机械制造专业毕业论文家庭多功能健身器设计.docx

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机械制造专业毕业论文家庭多功能健身器设计

前言

随着世界城市经济的发展和人民生活水平的迅速提高，城市居民的健康意识逐渐增强，健身也成为人们日常生活中的重要组成部分。

然而日常生活中难免有无法进行户外锻炼的日子，如坏天气，应酬太多，工作时间等等都让人们无法每天在户外进行锻炼。

健身器的出现尤其是室内健身器材起到了足不出户也可以锻炼身体的作用。

然而，现有的健身器一般都功能单一，结构简单，只能对身体单一部位进行锻炼，满足不了健身者对多方面健身的要求，直接影响了生产企业的经济效益。

为此，该课题提出设计一部家庭用多功能健身器，以适应市场需求。

本文主要对家庭多功能健身器从实际健身者需求着手，针对现在产品中存在着规模大功能少，价格高，性价比低等缺点，意在实现健身的大众化、家庭化、多功能化，一机多用，为消费者减少经济负担。

本课题介绍了家庭多功能健身器的基本特征，介绍了家庭多功能健身器的构成，工作原理。

指出了家庭多功能健身器的主要内容，综述了家庭多功能健身器研究现状，比较设计出市场所需求的家庭多功能健身器产品类型。

1.绪论

随着人们生活节奏越来越快，特别是生活在城市当中的人们，工作压力日益加大，身体所受的压力也越来越大，增加体育锻炼，改善身体机能，成为广大上班族的迫切需求，但有限的生活空间，和有限的业余时间，使得体育健身变得困难，忙里抽闲来锻炼身体成为一种奢求。

在这种情况下，鉴于现有市场家庭健身器材的结构、功能单一、体积庞大等缺点，从而设计一款造型、结构与人机的配合程度达到一定标准的跑步机，在不影响安全、功能、外观的前提下，尽量达到用材环保、工艺简练、节约成本的目的，实现健身的大众化、家庭化、多功能化、一机多用，为消费者减少经济负担,还能得到高品质全面的运动效果。

相信多功能跑步机会从其舒适性、设计合理性、多功能方向发展，成为城市家庭运动的首选运动器械。

本课题介绍了家庭多功能健身器的基本特征，介绍了家庭多功能健身器的构成，工作原理。

指出了家庭多功能健身器的主要内容，综述了家庭多功能健身器研究现状，比较设计出市场所需求的家庭多功能健身器产品类型.

2.方案设计

2.1基本功能

家庭多功能健身器的基本功能是实现跑步运动，即跑步机的功能。

为了实现跑步带的可调速功能，对跑步带的驱动与速度进行控制，通常针对电动跑步机的脉冲式负载转矩特性,以小功率直流电机驱动为例，利用PHILIPSP87LPC768单片机开发了一种电动跑步机专用的数字式速度调节单元。

该调速单元充分利用单片机的资源，采用FUZZY-PID算法，通过对PID参数的自动调整产生PWM信号,实现对跑步机速度的控制。

该单元结构简单，性价比高，能对电动跑步机的速度实现精确控制，同时该方法也可应用于其它同类运动装置的速度控制。

总体示意图如下：

图2-1总体示意图

2.2结构功能设计

多功能健身器为了实现其多功能性，主要由机架、跑步机带部分、电动机、可调电源、扶手部分、扭腰盘、折叠机构、仪表控制盘组成。

机架部分设有仰卧起坐机构、跑步机扶手架安装于机架的顶端、在机架后下端安装有可折叠的扭腰盘，按摩器装置安装在机架横杆上，仪表控制盘安装于扶手架上。

跑步机部分，跑步机底座框架通过轴连接在机架底部的两端，机架底端框架横梁与跑步机框架设计有可升缩的气压杆，用来坐跑步机部分的折叠支撑机构。

前轴与后轴分别装在底座框架的两端，前滚筒与后滚筒分别用轴承套装在前后轴上，跑步皮带张紧绕装在前后滚筒上，跑步皮带下装有支撑跑步板，从动皮带轮装在前滚筒的一端，电动机、可调电源,安装在框架的前端，控制传感器装在电动机上，速度传感器安装在紧靠在从动皮带轮的框架上，皮带调节螺栓一端连接在电动机外壳的孔板上，另一端连接在焊接于框架前端的孔板上。

另外跑步带两边框上设有紧急情况踩踏板，末端安装有俯卧撑支架。

2.3功能原理确定

通过对国内市场上家庭多功能健身器的了解，现有家庭多功能健身器多是集中于臂力，腿部肌肉的力量练习，很少有结合跑步，臂力，腰背，按摩，健身娱乐于一体的综合性多功能健身器材。

同时还设计有跑步机的可折叠功能，充分减少了跑步机的占地空间，为城市居室有效节约了空间。

跑步机的选择。

跑步是目前国际流行并被医学界和体育界给予高度评价的有氧健身运动，是保持身心健康最有效、最科学的健身方式，也越来越受到大家喜爱。

目前市场上比较常见的有传统跑步机和电动跑步机两种。

传统跑步机，俗称“被动式跑步机”，是我国从国外引进健身观念时、为适应当时国情而开发的具有符合国人特色的过渡产物。

它的动力来源是使用者通过自身臂部、膝部、踝关节的活动，推动跑步机而产生运动。

速度由运动者自己控制。

这种运动方式，表面上看起来似乎能消耗更多的能量，但其造成的运动伤害也要比在大自然中跑步高出数倍。

所以我们考虑选择用电动跑步机来设计[1]。

折叠总体示意图如下:

图2-2折叠后总体示意图

多功能结构的选择。

一般家庭健身运动者的运动需求可以概括为几个方面：

（1）臂力练习，一般用哑铃做举重运动，或者做俯卧撑来实现，所以我设计了哑铃支架，和俯卧撑支架；

（2）腰背练习，设计的仰卧起坐装置和扭腰盘可以实现；

（3）在健身娱乐方面，在仪表控制盘上安装有数码音乐播放器，插上耳机，健身的同时你可以在有节奏的音乐旋律中享受运动的快乐。

（4）可折叠功能，用气撑杆作为支撑构件，气动支撑杆以高压惰性气体为动力，在整个工作行程中支撑力是恒定的，并具有缓冲机构，避免了到位的冲击，这是优越于普通弹簧的最大特点，并具有安装方便，使用安全无需保养等优点。

3.外型结构设计

3.1基架的设计

基架的设计是整个设计的基础，也是其他设计的基准。

为了保证整个系统的稳定性和减震系统的有效性，基架全部采用焊接结构[2]。

机架，滚筒的选择，以及上下机盖等等，都是依据基架的尺寸和形状设计的，所以设计开始首先考虑基架的设计，进行样式，结构，还有尺寸的确定。

通过对市场上的跑步机的基架结构的流行设计，再加上自己对外形的理解，对外形进行改进。

在尺寸的确定方面参考了人体运动工学推算，45cm宽X130cm跑带面积，以此保证给人以足够的运动面积，从而逐步的进行其他尺寸的确定。

先考虑电机的尺寸，然后是传动机构带传动的中心距离，电机的安装，前后滚筒的位置，PWM调速电源的安装位置，以及传感器安装位置的预留等。

在设计中特意将两边框设计了足够的宽度，以此为锻炼过程中短暂的休息提供两脚踩放的位置，也是作为紧急情况时，人可两脚快速分开离开运行的跑带，提供足够的安全踩放位置[1]。

基架图如下：

图3-1基架

3.2机架的设计

机架的外形结构是参照现有市场比较流行的设计结构，又加以自己的改进完成。

所用材料是空心钢管和方钢，连接为焊接，保证了稳定性。

支架包括扶手，仪表安装辅助支架，扭腰盘连接处等，仰卧起坐架直接焊接于竖直连杆上。

与基架的连接采用螺栓连接，方便位置的调整和拆装。

底部安有橡胶垫，保证平衡，还可以达到减震的效果。

机架图如下图：

图3-2机架

3.3机盖设计

传动机构为了保证安全性，要进行传动机构的隔离，同时为了技术保护和美观，上下机盖都使用塑料钢材料，通过螺钉与基架相连。

材料有一定的硬度，还能在做仰卧起坐的时候起到一定的腿部支撑作用，同时能起到有效的防护作用。

上下机盖如下图：

图3-3上机盖

图3-4下机盖

4.电动机类型与参数的选择

4.1电动机类型和功率选择

个人在选择跑步机时，只要根据自己的体形选择对应马力的电动机即可。

家庭用户在选择跑步机时，则跑步机应该满足所有家庭成员的使用。

而马力越大的跑步机，其适应的人群也就越广，但相应的，跑步机价格也就越贵。

因此，综合考虑家庭成员的体形情况后，选择合适马力的电机才能达到最大的性价比。

当人在跑步时，跑步机或地面受到的冲击力为人体自身重量的1-2.5倍，电动机作为跑步机的动力，不但要满足载重量的要求，还需要保证跑步机跑台以一定速度运转。

一般来说，电动机1个马力可以保证60公斤的人在跑步机上面自如运动，另外跑步机跑台的面积越大，所需要的马力也更大。

因此，在选择电动机时要综合考虑这两个因素，在确保安全及效率的前提下，专家建议一般家用选择的电动机马力最好在1.5HP以上，而对于体重偏大的人（超过80公斤），则应该选择2HP以上的电动机。

此跑步机设计标准为100公斤，电动跑步机专用电动机—Z3-31型永磁直流电动机（图4-1）该型电动机系大功率跑步机中配套的专用驱动元件，经一定的电磁、结构派生处理也可适用于相应的机械装置中作为驱动元件。

该电动机显著的特点：

具有转速精度高，当人在跑步机上运动时，是一个冲击负载，该机在这种冲击负载作用下一转不差，保持同步转速，如同在平地上一样感觉。

表现在调速方便（可无级调速），调速范围宽、低速性能（启动转矩大）、运行平稳、噪音低、效率高。

4.2电动机的技术参数选择

根据电动机修理手册得得；

型号Z3-31电压220VDC

输出功率2.2KW电流不大于12.5A

转速3000r/min转向逆时针

绝缘等级B级

图4-1Z3-31型永磁直流电动机

图4-2电动机外形图

4.3电动机的保护

电动机的保护与控制关系电动机的保护主要有两大类，采用电流检测型的有热继电器、带有热-磁脱扣的电动机保护用断路器、电子式和固态继电器、带电子式脱扣的电动机保护用断路器以及软启动器：

直接检测电压降低或为零时的欠压保护和失压保护。

（1）电动机的保护往往与其控制方式有一定关系，及保护中有控制，控制中有保护。

（2）电动机保护装置电动机的损坏主要是绕组过热或绝缘性能降低引起的。

而绕组的过热往往是流经绕组的电流过大引起的。

对电动机的保护主要有电流、温度检测两大类。

（3）保护装置与异步电动机的修调配合为了确保异步电动机的正常运行及对其进行有效地保护。

必须考虑异步电动机与保护装置之间的协调配合。

特别是大容量电网中使用小容量异步电动机时，保护的协调配合更为突出。

（4）异步电动机的保护是涉及电气装置和机械设备可靠、正常运转的关键。

直接检测电动机绕组的温度来保护过载引起的过热是很有效的保护方式，但由于需直接埋入电动机绕组里，价格较贵、维修困难等原因，仅在部分频繁操作场合使用；从经济性考虑，采用电流检测型更为有利，加热继电器仍是一种价廉、简单、可靠的电动机保护形式（从实际使用情况看，目前使用量占大多数）；对动作性能要求较高及功能要求全或价格昂贵的大容量电动机保护，则可采用电子式或固态继电器；对一般要求，则采用带热—磁脱扣的电动机保护用断路器更为实用。

但不管采用何种保护装置，必须考虑过载保护装置与电动机、过载保护装置与短路保护装置的协调配合。

5.传动机构的选择

传动机构载荷有轻度冲击，结构传动类型选择带传动,是定传动比匀速转动机构。

动力来源：

电力220V。

速度允差小于5%。

具有结构简单，成本低廉，缓冲载荷的作用，运行平稳，噪声小，过载时将引起带在带轮上打滑，可以防止其他零件的损坏，具有过载保护的作用，所以择之[3]。

电动机的选择为跑步机专用生产的永磁直流电动机，传动功率P=2.2KW，主动轮转速为n1=3000r/min传动比为i=1.07，由于多楔带适于传递功率较大而又要求结构紧凑的场合，特别能适应带轮直径小的传动。

5.1带和带轮的选择

（1）普通V带的选择

普通V带由顶胶、抗拉体（承载层）、底胶和包布组成，抗拉体由帘布或线绳组成，是承受负载拉力的主体。

其上下的顶胶和底胶分别承受弯曲时的拉伸和压缩变形。

线绳结构普通V带具有柔韧性好的特点，适用于带轮直径较小，转速较高的场合。

（2）V带带轮的要求

对带轮的主要要求是质量小且分布均匀、工艺性好、与带接触的工作表面加工精度要高，以减少带的磨损。

转速高时要进行动平衡，对于铸造和焊接带轮的内应力要小。

[6]。

带轮材料要求：

带轮材料多采用灰铸铁，牌号一般选用HT150或HT200，也可选用钢或非金属材料（塑料、木材）。

铸铁带轮允许的最大圆周速度为25m/s，速度更高时，可采用铸钢或钢板冲压而成[5]。

所以我们分别选择小带轮和大带轮D1=71，D2=75，并选取实心式带轮

5.2带传动的张紧装置的选择

由于传动带不是完全的弹性体，带工作一段时间后，会因伸长变形而产生松驰现象，使初拉力降低，带的工作能力也随之下降。

因此，为保证必需的初拉力，应经常检查并及时重新张紧。

常用的张紧方法是改变带传动的中心距，如把装有带轮的电动机安装在滑道上并用螺钉调整或摆动电机底座并调整螺栓使底座转动，即可达到张紧的目的。

如果带传动的中心距是不可调整的，则可采用张紧轮装置。

张紧轮一般放置在带的松边。

V带传动常将张紧轮压在松边的内侧并靠近大带轮，以免使带承受反向弯曲，降低带的寿命，且不使小带轮上的包角减小过多。

带传动常用的张紧方法是调节中心距张紧，本跑步机中心距是可调的。

图5-1带的定期张紧装置

5.3带传动的使用与维护

尾套，使整个基架又对力产生一个缓冲，实现二级缓冲。

本设计中跑步板采用高密度纤维板，本身也提供一部份的吸震功能，但厚度至少需有2.5公分以上，以确保在吸震同时，不因冲击而龟裂，另外在使用时可在跑步机的支撑点下，加铺具有弹性的铺垫，以增加避震效果。

图9-1底板支架减震

图9-2底座减震

10.轮结构设计

为了方便用户方便移动，放置跑步机，设计了跑步机的轮结构。

此设计的轮的材料是中间轮轴采用钢结构，而外包围材料为橡胶，在实现滚动作用的同时，还可以用作跑步时的支撑、减噪和缓冲的作用，一举两得，结实耐用。

图10-1轮结构

11.多功能设计

11.1仰卧起坐支撑架

为了合理利用跑步机支架部分和跑步带的空间，和满足运动者的需求，设计了这个仰卧起坐结构。

是由四根钢管焊接在支架立杆两侧，两杆宽度距离适合于两脚踝和小腿部位的宽度，钢管外部套有蓝色的海绵体结构，运动者可以躺在跑步台上，两脚夹在杆之间，舒适的进行仰卧起坐运动。

如下图所示：

图11-1仰卧起坐支撑架

11.2扭腰盘设计

本跑步机设计的扭腰盘的设计结构是连接在跑步机机架后方，扭腰盘是通过按摩圆盘与中间的轴相连，实现转动的，扭腰盘表面设计有半圆形颗粒，可以在你扭腰的同时起到按摩保健的作用。

在使用健身扭腰盘同时带给我们身体的好处：

使用按摩健身扭腰盘，可使您的腰部、胸部、腿部、腹部得到锻炼从而达到减腹瘦腰、丰胸美腿、增强皮肤弹性等作用。

图11-2扭腰盘

11.3俯卧撑支架

利用跑步台两侧的钢架结构，设计了这个俯卧撑支撑架，焊接在跑步台底座支架上，手握部位加上了蓝色海绵材料，减少对手的摩擦，压迫损伤。

做俯卧撑的好处：

（1）发展力量素质。

可以提高人体静力性和动力性力量。

其主要作用是发展人的上肢力量和腹肌力量。

（2）提高人体生理机能。

对发展平衡和支撑能力起着重要作用。

可以改善中枢神经系统，有盆于骨的坚实，关节的灵活，韧带的牢固，肌肉的粗壮及弹性，同时能加速血液循环，增大肺活量，促进生长发育，提高运动能力。

（3）增强体质，增进健康。

经常全面锻炼，对身心发展是有益处的，可以调节人的心理，使人精力充沛，起到强健体魄，陶冶情操，锻炼意志，延年盆寿的作用。

图11-3俯卧撑支架

11.4角度调节器

为了能够有效地调节跑步板的角度（坡度），设计了这个具有三个不同高度调节档位的调节器，通过把插销插到不同的调节孔，来调节跑步台的高度，这个装置是钢架结构，底部嵌有橡胶底座，在起到调节角度的同时，还可以在跑步的同时起到减震，缓冲，和减噪的功能。

图11-4角度调节器

11.5哑铃功能

为了合理利用跑步机机架的空间，和使多功能跑步机锻炼的多样化，设计了哑铃挂钩，和哑铃（每个10Kg）。

哑铃的锻炼效果和作用：

用哑铃能锻炼胸、背、肩、肱二头肌、肱三头肌、腿部的肌肉。

图11-5哑铃及其挂钩

11.6音乐功能

为了运动者可以在运动中享受自的音乐，同时也是可以在音乐的节奏下享受运动的快乐，我们在控制仪表盘上安装了MP3数码播放器，，并设有一个耳机插孔，方便运动者可以插上耳麦在跑步中进行运动。

仪表盘如下图：

图11-6仪表盘及音乐播放器

12.调速机构的选择

针对电动跑步机的脉冲式负载转矩特性,以小功率直流电机驱动为例，利用PHILIPSP87LPC768单片机开发了一种电动跑步机专用的数字式速度调节单元。

该调速单元充分利用单片机的资源，采用FUZZY-PID算法，通过对PID参数的自动调整产生PWM信号，实现对跑步机速度的控制。

工业化试验结果表明:

该单元结构简单，性价比高，能对电动跑步机的速度实现精确控制，同时该方法也可应用于其它同类运动装置的速度控制[4]。

人在跑步机上跑步过程中，负载转矩随之发生周期性波动，随着跑步机的运行速度不同，其负载转矩的波动频率不同，为了保证不同速度下跑步过程的平稳和舒适度，电动跑步机的调速单元应在不同频率脉动负载的冲击下具备良好的动态性能。

目前，国内外主流的直流驱动型电动跑步机调速单元主要由模拟电路组成，该系统结构简单、经济，具有较高的性能价格比，但同时也存在电路复杂、模拟器件多、调试和批量生产工艺相对复杂、维护困难等方面的缺陷。

本文结合电动跑步机对调速单元的特殊要求，利用PHILIPSP87LPC768单片机，采用FUZZY-PID算法，开发了一种新型的数字式调速单元，该调速单元简化了电路的设计，降低了成本，简化了产品的生产和调试工艺过程；同时在软件设计中对跑步机的异常运行采取了相应的保护措施，保障了健身者的人身安全。

图12-1调速单元结构框图

调速单元组成及工作原理：

调速单元在硬件结构上主要由整流电路、滤波器、斩波电路、P87LPC768单片机、控制及驱动电路连接构成，显示及操作单元的单片机（通常采用51系列）作为上位机，对其发送速度给定，如上图所示。

P87LPC768是PHILIPS公司的一种80C51改进型MPU[1]，具有128bit的RAM,4kb的OTP型程序存储器，4路8位的A/D转换器，4路10位的PWM输出。

P87LPC768根据上位机发送的速度给定指令，利用其PWM口，产生17kHz固定频率、占空比可变的PWM信号，PWM的频率由其寄存器CNSW0，CNSW1中的值决定，脉宽由其寄存器CP-SW中的值决定。

该信号经光隔、放大后驱动MOS管，对整流电压进行直流斩波，不同有效值的斩波电压驱动直流电机，实现调速。

13.跑步机的日常维护保养

跑步机的维护与保养

（1）清洁

要延长跑步机使用寿命，应保持机内清洁，每隔一个月进行一次清洁工作。

清洁前必须首先切断电源，打开机盖，清除各部件的灰尘。

然后盖上机盖，清洁跑步机上的灰尘及检查各部件的螺是否有松动的现象，如有请拧紧。

（2）跑步带跑偏

跑步机使用一段时间后如果出现跑步带跑偏现象，一般与运动者的落脚点不在跑步带中心及两脚用力不均匀有关。

人为的跑偏现象只需要空载（无人运动）运行几分钟就可以恢复正常。

对于无法恢复的跑偏现象需要用随机附带的扳手以半圈为单位调整跑步带的螺丝。

调整方法如下：

如跑步带跑偏方向右偏，紧右面的调节螺丝或松左面的调节螺丝。

如跑步带偏方向为左偏，紧左面的调螺丝或松右面的调节螺丝。

（3）跑步带打滑

跑步机在使用一段时间后跑步带可能被微量拉长，出现运动者跑步时有停顿的感觉，空载（无人运动）却正常的现象。

当出现这种情况时，按顺时针方向同步调整后面的调节螺丝，以半圈为单位进行调节，两边调整量需相同，直到跑步带不打滑不跑偏。

每次调整不应超过2圈半，不可调整过紧以免损坏跑步带。

（4）跑步机的折叠和收藏

为了节约您的存储空间，此机特设计有主架气压泵辅助折叠功能，当您运动完后不使用的时候，您只需要站在跑台傍边轻轻的将主架的尾部抬起，直到底座上的弹簧销卡入主架底面的合叶片即为折叠好，如需要移动时，双手扶住主架尾部，稍微倾斜然后移动到您要放置的位置即可。

如果你长时间不使用本机器的话，为安全起见，将机器放置于靠墙的位置，尽量不要让幼童和宠物靠近折叠后的跑步机，以免发生意外。

小节

经过几个月的不懈努力，终于完成了我的课题。

从一开始看到题目时的不知所措，到通过自己的努力把问题一个一个的解决了，这个过程是艰难的，但却是一个不断学习的过程，从中增长了很多知识。

健身行业一直是我国的一个比较低落的行业，近年来，随着社会经济的发展和人们生活水平的提高，人们对自身的健康也日益关注，健身成为一种流行时尚，健身器材行业也逐步兴起为一个大的消费领域，电动跑步机作为一种重要的健身器材得到了越来越广泛的应用，具有广阔的市场前景。

希望通过我们的努力能够对我国家庭健身器实现大众化，多功能化做出一些贡献。

参考文献

[1]孙桓.机械原理.第七版.北京:

高等教育出版社,2006.

[2]吴宗泽.机械结构设计.北京：

机械工业出版社,1988.

[3]卜炎.机械传动装置设计手册（上册）,机械工业出版社,1999.

[4]周航慈,周立功.PHILIPS51LPC单片机原理及应用设计[M].北京:

北京航空航天大学出版社,2001.

[5]王忠.机械工程材料.北京：

清华大学出版社,2005.

[6]沈乐年.机械设计基础.北京:

清华大学出版社,1997.

[7]禹奇才、张亚芳.《工程力学》广州：

华南理工大学出版社,1989.5.

[8]程光蕴,李仲生主编,机械设计基础［M］.北京：

高等教育出版社,2006.5.

[9]机械设计手册编委会.机械设计手册新版2,3卷,机械工业出版社,2004.