人機交互式老年跑步機的設計與分析

周禮鵬　陳愛平

摘 要 本文利用人機工程學、設計心理學等理論和方法，針對老年人這一特殊的群體進行設計分析的一款人機互交的老年跑步機。分析設計了跑步機的重要零部件以及整體格局，增強了跑步機的安全性及操作便利性。

關鍵詞 跑步機 老年 人機交互

中圖分類號：TP33 文獻標識碼：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

隨著生活水平的不斷提高，人們的健康意識在不斷地增強，健身成為人們日常生活中的重要活動之一，跑步是世界上公認的最經(jīng)濟、最安全、最自由的健身方式。更多的人為能夠隨時隨地不受時間、地點、天氣的限制能夠自由地跑步健身而選擇家用跑步機。

目前，國內外對家用跑步機的研究也不算太多，針對老年人健身需求的家用跑步機研究更是少之又少。因為老年人鍛煉更加注重安全性和便捷性。這就使得設計者在設計跑步機時考慮的因素增多。本文針對這一需求，設計了一款人機交互式老年人跑步機。

1 總體設計思路

該跑步機主要由五部分構成：機架、電機、跑步板、跑步帶、儀表顯示器。

考慮到人機工程學原理，根據(jù)老年人的人體尺寸和生理特點設計跑步機的結構尺寸，機構中盡可能采用穩(wěn)定性較強的可調結構。為了方便老年人操作，可以加上人機交互面板、語音控制系統(tǒng)等等。

2 結構設計

2.1 跑步機結構尺寸

在跑步機的結構設計中，充分考慮人機工程理論，將跑步者的自身數(shù)據(jù)作為產(chǎn)品設計的核心要素產(chǎn)品，使該跑步機的結構更合理、更安全，使用者更舒適，健身效果更好。

鑒于運動者的人體尺寸、年齡、性別、種族都是不確定的，所以人體尺寸百分位不是某一確定值，而我們亞洲人的身高都在150到188厘米的范圍之間，老年人的年齡段是60歲到八十歲，那么根據(jù)《中國成年人人體尺寸》（GB10000-88），選擇人體百分數(shù)時第5百分數(shù)和第95百分數(shù)。以此為設計可以滿足大多數(shù)人的使用需求，故將可調節(jié)結構尺寸的調節(jié)范圍設為第5至第95百分位數(shù)之間。

2.2 電機

該跑步機的原動機選用直流電機，所需功率是選用電機的基準，功率與跑步機的承重有關，還與跑步機的應用場合有關。當人在跑步機上跑步或走路時，跑步機所承載的重量是人體重的0.8-2倍之間。在此設計跑步者的體重是70Kg，家用一般為2HP以上，健身房的一般為3HP以上。在此，選用2HP的電機，保證老年人在鍛煉時受到的沖擊震動較小，這種電機的噪音較小。

2.3 機架與底架

機架式跑步機整機的基礎，為了保證其穩(wěn)定性，采用焊接方式成型（自由度限制最合理）。

底架是承擔人重和跑步時運動載荷的重要零件，在其與跑臺之間需要添加橡膠墊隔開，使跑臺處于懸吊狀態(tài)，從而達到減震效果。支架的設計可以通過插拔式，這樣可以方便拆裝、也可以折疊，減少占地。支架扶手，不僅是可以防止身體不穩(wěn)定時出現(xiàn)意外同時可以在不跑步時鍛煉上肢肌肉。在扶手內嵌入兩個檢測電極將可以在鍛煉的過程中檢測出健身者的心率，其設計原理類似于心電圖檢測儀器，具體見圖1。

跑步機的底架主要由五部分組成：分別是底管、跑步板、前軸、后軸、滾筒。其中底管是此跑步機的主要承重零部件，承擔了運動者的大部分體重和跑步時產(chǎn)生的大部分動載荷，在設計時必須保證該零件足夠的強度和剛度。

其長度尺寸根據(jù)跑步板和電機的長度來計算的，該跑步機底管的長度計算公式是：=1250+540=1790mm。

該跑步機選用帶傳動作為主傳動方式，這是由帶傳動自身特點決定的：帶傳動的結構簡單，可實現(xiàn)定比傳動，且能夠緩解震動和顫動。更為重要的是，帶傳動可以實現(xiàn)過載保護，也就是說當實際載荷大于規(guī)定的安全載荷時，V帶會發(fā)生打滑，停止傳動，這對保護運動者的安全很重要。

2.4 滾筒

作為跑步帶的帶動者，跑步機的滾筒固連在底架之上。根據(jù)運動規(guī)律可知，傳動系統(tǒng)的滾阻壓力隨著滾筒的尺寸增大而減小，也就是說可以通過增大滾筒尺寸來延長跑步機的壽命。當然，萬物都具有雙面性，滾筒的尺寸過大，會增大跑步機的尺寸和所需電機的動力，因而在設計滾筒尺寸時，要綜合考慮跑步機整機的結構，在此，將跑步機滾筒直徑設計為63mm。

常用的滾筒制作材料有鋼、鋁、塑料包鋼?？紤]到延展性的需求，在此，選用鋼材制作滾筒。

2.5 人機互交的監(jiān)控設計

專門針對老人設計的跑步機具有安全性和智能性。這兩種性能可以通過監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)。由監(jiān)控系統(tǒng)主要有四大部分組成：顯示存儲模塊、電機控制模塊、信號處理模塊（上位機）、人體信息采集模塊（下位機）。

下位機主要功能是采集跑步者的人體運動生理參數(shù)，如心率和血壓、體能等。

信號處理模塊是監(jiān)控系統(tǒng)的核心，命令的發(fā)出與處理都在這里進行。 對下位機采集的各類數(shù)據(jù)進行轉換、分析（含各種數(shù)據(jù)處理方法，各種標準比對，各種命令集等等），然后將發(fā)出特定的指令（如警報、減速、緊急停止等等）。這些經(jīng)過分析、處理的數(shù)據(jù)和指令通過顯示器呈現(xiàn)給跑步者，跑步者根據(jù)這些信息可以自行手動調節(jié)相關運動模式，也可以通過口頭命令“吩咐”跑步機改變速度等。同時，這些信息數(shù)據(jù)也可以存儲起來方便今后查閱，一遍跑步者制定長期的鍛煉計劃。

跑步機的顯示器主要用來記錄和顯示跑步者的實時跑步速度、跑步時間、跑程、跑步者的實時心率和能耗。應用人機工程原理，考慮人的視角因素，將電子顯示器設計為20度-30度的傾角范圍，確定其視距為650mm，近可能使跑步者能夠方便準確地看到實時數(shù)據(jù)狀態(tài)。

根據(jù)調查，市面上常見的顯示器主要是LED顯示屏和LCD顯示屏兩種。由于LED顯示屏耗能較少并且造價較低，所以市面上大部分的跑步機采用LED顯示屏。雖然這種顯示屏可識度高，但只能顯示簡單的數(shù)字信息，并且色彩單一。由于只能采用按壓式的按鈕方式進行操作，誤操作的可能性相對較小，但漏操作或不知如何操作的可能性更大?？紤]到有些老人還處于文盲或者出現(xiàn)部分殘疾的情況，我們采用顏色顯現(xiàn)更為鮮艷的LCD顯示屏。

并且可以配置語音識別系統(tǒng)（此系統(tǒng)屬于可選附加內容）。對于不習慣或要在運動過程中根據(jù)自身的需要說出特定的控制命令，就可以對其運動模式、實時速度進行有效的轉換。極大地方便了不同人群的需要。

同時考慮到老人的年齡各有不相同，為了防止出現(xiàn)運動者在使用過程中發(fā)生意外，在顯示器、底架、扶手處都設置了緊急停止裝置。我們依舊采用市面上使用相對較廣的按壓式裝置與LCD顯示器、語音控制系統(tǒng)相結合，操作簡單、直接，并且可以進行急停。

2.6 跑步帶

跑步機的核心零件是跑步帶，跑步帶直接與運動者接觸，是運動部件。該部件的好壞直接決定了跑步機的性能優(yōu)劣，也決定了跑步者的運動效果。一般來說，跑步機的跑步帶抗延展性能越好，其剛度就越好，壽命越長。

為了增強跑步帶的抗延展性，在選材時，可以將PVC橡膠作為跑步帶的第一層（增大跑步者鞋底與跑步機的摩擦，增加安全性），緊接著采用網(wǎng)格尼龍纖維作為中間層（聚酯材料可以將底層與表層牢固地結合起來）。跑步帶的底層采用復合材料，復合材料采用經(jīng)緯相交的方式（經(jīng)緯層可以減少跑帶與跑板件的摩擦，跑帶的耐磨性得以增強）。

而老年人因為衰老導致的骨質疏松狀況都需特別重視跑步帶的選用。我們特采用多契帶，其性能特點是，散熱快、傳動振動小并且與帶輪的接觸面積足夠大，摩擦力比較大，這樣老人不會因此而滑倒。同時使用延長性小，傳動比大等特點能夠增長其使用壽命?？紤]到人體尺寸百分位數(shù)的使用，在跑步帶的尺寸設計時，長度應盡量讓運動者邁開步伐，寬度則照人體尺寸的肩寬來進行設計。

2.7 減震裝置

跑步板設計在跑步帶的下面，在跑步板上加裝橡膠墊用以減緩跑步時帶來的動載沖擊。同時在底架下在加一層高密橡膠墊，其減震效果也很明顯。這些都可以較減少因跑步造成的對老年人膝蓋的沖擊度。

3 結語

該老年跑步機在結構上采用折疊分離設計，減少占地面積、方便拆裝。同時在設計時，根據(jù)《中國成年人人體尺寸》選擇合適的人體百分位數(shù)做設計基礎，對運動機的重要零部件進行創(chuàng)新設計。尤其是顯示器的設計，更是添加了人機互交的設計理念。采用了人機工程學、設計心理學和機構運動學等知識。此跑步機相對普通跑步機擁有如下特點：（1）針對老人的身體特征選用合適的電機；（2）為了保證老年人的安全，啟用心率檢測電極；（3）增加語音控制系統(tǒng)方便老人下達指令；（4）為照顧老人的視力需求，控制面板選用LCD顯示器。

參考文獻

[1] GB/T 12985—91.在產(chǎn)品設計中應用人體尺寸百分位數(shù)的通則.

[2] 丁玉蘭.人機工程學（修訂版）[M].北京理工大學出版社，2000.

[3] 龐志成，等.工業(yè)造型設計[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學出版社，1995.