社區(qū)室外健身蓄能娛樂系統(tǒng)的研發(fā)

楊文珍，朱 梁，竺志超，陸立青，錢 偉

（1.浙江理工大學(xué) 機(jī)械與自動控制學(xué)院，浙江 杭州 310018；2.寧波奇勝運動器材有限公司，浙江 寧波 315336）

0 前 言

隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展和生活質(zhì)量的提高，人們已認(rèn)識到體育對增進(jìn)身體健康的作用，“花錢買健康”的觀念不斷增強(qiáng)。為了使我國群眾體育得到持續(xù)和穩(wěn)定的發(fā)展，國務(wù)院于1995年6月頒布了《全民健身計劃綱要》，目的在于全方位和多方面地實現(xiàn)體育與國民經(jīng)濟(jì)和社會事業(yè)的協(xié)調(diào)發(fā)展，全面提高中華民族體質(zhì)與健康水平，構(gòu)建具有中國特色的全民健身體系。《中華人民共和國體育法》第二章第十二條明確規(guī)定:“地方人民政府應(yīng)當(dāng)為公民參加社會體育活動創(chuàng)造必要的條件，支持、扶助群眾性體育活動的開展?！?/p>

為了使群眾體育與社會發(fā)展相適應(yīng)，國家體育總局有針對性地推出一系列改革舉措，把群眾體育擺到了重要的位置，并把社區(qū)體育的發(fā)展作為群眾體育的基礎(chǔ)。國家體育總局頒布的《2001-2010年體育改革和發(fā)展綱要》中提出了“城市體育以社區(qū)為重點”的發(fā)展新思路，社區(qū)成為人們娛樂、鍛煉的中心。

社區(qū)健身運動器材設(shè)施是社區(qū)體育硬件配套設(shè)施的重要組成部分?！度窠∩碛媱澗V要》頒布十余年來，在政府、社會、個人“三級投入”機(jī)制，已取得了顯著的成效。我國許多社區(qū)或住宅小區(qū)的公共活動場地配置了一些社區(qū)健身運動器材設(shè)施，如太空漫步機(jī)、橢圓機(jī)、伸臂機(jī)、雙人蹬腿機(jī)等，例如，自1998年至2006年，北京市用體育彩票公益金作為引導(dǎo)資金，共配建全民健身工程5563個，覆蓋100%的街道、鄉(xiāng)鎮(zhèn)和有條件社區(qū)以及65%的行政村［1］。這些設(shè)施給居民生活增添了生活樂趣，增強(qiáng)了居民的身體素質(zhì)。

1 社區(qū)室外健身運動器材存在問題

雖然，社區(qū)健身運動器材的安裝，為社區(qū)居民活動健身提供了良好條件，使大家期盼的“運動場就在身邊”的夢想變成了現(xiàn)實，但是，在實際應(yīng)用過程中存在著諸多問題。

1.1 社區(qū)室外健身運動器材的產(chǎn)品質(zhì)量問題

近年來，由于室外健身器材的產(chǎn)品質(zhì)量問題引發(fā)的傷人事故屢有發(fā)生，國家體育用品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心受國家體育總局的委托，在全國范圍內(nèi)，對社區(qū)室外健身器材進(jìn)行了全面的檢驗和檢查，發(fā)現(xiàn)許多問題:①部分產(chǎn)品設(shè)計不符合人體生理特點；②多家產(chǎn)品存在擠夾間隙易傷人手指或手臂；③運動部件的限位不足，容易將人打傷、打殘甚至致死；④部分產(chǎn)品大量使用玻璃鋼配件，外露的玻璃絲極易傷人；5）部分健身器材活動部件的耐久性和防塵性較差；⑥部分健身產(chǎn)品的防盜性能較差；⑦器材上缺乏標(biāo)示牌，起不到指導(dǎo)運動的作用；⑧部分產(chǎn)品涂飾層不合要求，涂層嚴(yán)重脫落或銹蝕后，既影響使用效果，也容易成為安全隱患；⑨部分室外健身器材的立柱直徑小于110mm，過小的直徑無法承載大的運動負(fù)荷，易使健身者受到傷害；⑩部分產(chǎn)品埋入深度達(dá)不到要求，造成器材在使用中傾倒而碰傷或碰死人的事件。有些器材直接安裝在水泥、便道磚之類的硬質(zhì)地面上，極不安全［2］。

1.2 社區(qū)室外健身運動器材的使用狀況問題

目前，社區(qū)健身運動器材大體分為兩大類，一類是固定類型的器材如單雙杠等，另一類是活動類型的器材如太極盤、太空漫步機(jī)等，其中，活動類型的社區(qū)健身運動器材使用狀況問題尤為突出。

筆者通過文獻(xiàn)資料檢索、專家咨詢、社區(qū)訪談和數(shù)據(jù)統(tǒng)計，對社區(qū)健身運動器材使用情況進(jìn)行了深入地調(diào)查研究，列出社區(qū)健身運動器材在使用過程中最為突出的幾個問題:①多數(shù)社區(qū)室外健身運動器材的運動性能只適合老人小孩玩耍鍛煉，少有適合青少年、中青年鍛煉的器材。②有些社區(qū)室外健身運動器材在使用過程中存在安全隱患，對動作緩慢的老人和沒有安全意識的小孩構(gòu)成嚴(yán)重威脅，受傷、致殘甚至死亡事件屢有發(fā)生。③多數(shù)社區(qū)室外健身運動器材在使用過程中枯燥、乏味，缺乏吸引力，難以吸引人們參加健身運動。④在能源越來越緊張的社會背景下，人們在社區(qū)室外健身運動器材運動時的能量卻白白浪費。

1.3 帶來的后果

由于社區(qū)室外健身運動器材存在著質(zhì)量、使用狀況等問題，使得大量社區(qū)室外健身運動器材使用頻率低、被大量閑置，加之日久失修，逐漸生銹和腐蝕，最后損壞報廢，造成具大的經(jīng)濟(jì)和社會損失，有背于全民健身計劃的初衷。

2 社區(qū)室外健身蓄能娛樂系統(tǒng)設(shè)計目標(biāo)和組成

針對社區(qū)室外健身運動器材使用狀況存在的問題（安全性差、運動性能差、枯燥乏味和能量浪費等），我們開展了創(chuàng)新設(shè)計，改進(jìn)社區(qū)室外健身運動器材的運動性能和安全性，實現(xiàn)發(fā)電蓄能和娛樂功能，吸引更多的人加入全民健身的熱潮中。

2.1 社區(qū)室外健身蓄能娛樂系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)

社區(qū)室外健身蓄能娛樂系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)是實現(xiàn)社區(qū)室外健身運動器材的健身、娛樂、蓄能的綜合性功能。它能收集人們健身時消耗的動能，轉(zhuǎn)化為電能并儲存起來，可供給照明、通訊等電能所需，實現(xiàn)邊健身邊蓄能、邊健身邊娛樂。社區(qū)室外健身蓄能娛樂系統(tǒng)綠色新穎，既可實現(xiàn)一定的負(fù)載調(diào)節(jié)，使健身運動更具可操作性和安全性，又可以吸引更多的人來參加健身，提高全民身體素質(zhì)和產(chǎn)生更多的電能。如圖1所示為該系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)。

圖1 社區(qū)室外健身蓄能娛樂系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)

2.2 社區(qū)室外健身蓄能娛樂系統(tǒng)的組成

社區(qū)室外健身蓄能娛樂系統(tǒng)由社區(qū)健身器材中常見的太極盤、滾子跑步機(jī)、伸臂機(jī)、雙人蹬腿機(jī)、滾筒機(jī)、健騎機(jī)和橢圓跑步機(jī)七臺器械組成（可擴(kuò)展）。每個器材都包括:動力輸入裝置部分，傳動機(jī)構(gòu)部分，發(fā)電輸出部分，且均以人作為動力源，利用各自傳動系統(tǒng)，能可靠地把人健身時產(chǎn)生的能量通過發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)化為電能輸出。最后，我們把各部分輸出的電能通過電路匯集在一起，儲存到一個總的蓄電器中，并將電能傳輸出去，供路燈、收音機(jī)和電瓶充電等所用。如圖2所示為該系統(tǒng)的組成。

圖2 社區(qū)室外健身蓄能娛樂系統(tǒng)的組成

3 社區(qū)室外健身蓄能娛樂系統(tǒng)的實現(xiàn)

在該系統(tǒng)中，由于各個健身器材（太極盤、滾子跑步機(jī)、伸臂機(jī)、雙人蹬腿機(jī)、滾筒機(jī)、健騎機(jī)和橢圓跑步機(jī)）的運動形式都不盡相同，我們首先進(jìn)行了機(jī)構(gòu)改進(jìn)創(chuàng)新設(shè)計，將這七種社區(qū)室外健身運動器材的不同運動形式轉(zhuǎn)化成能被直流發(fā)電機(jī)接受的運動形式。接著，我們將這七種社區(qū)室外健身運動器材構(gòu)成一個并聯(lián)發(fā)電的網(wǎng)絡(luò)體系。最后，我們設(shè)計了電能輸出功能部分，供可給社區(qū)路燈、社區(qū)廣播、收音機(jī)、健康計數(shù)器和充電器等所用。

3.1 社區(qū)室外健身蓄能娛樂系統(tǒng)的電路設(shè)計

系統(tǒng)中的七臺發(fā)電機(jī)各自獨立發(fā)電（永磁直流發(fā)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速范圍:600～650r／min，額定輸出電壓:20V，實際輸出電壓:18～21V，額定輸出功率:40W），由于輸入端運動速度不穩(wěn)定，引起發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速不均勻，使輸出電壓在DC18～21V范圍內(nèi)波動，為了更有效地利用電能，需要采取降壓穩(wěn)壓措施，而且供電時要有相對穩(wěn)定的電壓，我們采用了L7806CV三端穩(wěn)壓器為核心的降壓穩(wěn)壓電路。為防止蓄電池回流，給發(fā)電機(jī)逆向供電，我們在每個發(fā)電機(jī)后面串聯(lián)一個防反沖二極管D3IN4007，防止七臺直流發(fā)電機(jī)并聯(lián)工作時產(chǎn)生的反驅(qū)動等問題。為防止蓄電池過充電或過放電，嚴(yán)重影響其性能和壽命，電路上接有充放電控制器，以自動防止蓄電池過沖電和過放電。由于我們選用的發(fā)電機(jī)和蓄電池只適用于直流電，為實現(xiàn)交流電的應(yīng)用，電路上可選接逆變器，將直流電轉(zhuǎn)換為交流電。如圖3所示為該系統(tǒng)的電路設(shè)計示意圖。

圖3 社區(qū)室外健身蓄能娛樂系統(tǒng)的電路設(shè)計示意圖

3.2 社區(qū)室外健身蓄能娛樂系統(tǒng)的樣機(jī)實現(xiàn)

為了直觀和顯式的呈現(xiàn)的社區(qū)室外健身蓄能娛樂系統(tǒng)，我們基于Pro／E三維軟件，將整個社區(qū)健身娛樂蓄能系統(tǒng)清楚的展現(xiàn)出來。出于安全性的考慮，我們將系統(tǒng)發(fā)電運動部件用安全罩保護(hù)起來，這樣既保證了財產(chǎn)安全，更重要的是確保人健身的安全性，如圖4所示社區(qū)室外健身蓄能娛樂系統(tǒng)。我們對社區(qū)室外健身蓄能娛樂系統(tǒng)的橢圓跑步機(jī)部分進(jìn)行了物理樣機(jī)制造，該樣機(jī)被評為2008年浙江省大學(xué)生機(jī)械設(shè)計大賽一等獎，圖5為健身蓄能娛樂橢圓跑步機(jī)的物理樣機(jī)。

圖4 社區(qū)室外健身蓄能娛樂系統(tǒng)的虛擬樣機(jī)

4 結(jié)束語

社區(qū)體育以它所具有的獨特性質(zhì)和功能，已成為城市社會體育的主要形式之一，為構(gòu)建具有中國特色的全民健身體系，促進(jìn)全民健身運動的發(fā)展，起到有力的推動作用。

圖5 健身蓄能娛樂橢圓跑步機(jī)

社區(qū)健身蓄能娛樂系統(tǒng)從日常生活中比較受歡迎的社區(qū)健身器械出發(fā)，以健身娛樂為依托，發(fā)電蓄能為著眼點，將健身、娛樂和蓄能集成于一體，既有經(jīng)濟(jì)價值又有社會價值，應(yīng)用前景廣泛。

［1］北京市人民政府.北京全民健身工作獲進(jìn)展.2007.

［2］健身器材室外健身器材的安全通用要點解析［N］.中國質(zhì)量報，2003-10-24.

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