機械設(shè)計制造及其自動化論文健身器材設(shè)計要素的探討

PAGEPAGEI本科畢業(yè)論文（設(shè)計）論文題目：健身器材設(shè)計要素的探討學生姓名：所在院系：機電學院所學專業(yè)：機械設(shè)計制造及其自動化導(dǎo)師姓名：完成時間：健身器材設(shè)計要素的探討摘要本文介紹了機械現(xiàn)代設(shè)計方法的主要特征，現(xiàn)代設(shè)計方法的類型，即系統(tǒng)化設(shè)計方法，結(jié)構(gòu)模塊化設(shè)計方法，基于產(chǎn)品特征知識的設(shè)計方法，智能化設(shè)計方法,以及各類設(shè)計方法評述及發(fā)展趨勢。以劃船健身機為例探討健身器材設(shè)計要素。首先介紹了劃船健身機的系統(tǒng)組成即各種健身器材的功能；其次，說明了劃船健身機的設(shè)計程序，即系統(tǒng)化設(shè)計程序，設(shè)計規(guī)格表；接著，對劃船健身機進行構(gòu)想設(shè)計，包括健身機構(gòu)造設(shè)計程序，設(shè)計限制;然后，進行劃船健身機的運動設(shè)計及運動分析；最后，對健身機進行系統(tǒng)設(shè)計，重點研究了其具體化設(shè)計。關(guān)鍵詞：健身器材，設(shè)計要素，設(shè)計方法目錄1引言 11.1健身器材的國內(nèi)外形式 11.2健身器材設(shè)計要素的現(xiàn)狀 12機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法 32.1現(xiàn)代設(shè)計方法類型 32.1.1系統(tǒng)化設(shè)計方法 32.1.2結(jié)構(gòu)模塊化設(shè)計方法 42.1.3基于產(chǎn)品特征知識的設(shè)計方法 52.1.4智能化設(shè)計方法 52.1.5各類設(shè)計方法評述及發(fā)展趨勢 53劃船健身機的簡介 63.1健身機種類及其功能 63.2健身機的運動形式 74設(shè)計程序 94.1系統(tǒng)化設(shè)計程序 94.2設(shè)計規(guī)格表 95構(gòu)想設(shè)計 125.1健身機構(gòu)造設(shè)計程序。 135.2設(shè)計限制 146運動設(shè)計 156.1設(shè)計問題的描述 156.2運動設(shè)計 156.3運動分析 167健身機系統(tǒng)設(shè)計 168結(jié)束語 17致謝 18參考文獻 191引言1.1健身器材的國內(nèi)外形式隨著人們生活水平的提高和健身運動的普及，各種健身器材已日益廣泛地進入具有不同層次消費水準的消費者家中?？刁w100近兩年來銷售出去的逾萬臺健身器材就是一個明證?！敖】凳俏覀円簧淖非?，健身不需要任何理由”，2005年以來，一個以著名運動員田亮為品牌形象代言的智能跑步機廣告連續(xù)在電視上播出，這是中國健身產(chǎn)業(yè)的首個影視廣告片，可謂業(yè)內(nèi)創(chuàng)新之舉。一個業(yè)內(nèi)首創(chuàng)的廣告片本沒有什么大不了，但把它與我國健身器材業(yè)當前的現(xiàn)實處境聯(lián)系起來，就多少顯出一些標志意味了。近幾年都市人的健康問題越來越受到廣泛關(guān)注，專業(yè)的健身俱樂部和健身器材市場也隨之明顯活躍起來。2003年SARS肆虐中國，對中國人全民健康意識有很大的促動。據(jù)中國醫(yī)藥保健品市場研究網(wǎng)調(diào)查，在SARS過后２００份原疫區(qū)消費者的消費行為樣本中，８５％以上的消費者更崇尚于自身鍛煉來提高免疫力，這種傾向促進了整個健身器材行業(yè)走向崛起，有人估計我國的健身器材市場有１０００億元的規(guī)模。但事實并不那么讓人樂觀。有媒體報道，目前我國大眾體育在很多方面遠遠落后于人，體育人口即常年參加健身運動的人口數(shù)尚不足總?cè)丝诘娜种?，而發(fā)達國家體育人口已占人口總數(shù)的70%至80%。我國現(xiàn)在室內(nèi)體育場所人均占地僅為0.014平方米，室外體育場地人均0.027平方米，均大大低于發(fā)達國家水平。這就解釋了為什么一邊是巨大的需求潛力，而另一邊我國的健身器材市場還處于慢熱的尷尬境地。目前以品牌連鎖為主導(dǎo)的美國健身產(chǎn)業(yè)年總產(chǎn)值超過300億美元，而中國健身產(chǎn)業(yè)目前市場規(guī)模約為人民幣100－150億元，健康器材市場更小，約為40至50億元。1.2健身器材設(shè)計要素的現(xiàn)狀近年來，隨著人民生活水平的不斷提高，生活質(zhì)量得到逐漸改善。越來越多居民的生活觀念已由“力求溫飽”向“永保健康”轉(zhuǎn)變，以期擁有健康的體魄達到高效學習、工作，實現(xiàn)享受生活并延年益壽。人民健身意識的不斷高漲，促進了我國健身器材產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，我國的健身器材及其零部件，95%以上實現(xiàn)了國產(chǎn)化，擁有50%的國際市場占有率。然而，我國健身器材產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)薄弱，起步較晚，在設(shè)計、制造、檢測到銷售和服務(wù)等方面與發(fā)達國家相比仍存在明顯的差距。由于國產(chǎn)健身器材利潤低下，引發(fā)致傷致殘事故，產(chǎn)品積壓滯銷等現(xiàn)象…積極發(fā)展現(xiàn)代化生產(chǎn)企業(yè)，前瞻性地開發(fā)高技術(shù)含量的安全型產(chǎn)品，健全符合國情實際的檢測體系，從而全面提升我國健身器材的安全性能、服務(wù)水平和市場競爭力。市場研究：預(yù)計到2010年，全球的健身器材市場將達到到120億美元的市場份額。未來歐洲，亞洲和拉丁美洲將是市場的主要增長點，逐漸富裕的人群將會提高自己對健康生活方式的追求，并將成為健身器材的主要消費者。美國仍舊是世界上最大的單個健身器材消費市場，2007年的銷售額達到50億美元，亞太地區(qū)則是市場增長最快的區(qū)域，年增長率達到5.5%，預(yù)計歐洲的健身器材市場在2010年將可以達到34億美圓的市場空間。2007年全球的健身器材銷售中，跑步機的銷售額達到24億3千萬美元，橢圓機則是銷售增長最快的器材，2007年的市場銷售額達到9億6千7百萬美元。在中國，健身器材市場經(jīng)歷了概念引入、初級競爭、高速發(fā)展三個階段后，正逐步成熟起來，但卻難以走出低技術(shù)、低價格競爭的陰影。其原因有三點，一是門檻低，市場進入相對容易。二是產(chǎn)品同質(zhì)化現(xiàn)象嚴重，同業(yè)間相互訪造、拓傷了企業(yè)產(chǎn)品開發(fā)的積極性。三是中國市場差異大，東西南北各地市場參差不齊，同一區(qū)級市場中，省、地、市級市場差異十分明顯，上述因素綜合作用的結(jié)果導(dǎo)致中低檔產(chǎn)品泛濫市場。使健身器材市場陷入多塊面、多層次混戰(zhàn)的尷尬局面。目前，我國生產(chǎn)的室內(nèi)健身器材產(chǎn)品已大量出口到歐美等發(fā)達國家，并進入主流市場，有的還直接承擔了大批量的國際高端產(chǎn)品的對外加工。有資料顯示，國際市場上60%以上的健身器材都貼有“中國制造”，但卻很少有中國人自己的名牌。其原因是產(chǎn)品在國際市場上競爭力不高，只能為國外公司大量做加工產(chǎn)品。一方面國內(nèi)企業(yè)生產(chǎn)符合國際標準的健身器材，另一方面，國內(nèi)消費者卻為國外品牌多掏兩三倍錢。這樣的尷尬至少表明一點，在國際上叫得響的民族品牌缺失。2機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法科學技術(shù)的飛速發(fā)展，產(chǎn)品功能要求的日益增多，復(fù)雜性增加，壽命期縮短，更新?lián)Q代速度加快。然而，產(chǎn)品的設(shè)計，尤其是機械產(chǎn)品方案的設(shè)計手段，則顯得力不從心，跟不上時代發(fā)展的需要。2.1現(xiàn)代設(shè)計方法類型根據(jù)目前國內(nèi)外設(shè)計學者進行機械產(chǎn)品方案設(shè)計所用方法的主要特征，可以將方案的現(xiàn)代設(shè)計方法概括為下述四大類型。2.1.1系統(tǒng)化設(shè)計方法系統(tǒng)化設(shè)計方法的主要特點是：將設(shè)計看成由若干個設(shè)計要素組成的一個系統(tǒng)，每個設(shè)計要素具有獨立性，各個要素間存在著有機的聯(lián)系，并具有層次性，所有的設(shè)計要素結(jié)合后，即可實現(xiàn)設(shè)計系統(tǒng)所需完成的任務(wù)。系統(tǒng)化設(shè)計思想于70年代由德國學者Pahl和Beitz教授提出，他們以系統(tǒng)理論為基礎(chǔ)，制訂了設(shè)計的一般模式，倡導(dǎo)設(shè)計工作應(yīng)具備條理性。德國工程師協(xié)會在這一設(shè)計思想的基礎(chǔ)上，制訂出標準VDI2221“技術(shù)系統(tǒng)和產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計方法。制定的機械產(chǎn)品方案設(shè)計進程模式，基本上沿用了德國標準VDI2221的設(shè)計方式。除此之外，我國許多設(shè)計學者在進行產(chǎn)品方案設(shè)計時還借鑒和引用了其他發(fā)達國家的系統(tǒng)化設(shè)計思想，其中具有代表性的是：(1)將用戶需求作為產(chǎn)品功能特征構(gòu)思、結(jié)構(gòu)設(shè)計和零件設(shè)計、工藝規(guī)劃、作業(yè)控制等的基礎(chǔ)，從產(chǎn)品開發(fā)的宏觀過程出發(fā)，利用質(zhì)量功能布置方法，系統(tǒng)地將用戶需求信息合理而有效地轉(zhuǎn)換為產(chǎn)品開發(fā)各階段的技術(shù)目標和作業(yè)控制規(guī)程的方法。(2)將產(chǎn)品看作有機體層次上的生命系統(tǒng)，并借助于生命系統(tǒng)理論，把產(chǎn)品的設(shè)計過程劃分成功能需求層次、實現(xiàn)功能要求的概念層次和產(chǎn)品的具體設(shè)計層次。同時采用了生命系統(tǒng)圖符抽象地表達產(chǎn)品的功能要求，形成產(chǎn)品功能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。(3)將機械設(shè)計中系統(tǒng)科學的應(yīng)用歸納為兩個基本問題：一是把要設(shè)計的產(chǎn)品作為一個系統(tǒng)處理，最佳地確定其組成部分(單元)及其相互關(guān)系；二是將產(chǎn)品設(shè)計過程看成一個系統(tǒng)，根據(jù)設(shè)計目標，正確、合理地確定設(shè)計中各個方面的工作和各個不同的設(shè)計階段。由于每個設(shè)計者研究問題的角度以及考慮問題的側(cè)重點不同，進行方案設(shè)計時采用的具體研究方法亦存在差異。下面介紹一些具有代表性的系統(tǒng)化設(shè)計方法。由于每個設(shè)計者研究問題的角度以及考慮問題的側(cè)重點不同，進行方案設(shè)計時采用的具體研究方法亦存在差異。它包括一些具有代表性的設(shè)計方法：A.設(shè)計元素法用五個設(shè)計元素(功能、效應(yīng)、效應(yīng)載體、形狀元素和表面參數(shù))描述“產(chǎn)品解”，認為一個產(chǎn)品的五個設(shè)計元素值確定之后，產(chǎn)品的所有特征和特征值即已確定。我國亦有設(shè)計學者采用了類似方法描述產(chǎn)品的原理解。B.圖形建模法研制的“設(shè)計分析和引導(dǎo)系統(tǒng)”KALEIT，用層次清楚的圖形描述出產(chǎn)品的功能結(jié)構(gòu)及其相關(guān)的抽象信息，實現(xiàn)了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能關(guān)系的圖形化建模，以及功能層之間的聯(lián)接。C.“構(gòu)思”—“設(shè)計”法將產(chǎn)品的方案設(shè)計分成“構(gòu)思”和“設(shè)計”兩個階段?！皹?gòu)思”階段的任務(wù)是尋求、選擇和組合滿足設(shè)計任務(wù)要求的原理解?！霸O(shè)計”階段的工作則是具體實現(xiàn)構(gòu)思階段的原理解。D.矩陣設(shè)計法在方案設(shè)計過程中采用“要求—功能”邏輯樹(“與或”樹)描述要求、功能之間的相互關(guān)系，得到滿足要求的功能設(shè)計解集，形成不同的設(shè)計方案。再根據(jù)“要求—功能”邏輯樹建立“要求—功能”關(guān)聯(lián)矩陣，以描述滿足要求所需功能之間的復(fù)雜關(guān)系，表示出要求與功能間一一對應(yīng)的關(guān)系。E.鍵合圖法將組成系統(tǒng)元件的功能分成產(chǎn)生能量、消耗能量、轉(zhuǎn)變能量形式、傳遞能量等各種類型，并借用鍵合圖表達元件的功能解，希望將基于功能的模型與鍵合圖結(jié)合，實現(xiàn)功能結(jié)構(gòu)的自動生成和功能結(jié)構(gòu)與鍵合圖之間的自動轉(zhuǎn)換，尋求由鍵合圖產(chǎn)生多個設(shè)計方案的方法。2.1.2結(jié)構(gòu)模塊化設(shè)計方法提倡在產(chǎn)品功能分析的基礎(chǔ)上，將產(chǎn)品分解成具有某種功能的一個或幾個模塊化的基本結(jié)構(gòu)，通過選擇和組合這些模塊化基本結(jié)構(gòu)組建成不同的產(chǎn)品。這些基本結(jié)構(gòu)可以是零件、部件，甚至是一個系統(tǒng)。理想的模塊化基本結(jié)構(gòu)應(yīng)該具有標準化的接口(聯(lián)接和配合部)，并且是系列化、通用化、集成化、層次化、靈便化、經(jīng)濟化，具有互換性、相容性和相關(guān)性。我國結(jié)合軟件構(gòu)件技術(shù)和CAD技術(shù)，將變形設(shè)計與組合設(shè)計相結(jié)合，根據(jù)分級模塊化原理，將加工中心機床由大到小分為產(chǎn)品級、部件級、組件級和元件級，并利用專家知識和CAD技術(shù)將它們組合成不同品種、不同規(guī)格的功能模塊，再由這些功能模塊組合成不同的加工中心總體方案以設(shè)計為目錄作為選擇變異機械結(jié)構(gòu)的工具，提出將設(shè)計的解元素進行完整的、結(jié)構(gòu)化的編排，形成解集設(shè)計目錄。并在解集設(shè)計目錄中列出評論每一個解的附加信息，非常有利于設(shè)計工程師選擇解元素。2.1.3基于產(chǎn)品特征知識的設(shè)計方法基于產(chǎn)品特征知識設(shè)計方法的主要特點是：用計算機能夠識別的語言描述產(chǎn)品的特征及其設(shè)計領(lǐng)域?qū)＜业闹R和經(jīng)驗，建立相應(yīng)的知識庫及推理機，再利用已存儲的領(lǐng)域知識和建立的推理機制實現(xiàn)計算機輔助產(chǎn)品的方案設(shè)計。2.1.4智能化設(shè)計方法智能化設(shè)計方法的主要特點是：根據(jù)設(shè)計方法學理論，借助于三維圖形軟件、智能化設(shè)計軟件和虛擬現(xiàn)實技術(shù)，以及多媒體、超媒體工具進行產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計、表達產(chǎn)品的構(gòu)思、描述產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)。2.1.5各類設(shè)計方法評述及發(fā)展趨勢綜上所述，系統(tǒng)化設(shè)計方法將設(shè)計任務(wù)由抽象到具體(由設(shè)計的任務(wù)要求到實現(xiàn)該任務(wù)的方案或結(jié)構(gòu))進行層次劃分，擬定出每一層欲實現(xiàn)的目標和方法，由淺入深、由抽象至具體地將各層有機地聯(lián)系在一起，使整個設(shè)計過程系統(tǒng)化，使設(shè)計有規(guī)律可循，有方法可依，易于設(shè)計過程的計算機輔助實現(xiàn)。通過介紹機械的現(xiàn)代設(shè)計方法，我們可以針對劃船健身機為例來說明健身器材設(shè)計要素的相關(guān)原理。3劃船健身機的簡介3.1健身機種類及其功能3.1.1健身機種類市面上健身機種類：健美車、健步機、跑步機、美腰機、劃船式健身機等。健美車——鍛煉時，像騎自行車一樣，主要用來增加腿部力量，增強心血管功能。健步車——主要用以鍛煉腿、腰、腹部肌內(nèi)及心肺功能。跑步機——主要用以鍛煉腿、臀、腰、腹部肌肉及心肺功能美腰機——可對腰部、背部作放松按摩。劃船健身機——增加手臂力量及動作協(xié)調(diào)。其系統(tǒng)組成說明如下：(1)動力系統(tǒng)：健身器之動力來源為人力。經(jīng)由使用者抓住握把往后拉或往前推，并以腳蹬于腳踏板上，使用者即可將作用力施于健身器上。(2)傳動系統(tǒng)：健身器之傳動系統(tǒng)依照不同類型而有所差別，連桿式者為杠桿傳動，以手劃桿做為傳動元件：鋼索式者為撓性傳動，以鋼索或繩索作為傳動元件，傳動系統(tǒng)主要的功能為將使用者施于健身器之作用力，經(jīng)轉(zhuǎn)換后再傳到阻尼裝置。(3)執(zhí)行系統(tǒng)：健身器之執(zhí)行系統(tǒng)即為阻力裝置，連桿式者為液壓阻尼器；鋼索式者為飛輪系統(tǒng)。執(zhí)行系統(tǒng)主要經(jīng)使用者對健身器所做的器械功，一部分轉(zhuǎn)化成電能提供給計算器，其余的則變成熱能或其他形式的能量。(4)操作及控制系統(tǒng)：握把，腳踏板，座位的功能是提供使用者對健身器施加機械功之介面：座位，滾輪與滑軌支撐使用者之重量，并提供使用者身體位置之轉(zhuǎn)移；機座則支撐使用者之重量。經(jīng)過資料收集與整理后，將具有創(chuàng)作特色的健身機性能學矩陣列表。劃船健身機之性能學矩陣如表3.1所示表3.1劃船健身機之性能學矩陣3.2健身機的運動形式設(shè)計健身機之前，應(yīng)先了解健身機的特性與需求。本節(jié)將針對劃船健身機操縱系統(tǒng)與劃船作進行比較與討論。首先以機械學的觀點分析連桿式與鋼繩式劃船健身機作動模式的差別。如圖3-1示，當劃船運動員握住握把時，可將手劃桿往前推或往后拉，在運動過程中劃船運動員可以對劃船健身機分別施加推力與拉力。使用圖3.1所示的劃船健身既可鍛煉到的肌肉符合肌肉群。相較與連桿式劃船健身機，圖3.2為早期的劃船健身機形式，圖3.2劃船動作在回來階段時，手臂的施力式拉力，主要原因是鋼索與繩索屬于繞性傳動元件，只在受到張力時才有作用。同理可知若劃船健身機以鋼繩或繩索作為傳動元件，其作用力的情形與圖3.2相似。因此，由以上的討論可得知鋼索式劃船健身機在回來階段并沒有鍛煉到胸大肌，腹直肌，三角肌，三頭肌，腕屈肌，大腿后群肌以及經(jīng)股前肌等肌肉群。手拉力你手拉力你握把你手推力你手劃桿你腳踏力你座位你腳踏板你阻尼器你滾輪你座位運動方向你圖3.1簡易型的連桿式劃船健身機你座位運動方向你握把你手拉力你腳踏力你腳踏板你座位你滾輪你鋼索/繩索你滑輪輪你砝碼你負載力你圖3.2早期劃船健身機的形式你參照表3.1之性能學矩陣得知，座椅的設(shè)計分別有（1）連桿：(2)固定式；（3）滑軌等三種形式。若以劃船動作為觀點比較座椅設(shè)計形式的不同，可知在健身機動作時，連桿式的座椅設(shè)計會配合運動員的動作而產(chǎn)生的變化。在基于保護腰椎的前提下，劃船健身機需要設(shè)計一個椅背做為支撐背部的功能，劃船動作在進行時背部的擺動范圍很大，因此應(yīng)以連桿形式設(shè)計一個可擺動的椅背。圖3.3所示的健身機即具有可搖動的椅背。圖3.3劃船健身機的功能構(gòu)造圖4設(shè)計程序本章之目的在于應(yīng)用工程設(shè)計方法之理論，構(gòu)造健身機的設(shè)計程序，并設(shè)定合理的設(shè)計規(guī)格表作為設(shè)計要求4.1系統(tǒng)化設(shè)計程序(一)規(guī)劃與弄清設(shè)計任務(wù)：收集有關(guān)設(shè)計對象的基本特性與需求，以弄清設(shè)計任務(wù)并建立設(shè)計需求，訂定設(shè)計規(guī)格表做為解答空間的限定依據(jù)及解決方案評估準則。(二)構(gòu)想設(shè)計:確認必要的問題，并建立功能構(gòu)造，針對功能構(gòu)造中的每個子功能尋求合適的解答原理，并組合解答原理為構(gòu)想，最后以工程與經(jīng)濟的標準，初步評估各子功能解法的可行性，而得到構(gòu)想方案。(三)具體化設(shè)計：自設(shè)計構(gòu)想發(fā)展初步圖樣造型設(shè)計，選出最好的圖樣作為技術(shù)性與經(jīng)濟型的的評估并改進缺點，可得到初步的設(shè)計圖樣。接著以最佳化理論與造型理論做圖樣的優(yōu)化與造型選定，針對圖樣做錯誤與成本效益的檢核，以及制作初步零件的清單與生產(chǎn)文件，可得到定案設(shè)計圖樣。（四）細部設(shè)計：做定案設(shè)計圖樣的最后細部檢校，完成細部與生產(chǎn)文件，即做全部文件的檢校，得到設(shè)計任務(wù)的設(shè)計圖與文件。4.2設(shè)計規(guī)格表以目標樹法來確定健身機的設(shè)計目標，其步驟為：(1)列出健身機必須滿足或達成的目標清單。(2)區(qū)分各設(shè)計的目標之所屬分級，并分成主從分級關(guān)系。(3)分出目標的樹狀圖，以顯示分機的關(guān)系與相互之間的聯(lián)系。健身機的設(shè)計目標由安全性，方便性與實用性三方面，在安全性方面，人體在使用健身機產(chǎn)品時應(yīng)避免腰椎受傷的發(fā)生，以及考慮到是否有發(fā)生其他危險的可能性；在方便型方面，健身機應(yīng)該具有適當?shù)淖叨?，并以人體動作為基準，設(shè)計合理的人機介面，以達到使用上的舒適性；在實用性方面，健身機的設(shè)計要盡量符合簡單的原則，并使制造，組裝與維修更容易完成，并加強運動效果與計算運動量。健身機之目標樹如圖4.1所示。圖4.1健身機之目標樹然而設(shè)計工作仍然有許多定量的需求或限制必須滿足，目標數(shù)列出所需達成的目標，屬于定性的要求，依據(jù)設(shè)計的要求則須將各項需求目標給予定量化。性能規(guī)格化可協(xié)助設(shè)計者訂定可行解法的范圍，且在設(shè)計過程后期用以評定設(shè)計解法是否確實可行的依據(jù)。圖4.2身體各部尺寸與身高比例關(guān)系(4)適合人體動作本研究是依觀察使用者在使用劃船健身機時，將使用者的動作記錄起來，加上各個關(guān)節(jié)活動角度的資料，建立起人體動作需求。有關(guān)人體各部尺寸方面的設(shè)計，運用身體各部尺寸與身高比例關(guān)系，如圖4.2所示，并以人體計測資料庫，進行人體相關(guān)尺寸查詢，最后再應(yīng)用人體模型來模擬實際動作情況。(5)機構(gòu)運動范圍內(nèi)不產(chǎn)生死點在機構(gòu)與構(gòu)件之間的傳動過程中，當傳動角為0°或180°時，即死點位置，機械利益為零。若機構(gòu)在動作范圍內(nèi)產(chǎn)生死點，機構(gòu)在此位置不能運動，如同結(jié)構(gòu)一般，在設(shè)計時應(yīng)盡量避開。(6)適當?shù)淖娓叨群线m的座椅面高度應(yīng)位于坐姿膝窩高39，因此本設(shè)計以座椅高度42.5cm為設(shè)計目標。(7)構(gòu)件區(qū)域配置合理所謂各構(gòu)件區(qū)域配置合理，即指依照空間限制并且以人體動作范圍為基準，健身機的構(gòu)件應(yīng)配置在不會和身體產(chǎn)生干涉的區(qū)域上。(8)方便的人機介面在利用健身機進行運動健身時，使用者與健身機就構(gòu)成了一個系統(tǒng)。所謂的人機介面則是使用者與健身機之相互關(guān)系。健身機必須與人體尺寸互相配合，避免使用者以不自然的姿勢使用健身機；再者，讓使用者能方便登上健身機，以及在運動后方便離開健身機等等。(9)構(gòu)件少本設(shè)計包含機架手滑桿坐桿與靠背桿，需要四桿以上的機構(gòu)。考慮到單一輸入與多個輸出的對應(yīng)關(guān)系，因此本設(shè)計的機構(gòu)采用平面四或六連桿機構(gòu)(10)容易組裝與拆解在平時不適用產(chǎn)品時，為了減少健身機擱置的空間并與在生產(chǎn)時制造節(jié)省組裝時，機構(gòu)本身應(yīng)容易組裝與拆解。因此，針對此一需求可利用模組化設(shè)計，將互不產(chǎn)生相對運動的零件組合成單元模組，若零件之間以回轉(zhuǎn)倒銜接，則將具有方便插拔功能的插銷作為銜接元件，達到速拆速裝的需求。(11)阻尼器的規(guī)格液壓阻尼器具有質(zhì)量輕與可變向受力的優(yōu)點，是一般健身機的主要阻力裝置，隨著阻尼器配置位置的不同，影響了阻尼器本身尺寸，使用者施力情形，健身機整體的大小，阻尼器與其它構(gòu)件干涉情形等。(12)計算運動量一般的使用者在意使用健身機時是否達到真正運動效果，運動后總共消耗多少熱量等是多數(shù)人關(guān)心的問題。本研究討論在使用健身機時阻尼器吸收了多少焦耳的機械能，即使用者對健身機所做的機械功。在一般的情況下，人體從食物所吸收的熱量，大約只有百分之二十五可轉(zhuǎn)化為從事運動所需的機械功。以物理學能量轉(zhuǎn)換原理，將機械能轉(zhuǎn)換恒熱量單位，可知人體在運動時消耗了多少千卡熱量。機械能與熱能的轉(zhuǎn)換公式如下：1J=2.389×10-4Kcal5構(gòu)想設(shè)計本章首先說明機構(gòu)創(chuàng)造設(shè)計程序的各個步驟，其次列出連桿式劃船健身機的設(shè)計限制，接著依照步驟進行劃船健身機的創(chuàng)新設(shè)計，并且進行機械選型的初步評價，造出一些具有實用價值的構(gòu)想方法，最終將阻尼器配置在健身機機構(gòu)上。5.1健身機構(gòu)造設(shè)計程序。構(gòu)想設(shè)計主要的目的是決定機構(gòu)的構(gòu)造，作為后續(xù)具體化設(shè)計與細部設(shè)計的依據(jù)，健身機構(gòu)造設(shè)計程序的流程圖如圖5.1所示。具體步驟如下：(1)理清健身機構(gòu)造的需求：由健身機的設(shè)計規(guī)格表確定應(yīng)滿足的內(nèi)在與外在的設(shè)計限制。(2)列出可用運動鏈：由運動鏈知識選出符合內(nèi)在設(shè)計限制的可用運動鏈。(3)合成一般機構(gòu)：依照外在設(shè)計限制歸納特殊化身為程序，自可用運動鏈合成所有可能的一般化機構(gòu)。(4)繪制機械簡圖：將所有可能的一般化機構(gòu)繪成可供選用的機構(gòu)簡圖，得到完整的健身機圖集。由于健身機運動設(shè)計時需有簡圖標示各機構(gòu)的設(shè)計參數(shù)，因此，還需進一步繪制成機構(gòu)簡圖。以劃船健身機為例，首先簡單地畫出人體的劃船動作性能，接著依照區(qū)域配置范圍，繪出靠背桿，坐桿與腳踏桿，然后繪出手劃桿與連接桿，再經(jīng)由以上各桿決定機架的位置，便可完成健身機機構(gòu)圖集。1-3你1-2你1-1你1-3你1-2你1-1你1-6你1-5你1-4你1-6你1-5你1-4你1-9你1-8你1-7你1-9你1-8你1-7你圖5.2不同構(gòu)型的劃船健身機(5)機構(gòu)方案的初步評定圖5.2給出了九個不同構(gòu)型的劃船健身機機構(gòu)，其中有九個型為六連桿結(jié)構(gòu)。由于所合成的六連桿機構(gòu)機型眾多，因此，需要從幾何方面、安全方面、運動與動力等方面，建立具體的評估指標進行初步評價。5.2設(shè)計限制在設(shè)計限制與外在設(shè)計限制如下：內(nèi)在設(shè)計限制：(1)機構(gòu)為平面四連桿或六連桿機構(gòu)。(2)包含機架手劃桿坐桿靠背桿。外在設(shè)計限制：(1)靠背桿與坐桿相鄰接。(2)手劃桿與機架相鄰接。(3)手劃桿不與靠背桿相鄰接。(4)手劃桿不與腳踏桿相鄰接。(5)靠背桿不與腳踏桿相鄰接。(6)靠背桿與機架相鄰接。6運動設(shè)計本章首先參考設(shè)計規(guī)格表的運動需求，并描述設(shè)計問題應(yīng)滿住的條件，其次應(yīng)用機構(gòu)的尺寸合成理論，推導(dǎo)劃船健身機的尺寸合成方程式，并以電腦程式作為輔助工具，接著將阻尼器配置在劃船健身機機構(gòu)上，并應(yīng)用電腦軟件WorkingModle2D找出阻尼器適合配置的位置;最后針對本設(shè)計的結(jié)果進行推行機構(gòu)運動與動力分析，并對各段設(shè)計方案進行優(yōu)選工作。6.1設(shè)計問題的描述參考設(shè)計規(guī)格表所摘錄出的運動需求，明確輸入與輸出的關(guān)系。同時參考設(shè)計規(guī)格表的動力需求設(shè)計運動員施加作用力的情形與手劃桿角位移的目標曲線尺寸合成理論6.2運動設(shè)計本節(jié)是以尺寸合成后所得到的結(jié)果，選擇阻尼器配置方式，然后設(shè)定左用力的條件，以電腦軟件WorkingModel2D做為輔助設(shè)計工具，決定阻尼器的配置與阻尼器的阻尼系數(shù)，并且手劃桿角位移曲線。其運動設(shè)計的步驟如下：(1)選擇阻尼器配置以本設(shè)計1-2型劃船健身機為例，我選擇配置方式，其阻尼器的活塞桿與手劃桿相連接。(2)設(shè)定手劃桿的角位移—時間的目標曲線依據(jù)設(shè)計規(guī)格表，手劃桿由第一位置至第三位置共回轉(zhuǎn)50度。我們設(shè)定一個拉漿動作共費時一秒，可畫出在拉漿動作時手劃桿的角位移—時間的目標曲線，并在目標曲線的上下各取2.5°為曲線的范圍帶。(3)設(shè)計作用力條件

我們設(shè)定使用者的體重為659.7N（臺灣地區(qū)18歲至65歲男性勞工的平均體重），在拉漿動作時拉力與腳踏力設(shè)定為200N。(4)進行運動模擬經(jīng)由以上三步驟的條件設(shè)定，將合乎設(shè)計規(guī)格的阻尼器加裝于劃船健身機上，應(yīng)用電腦軟件作為輔助工具進行劃船健身機的運動模擬，以試誤的方法找出阻尼器配置及適合的阻尼系數(shù)。6.3運動分析經(jīng)由6.2節(jié)劃船健身機的運動設(shè)計后，將機構(gòu)構(gòu)件尺寸資料，制成檔案并進行機構(gòu)的運動分析。以使用者體重為659.7N,手拉力，手推力，腳踏力腳勾力皆為200N作為作用力的條件，以下分別就檢查死點位置項目的討論。依照4.2節(jié)設(shè)計目標的敘述，若機構(gòu)在動作范圍內(nèi)產(chǎn)生死點，機構(gòu)在此位置不能運動，如同結(jié)構(gòu)一般，在設(shè)計時應(yīng)盡量不開。因此，必須檢查機構(gòu)的動作過程中是否通過死點位置，以傳動角為0°或180°決定死點位置的發(fā)生。6-8型機構(gòu)在進行模擬時，腳踏桿與連接桿的傳動角為180°，可明顯看出機構(gòu)正處于死點位置，若在此型劃船健身機上施加作用力條件，機構(gòu)并無法順利受到驅(qū)動。因此，6-8型機構(gòu)并不適合運用在本設(shè)計上。7健身機系統(tǒng)設(shè)計本章的目的是針對健身機的系統(tǒng)進行設(shè)計，首先根據(jù)第5章運動設(shè)計的結(jié)果作進一步的具體化設(shè)計，接著運用電腦軟件與綜合加工機進行實體模型的繪圖與制作，最后依照本設(shè)計的特性，建立操作說明及注意事項。具體步驟如下：(1)繪出健身機的運動簡圖與運動設(shè)計決定的各桿尺寸間的干涉，需考慮機構(gòu)的配置?；谑芰ζ胶馀c視覺上的美觀，本設(shè)計各桿件的配置應(yīng)力求左右對稱，如圖7.1所示。(b)6-6型劃船健身機(b)6-6型劃船健身機(a)6-3型劃船健身機(c)(c)6-9型劃船健身機圖7.1劃船健身機設(shè)計的運動簡圖(2)人機界面的設(shè)計劃船健身機的人機界面包括手劃桿，握把，坐板，靠背桿，腳踏板，相關(guān)此尺寸可參考設(shè)計規(guī)格表。由于手劃桿的位置在劃船健身機的兩旁，使得運動員不方便進出健身機，因此應(yīng)該找到合適的設(shè)計方法。8結(jié)束語本設(shè)計由劃船健身機與劃船動作出發(fā)，依系統(tǒng)化設(shè)計程序的架構(gòu)逐步進行設(shè)計的工作，綜合本文的研究設(shè)計，將所得的成果所列如下:對現(xiàn)有的劃船健身機進行分類與比較，引出預(yù)防運動傷害的設(shè)計方向與解決方法，并建立劃船健身機的功能構(gòu)造圖與設(shè)計黑箱圖。依照工程設(shè)計方法的概念，擬定健身機的系統(tǒng)化程序設(shè)計，建立健身機的設(shè)計規(guī)格表。依照機構(gòu)設(shè)計程序進行健身機的創(chuàng)新設(shè)計，繪制成圖集以供參考，并根據(jù)具體的評價指標選出較佳的方案。根據(jù)尺寸合成理論進行健身機機構(gòu)的尺寸設(shè)計，藉由VisualBASIC程序設(shè)計語言加以電腦化，使設(shè)計工作地進行更有效力。由尺寸設(shè)計的結(jié)果，利用電腦軟件作為輔助設(shè)計工具，對健身機進行運動設(shè)計與運動分析，選出適合作進一步