人机界面设计案例.ppt

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1、案例案例 考虑人因工程学的椭圆机设计考虑人因工程学的椭圆机设计椭圆机是利用人体慢走、快走或跑步时，脚踝的运动轨迹近似于椭圆形的原理，通过一定的机构，使踏板以一椭圆轨迹进行运动，以踏板所形成的椭圆轨迹来引导使用者脚部的运动，使椭圆机的健身动作与人的自然跨步相吻合；在整个健身运动的过程中，脚部不会完全离开踏板，故不产生对膝关节大的冲击，并能同时运动上下肢肌肉群，被看作是近几年有氧运动器材的一项突破，是健身器材的主要产品。b两两种种不不同同结结构构形形式式的的椭椭圆圆机机1.1.椭圆机的基本要求为：椭圆机的基本要求为：1 1）踏板所形成的轨迹与锻炼者自然跨步时脚踝的轨迹尽可能一致，同时兼顾锻）踏板所

2、形成的轨迹与锻炼者自然跨步时脚踝的轨迹尽可能一致，同时兼顾锻炼者的快走、慢跑、快跑等不同速度运动时的情况；炼者的快走、慢跑、快跑等不同速度运动时的情况；2 2）把手所形成的轨迹与锻炼者在上述情况下运动时手的轨迹尽可能一致；）把手所形成的轨迹与锻炼者在上述情况下运动时手的轨迹尽可能一致；3 3）椭圆机的结构尺寸符合锻炼者的人体尺寸；）椭圆机的结构尺寸符合锻炼者的人体尺寸；4 4）设计合适的结构形式和结构参数，保证椭圆机运动惯性顺畅；）设计合适的结构形式和结构参数，保证椭圆机运动惯性顺畅；5 5）椭圆机的运动负载符合生物力学原理，并且可以准确调节、显示、记录等。）椭圆机的运动负载符合生物力学原理，

3、并且可以准确调节、显示、记录等。除了上述运动功能设计要求外，还有外形美观、符合运动心理学等设计要求。除了上述运动功能设计要求外，还有外形美观、符合运动心理学等设计要求。2.2.人体尺寸的选择人体尺寸的选择 为了使椭圆机的设计能符合人的生理特点，就必须在设计时充分考虑人体的各为了使椭圆机的设计能符合人的生理特点，就必须在设计时充分考虑人体的各种尺度。种尺度。案例案例 考虑人因工程学的椭圆机设计考虑人因工程学的椭圆机设计 案例案例 考虑人因工程学的椭圆机设计考虑人因工程学的椭圆机设计 椭圆机属于成年男、女通用的产品，可用男性椭圆机属于成年男、女通用的产品，可用男性181860 60 岁年龄组的第岁

4、年龄组的第95 95 百分百分位数和女性位数和女性18 18 5555岁年龄组的第岁年龄组的第5 5 百分位数，作为尺寸上下限的依据，它考虑百分位数，作为尺寸上下限的依据，它考虑了绝大多数的使用者群体。所需要的数据，如表了绝大多数的使用者群体。所需要的数据，如表1 1、表、表2 2 所示。所示。案例案例 考虑人因工程学的椭圆机设计考虑人因工程学的椭圆机设计3.3.椭圆机的结构设计椭圆机的结构设计 椭圆机基本的机构形式为曲柄滑块机构和曲柄摇杆机构，如图椭圆机基本的机构形式为曲柄滑块机构和曲柄摇杆机构，如图2 2、3 3所示，在实际所示，在实际设计中两种形式均有应用。当曲柄旋转时，连杆的另外一端作

5、直线（或是圆弧）往复设计中两种形式均有应用。当曲柄旋转时，连杆的另外一端作直线（或是圆弧）往复运动；由于连杆一端作圆周运动，而另外一端作直线（圆弧可看作近似直线）运动，运动；由于连杆一端作圆周运动，而另外一端作直线（圆弧可看作近似直线）运动，连杆上的其他位置就以椭圆轨迹运动；踏板安装在连杆上。两种形式的曲柄在椭圆机连杆上的其他位置就以椭圆轨迹运动；踏板安装在连杆上。两种形式的曲柄在椭圆机中的前后位置不同。另外，图中的前后位置不同。另外，图2 2 形式的活动把手设计稍复杂。形式的活动把手设计稍复杂。图图2 2 曲柄滑块机构曲柄滑块机构图图3 3 曲柄摇杆机构曲柄摇杆机构案例案例 考虑人因工程学的

6、椭圆机设计考虑人因工程学的椭圆机设计3.1 3.1 踏板轨迹的设计踏板轨迹的设计 为使人在椭圆机上运动时的状态接近自然状态，其结构参数须根据人体在自为使人在椭圆机上运动时的状态接近自然状态，其结构参数须根据人体在自然状态下行走（或者是跑步）时脚部的实际轨迹进行设计。脚部的实际轨迹可用然状态下行走（或者是跑步）时脚部的实际轨迹进行设计。脚部的实际轨迹可用椭圆形状来拟合。若确定了拟合椭圆的形状，即可设计连杆机构再现此形状。拟椭圆形状来拟合。若确定了拟合椭圆的形状，即可设计连杆机构再现此形状。拟合的椭圆长轴、长轴方向的倾角与实测轨迹吻合；但实测轨迹和椭圆在整体上有合的椭圆长轴、长轴方向的倾角与实测轨

7、迹吻合；但实测轨迹和椭圆在整体上有一定的差异。一定的差异。3.2 3.2 踏板间距和踏板最大倾角踏板间距和踏板最大倾角 不自然的姿势会影响人的平衡觉，甚至人体会失去平衡，故设计应考虑人不自然的姿势会影响人的平衡觉，甚至人体会失去平衡，故设计应考虑人体在运动过程中保持姿势的舒适。为此，要控制运动时两脚之间的距离，即椭体在运动过程中保持姿势的舒适。为此，要控制运动时两脚之间的距离，即椭圆机的踏板间距。踏板间距太大，对使用者而言，其健身运动的方式就不自然，圆机的踏板间距。踏板间距太大，对使用者而言，其健身运动的方式就不自然，容易出现对臀部和下背部的压迫和损伤。人在走路时，两脚之间的距离约为容易出现对

8、臀部和下背部的压迫和损伤。人在走路时，两脚之间的距离约为5cm 5cm 或者是一个拳头的大小，设计可以此作为参考。或者是一个拳头的大小，设计可以此作为参考。案例案例 考虑人因工程学的椭圆机设计考虑人因工程学的椭圆机设计 运动过程中，人的双脚站于踏板上，踏板与小腿间夹角随位置的不同在不断地运动过程中，人的双脚站于踏板上，踏板与小腿间夹角随位置的不同在不断地变化，此角不应太大，否则会使锻炼者身体处于不自然的状态，甚至造成运动损伤。变化，此角不应太大，否则会使锻炼者身体处于不自然的状态，甚至造成运动损伤。根据人因工程学，立姿踝关节上摆（脚背弯曲）活动范围为根据人因工程学，立姿踝关节上摆（脚背弯曲）活

9、动范围为70709090，下摆（脚掌，下摆（脚掌弯曲）范围为弯曲）范围为9090125125，应合理设计连杆机构，使踏板能保证脚踝最大活动角度不，应合理设计连杆机构，使踏板能保证脚踝最大活动角度不超出上述的范围。图超出上述的范围。图4 4 为实测的简易椭圆机踏板与小腿间夹角极值，极小值为实测的简易椭圆机踏板与小腿间夹角极值，极小值a a 约为约为6363，极大值，极大值b b 约为约为100100，a a 超出相应的范围，故此设计不甚合理，可通过选择合超出相应的范围，故此设计不甚合理，可通过选择合适的连杆点进行改进适的连杆点进行改进ab图图4 4 踏板、小腿间夹角极值示意图踏板、小腿间夹角极值

10、示意图3.4 3.4 把手的设计把手的设计 为同时锻炼上肢肌肉群，一般在椭圆机上设计活动把手；为保证锻炼者在为同时锻炼上肢肌肉群，一般在椭圆机上设计活动把手；为保证锻炼者在上、下椭圆机时的安全，设计一个固定把手。上、下椭圆机时的安全，设计一个固定把手。案例案例 考虑人因工程学的椭圆机设计考虑人因工程学的椭圆机设计3.3 3.3 飞轮的设计飞轮的设计 在椭圆机运动中，若曲柄转动的速度波动过大，健身运动不顺畅，会对锻炼者在椭圆机运动中，若曲柄转动的速度波动过大，健身运动不顺畅，会对锻炼者心理状态造成不利影响，较低档次的椭圆机产品普遍有此问题。为减小速度的波动，心理状态造成不利影响，较低档次的椭圆机

11、产品普遍有此问题。为减小速度的波动，须设计飞轮装置。飞轮能量大小可表示为：须设计飞轮装置。飞轮能量大小可表示为：E=1 22I（I I为转动惯量，为转动惯量，为角速度）为角速度）。可见：因此，若采用单速方式，飞轮尺寸主要受椭圆机结构尺寸的限制，其转动。可见：因此，若采用单速方式，飞轮尺寸主要受椭圆机结构尺寸的限制，其转动惯量不能满足要求时，可采用一级增速，在曲柄轴和飞轮之间通过带传动或链传动，惯量不能满足要求时，可采用一级增速，在曲柄轴和飞轮之间通过带传动或链传动，加大飞轮的角速度。一般情况下，飞轮半径取加大飞轮的角速度。一般情况下，飞轮半径取151530cm30cm，重量，重量6 612kg

12、12kg。案例案例 考虑人因工程学的椭圆机设计考虑人因工程学的椭圆机设计 此外，设计两种把手，可允许锻炼者变换姿势，不易引起疲劳。把手（包括此外，设计两种把手，可允许锻炼者变换姿势，不易引起疲劳。把手（包括固定和活动的）的空间位置必须在锻炼者上肢功能尺寸范围之内。人到把手的距固定和活动的）的空间位置必须在锻炼者上肢功能尺寸范围之内。人到把手的距离不能太近，最近距离不能低于男性离不能太近，最近距离不能低于男性P95 P95 的前臂功能最小尺寸；也不能太远，最的前臂功能最小尺寸；也不能太远，最远距离不能超过女性远距离不能超过女性P5 P5 的上肢功能最大尺寸。因锻炼者是站于椭圆机上，而我国的上肢功

13、能最大尺寸。因锻炼者是站于椭圆机上，而我国成年人体尺寸国家标准中立姿无相关数据可用，借用表成年人体尺寸国家标准中立姿无相关数据可用，借用表2 2 中坐姿数据，如图中坐姿数据，如图5 5 所所示，大于男性示，大于男性P95 P95 前臂功能尺寸区和小于女性前臂功能尺寸区和小于女性P5 P5 上肢功能尺寸区的上肢功能尺寸区的重合网格阴影区域即为把手位置区，取其中心位置最佳。重合网格阴影区域即为把手位置区，取其中心位置最佳。活动把手的轨迹应与运动时人手的实际轨迹尽可能一致，图活动把手的轨迹应与运动时人手的实际轨迹尽可能一致，图6 6 为为5 5 位受测者位受测者（分别为身高（分别为身高155 155

14、 女性、女性、165 165 男、男、169 169 男、男、169 169 男和男和170 170 男，单位：）在跑步男，单位：）在跑步机上运动时腕关节的实测轨迹。从图机上运动时腕关节的实测轨迹。从图6 6可见：各曲线的曲率中心在其上方，位置随可见：各曲线的曲率中心在其上方，位置随受测者身高不同而变化，身材越高曲线位置越靠上，形状大体相似，可用一簇互受测者身高不同而变化，身材越高曲线位置越靠上，形状大体相似，可用一簇互相平行曲线段来拟。相平行曲线段来拟。中等身材的人群密度高，可取中等身材的人的手腕实测轨迹来设计把手中等身材的人群密度高，可取中等身材的人的手腕实测轨迹来设计把手的轨迹。目前，椭

15、圆机产品其把手轨迹的曲率中心在曲线下方，可做进的轨迹。目前，椭圆机产品其把手轨迹的曲率中心在曲线下方，可做进一步改进。一步改进。图6 手腕运动轨迹实测图图5 把手位置示意图案例案例 考虑人因工程学的椭圆机设计考虑人因工程学的椭圆机设计案例案例 考虑人因工程学的椭圆机设计考虑人因工程学的椭圆机设计 4 4 结结 束束 语语 将人因工程学原理应用于椭圆机的设计中，提出椭圆机的人因工程学设计准则，将人因工程学原理应用于椭圆机的设计中，提出椭圆机的人因工程学设计准则，进一步完善了椭圆机的设计理论。当前，健身器材的使用越来越普遍。但是，我国进一步完善了椭圆机的设计理论。当前，健身器材的使用越来越普遍。但是，我国的健身器材起步较晚，产品档次和技术含量低，与世界先进水平相比还有较大差距。的健身器材起步较晚，产品档次和技术含量低，与世界先进水平相比还有较大差距。椭圆机的人因工程学设计准则的提出及其主要设计参数选择范围的研究，是我国的椭圆机的人因工程学设计准则的提出及其主要设计参数选择范围的研究，是我国的椭圆机设计赶超世界先进水平的基础工作。椭圆机设计赶超世界先进水平的基础工作。