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1、新型折叠健身车的设计方案第一章 绪论1-1 研究动机 每天能养成规律的运动习惯和适当的休闲娱乐，可以促进体适能、减少各种心血管疾病，不但对身体有好处，更可提高工作效率，达到事半功倍的效果。其中，有氧运动可以改善心肺耐力与减少身体脂肪，并适当提升肌力与肌耐力。有氧运动是指在运动时，呼吸是成规律性的呼气、吸气，肌肉是呈现规律性的紧张、放松相互交替，长期从事有氧运动可使肌肉线条修长、匀称，如慢跑、健走、骑脚踏车等运动皆是有氧运动，而有氧运动除可加强心肺功能外，并可促进人体新陈代谢。 老年人因骨骼机能的退化，慢跑、健走时下肢容易承受来自地面的冲击力，造成一般影响行走能力之膝关节炎及体关节炎，以上两种皆
2、会使关节疼痛及变形，进而影响正常步态。体关节炎产生之不正常步态情形为上半身过度向患侧侧移及另一侧骨盆向下掉，如图 1.1 所示；膝关节炎产生之不正常步态情形为步速变慢、步长缩短、两脚步宽变宽、两脚站立期与摆荡期皆增长。另外，脚踏车的两轮设计对老年人产生害怕与不安心感以致于容易产生跌跤的危险。 健身器材的种类很多，小至重量训练用的沙包、哑铃，大至直立式固定脚踏车，皆属于健身器材，甚至像机械构造复杂的跑步机、椭圆机等，都归纳于健身器材的范围中，也因为大众的需求越来越多，让我们更有很多机会接触到这些健身器材的机会。其中，椭圆机的运动过程中没有撞击地面所产生的冲击力，这对关节不适的人而言，是相当适合的
3、低冲击性运动器材。又如跑步机、椭圆机等运动器材只限于室内使用，且价格昂贵、体积太大，使得一般家庭室内无法有摆放空间。所以本项目将针对现有椭圆机的步态驱动机构做完整的收集以及分析，设计出具椭圆步态驱动机构的新型折叠健身车，以达到椭圆机原本健身的功能及改善其缺点。 1-2 椭圆机相关研究 椭圆机主要能以全身性运动，平滑顺畅地模拟跑步或是走路，并且减少跑步及走路时来自地面的冲击力，对于刚开始使用健身器材的人们而言，是非常错的选择。针对椭圆运动机搜集及分析现有专利，归纳出其设计需求及设计限制，再经由系统化的设计程序，根据功能需求合成并评估可行的新型椭圆运动机构想，选定新型构想后，配合所订定的需求运动曲
4、线，合成出新型椭圆运动机各参数尺寸，完成新型椭圆运动机的运动设计。其新型椭圆运动机的特性有一、脚踏板位置的曲线为近似椭圆形的封闭曲线，其跨距长与高度符合一般人的跨步距离；二、曲柄的位置在使用者前方，使用者可以更自由的伸展运动；三、所有杆件皆为连杆，没有滚子或滑件所造成的噪音及磨损的问题。归纳国外有关椭圆运动机结构专利资，配合人体行走轨迹，以数学推导方式进行改良式；六连杆椭圆运动机，使其运动轨迹最佳化，并根据文献计算后得到的数据，作为椭圆运动机的尺寸需求与限制椭圆轨迹长轴长 475mm525mm、长短轴比值为3，为得到类似于登山的效果，椭圆长轴角度上扬 10，手握杆摆动角度约40，手握把摆动距离
5、约384mm。以10位成年男女进行摄影拍摄分析，观察行走时脚跟的轨迹变化，建构出合理的椭圆运动轨迹，设计出可以符合人类正常步态之四连杆椭圆运动机。由文献可知，在进行椭圆运动机结构设计时，人体步态轨迹是必须考量的，唯有符合人体工学之设计，才能给予人体舒适的使用感与最低的运动伤害。21-3 研究目的 本研究将针对大众利用椭圆机的步态驱动机构，结合脚踏车的构造，设计出一台能健身、休闲、代步且方便的新型折叠健身车，提供其规律的运动和适当的休闲娱乐，以提高人们对生活的质量与乐趣。其步态是以人体最自然行走的方式，搭配椭圆机的步态驱动方式，减少地面对下肢的冲击力。三轮式的车身设计，在于改善骑脚踏车时跌跤的危
6、险。 3第一章绪论1-1研究动机1-2文献回顾1-3研究目的第二章设计步骤2-1研究方法与步骤2-2设计规范2-3概念设计2-4结论第三章具体设计与实作测试3-1三轮式车身3-2步态驱动系统3-3多功能转向系统3-4实作测试与改良设计3-5结论第四章步态驱动机构的概念设计4-1设计程序4-2概念设计4-3结论第五章步态驱动机构的具体设计5-1步态观察方法5-2订定运动需求曲线5-3步态尺寸合成5-4结论第六章结论与建议6-1结论6-2建议第二章 设计步骤 2-1 研究方法与步骤 为满足大众需求和设计考量，新型折叠健身车的研发，从产品开发与工程设计的程序来进行设计。整个设计流程如下图所示，包括：
7、一. 需求的确认与任务的界定、二. 概念设计的产出、三. 具体设计的建构、四. 模型的细部设计、以及五.原型机的实作与测试等。其方法与步骤如下步骤一、需求的确认与任务的界定 首先是收集有关椭圆运动机、步态驱动机构等相关的学术论文、技术报告、参考书目、以及专利文献，并进一步整理与分析。其次，进行市场的调查与分析，一般产品的设计之所以被市场放弃的重要因素，主要在于缺少使用者之需求与意见的考量。再者，规划和理清设计需求与限制，透过文献研究与市场分析来认识问题、定义问题，以规划和理清设计需求与限制，并确立设计的目标和规范。最后，订定功能规格，将设计规范与产品特点转化成量化的功能规格表步骤二、概念设计的
8、产出 在概念设计阶段中，我们将根据上述所得到的设计需求与限制、功能规格，着手进行新型折叠健身车的概念设计与分析选优。首先将上步骤所建立的系统功能分解为三轮式车身、可调式步态驱动机构、三种使用模式的多功能转向系统等次功能，因这些次功能组成较具体、明确的能量、材料、及讯号流程，并辅以步态驱动机构等技巧，可初步找到可能的技术解决方法；再由次功能的解决方法组合成次系统及系统：再者，将解决方案组合稍加具体设计，将系统配置、重要零组件规格、重要功能组件之设计参数找出来，以技术、市场、及成本考量选择暂时的最佳设计方案，并撰写概念设计的报告。5本研究主要以大众为设计考量，发展出一套设计方法，以研发出新型折叠健
9、身车，然后进行分析选优、制作原型机，并进行实作与测试。因此，本章首先建立一套新型折叠健身车的设计程序，再根据其流程，建立设计规范和概念设计，而整体的具体设计与实作和测试则于第三章介绍步骤三、具体设计的建构 本步骤主要在于将概念设计的最佳解决方案具体化，包括整个新型折叠健身车等模型的建构，并确认系统配置、重要零组件规格、重要功能组件的设计参数和其供应来源。在此具体设计步骤，主要进行尺寸设计以及实体模型的建构工作，其中含有零件建构、组合件装配、与工程图制作。此步骤的方法是以运用 CAD/CAE 的 Solid Works 软件来进行具体设计。因 Solid Works 采参变数合并运用并以特征化的
10、方式进行实体模型的建构工作，其中含有零件建构、组合件装配、及工程图制作等三部份基本模块，所有几何资料透过单一资料库可以达到双向的资沟通与传递更新，完全符合同步工程的设计要求。6步骤四、模型的运动仿真与细部设计本步骤是将上步骤所建构的新型折叠健身车的实体模型 ， 采Solid Works进行其运动模拟、检查错误、干涉，消除设计缺点、及降低成本。 步骤五、原型机的实作与测试 1. 实作将Solid Works软件建构之实体模型的所有零件制作成工程图，进行加工、组装，制作出新型折叠健身车的原型机，并建立详细的零件图及材料表和撰写生产、组装、操作说明文件。 2. 测试 当新型健身车实作完成后，本研究将
11、就下列项目进行测试。 （ 1）驱动能力：主要是针对驱动系统进行测试，观察使用者是否可以无碍地驱动前进、驱动动作是否顺畅等。 （ 2）最大速度：测试折叠健身车前进时的最大速度。 （ 3）爬坡能力：测试折叠健身车于爬坡时的最大角度。 （ 4）刹车性能：主要在测试折叠健身车刹车性能，观察在各种速度之刹车的时间及距离，及所需施加于刹车装置力量是否适当。 （ 5）转向性能：主要在测试转向难易度，观察在各种行进速度的转向动作是否顺畅、及转向操作的难易度等。 （ 6）舒适度：主要在测试折叠健身车行驶时，所产生的振动于使用上的舒适程度是否恰当，以及各种人机接口是否符合人因工程设计。 （ 7）稳定度：测试折叠健
12、身车于前进、转弯、及刹车时健身车的稳定情形。 尤其，在各种颠簸路面、速度的转弯、刹车时是否有翻覆的疑虑。 （ 8）安全性：测试折叠健身车的安全性，检查其结构是否坚固及可承载之重量，并检视各运动杆件，运动时是否对人体有危险性。 72-2 设计规范 根据第一章对椭圆机的步态驱动之文献研究的结果，本项目开发的新型折叠健身车，其目的主要是结合现有椭圆机以及自行车的优点与市场优势，并将其提升到完善的境界，以实现更便利、更舒适、以及新型健身车的出现。 新型折叠健身车是针对脚踏车的外型构造，结合椭圆机的步态驱动机构，目的在改善跑步机、健身踏步车、椭圆机等运动器材只限于室内使用，且价格昂贵、体积太大等缺点，但
13、仍须保留自行车其操作简、可移植性、及具有很好的转向系统等优点。因此，以下将对新型折叠健身车确立设计规范和特点并撰写量化的功能规格表(表 2.1)： （ 1）稳定安全的三轮式车身增加安全感及稳定平衡性，让使用者会感到害怕与安心感。 （ 2）可调式步态驱动机构要能省力且需符合人体自然步态，能长时间操作，不会造成运动伤害；并且步态驱动机构的设计要简单、维修要容易、操控要简易。+ （ 3）三种使用模式的多功能转向系统转向操控要直接且位移要明确，并提供三种不同的使用情境。 表2.1 功能规格描述1. 可行驶路宽0.5m的道路。2. 最大的前进速度达10km/hr。3. 可爬行约7的坡道。4. 最大前进速
14、度时的刹车距离为25cm。5. 双手操控转向把手向左、向右为20的最大转向角度。6. 回转半径为2.5m的圆周运动。根据上诉的设计规范与功能规格，新型折叠健身车分为三轮式车身、可调式驱动机构、多功能转向系统进行其概念设计，以产出健身车的概念设计。82-3 概念设计 1. 稳定安全的三轮式车身 为考虑骑乘的安全和稳定性，是以三轮方式进行车身结构与稳定性设计。其前轮是两轮设计，具有轮距调整器，可依路况或个人喜好，调整两轮宽度，窄者骑乘较灵活且可适应小巷道或田间小路，宽则增加其稳定性。前轮亦具有特殊机构设计，可适于颠颇的路面，故其但安全舒适，因其稳定平衡佳，需任何机构即可随时随地停放，具较高的机动性
15、和便利性。亦适合孩童使用，故可符合全家运动休闲娱乐的生活要求，能促进家庭和谐，享受天伦之乐。2. 可调式椭圆步态驱动机构 本设计的驱动系统是四连杆之椭圆步态驱动机构，其设计的出发点是模拟人行走时的运动步态轨迹，良好的设计可以提供脚部与手部作近似慢跑的动作，可进行全身性运动，同时可避免地面对下肢的冲击力，可减少膝关节损伤，是有效的有氧适能训练方式，适合作心肺耐力、肌力训练、以及户外活动。 本设计的步态轨迹是利用步态微调器来进行每隔 45度之8个位置的调整，及可调位置的踏板设计，用以改变驱动者的跨距和步态轨迹，以配合使用者的习惯。3. 三种使用模式的多功能转向系统 本设计的转向系统设计，创造出定点、定轨迹、代步等三种使用模式，但能在室内做运动，也可到户外进行休闲、购物等活动。其中，定点、定轨迹的模式时，健身车即是一种椭圆机的运动方式，以手脚并用之慢跑运动动作，以驱动椭圆步态驱动机构。在定点或室内时可以用支撑架撑起整个后轮，让使用者在
