人机界面设计案例.ppt

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1、案例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两种不同结构形式的椭圆机1.椭圆机的基本要求为：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，同时兼顾锻炼者的快走、慢跑、快跑等不同速度运动时的情况；2）把手所形

2、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）椭圆机的结构尺寸符合锻炼者的人体尺寸；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；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。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.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种尺度。案例考虑人因工程学的椭圆机设计案例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18～60岁年龄组的第95百分位数和女性18～55岁年龄组的第5百分位数，作为尺

3、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1、表2所示。案例考虑人因工程学的椭圆机设计3.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2、3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，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2形式的活动把手设计稍复杂。图2曲柄滑块机构图3曲柄摇杆机构案例考虑人因工程学的椭圆机设计3.1踏板轨迹的设计为使人在

4、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一定的差异。3.2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，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

5、的距离约为5cm或者是一个拳头的大小，设计可以此作为参考。案例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70～90°，下摆（脚掌弯曲）范围为90～125°，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4为实测的简易椭圆机踏板与小腿间夹角极值，极小值a约为63°，极大值b约为100°，a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ab图4踏板、

6、小腿间夹角极值示意图3.4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；为保证锻炼者在上、下椭圆机时的安全，设计一个固定把手。案例考虑人因工程学的椭圆机设计3.3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，须设计飞轮装置。飞轮能量大小可表示为：E=122Iω（I为转动惯量，ω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

7、速度。一般情况下，飞轮半径取15～30cm，重量6～12kg。案例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P95的前臂功能最小尺寸；也不能太远，最远距离不能超过女性P5的上肢功能最大尺寸。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2中坐姿数据，如图5所示，大于男性P95前臂功能尺寸区和小于女性P5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。活动把手的轨

8、迹应与运动时人手的实际轨迹尽可能一致，