机械原理课程设计说明书——椭圆漫步机

机械原理

课程设计说明书

设计题目椭圆漫步机

机械工程学院机械设计及其自动化专业

设计者

指导教师

2009年12月28日

目录

一、设计题目 ···································································- 3 -

1.椭圆漫步机背景 (3)

2.设计要求 (3)

二、机构选型及评价 ........................................................- 4 - 方案1 .. (4)

方案2 (5)

方案3 (6)

方案4 (7)

三、机构设计 ···································································- 7 -

四、运动分析及仿真 ······················································- 10 -

1.踏点轨迹与标准椭圆比较图 (10)

2.踏点位置与标准椭圆比较表 (11)

3.位移、速度、加速度分析 (14)

4.运动仿真 (17)

五、结果分析 ·································································- 18 -

六、个人体会 ·································································- 19 -

七、参考资料 ·································································- 20 -

八、分工·········································································- 21 -

一、设计题目

1.椭圆漫步机背景

椭圆漫步机是一种非常实用的纯机械健身器材, 它具有活动下肢及脊椎各关节，抻动肝、脾、肾、经脉，增强人体上肢肌肉耐力和四肢协调能力等健身功能，特别是对下肢减脂有针对性效果。下图1所示为某公司生产的YC-LJ-25型号椭圆漫步机,其占地空间为（长×宽×高）1360×600×1587mm。图2为运动轨迹图。锻炼方法：两脚踏于座板上，两手握住手柄摆动，往复运动。

图1 图2

2.设计要求

1)双脚的椭圆轨迹长轴为50cm，短轴20cm，要求实现的轨迹为标

准椭圆或近似椭圆（偏差小于5%）。

2)动力源手动或者自动。

3)保证运动者在机器上有舒适的锻炼姿势，整个身体要协调。

二、机构选型及评价

方案1

图3

优点：

采用了发电机提供动力，可以让使用者更加省力，而且可以通过调速设备来调节运动的快慢，使椭圆漫步机由手动走向自动化。

缺点：

需要供电，不适合在户外作为公共基础设施以及一些其他无法持续供电的地方使用，具有一定的局限性，而且不经济。

方案2

图4

该方案为在原有的题中给出的机构上扩展而出的，将原先的四杆机构转变成六杆机构，使得椭圆漫步机稳定性更强，更耐用。但是因为与原机构太过相似，不具有创新性。

方案3

图5

此方案是通过运动链再生的方法获得的，同样是更稳定的六杆机构，而且更加具有一定的创新性，但是因为前段通过滑块连接，使得该机构显得比较不协调。而且前端的滑块也不便于生产安装，且占用空间面积较大，不适合室内使用。

方案4

图6

此方案不但具有一定的创新性，而且踏点轨迹稳定，不但符合人行走的轨迹，而且更贴近题目要求。而采用铰链连接代替滑块，又消除了方案三中的缺点。

综上所述，我们选择方案4作为最终方案。

三、机构设计

对于方案4的尺寸设计，我们根据其运动规律，将其分为手扶和脚踏两个部分，踏板为原动件，因此手扶部分并不影响脚踏部分的运

动轨迹。这样一来，该机构就由六杆机构求轨迹问题简化成为四杆机构的轨迹求解。

在脚踏部分，我们先利用题中所示的椭圆轨迹的上，下，左，右四个顶点作为已知点，得出四杆机构的四个已知位置。我们知道，通过四位置综合求解，是可以得出精确的四杆机构位置的。因此，通过解析法解几何方程，我们找到了踏点的位置，在图7中用红色圆圈表示。 方程：25150101502522÷⨯-+=x ，

解得 x=91.24

由此，我们得出踏点轨迹，显然，该轨迹为椭圆或者一近似为椭圆的曲线，该结论在稍后得到了证实。

图7

在此之后，为了得出踏点的真实轨迹，我们又利用解析法，对踏

点的运动轨迹列出了二次方程，并利用matlab软件进行了轨迹的曲线绘制，发现该点的轨迹的确符合题目要求，为一近似为椭圆的曲线（图详见分析与仿真部分）。到此，踏点位置的确定一段落。接下来，我们开始了手扶部分的设计。手扶部分不光需要考虑到人体的协调，还要考虑到人的身高及手臂长度，使得使用者可以比较舒服的使用它进行锻炼或者休闲。所以我们没有将手扶部分放在整个机构的最前端，因为最前端与踏点最远将相隔近一米五左右，不符合人体的运动协调性及实际情况。因为实际条件不允许，所以我们只对周围人进行了一些臂长的采样，虽然比较少，但是仍不失普遍性。通过结果分析我们发现大家的臂长大多集中在50~60㎝这一范围内。因此我们把展开的最远距离确定到了这一区间，又为了方便确定手扶部分的位置，将其与脚踏部分的连结铰链点放在了踏点位置的下方。这样，通过简单的几何关系，就得出了手扶部分的位置。到此，该方案椭圆漫步机的整体尺寸就定下来了。下图8为椭圆漫步机方案4的整体尺寸。