户外公共健身器械磨损量测量方法研究

梅 竹

（沈阳建筑大学体育部，辽宁 沈阳 110168）

1 引言

在国家的号召下，中国的体育健身事业迅速发展，人们的健身意识也不断得到提升。除了以健身房为主的室内运动外，在社区、体育场等户外环境中也安装了公共健身器械，为不同年龄阶段的居民提供运动健身设备。目前户外公共健身器材的安装与建设以城市小区为基点，在新建小区中的覆盖率已经达到了100%。然而由于中国前期的全民健身意识薄弱，且与发达国家之间的经济水平差距较大，导致中国户外公共健身器材设施的建设相对落后，户外公共健身器材的质量较低［1］。为了保证健身器材的使用安全和寿命，提出户外公共健身器械磨损量测量方法。

磨损量是由于多个零件摩擦引起的损失量，一般情况下器械的磨损量较小，使用测量设备无法得出精准的测量结果，这为健身器械磨损量测量工作带来较大的挑战。整合国内外关于磨损量测量的相关研究成果，发展较为成熟的测量方法包括：基于神经网络学习算法的测量方法、基于结构光视觉的测量方法以及基于模糊聚类的测量方法。然而将上述传统的磨损量测量方法应用到户外公共健身器械的磨损测量工作中，存在测量误差大的问题，无法为健身器械的维护提供精准的参考数据。为此，在传统测量方法的基础上进行优化设计。

2 户外公共健身器械磨损量测量方法设计

2.1 构建户外公共健身器械数字化模型

根据锻炼功能、锻炼位置等特征，可以将户外公共健身器械分为多种类型，如表1所示。按照表1中各个健身器械的设计结构，利用有限元技术构建数字化模型［2］。有限元技术就是将研究对象分解成许多小的子域，并按照各个子域之间的空间关系彼此连接。选择不锈钢作为健身器械的模型材料，其硬度为HRC65，密度约为7880kg∕m³，弹性模量取值为200GPa。

表1 户外公共健身器械分类表Tab.1 Classification Table of Outdoor Public Fitness Equipment

在只考虑器械应力时，满足如下关系式：

式中：A、B和C—常数系数；ε—器械应变值；n—应变强化因子；εi、ε0—应变率和参考应变率；σf—公共健身器械材料的应力值［3］。

构建的数字化模型主要由多个组件构成，且在不同的应力情况下组件之间会产生不同程度的摩擦，结合器械材料特性定义模型的摩擦系数为0.2。为了减少磨损量测量的计算量，遵循数字化模型的对称性，选择模型中的一般作为研究对象，并根据模型对称分割面的基本处理方法，将施加在Z轴方向上的力为平动约束，X、Y方向上的力为转动约束。那么在健身器械使用过程中，作用力在三个方向上的分量可以表示为：

式中：F0—合力值；φ—作用力在X-Y平面上的夹角以及施加角度；θ—作用力在Y轴的夹角以及施加角度［4］。

在网络约束下得出户外公共健身器械的数字化建模结果，如图1所示。

图1 户外公共健身器械数字化模型示意图Fig.1 Schematic Drawing of the Digital Model of Outdoor Public Fitness Equipment

2.2 分析户外公共健身器械运动规律与磨损机理

通过分析户外公共健身器械的基本运动方式就是沿着轴或点做循环运动，以上肢牵引器为例，上肢牵引器运动轨迹，如图2所示。

图2 上肢牵引器运动轨迹Fig.2 Movement Track of the Upper Limb Tractor

通过对器械运动规律的分析，可以将器械的磨损看作是多种磨损形式共存造成的结果，具体包括剥落磨损、磨粒磨损、疲劳磨损等多种类型［5］。其中，剥落磨损就是器械组件多次在相同的位置上摩擦，导致该位置出现表皮脱落的现象而产生的磨损。磨粒磨损是指由于硬质颗粒或硬质突起而造成两个物体表面相互接触和相互运动的磨损，通常把磨粒磨损按硬质颗粒的自由度分为三体和两体。另外健身器械的疲劳磨损是相互接触的两物体承受循环的接触应力，使物体表面的一部分由于疲劳而脱落［6］。由于健身器械材料受力呈周期性，因此器械材料会发生疲劳磨损。除了上述原因外，户外环境因素也会对健身器械产生影响，例如雨水的腐蚀、外力撞击等，综合多种因素的作用与影响，确定户外公共健身器械的磨损机理。

2.3 安装磨损量测量装置

分别从数据采集、数据处理两个方面，安装健身器械的磨损量测量装置，健身器械磨损量测量装置连接图，如图3所示。

遵循不破坏户外公共健身器械结构的原则，使用半导体感光元件。利用线阵CCD传感器采集散射光强，输出模拟光强，经A∕D转换后储存于SRAM中［7］。

当CCD传感器处于工作状态时，传感器内部的CCD光敏单元输出的电荷可以表示为：

式中：变量η、q和S—传感器材料的量子效率、电荷量和光敏单元受光面积；Δneo—入射光的光子流速；Tc—光的入射时间［8］。

另外，磨损信号数据的处理包括提取特征和数据计算两个步骤，主要在DSP处理器中实现。

2.4 采集健身器械磨损信号

根据磨损量测量装置运行原理，在实际的磨损数据信号采集过程中，CCD传感器在初始状态下，a电极下方的深势阱中存储电荷大于阈值。在a电极电压保持不变的情况下，b电极电压迅速降低，此时合并两个相邻电极的势阱，部分电荷会流向b电极下的势阱。同理a电极变化时，b电极也会出现势阱［9］。通过连续输出的信号结果即为健身器械磨损信号的采集结果。

为了保证户外公共健身器械磨损量的测量精度，需要对初始采集的数据信号进行去噪处理。去噪处理的基本原理是利用小波变换进行含噪信号的分解，并根据信号的特征对分解尺度进行定制［10］。根据小波重构原理实现信号降噪的过程可以表示为：

式中：λ、τ—小波变换的尺度和位移因子；

ψ(t)、f(t)—变换函数和磨损采集信号数据集合。

2.5 实现户外公共健身器械磨损量测量

2.5.1 计算磨损面积与深度

在采集数据的支持下，利用式（5）计算户外公共健身器械的磨损面积。

式中：S0—研究区域的实际面积；m1、m0—信号采集过程中正常与异常的信号量，其中异常信号量也就是磨损信号量。根据异常信号所在的位置坐标，得出磨损深度测量结果，即：

式中：zij、z′ij—该位置上磨损前后的Z轴坐标值，其中，zij的取值可以通过测量同一平面内正常信号的坐标直接得出。

2.5.2 输出磨损量测量结果

户外公共健身器械的磨损量都可以根据其尺寸变化或者质量变化，同时考虑摩擦连接的运动特性，具体的计算公式如下：

式中：ρ—健身器械的材料密度；ΔG—户外健身器材的质量。

2.5.3 补偿测量误差

测量装置安装偏差和数据转换处理误差是户外公共健身器械磨损量测量误差的两个主要来源，测量装置安装时，必须保证传感器测头轴线与工作台表面垂直度误差不能超过允许范围，传感器的安装时的垂直度误差计算公式如下：

式中：Lr、L—传感器实测位移变动量以及理想安装时测量位移量；ϑ—传感器安装误差角。

另外数据转换处理误差主要包括数据转换模块的A∕D 转换误差和计算机运算时的由计算机运算位数决定的舍入误差。通过对偏差方向和偏差数值的求解，通过误差补偿最终得出户外公共健身器械磨损量的测量结果。

3 性能测试实验分析

为了测试设计户外公共健身器械磨损量测量方法的性能，设置性能测试实验。实验分别从测量性能和应用性能两个方面进行具体分析，并采用多次实验取平均值的方式得出具有较高可信度的量化测试结果。

3.1 准备户外公共健身器械研究对象

实验选择上肢牵引器、坐蹬器、腿部按摩器、跑步机和太空漫步机作为实验选择的户外公共健身器械研究对象，这五个器材组成满足小区日常使用健身器材的最小组合。以漫步机、跑步机、定座式坐蹬装置为选材，放置于两侧，形成相对半包围空间。下肢摩擦力装置在步行机的旁边，跑步机安装在坐蹬装置的内侧，上肢拖曳装置安装在步行机的中间部分，从而构成户外公共健身环境。户外公共健身器械研究对象空间分布图，如图4所示。

图4 户外公共健身器械研究对象空间分布图Fig.4 Spatial Distribution Map of the Research Objects of Outdoor Public Fitness Devices

另外在健身器械的选择过程中，尽量选择已经使用过一段时间的器械，保证研究对象存在一定的磨损量，进而保证性能测试实验的研究价值。

3.2 配置磨损量测量环境

磨损量测量环境主要分为两个部分，一个是户外公共健身器械的测量实验台，另一个是磨损量测量程序的运行环境。整个实验台的外形尺寸为（5000×3200×3500）mm，在液压程序的驱动下，控制健身器械做上下直线运动，作用推力为600kN，行程为500mm。磨损量测量方法的开发运行软件为Microsoft Visual Studio 2010。

3.3 设置性能测试指标

设置测量误差为测量性能的测试指标，在开始实验之前通过控制户外公共健身器械的使用次数和使用程度，实现对健身器械实际磨损量的设置。通过计算设计测量方法输出结果与设置磨损量之间的差值，得出测量误差的测试结果。将设计的测量方法应用到实际的户外公共健身器械的管理与维护工作中，并根据测量输出结果采取相应的维护措施。设置应用性能的测试指标为健身器械的报废数量，统计测量方法应用前后器械报废数量的报废情况。

3.4 实验过程与结果分析

为了形成实验对比，除了优化设计的磨损量测量方法外，设置传统方法和文献［9］中提出的基于分布式卷积神经网络的测量方法作为实验的两个对比方法，设置成为实验的两个对比方法。将准备的研究对象样本平均分为三组，并保证每组研究对象的类型与数量相同。在相同的实验环境下，通过相关数据的统计与对比，得出测试结果，如表2所示。

表2 测量性能测试结果Tab.2 Measurement Performance Test Results

将表2中的数据代入到式（7）中，便可以得出最终的磨损量测量结果，并得出三种测量方法的平均测量误差为190.25mm2、85.01mm2和31.06mm2。同理将三种测量方法应用到实际的维修工作中，得出关于测量方法应用性能的测试结果。测量方法应用性能测试结果，如表3所示。从表3中可以直观的看出，相比于两种传统测量方法，应用设计的测量方法能够有效的降低户外公共健身器械的故障数量，在减低健身器械生产与安装成本的同时，提高了健身人员的使用安全。

表3 测量方法应用性能测试结果Tab.3 Application Performance Test Results of Measurement Methods

4 结束语

户外公共健身器械是带动全民健身进程的重要辅助工具之一，而磨损量是反应健身器械工作状态和安全的重要特征。通过设计健身器械磨损量测量方法的应用，为相关问题的分析提供精确的参考数据。然而由于设计的磨损量测量方法需要对大量的采集数据进行处理，因此会消耗大量的时间成本，影响测量方法的应用实时性。