具有防撞伤功能的安全漫步机设计分析

蔡如奕，刘志豪，夏鑫，邓晓龙，尹学展

（河海大学，南京 213000）

0 引言

在我国很多社区和公园都配备了各式各样的健身器材，但由于种种原因，健身器材造成的人身伤害层出不穷[1]。因此在设计和使用健身器材的时候，器材的安全性设计和保障就显得尤其重要。邢申建[2]设计了一种带有防护装置的太空漫步机脚蹬板，包括脚蹬板、内护垫和外护垫等。这个设计能克服现有技术的不足，内外均设置防护措施，起到了保护自己和他人的目的。同样的针对摆幅的大小控制，胡妃[3]设计出一种摆动幅度可调的健身用漫步机。利用阻挡部件在限位杆上的间距可调，使用者在使用时可根据自身身体状况来限制对漫步机摆杆的摆动幅度，避免了无意中的拉伤，具有很好的实用性。李叔彦等[4]设计了三种保护方案，分别是后方卷柱防护、后方伸缩条防护和金属塔杆防护。利用伸缩装置圈出一块安全地进行防护。

以上方案终究只是治标不治本的方法，无法保证使用者的使用安全。因为不规范的使用习惯，使用者从漫步机上下来时漫步机的脚蹬却还在摆动，从而打到使用者腿的事件时有发生。根据现有收集资料，未找到能在使用者不使用漫步机时，脚蹬能快速停下防止撞伤人的一种保护措施。本项目针对漫步机打腿这一缺点，设计出一种实用性制动装置，具有实用性和创新性，巧妙地使这个问题有了一定程度上的解决。

1 安全漫步机的工作原理

针对漫步机安全隐患，设计一款具有防撞伤功能的漫步机。该漫步机装置包括五个方面，分别是基础装置、脚离停止装置和手动缓停装置、储能装置和报警装置。

1）基础装置。基础装置在传统装置的基础上增设了一个制动箱。制动箱采用可拆装的方式，方便将顶盖拆除检查内部各零件的情况。

2）脚离停止装置。当使用者站在脚瞪上时，压力传感器检测到适当压力，碟刹器松开碟刹片，漫步机正常工作，计时器开始计时。压力达到一定数值时，漫步机才可以使用，从而避免儿童的误用。当使用者从漫步机上下来时，压力传感器检测不到适当压力，碟刹器瞬间夹紧碟刹片，摆杆立即停止摆动，计时器停止计时。

3）手动缓停装置。当使用者握紧手刹时，闸线带动刹车片，在限位杆的限制下，刹车片向外翻转，从而松开脚蹬的杆，漫步机正常工作。当使用者松开手刹时，刹车片在弹簧的推力下向内翻转恢复至原来的位置，脚蹬在刹车片的挤压下缓慢停下。

手刹的存在既可保证使用者使用姿势的正确性。一旦使用者其中一只手没有按住手刹，脚蹬就会缓慢停下。又可增加健身的效果，促进使用者小臂肌肉的锻炼。

4）储能装置。超越离合器安装在脚蹬的杆上，从而进行一个单向的传递，齿轮将力传递至减速器处，减速器反接从而提升转速，再接至发电机进行发电，产生的电通过导线储存到蓄电池内。为了环保考虑，装置上的供电采用太阳能和漫步机摆动供电的双重方式为蓄电池供电。

5）报警装置。在漫步机的立柱侧面安装距离传感器，当前后的隐患距离内出现行人时，触发漫步机的抱闸装置，锁死漫步机的摆杆，避免撞伤行人。同时蜂鸣器响起，提醒使用者注意安全。

2 工作过程

当使用者站在脚蹬上时，压力传感器检测到适当的压力，碟刹器松开。当使用者双手握紧刹车时，刹车片松开。计时器开始计时，使用者可以正常使用。发电机将使用者运动时产生的机械能一部分收集起来，存储在蓄电池中。

当使用者松开手刹时，刹车片夹紧，脚蹬在刹车片夹紧的作用下缓慢停下。

当使用者脚离开脚蹬时，压力传感器检测不到适当的压力，碟刹器夹紧，计时器停止计时。

若使用者在使用过程中因使用不规范触发了红外线传感器，红外线传感器收到信号后，蜂鸣器响起，提醒使用者注意。当红外线传感器检测不到信号时，蜂鸣器关闭。

太阳能板吸收太阳能，将其转化为电能储存在蓄电池内，工作原理如图2所示。

图1 装置原理图

图2 工作流程图

3 漫步机的控制系统设计

本漫步机利用单片机来控制漫步机的速度幅度，采用压力传感器来检测使用者的使用情况。如果出现意外情况，可以及时地停止漫步机的运动，以避免对使用者造成伤害，同时采用红外传感模块来保护周围人的安全，在外来者经过的时候能及时停止漫步机，从而避免对其造成伤害，如图3所示。

图3 控制模块

压力传感器用于监测使用者是否安全地站在脚踏板上，通过压力控制确保非儿童触发装置，如图4所示。

图4 压力传感器模块

红外传感模块用于检测周围的突发情况，如行人经过则快速停止，使用者在使用过程中可以上下漫步机，如图5所示。

图5 红外循迹模块

4 漫步机结构设计

1）力学计算。

考虑到特殊情况，暂且假设使用者的体重M=150 kg，身高H=180 cm。

由数据表明[5]，人的重心位置约为总身高的56%。

设两脚踏板中心之间的间距为D，人重心到踏板的距离为L，人重心到头顶距离为N，人 重心到踏板所在平面的距离为M，如图6所示。

图6 摆动受力示意图

表1 计算结果

对重心位置受力分析和人的脚掌受力分析则有：

故可得出一个结论：踏板的压力不会随着摆动而发生变化，且只与人的重力有关。

将其假设为一个理想化模型，如图7所示。

图7 工作时漫步机的受力分析

在最低点人体给出一个w，使人从最低点运动到最高点，转动的最大的角度为35°，即在最高处时α=35°，v=0 m/s。

由动能定理可知：

c. 综上所述，当m=1时，可选择Z1≥11、Z2≥117 的 直 齿锥齿轮。

当m=2时，可选择Z1≥15、Z2≥31的直齿锥齿轮（如表2）。

表2 齿轮参数总结

3）轴承计算。

经计算可得：

支承2 型号的确定：

a.面对面安装在一个支点时，当量动载荷可按下式计算：当Fa/Fr≤0.68时，P=Fr+0.92Fa；当Fa/Fr＞0.68时，P=0.67Fr+1.41Fa。

c.计算预期寿命。根据资料预测[6]，器材的安全使用寿命应不小于8 a，最大预期寿命为每天使用5 h，每年使用天数为365 d，安全使用寿命为8 a，则Lh′=14600 h。

d. 计算转速。经实际测算选取最高转速为n=240 r/min。

e.计算该对轴承应具有的基本额定公载荷值：

f.选择轴承型号。查机械设计手册，选择7206AC型轴承。

同理可确定支承1型号选择为6206型深沟球轴承。

表3 轴承参数总结

5 结论

本文研究了一种能自动快速停止摆动的漫步机，脚动为第一层制动，需要脚蹬能够在脚离开的时候立即停止摆动。对此，采用制动力较强且迅速的碟刹进行制动，确保使用者在停止使用时能立即制动。手动方面则是第二层保险，采用阻尼缓停，使脚蹬既能在短时间内快速停下来，使用者又不会失去平衡。当握紧手刹的时候，刹车片松开，脚蹬可以自由摆动，当松开的时候，刹车片夹住转轴，脚蹬在短时间内停下。同时，手动装置可以促使使用者两手握住扶手，从而增加漫步机使用的安全性。考虑到绝大多数漫步机都露天放置在小区内，将漫步机设计成自供电的形式，节能环保，安全方便。