人机交互式老年跑步机的设计与分析

周礼鹏　陈爱平

摘 要 本文利用人机工程学、设计心理学等理论和方法，针对老年人这一特殊的群体进行设计分析的一款人机互交的老年跑步机。分析设计了跑步机的重要零部件以及整体格局，增强了跑步机的安全性及操作便利性。

关键词 跑步机 老年 人机交互

中图分类号：TP33 文献标识码：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2017.04.022

Abstract A treadmill based on human-computer interaction for elderly people was designed by using ergonomics and design psychology. The key components and overall pattern were analyzed. Safety and convenience of operation were enhanced.

Key words treadmill； elderly people； human-computer interaction

0 引言

随着生活水平的不断提高，人们的健康意识在不断地增强，健身成为人们日常生活中的重要活动之一，跑步是世界上公认的最经济、最安全、最自由的健身方式。更多的人为能够随时随地不受时间、地点、天气的限制能够自由地跑步健身而选择家用跑步机。

目前，国内外对家用跑步机的研究也不算太多，针对老年人健身需求的家用跑步机研究更是少之又少。因为老年人锻炼更加注重安全性和便捷性。这就使得设计者在设计跑步机时考虑的因素增多。本文针对这一需求，设计了一款人机交互式老年人跑步机。

1 总体设计思路

该跑步机主要由五部分构成：机架、电机、跑步板、跑步带、仪表显示器。

考虑到人机工程学原理，根据老年人的人体尺寸和生理特点设计跑步机的结构尺寸，机构中尽可能采用稳定性较强的可调结构。为了方便老年人操作，可以加上人机交互面板、语音控制系统等等。

2 结构设计

2.1 跑步机结构尺寸

在跑步机的结构设计中，充分考虑人机工程理论，将跑步者的自身数据作为产品设计的核心要素产品，使该跑步机的结构更合理、更安全，使用者更舒适，健身效果更好。

鉴于运动者的人体尺寸、年龄、性别、种族都是不确定的，所以人体尺寸百分位不是某一确定值，而我们亚洲人的身高都在150到188厘米的范围之间，老年人的年龄段是60岁到八十岁，那么根据《中国成年人人体尺寸》（GB10000-88），选择人体百分数时第5百分数和第95百分数。以此为设计可以满足大多数人的使用需求，故将可调节结构尺寸的调节范围设为第5至第95百分位数之间。

2.2 电机

该跑步机的原动机选用直流电机，所需功率是选用电机的基准，功率与跑步机的承重有关，还与跑步机的应用场合有关。当人在跑步机上跑步或走路时，跑步机所承载的重量是人体重的0.8-2倍之间。在此设计跑步者的体重是70Kg，家用一般为2HP以上，健身房的一般为3HP以上。在此，选用2HP的电机，保证老年人在锻炼时受到的冲击震动较小，这种电机的噪音较小。

2.3 机架与底架

机架式跑步机整机的基础，为了保证其稳定性，采用焊接方式成型（自由度限制最合理）。

底架是承担人重和跑步时运动载荷的重要零件，在其与跑台之间需要添加橡胶垫隔开，使跑台处于悬吊状态，从而达到减震效果。支架的设计可以通过插拔式，这样可以方便拆装、也可以折叠，减少占地。支架扶手，不仅是可以防止身体不稳定时出现意外同时可以在不跑步时锻炼上肢肌肉。在扶手内嵌入两个检测电极将可以在锻炼的过程中检测出健身者的心率，其设计原理类似于心电图检测仪器，具体见图1。

跑步机的底架主要由五部分组成：分别是底管、跑步板、前轴、后轴、滚筒。其中底管是此跑步机的主要承重零部件，承担了运动者的大部分体重和跑步时产生的大部分动载荷，在设计时必须保证该零件足够的强度和刚度。

其长度尺寸根据跑步板和电机的长度来计算的，该跑步机底管的长度计算公式是：=1250+540=1790mm。

该跑步机选用带传动作为主传动方式，这是由带传动自身特点决定的：带传动的结构简单，可实现定比传动，且能够缓解震动和颤动。更为重要的是，带传动可以实现过载保护，也就是说当实际载荷大于规定的安全载荷时，V带会发生打滑，停止传动，这对保护运动者的安全很重要。

2.4 滚筒

作为跑步带的带动者，跑步机的滚筒固连在底架之上。根据运动规律可知，传动系统的滚阻压力随着滚筒的尺寸增大而减小，也就是说可以通过增大滚筒尺寸来延长跑步机的寿命。当然，万物都具有双面性，滚筒的尺寸过大，会增大跑步机的尺寸和所需电机的动力，因而在设计滚筒尺寸时，要综合考虑跑步机整机的结构，在此，将跑步机滚筒直径设计为63mm。

常用的滚筒制作材料有钢、铝、塑料包钢。考虑到延展性的需求，在此，选用钢材制作滚筒。

2.5 人機互交的监控设计

专门针对老人设计的跑步机具有安全性和智能性。这两种性能可以通过监控系统实现。由监控系统主要有四大部分组成：显示存储模块、电机控制模块、信号处理模块（上位机）、人体信息采集模块（下位机）。

下位机主要功能是采集跑步者的人体运动生理参数，如心率和血压、体能等。

信号处理模块是监控系统的核心，命令的发出与处理都在这里进行。 对下位机采集的各类数据进行转换、分析（含各种数据处理方法，各种标准比对，各种命令集等等），然后将发出特定的指令（如警报、减速、紧急停止等等）。这些经过分析、处理的数据和指令通过显示器呈现给跑步者，跑步者根据这些信息可以自行手动调节相关运动模式，也可以通过口头命令“吩咐”跑步机改变速度等。同时，这些信息数据也可以存储起来方便今后查阅，一遍跑步者制定长期的锻炼计划。

跑步机的显示器主要用来记录和显示跑步者的实时跑步速度、跑步时间、跑程、跑步者的实时心率和能耗。应用人机工程原理，考虑人的视角因素，将电子显示器设计为20度-30度的倾角范围，确定其视距为650mm，近可能使跑步者能够方便准确地看到实时数据状态。

根据调查，市面上常见的显示器主要是LED显示屏和LCD显示屏两种。由于LED显示屏耗能较少并且造价较低，所以市面上大部分的跑步机采用LED显示屏。虽然这种显示屏可识度高，但只能显示简单的数字信息，并且色彩单一。由于只能采用按压式的按钮方式进行操作，误操作的可能性相对较小，但漏操作或不知如何操作的可能性更大。考虑到有些老人还处于文盲或者出现部分残疾的情况，我们采用颜色显现更为鲜艳的LCD显示屏。

并且可以配置语音识别系统（此系统属于可选附加内容）。对于不习惯或要在运动过程中根据自身的需要说出特定的控制命令，就可以对其运动模式、实时速度进行有效的转换。极大地方便了不同人群的需要。

同时考虑到老人的年龄各有不相同，为了防止出现运动者在使用过程中发生意外，在显示器、底架、扶手处都设置了紧急停止装置。我们依旧采用市面上使用相对较广的按压式装置与LCD显示器、语音控制系统相结合，操作简单、直接，并且可以进行急停。

2.6 跑步带

跑步机的核心零件是跑步带，跑步带直接与运动者接触，是运动部件。该部件的好坏直接决定了跑步机的性能优劣，也决定了跑步者的运动效果。一般来说，跑步机的跑步带抗延展性能越好，其刚度就越好，寿命越长。

为了增强跑步带的抗延展性，在选材时，可以将PVC橡胶作为跑步带的第一层（增大跑步者鞋底与跑步机的摩擦，增加安全性），紧接着采用网格尼龙纤维作为中间层（聚酯材料可以将底层与表层牢固地结合起来）。跑步带的底层采用复合材料，复合材料采用经纬相交的方式（经纬层可以减少跑带与跑板件的摩擦，跑带的耐磨性得以增强）。

而老年人因为衰老导致的骨质疏松状况都需特别重视跑步带的选用。我们特采用多契带，其性能特点是，散热快、传动振动小并且与带轮的接触面积足够大，摩擦力比较大，这样老人不会因此而滑倒。同时使用延长性小，传动比大等特点能够增长其使用寿命。考虑到人体尺寸百分位数的使用，在跑步带的尺寸设计时，长度应尽量让运动者迈开步伐，宽度则照人体尺寸的肩宽来进行设计。

2.7 减震装置

跑步板设计在跑步带的下面，在跑步板上加装橡胶垫用以减缓跑步时带来的动载冲击。同时在底架下在加一层高密橡胶垫，其减震效果也很明显。这些都可以较减少因跑步造成的对老年人膝盖的冲击度。

3 结语

该老年跑步机在结构上采用折叠分离设计，减少占地面积、方便拆装。同时在设计时，根据《中国成年人人体尺寸》选择合适的人体百分位数做设计基础，对运动机的重要零部件进行创新设计。尤其是显示器的设计，更是添加了人机互交的设计理念。采用了人机工程学、设计心理学和机构运动学等知识。此跑步机相对普通跑步机拥有如下特点：（1）针对老人的身体特征选用合适的电机；（2）為了保证老年人的安全，启用心率检测电极；（3）增加语音控制系统方便老人下达指令；（4）为照顾老人的视力需求，控制面板选用LCD显示器。

参考文献

[1] GB/T 12985—91.在产品设计中应用人体尺寸百分位数的通则.

[2] 丁玉兰.人机工程学（修订版）[M].北京理工大学出版社，2000.

[3] 庞志成，等.工业造型设计[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1995.