(chǎn)生的回彈力即可為運動提供助力。

平板支撐輔助：首先，龍門握把移動至機器兩側，為平板支撐放置的肘部留出充足空間；其次，同俯臥撐輔助中的助力調節(jié)相同，助力桿最終停留在用戶腰部高度位置，用戶輕輕下壓便能獲得持續(xù)的支撐力。

仰臥起坐輔助：首先，龍門握把移動至機器兩側，為仰臥起坐留出充足空間；其次，助力裝置伸出，助力桿旋轉至仰臥起坐的固定位置。此時用戶坐于機器中央的扭腰盤上，助力桿壓住雙腳作為腳扣，防止仰臥起坐運動中雙腳翹起；兩側的龍門握把可為起身困難的用戶提供輔助支撐。

轉體輔助：首先，龍門握把移動至機器兩側，為轉體留出充足空間；其次，扭腰盤可提供扭轉阻力，增加扭腰運動的鍛煉效果；同時，龍門握把可穩(wěn)固用戶軀體，防止運動過程中用戶因核心力量缺失導致的身體傾倒。

自動清潔：用戶點擊結束運動后，龍門握把模塊的步進電機將帶動清潔抹布往復運動，對機器表面滴落的汗?jié)n進行擦拭清潔，起到一定的衛(wèi)生防護作用。

2 各模塊單元設計

多功能輔助健身器械的機械結構可分為5 個模塊：龍門握把模塊、剪叉伸縮模塊、棘輪角度調節(jié)模塊、助力調節(jié)模塊和阻尼扭盤模塊。

2.1 龍門握把模塊設計

功能：實現(xiàn)對不同肩寬人群和各式俯臥撐的適配，提供自動清潔功能。優(yōu)勢：結構穩(wěn)固，一物多用。

如圖2 所示，龍門握把模塊由一個42 步進電機驅動，通過3 個相同的直齒圓錐齒輪將運動傳遞給2 根旋向相同的滾珠絲桿，從而使絲桿螺母上的螺母座運動。螺母座通過一個連接板與龍門架相連，2 根光桿通過直線軸承滑塊與連接板相連，以增強龍門握把的結構穩(wěn)定性。連接板兩端導軌需橫向放置，而直線導軌與滾珠滑塊無法承受與其受壓面平行的力，因此，為減小水平移動的摩擦力，承擔使用握把時向下的壓力，連接板采用了石墨黃銅滑塊與圓柱導軌配合的方案。

圖2 龍門握把模塊

不同類型俯臥撐對應的握把間距通過控制步進電機的步進圈數(shù)得到。滾珠絲桿的導程為4 mm，直齒圓錐齒輪的傳動比為1，因此電機每轉動一圈，握把水平移動4 mm。通過用戶輸入的身高H計算出肩寬h，男性h=0.222H，女性h=0.213H[6]。以兩握把之間的中心位置建立x軸，根據(jù)中距俯臥撐手部位置略大于肩寬，握把運動到0.55h位置處大致滿足要求[7]。同理可得，窄距俯臥撐的距離為0.25h，寬距俯臥撐為0.75h。

龍門握把上額外加入了可拆卸的清潔裝置。如圖3 所示，清潔抹布由蝴蝶夾固定在清潔板上，清潔程序啟動時，步進電機帶動抹布隨著龍門握把一起移動，在機器表面來回擦拭，對滴落的汗?jié)n起到基本的清潔作用。蝴蝶夾的設計，使得更換抹布輕松簡便，有效保障了器材的衛(wèi)生狀況。

圖3 可替換式抹布夾結構

2.2 剪叉伸縮模塊設計

功能：減小占地面積，適配不同身高的人群，提高泛用性。優(yōu)勢：占用空間小，展開范圍大，精巧可控。

如圖4 所示，剪叉伸縮模塊主要由三級剪叉式伸縮臂、100 mm 行程的電動推桿和連接組件組成，推桿連接在第一級鉸接處。運行時，電動推桿啟動，通過剪叉伸縮臂，將連接組件上連接的棘輪角度調節(jié)模塊推到指定位置。

圖4 剪叉伸縮模塊

剪叉伸縮臂的第一級鉸接處加入了矯正桿，插入底座上的直線槽中，有效防止了剪叉伸縮臂的左右移動，增加了移動定位的精準度。

剪叉伸縮桿運動結構如圖5 所示，圖中每一段剪叉的長度AD=340 mm，電動推桿EF行程為100 mm，剪叉伸縮臂左右最大距離ABmax=320 mm，最小距離ABmin=154 mm。計算得第一級鉸接處距推桿起點最小距離Ye,min=57.44 mm，最大距離Ye,max=151.56 mm，因此推桿伸縮范圍ΔY=94.12 mm＜100 mm，滿足推桿行程要求，因此剪叉伸縮桿的調節(jié)范圍為344.64～909.37 mm。

圖5 剪叉伸縮桿運動結構簡圖

令MN段的長度lMN=m0，MN段與EM段的夾角∠EMN=α，此時lMN=m0/cosα；假設推桿推出后E′M段與MN段的夾角∠E′MN=β，此時推桿長度lME′=m0/cosβ，推桿伸長量Δl=m0/cosβ-m0/cosα，第一級剪叉推出的距離ΔlEE′=m0/tanβ-m0/tanα，則三級剪叉推出距離為6ΔlEE′。由此可求出推桿伸長量Δl與助力裝置位移ΔX的關系：

龍門握把中心G與助力桿位置H的距離lGH可達600 mm。根據(jù)最新研究顯示[8]，中國18～44 歲男性和女性的平均身高分別為169.7 cm 和158 cm，而肩高約為身高的0.844 倍，臍高為0.600 倍，計算得出俯臥撐和平板支撐運動中手臂支撐位置與腰部助力位置的距離大約為414.06 mm 和385.52 mm，設計滿足使用需求。

2.3 棘輪角度調節(jié)模塊設計

功能：調節(jié)助力桿角度，增加運動種類。優(yōu)勢：結構巧妙，控制簡單，作用強大。

棘輪角度調節(jié)模塊的核心結構是一種雙向式外嚙合棘輪機構，如圖6 所示。該機構主要由棘輪、彈力繩固定桿、活動板、限位板、彈簧和棘爪組成，由一個30 kg 的舵機進行驅動。

圖6 雙向式外嚙合棘輪機構

其中棘輪、活動板、限位板同軸心放置，各自結構如圖7 所示：棘輪與助力桿固接，棘爪連接在限位板上，并通過彈簧保證其能夠始終壓緊齒面；活動板上有一圓弧形滑軌，與棘輪上的限位桿配合；限位板上開有一道凹槽，彈力繩從彈力固定桿上通過凹槽進入彈力調節(jié)模塊，凹槽的存在有效地防止了彈力繩的左右晃動。

圖7 棘輪結構細節(jié)

該機構工作具體流程為：舵機接收展開指令，驅動助力桿與棘輪順時針旋轉，棘爪從齒背上滑過，此時活動板與限位板均相對靜止。達到指定角度后，舵機停止旋轉，同時棘爪插入齒槽中，阻止棘輪逆時針方向反轉，此時即為助力裝置工作位置。進行俯臥撐練習時，人體俯身下壓，棘輪受到逆時針方向的力矩，而由于棘爪的限制作用，將帶動限位板一起逆時針轉動，從而拉伸連接在彈力繩固定桿上的彈力繩，獲得穩(wěn)定變化的助力。裝置收縮復位時，舵機首先繼續(xù)驅動棘輪順時針旋轉，棘爪從齒背上滑過。由于此時棘輪上的限位桿到達活動板軌道的末端，繼續(xù)順時針旋轉將帶動活動板旋轉。棘爪從齒背上滑過后，將被活動板推離齒面，由于摩擦力和活動板表面的小凸起，使得棘爪將停留在活動板表面。此時舵機逆時針旋轉，即可實現(xiàn)棘輪的順利復位。

同理，舵機旋轉更大的角度，可實現(xiàn)仰臥起坐的固定作用?；顒影鍒A面與棘爪接觸部分的空槽保證了棘爪能夠順利進入仰臥起坐對應角度的棘齒中，進入工作狀態(tài)；在復位時順利被活動板推開，使復位運動順利進行。在棘輪上，仰臥起坐與俯臥撐對應的棘齒之間有一與活動板等高、厚度為2 mm 的凸起，該凸起使得仰臥起坐棘輪進行復位時不會卡入活動板圓面的空槽中，順利完成復位。

針對棘輪棘爪嚙合的設計，進行了如圖8 所示的校驗。當棘爪與棘輪在齒根P處嚙合時，棘輪軸心O2與棘爪軸心O1的位置基本滿足O1P⊥O2P，即∠O1PO2≈90°。此時在傳遞相同的力或轉矩時，棘爪受力最小[9]。

圖8 棘輪棘爪軸心位置

2.4 助力調節(jié)模塊設計

如圖9 所示，助力調節(jié)采用通過步進電機控制絲桿，改變彈力繩原長的方案。彈力繩一端連接在轉換座上，另一端與棘輪角度調節(jié)模塊中的限位板相連，控制步進電機的轉動，即可控制轉換座前后移動。改變彈力繩原長，從而改變助力大小。

圖9 助力調節(jié)模塊

針對可提供的助力大小進行了如下計算。如圖10 所示，彈力繩系于A點，A點到支點O的距離lOA=80 mm，為平衡力矩，采用2 根彈力繩對稱放置的方式，總體彈性系數(shù)k=1.8 N/mm，轉換座移動范圍CD=200 mm，使用時受力點為B點，B點到支點O的距離lOB=360 mm。

圖10 助力力矩示意

令絲桿在C點時彈力繩恰好松弛，彈力最小Tmin=0，則在D點時彈力繩彈力最大Tmax=360 N。由力矩平衡可得提供的助力Fb=80 N。由計算得出該裝置可提供的助力最大為80 N，滿足運動所需的助力需求。

2.5 阻尼扭盤模塊設計

功能：提供扭腰運動的運動阻力，增強鍛煉效果。優(yōu)勢：結構簡單，復位穩(wěn)定。

如圖11 所示，阻尼扭盤模塊由5 個部件組成，其中，燕尾榫呈正六邊形分布，通過拉簧與中心件相連，中心件固定在鋁型材上。坐墊旋轉時，拉簧將被拉伸，隨著轉動角度的增大，將得到一個逐漸增大的回彈力，該回彈力即為扭腰運動的運動阻力。拉簧六邊形角度的設計，在提供充足阻尼的同時，保證了扭盤復位的穩(wěn)定性。

圖11 阻尼扭盤模塊

3 運動計數(shù)、控制系統(tǒng)與交互界面

3.1 運動計數(shù)原理

針對俯臥撐增加了運動計數(shù)模塊，采用超聲波計數(shù)的方案[10]。超聲波模塊直接用途為測量距離，采用IO 觸發(fā)測距，模擬自動發(fā)送8 個40 kHz 的方波，通過IO 輸出一高電平，高電平持續(xù)時間就是超聲波從發(fā)射到返回的時間。采用HC-SRO4 超聲波測距模塊[7]，探測范圍為2～450 cm，精度高達0.3 cm，適用于俯臥撐胸部到設備之間距離的測量。

每一次俯臥撐之間的時間間隔為一確定范圍值，若將此值設為t1，在運動過程中，下降身體、短暫停留、用力撐起這3 個階段用時基本相同，每段時間設為t2=1/3t1，因此Arduino 發(fā)出高電平的時間間隔應稍大于t2。與此同時若使用者胸前與超聲波模塊之間距離小于3 cm，則代表完成一個標準動作，進行計數(shù)并循環(huán)往復執(zhí)行，從而實現(xiàn)利用超聲波測距來計數(shù)。

3.2 控制系統(tǒng)的組成與控制流程

本設計控制系統(tǒng)主要由控制器Arduino[11]、人機交互界面HMI[12]、各類傳感執(zhí)行元件及配套通訊、電源系統(tǒng)組成，系統(tǒng)控制流程如圖12 所示。

圖12 系統(tǒng)控制流程

用戶在人機交互界面中輸入的身體參數(shù)、選擇的運動類型通過設定的公式、程序轉化為電信號傳遞給各控制器，各模塊協(xié)調運作，實現(xiàn)了多種針對核心肌群訓練動作的輔助功能。

3.3 人機交互界面

多功能輔助健身器械擁有簡單易懂的人機交互界面，如圖13 所示，由一塊4.3 寸的觸摸屏和揚聲器組成。在觸摸屏上可選擇運動類型、播放運動教學視頻、選擇助力大小以及開啟清潔功能等；在運動過程中，可實時顯示運動次數(shù)、運動時間、鍛煉的肌肉部位以及消耗的卡路里量。揚聲器進行語音播報，輔助觸摸屏，引導用戶進行操作與運動。

圖13 人機交互界面

4 結論

本文設計了一款輔助核心肌群鍛煉的居家智能健身器械，借助精巧強大的機械結構與智能簡便的交互系統(tǒng)，將5 個核心模塊協(xié)調運作，適配了多項針對核心肌群的訓練動作，具有強大的泛用性；獨特的助力體系使得新手健身入門門檻進一步降低，減少了因力量不足導致的肌體損傷，提高了鍛煉的體驗感。本文提出的多功能輔助健身器械結構考究、功能豐富，滿足了居家健身的使用需求。