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多功能電動跑步機(jī)設(shè)計開題報告
1. 選題依據(jù)
調(diào)查發(fā)現(xiàn)，當(dāng)今城鄉(xiāng)一體化發(fā)展進(jìn)程加快，往后l0年，城市人口數(shù)量將會越來越大，城市的生活將會變得越來越擁擠，體育鍛煉對城市生活的人們來講，將會變得越不易尋找到適合的場所，人們勢必都會尋找更方便地鍛煉方式，不論是場地要求，還是鍛煉效果上都要找到合適的方式，使用跑步機(jī)跑步，勢必會變成大多數(shù)都市人的選擇。對于這些人來講，跑步機(jī)有許多優(yōu)點如：舒適安全，由于在室內(nèi)用，無須留意天氣，交通等問題，同時可以糾正跑步姿勢，進(jìn)行耐力等各項訓(xùn)練，更重要的是老少皆宜。但是傳統(tǒng)跑步機(jī)造型缺乏新意，功能單一，已經(jīng)不能滿足各年齡階段，各層次人群的愛好和需求，為了追求更高層面的精神享受和娛樂效果，增加鍛煉效果，體現(xiàn)時代特征，研究和設(shè)計這款多功能電動跑步機(jī)終端具有很高市場價值。
健身器材是全民健身的重要基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，加速完善健身器材市場，對于推動全民健身的實施有非常重要的意義。全民健身在一些發(fā)達(dá)國家開展較早，關(guān)于健身器材的研究已形成多層次、多檔次、全方位的市場體系，借鑒國外先進(jìn)經(jīng)驗，結(jié)合我國國情，建立和完善中國特色的健身器材市場體系是貫徹全民健身的重要課題。
近些年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，人民生活水平和文化素質(zhì)在顯著提高．關(guān)愛生命、運(yùn)動有益健康已經(jīng)成為人們的共識。崇尚健身，參與各項豐富多彩的體育活動已經(jīng)形成代表新世紀(jì)潮流和嶄新的社會風(fēng)尚。因此，以”更高、更快、更強(qiáng)”為宗旨的競技體育和強(qiáng)身健體豐富人們精神文化生活為目的群眾體育的發(fā)展，對健身器材制造業(yè)的興起具有極大的推動作用．目前我國的健身器材與美國、德國、意大利為代表的發(fā)達(dá)國家一流產(chǎn)品相比仍有差距．我國的健身器材制造業(yè)要想健康、快速、持續(xù)的發(fā)展，以滿足消費(fèi)者的社會需求，就必須加大科技投入，自主開發(fā)和研制新產(chǎn)品，強(qiáng)化自主知識產(chǎn)權(quán)的保護(hù)意識，提高產(chǎn)品質(zhì)量，為此強(qiáng)化標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)，乃是我國健身器材產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重中之重。
2．國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀
2．1國內(nèi)的研究現(xiàn)狀
健身器材調(diào)查一一跑步機(jī)
目前國內(nèi)市面上的跑步機(jī)主要有以下三種：
(1)電動跑步機(jī)：電動跑步機(jī)是健身房及家庭較高檔的器材，此種跑步機(jī)屬于機(jī)械式跑步機(jī)，它通過電機(jī)帶動跑步帶使人以不同的速度被動地跑步或走動。由于被動地形成跑和走，從動作外形上看，幾乎與普通在地面上跑或走一樣，但從人體用力上看，在電動跑步機(jī)上跑、走比普通跑、走省去了一個蹬伸動作。正是這一點使每一個在電動步機(jī)上走或跑的人感到輕松自如，可使人比普通跑步多跑1／3左右的路程，能量消耗也比普通走、跑步多。另外，由于電動跑步機(jī)上的電子輔助裝備功能非常多，可體驗不同的跑步環(huán)境，如平地跑、上坡跑、丘陵跑、變速跑等，用戶可以根據(jù)自己的鍛煉目的進(jìn)行選擇，都是通過使用者手動調(diào)節(jié)來實現(xiàn)，不能通過跑步機(jī)的自動機(jī)，是非智能的跑步機(jī)。如圖（2-1）。
(2)單功能跑步機(jī)：單功能跑步機(jī)從結(jié)構(gòu)上分為兩類，一類是滾輪式跑步機(jī)，一類是平板式跑步機(jī)，很明顯單功能跑步機(jī)也是機(jī)械式跑步機(jī)。滾輪式跑步機(jī)工作時噪音很大，已被淘汰。平板式跑步機(jī)是由人主動在上面運(yùn)動，所以使人感到與普通跑步一樣。它的電子表可幫助訓(xùn)練者記錄下時速、時間、心率、熱量、節(jié)拍、距離等指標(biāo)。使您隨時了解自己的訓(xùn)練情況，進(jìn)行有目的的調(diào)整。具有一定智能性，但不完善，需要很大程度拓展和改進(jìn)。如圖（2-2）。
圖（2-1）電動跑步機(jī) 圖（2-2）單功能跑步機(jī)
(3)多功能跑步機(jī)：一臺多功能跑步機(jī)是由跑步機(jī)、劃船器、臥式健身車、放松機(jī)、螺旋器等功能器材組合而成，以功能多、占地少而受到一些人的喜愛。多功能跑步機(jī)在各方面功能的合理搭配下，融入科技含量，很多方面需要智能的調(diào)節(jié)來協(xié)助實現(xiàn)，它的鍛煉方法同普通跑步機(jī)一樣，但從健身器所應(yīng)具備的使用舒服、方便，技術(shù)動作準(zhǔn)確合理上看，多功能跑步機(jī)有一定缺陷，功能繁多，導(dǎo)致每個功能的性能都不及但功能跑步機(jī)的性能好。另外，部分跑步機(jī)也存在功能的堆積，功能的定位不明顯，特點不突出，比如：音樂功能，游戲功能，氧吧功能等，沒有一個主打功能，而且功能沒有創(chuàng)新。
國內(nèi)智能跑步機(jī)，在軟結(jié)構(gòu)里面，雖說有所攝入，但是投入還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，主要推廣以下幾個方面，輕便、小巧、操作簡單，更具有散步、快走、跑步、扭腰、壓腿、仰臥、按摩等多種運(yùn)動功能，能夠滿足使用者全家的健康需求，讓人變得更加健康。用五大人性化操作，LED智能視窗、快捷速度鍵、手握式心率測試器、安全制動開關(guān)、高保真音響。面版有LED屏，能夠顯示速度、距離、心率、時間、卡路里消耗五種數(shù)據(jù)，讓使用全面掌握運(yùn)動狀態(tài)，保證最佳運(yùn)動效果。
總之國內(nèi)的跑步機(jī)還是注重跑步機(jī)的實用性，對跑步鍛煉的基本要求的實現(xiàn)比較注重，而在智能和高科技方面和國外的相比，顯得略為薄弱一些。需要投入更多關(guān)于人的關(guān)懷，不同人群的興趣偏好，科技含量的攝入等。如圖（2-3）。
圖（2-3）多功能跑步機(jī)
2．2國外的研究現(xiàn)狀
國外的跑步機(jī)也不外乎上述傳統(tǒng)的跑步機(jī)的類型如圖（2-4），由于發(fā)達(dá)國家科技發(fā)展領(lǐng)先，也出現(xiàn)了一些新型跑步機(jī)。
功能類的產(chǎn)品：如今新型跑步機(jī)也是層出不窮，現(xiàn)以實力雄厚的諾迪克競賽器材公司推出的一種Nordic Sport新型跑步機(jī)為例子來辨析其設(shè)計創(chuàng)新點。與普通跑步機(jī)相比，此種跑步機(jī)具有如下特點：
(1)消耗提高79％。該機(jī)在鍛煉時可使人體每小時消耗熱量852～1000卡；與普通跑步機(jī)相比效率可提高50％～79％，減肥效果極佳；
(2)人體需氧量可提高53％。以此進(jìn)行訓(xùn)練，可在最短時間內(nèi)獲得最大的有氧訓(xùn)練的效果，能夠明顯提高心血管機(jī)能水平、心輸出量及氧化酶活性等。使練習(xí)者在達(dá)到同樣鍛煉效果的提下，節(jié)省大量時間。
圖（2-4）市場上跑步機(jī)造型實例
(3)65％的人體肌肉得到鍛煉。普通跑步機(jī)往往忽視了對人體上半身肌肉特別手臂肌肉的鍛煉，而這種帶有手臂鍛煉器的跑步機(jī)則彌補(bǔ)了此項不足，可使人獲得全身的鍛煉效果。并且此種帶有手臂鍛煉的設(shè)計在跑步機(jī)設(shè)計上已獲得專利。手臂鍛煉器使用時非常方便，只需兩只手臂像抽水機(jī)一樣上下反復(fù)擺動可以了。
造型類產(chǎn)品：韓國HERA．7000系列是專為出口設(shè)計的型號如圖（2-5），在外觀，品質(zhì)和耐力性方面比普通跑步機(jī)均更勝一籌。獲得由MOCIE(韓國商業(yè)，工業(yè)，能源部)和KIDP(韓國設(shè)計協(xié)會)聯(lián)合頒發(fā)的“2005最佳設(shè)計”獎，綜合考慮了包括外型美學(xué)性，經(jīng)濟(jì)性，用戶友好性，用戶滿意度以及環(huán)境友好性等因數(shù)。
圖（2-5）韓國 HERA-7000 系列產(chǎn)品
另外，目前一種新的技術(shù)即將應(yīng)用到跑步機(jī)上來，跑步機(jī)專用型變頻技術(shù)的運(yùn)用，主要應(yīng)用范圍包括：家用跑步機(jī)、輕型商用跑步機(jī)、專業(yè)商用跑步機(jī)。其核心設(shè)備是跑步機(jī)專用型變頻器如圖（2-6）所示，它是研發(fā)人員根據(jù)跑步機(jī)的實際需要，為跑步機(jī)量身定制的一款新型變頻器。其具有以下特點：
圖（2-6）跑步機(jī)專用型變頻器
(1)提供較寬的載波范圍，進(jìn)一步降低電磁噪音：電磁噪音是通過提高載波頻率的方式來實現(xiàn)的。一般的變頻器，最大載波頻率為15KHz，而跑步機(jī)專用型變頻器的最大載波可以達(dá)到16KHz，甚至是更高。
(2)采用SPWM技術(shù)，提供無速度傳感控制方式。跑步機(jī)專用型變頻器可以在5Hz時輸入150％的額定扭矩，解決了普通變頻器低頻時，跑步機(jī)不動，甚至是報警的問題。
(3)提供較低的瞬間電壓低位值。跑步機(jī)專用型變頻器提供了一個低電壓準(zhǔn)值設(shè)定功能，可以根據(jù)需要，自行設(shè)定最低電壓，從而解決了普通變頻器在瞬間低壓造成的停機(jī)問題。
(4)提供RS．485接口，解決了每臺變頻器需要單獨設(shè)置參數(shù)的問題，提高了工作效率；同時，也優(yōu)化了配線，以前需要4根以上的配線，現(xiàn)在，只需要兩根就OK了，另外，RS．485在抗干擾能力上有所增強(qiáng)。
(5)在RS．485接El下，外部端子能夠接受EF(外部故障)信號。這樣，當(dāng)控制器死機(jī)時，能夠讓跑步機(jī)專用型變頻器停止輸出，讓電機(jī)自有停車，從而把對顧客的傷害降到了最低。
例如：利用LG變頻器控制跑步機(jī)，跑步機(jī)驅(qū)動電機(jī)程序結(jié)構(gòu)如下圖（2-7）所示：
圖（2-7）LG變頻器跑步機(jī)驅(qū)動結(jié)構(gòu)圖
其主要功能包括：正方向運(yùn)轉(zhuǎn)(FX．CM)功能，根據(jù)與跑步機(jī)專用控制器通信進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)．速度根據(jù)Up／Down變化功能，輕松的加／減速以及低噪音特性．無傳感器矢量控制功能，利用無傳感器矢量功能，發(fā)揮從低速到高速的轉(zhuǎn)矩特性．電機(jī)過熱防止功能，以電機(jī)過熱防止功能和變頻器過負(fù)荷防止功能，提高產(chǎn)品的安全性．過負(fù)荷Trip功能，以及通信控制功能。
跑步機(jī)發(fā)展路線的多樣性的，但都在融入更高科技含量和以人為本的思想，來開發(fā)跑步機(jī)，研發(fā)出更高智能性的跑步機(jī)，增強(qiáng)跑步機(jī)的娛樂性和交互性，進(jìn)而提高人們的生活品質(zhì)，優(yōu)化生活方式。
3．課題研究的目的和意義
設(shè)計是有計劃有目的的造物活動，其對象是產(chǎn)品，目的是為了滿足人們的需要，所以設(shè)計是人的需要的產(chǎn)物。產(chǎn)品設(shè)計的出發(fā)點是人的需求，歸宿是協(xié)調(diào)物和人的需求之間的關(guān)系，尋求新的解決途徑。產(chǎn)品設(shè)計由最基本的底層即滿足人們的生理需求到最后的自我實現(xiàn)，經(jīng)歷著由簡單到實用再到精神層面的需求最后到達(dá)包含精神文化因素的價值實現(xiàn)的走向。在這一走向中，人性化因素的注入是人自身需要對設(shè)計的內(nèi)在要求。
改革開放以來，人民生活水平有了顯著提高。人們對產(chǎn)品的精神功能的需求也不斷增長，而且人們的需求越來越具體、個性化，對設(shè)計師來，需要我們在設(shè)計的過程中注入大量的情感因素，把注意力更多地投入到設(shè)計物的宜人性和情感性方面，注重設(shè)計物本身的情感特征和使用者的情感、心理反映。
縱觀國內(nèi)外健身器械的設(shè)計，其中最大的問題所在：過于機(jī)械化和冰冷感，缺少對人性的關(guān)懷。這一點，和目前國際大的設(shè)計趨勢是不相符合的，他使得消費(fèi)者在使用這些器具的時候，得不到足夠的關(guān)懷，因而喪失很多樂趣?；诖耍菊n題主要研究的最大意義就是：通過人性化設(shè)計理念的導(dǎo)入，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)跑步機(jī)存在的誤區(qū)，從人性化的角度進(jìn)行分析和重設(shè)計，通過跑步機(jī)的設(shè)計發(fā)掘健身器械的設(shè)計原則，使其操作更便捷、更合理、更人性、更舒適。
4. 實驗方案
4.1 基本功能
跑步機(jī)的基本功能就是構(gòu)建一條運(yùn)動的跑道（跑步帶），跑道的運(yùn)動方向與運(yùn)動者的跑動方向相反，但速度必須自動保持一致，這樣就使得運(yùn)動者能夠在原地進(jìn)行跑步鍛煉了。實現(xiàn)跑步機(jī)的功能，對跑步帶的驅(qū)動與速度控制：通常使用直流電動機(jī)驅(qū)動，直流電動機(jī)通過半導(dǎo)體功率器件，使用脈沖寬度控制（PWM）方式實現(xiàn)調(diào)速。
4.2 構(gòu)造設(shè)計
多功能電動跑步機(jī)主要由機(jī)架、電動機(jī)、可調(diào)電源、跑步皮帶及儀表控制盤組成，其特征在于框架與支架垂直連接，前軸與后軸分別裝在框架的兩端，前滾筒與后滾筒分別用軸承套裝在前后軸上，跑步皮帶張緊繞裝在前后滾筒上，跑步皮帶下裝有支撐跑步板，從動皮帶輪緊裝在前滾筒的一端，電動機(jī)、可調(diào)電源,安裝在框架的前端，控制傳感器裝在電動機(jī)上，速度傳感器安裝在緊靠在從動皮帶輪的框架上，皮帶調(diào)節(jié)螺栓一端連接在電動機(jī)外殼的孔板上，另一端連接在焊接于框架前端的孔板上，跑步機(jī)扶手架安裝于支架的頂端，儀表控制盤安裝于扶手架上。傳動方式采用帶傳動機(jī)構(gòu)，傳動級為一級。同時在支架上安有扭腰盤和伏地挺身架使機(jī)器實現(xiàn)其多功能性。
4.3 功能原理的確定
目前市場上比較常見的有傳統(tǒng)跑步機(jī)和電動跑步機(jī)兩種。傳統(tǒng)跑步機(jī)，俗稱“被動式跑步機(jī)”。 是我國上世紀(jì)80年代從國外引進(jìn)健身觀念時、為適應(yīng)當(dāng)時國情而開發(fā)的具有“中國特色”的過渡產(chǎn)物。它的動力來源是使用者通過自身臂部、膝部、踝關(guān)節(jié)的活動，推動跑步機(jī)而產(chǎn)生的運(yùn)動。速度由運(yùn)動者自己控制。這種運(yùn)動方式，表面上看起來似乎能消耗更多的能量，但其造成的運(yùn)動傷害也要比在大自然中跑步高出數(shù)倍。
據(jù)北醫(yī)三院運(yùn)動醫(yī)學(xué)專家林共周博士解釋：在馬路上跑步，每跑1000米，每只腳就得撞擊地面約1000次左右。而在傳統(tǒng)跑步機(jī)上跑步，人體除自身重量產(chǎn)生的震蕩外，腳踝、膝部和臀部的肌肉，特別是肌腱，還要額外承擔(dān)向后的扭力來確保跑帶向后運(yùn)動。由于扭力過度集中在韌帶、關(guān)節(jié)等幾個關(guān)鍵受力部位，更容易使受力部位肌腱組織產(chǎn)生慢性疲勞，造成損傷。很多傳統(tǒng)跑步機(jī)使用者，發(fā)現(xiàn)自己越是認(rèn)真鍛煉，腿部就越跑越粗，關(guān)節(jié)也越練越?jīng)]有力氣。
傳統(tǒng)跑步機(jī)并不適合患有脊椎軟骨突出、膝關(guān)節(jié)炎、踝關(guān)節(jié)扭傷、骨肌腱炎、以及足底筋膜炎的人，因為長期的跑步可能會加重慢性扭傷的情形或加速膝關(guān)節(jié)的老化。
電動跑步機(jī)是健身房及家庭較高檔的器材，這種跑步機(jī)能減輕傳統(tǒng)訓(xùn)練對關(guān)節(jié)的沖擊，避免運(yùn)動受傷，比自然跑步有明顯的優(yōu)勢。跑步時后腳跟先著地，順著跑帶方向運(yùn)動。手腳模仿跑步的動作，前后揮動，從而使全身肌肉得到均衡的鍛煉。由于跑帶的運(yùn)動方向與腳步移動的方向一致，韌帶部位的扭力就抵消了，跑起來非常舒適?？祻?fù)者、兒童、老年人也可以保持身體平衡，從而集中精力安心鍛煉。如果增加運(yùn)動量，可以加快舞動手腳的速度。用電動跑步機(jī)能消除關(guān)節(jié)的負(fù)載，不但能減肥健身，還有益于受傷后身體的恢復(fù)。
它通過電機(jī)帶動跑帶使人以不同的速度被動地跑步或走動。由于被動地形成跑和走，從動作外形上看，幾乎與普通在地面上跑或走一樣，但從人體用力上看，在電動跑步機(jī)上跑、走比普通跑、走省去了一個蹬伸動作。正是這一點使每一個在電動跑步機(jī)上走跑的人感到十分輕松自如，可使人比普通跑步多跑1／3左右的路程，能量消耗也比普通走、跑為多。另外，由于電動跑步機(jī)上的電子輔助裝備功能非常多，可體驗不同的跑步環(huán)境。
5．目標(biāo)及工作進(jìn)度
5.1 主要目標(biāo)：
是設(shè)計一臺多功能電動跑步機(jī)，通過電機(jī)帶動跑帶使人以不同的速度被動地跑步或走動。由于電動跑步機(jī)上的電子輔助裝備功能非常多，鍛煉者可體驗不同的跑步環(huán)境，變速跑等，個人可以根據(jù)自己的鍛煉目的進(jìn)行鍛煉。在此要求本設(shè)計。
能實現(xiàn)跑步機(jī)的基本功能：構(gòu)建一條運(yùn)動的跑道（跑步帶），跑道的運(yùn)動方向與運(yùn)動者的跑動方向相反，但速度必須自動保持一致，這樣就使得運(yùn)動者能夠在原地進(jìn)行跑步鍛煉。
2) 對使用直流電動機(jī)驅(qū)動跑步帶，使用脈沖寬度控制（PWM）方式實現(xiàn)調(diào)速。
3) 要有減震裝置。
4) 適當(dāng)添加別的運(yùn)動功能，如扭腰盤和仰臥起坐。
5.2 工作進(jìn)度如下：
1. 搜集有關(guān)資料，熟悉各種升降臺原理，撰寫開題報告 （3.01-3.14）2周
2. 相關(guān)外文文獻(xiàn)資料的閱讀與翻譯（6000字符以上） （3.15-3.21）1周
3. 整體方案設(shè)計 （3.22-4.04）2 周
4. 傳動部份的設(shè)計計算 （4.05-5.02）4周
5. 繪制裝配圖及其各零件工作圖 （5.03-5.30）4周
6. 編制設(shè)計說明書 （5.31-6.06）1周
7. 撰寫畢業(yè)論文 （6.07-6.27）3周
8. 答辯準(zhǔn)備及畢業(yè)答辯 （6.28-7.02）1周
6. 參考文獻(xiàn)
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