电动跑步机的人机工程设计

机械 ２００４年第３１卷增刊 ?１７? 电动跑步机的人机工程设计 徐华文，李文峰 （武汉理工大学 物流工程系，湖北 武汉 430063）
摘要：利用人机工程学的理论和方法，深入研究电动跑步机的人机工程设计，阐明了跑步机的合理布局和其本身机构设
计时应符合人机工程学的有关要求。
关键词：跑步机；人机工程；设计 Ergonomics design of the motorized treadmill Abstract:
The paper use the theory and method of Ergonomics to lucubrate ergonomics design of the motorized treadmill,
illustrate the layout of treadmill and make the design accord with the request of Ergonomics.
Key word: treadmil；ergonomics；design

随着人们生活水平的提高，人们对身体越来越关爱，
更多地进行体育锻炼。健身器材作为进行健身活动的重要
工具之一，越来越受到人们的喜爱。跑步是最方便、最简
单的有氧健身锻炼方式，它可以促进人体血液循环，增强
心肺功能，发展肌肉力量，在慢跑时更能消耗人体脂肪;
在健身运动中，跑步最受人们的喜爱，跑步机成为人们最
受欢迎的健身器材。
人机工程学是本世纪50年代发展起来的一门新兴
学科，它由人体科学、工程技术、环境科学、安全科学和
社会科学等交叉而形成。人机工程学研究人和机器及环境
的相互作用，把人的因素作为产品设计的重要条件和原
则，使设计出的机器操作简便、省力、安全、可靠高效、
舒适。当前，人机工程学的研究和应用越来越广泛。人机
工程学的研究成果对于电动跑步机的设计有着非常重要
的意义。在人机这一系统中，人是核心因素，电动跑步机
的设计应符合人的生理，心理特点，在这方面的考虑失误，
可能会影响人们的健身效果，甚至会影响人们的安全、健
康。 1
人体尺寸百分位数运用的基本原则 电动跑步机的设计应符合人体的尺寸，这是很容易
理解的。但是由于受人的年龄、性别、种族、地区等因素
的影响，人的身材大小各不相同，那么该用哪一种身材的
人作为跑步机设计的依据？在对人群进行统计性的人体
尺寸测量时，各种身材的人 频数分布状态（出现率）用
百分位数表示。在国标GB10000中分别给出了不同年龄
段第1、5、10、50、90、95、99百分位的人体尺寸，在
跑步机设计中，常用的是18~60岁年龄组的第5百分位数
和第95百分位数，它考虑了绝大多数的使用者群体。

按人体尺寸确定相关结构与空间的尺寸的原则为：
（1）容空间尺寸设计按第95百分位数（P95）

包容空间是指以人为中心，包容人体（或某部分）的
空间。例如：最小作业空间（区域）、通道、维修空间、
肢体自由活动空间、门、舱口等，对于这类空间，要求其
能包容大多数人，按大身材人设计，小身材的人当然也就
包括在内。
（2）被包容空间尺寸设计按第5百分位数（P5）

被包容空间是指以人为中心，被人体（或某部分）所
包容的空间。例如，肢体的可及范围、椅面高度、搬运物
的宽度等，对于这类空间，应使小身材（P5）能包容其空
间，大身材人当然也就没有问题。
（3）最佳工作区位置尺寸按第50百分位数（P50）

在包容与被包容关系中，要求空间适应人的极限状
态，而对于某些频繁使用的操纵器，则是希望能以最舒适
的状态来进行操作，才不容易疲劳，并达到准确和高效。
例如，重要的、使用频繁的或需精细操作的开关、旋钮等
控制器的设置，各类机械主要操作手柄的设置等。这时应
按中等身材人设计，因第50百分位附近，人的密度高，
可使多数人处于舒适、高效的作业状态下。
（4）可调节结构尺寸的调节范围为第5至第95百分
位数
由于人体尺寸的差异，欲使每个工作者能处于一种
舒适、准确、高效的工作状态，则应将有关节结构设计成
为可调节的，例如，与控制台有关的座高度和脚踏板的高
度等，应是可调节的，其尺寸应以P50为基准，调节范围
扩展到P5
至P95。 2 电动跑步机的人机工程设计 ?１８? 机械 ２００４年第３１卷增刊
最早的跑步机是没有动力的普通跑步机，在这种跑步
机上跑步时，需要用力蹬踏跑步机来完成运动，跑步的姿
势不够自然，运动难以协调，效果并不理想。而应用人机
工程学设计的电动跑步机，人们在跑步时，感到轻松、自
如，运动状态更贴近自然运动状态。跑步机主要由以下部
分组成：底架、跑步带、电机、电机盖、立架、扶手、以
及电子显示器。如图1所示。





图1 跑步机
2 .1跑步带
跑步带是电动跑步机的一个重要部件，跑步带的性能
好坏直接影响着跑步机质量，影响跑步效果。要求跑步带
抗延展性好，使用寿命长，不易变形。因此跑步带可以采
用双层PVC+单层胚布材料。跑

步带的尺寸应满足跑步这
一功能的需要，长度方向应让人能轻松迈开步伐，设计为
1300 mm；宽度应按照人体尺寸P 95的肩宽来确定，加上
余量，设计为450 mm.。
2. 2电机
电动跑步机在电机选用上应根据跑步机的应用场所
来决定，家用的功率选小一点，而健身房的则选大一点。
家用一般为2HP以上，健身房的一般在3HP以上，这样
会防止电机的功率小，而产生小马拉大车的现象，造成电
动跑步机不堪重负，容易损坏。
2. 3底架
底架主要由两边底管、跑步板和前后轴滚筒组成。底
管的长度由跑步带的长度和马达的长度来确定，既1300 +
400 = 1700 mm。底管是承担人体重量和跑步时动载荷的
主要零件，因此必须要有足够的刚度，保证人体站在跑步
带上不变形，跑步时，不会发生颤动和振动，产生噪音。
跑步带的下面是跑步板，为了减轻跑步时对人体的冲击，
可在跑步板上装有缓冲橡胶垫。底架与地面之间采用高密
橡胶垫，可减轻震动和噪音。电动跑步机的底架高度应该
尽量降低，减少使用者（特别是老年使用者）使用时的危
险性；电动跑步机前面带有调节高度的升降电机，调节整
个跑台的倾斜角度。
2. 4扶手
扶手的作用主要有两个：一是在跑步时，用手扶在
上面，防止身体不稳定晃动而出现意外；二是不跑步时作
双臂曲撑运动,锻炼上肢肌体。扶手的高度必须与运动者
的身高相适应，扶手太高，作双臂曲撑运动时，感觉不安
全；扶手太低，作双臂曲撑运动时必须缩着小腿。因此，
扶手的高度一般按P95的立姿肘高的尺寸进行设计。扶手
的最大高度可由下式确定：
H=A+B+C=1096+200+25= 1321（取1320）
式中：A为立姿肘高；B为底架高（包括底架本身高
度和距地面高度）；C为修正量。
上面确定的扶手高度是指最大高度。为了使大部分人
处于舒服的状态下，也可以考虑按P50的尺寸来设计，这
时扶手的高度应为1250 mm，但同时将立柱结构设计成为
可调节式的，调节范围为P5
至P95。这样每个人可以按照
自己需要的高度来调节扶手高度。
扶手的形状设计：有很多跑步机的扶手设计成为直
杆式的，在跑步时，用手抓住杆部，由于扶手的高度高于
人的肘部，所以臂部必须上举，会使肩、背及手部肌肉承
受静负荷，时间长了，导致疲劳；同时手腕处于掌屈、背
屈、尺偏等别扭的状态时，就会产生腕部酸疼、握力减小，
如长时间这样操作，会引起腕道综合症、腱鞘炎等症状。
如果设计成弯曲的形状，那么跑步时，手抓住弯曲的部分，
可以使手臂不必抬得太高，减少了抬臂产生的静

肌负荷，
同时，也让手腕顺直，腕关节处于正中的放松状态。扶手
的材料一般采用圆管或椭圆管，它的大小应让人握着舒适
为宜，直径为30~35mm。扶手上采用发泡塑料做成的扶
手套，可以提高使用者在抓握时的舒适感。
2. 5电子显示器的布置
电子显示器的功能是包括：跑步速度、跑步时间、跑
步距离、心跳数和能量消耗数。这些功能都为跑步机的人
性化设计提供了必要的保障。这些功能的实现部分采用了
先进的智能传感器技术和数字信息技术，使该产品的设计
表现出了智能美的技术要求。
使用视觉显示装置，在于迅速、方便、准确地提供视
觉信息，因此，电子显示器的布置应根据人的视觉特点，
按最佳观察方式进行，方能提高视觉认读效率和精度。显
示器的位置由在使用该器材时人眼与显示装置面板的距
离决定。面板与人眼的最适当距离为650mm左右。显示
器与水平面保持25~30度的倾角，使显示信息的面板尽可
能与使用者的视线垂直，以保证获得最高的精度。
2. 6 材质设计
质地美不取决于材质本身的高级和贵重，而在于恰与机械 ２００４年第３１卷增刊 ?１９?
其分的运用材料，增加跑步机的外观艺术效果。电动跑步
机各主要部件采用的主要材质为：机身和立架采用普通碳
钢管及钢板；扶手套采用发泡塑料；电机盖和显示面板采
用工程塑料。主框架采用钢材使整个结构展现出朴素、坚
固的材质特性，使用者有很强的安全感。主框架的钢材表
面作烤漆工艺处理，使其表现肌理光滑而不明亮，给人高
雅之感。工程塑料的使用可利用注塑技术使电机盖和显示
面板的复杂造型得以实现，并表现出光滑、细腻的材质特
性。发泡塑料质感柔软、温暖，给使用者带来亲切感。
2. 7色彩设计
色彩不仅能表现产品的外观，而且更能表现产品的
精神。这就要求色彩与产品的功能、环境场所、使用对象
等因素统一起来，在人们的心中产生统一 、和谐的感觉。
电动跑步机主色调采用黑色，体现出产品的厚重塌实和使
用者对强健的渴求；同时，因为该器材多在室内使用，黑
色便于与周围环境的色彩进行搭配。显示器面板底色采用
深灰色，说明字符用白色，明度对比较强，使字符清晰度
高，易辨认。面板控制键和显示窗口的四周用淡蓝色装饰，
这样与深灰色底色保持协

调和统一。
2. 8 线形设计
电动跑步机除了具备物质功能外，还应该具备装饰
生活环境，体现生活品位的精神功能。良好的造型可以创
造产品的个性，提高品牌的价值，还能激发使用者的锻炼
热情。电动跑步机是一种通过跑步而获得锻炼的健身器
材，因此在它的造型设计时，必须充分考虑其造型的动态
特性。扶手和电子显示器的支撑架采用现代弯管工艺加工
出优美的流线造型；马达盖是由工程塑料通过现代注塑工
艺加工而成，其轮廓生动的曲线型。流线型的应用改变了
产品呆板、冷硬的造型效果，产生生动活泼富有运动趋势
的美感。这种设计使产品造型和产品功能得到了很好的统
一。 3
结束语 本文利用人机工程学的原理和方法，并根据“中国成
年人人体尺寸”作为基本依据，对电动跑步机的主要部件
的一些尺寸、形状、材质和色彩进行设计，使电动跑步机
具有良好的使用性，达到安全、舒适、健康。
参考文献： [1]GB/T 12985
—91.在产品设计中应用人体尺寸百分位数的通则.
[2]丁玉兰.人机工程学（修订版）[M].北京理工大学出版社，2000.
[3]庞志成，等.工业造型设计[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社.
1995.



制量：CV(n)=U(n)=U(n－1)+△U(n)=SV对副PID控制块
(FC1101)的SV无影响，实现了无扰动切换。 4
输出跟踪 对于配置了手操器的PID控制块应具有输出跟踪功
能，如图1所示。手操器有以下两种工作状态。
(1)手操器处于HM(手动)工作状态。当手操作器处于
HM工作状态时，PID控制块处于OP方式，即输出跟踪
开关切向YT位置。为了实现从有输出跟踪(YT)到无输出
跟踪(NT)状态的无扰动切换，在每个控制周期应使SV跟
踪PV，同时也要使PID差分算式中的历史数据E(n－1)、
E(n－2)等清零，还要将HV(手动操作量)赋给U(n－1)。
这样，一旦PID控制块切向正常工作状态，即无输出
跟踪(NT)时，由于SV=PV(即偏差E(n)为0)，PID差分算
式中的历史数据为0，故△U(n)=0而U(n－1)又等于切换
瞬间的HV值。这就保证了切换瞬间输出控制量的连续性，
即：CV(n)=U(n)=U(n－1)+ △U(n)=HV
(2)手操器处于HA(自动)工作状态。当手操作器处于

HA工作状态时，可以接收来自计算机的CV，此时PID
控制块处于正常的无输出跟踪(NT)状态。一旦人工将手操
器切换到HM状态，由于其已跟踪CV，从而实现了从NT
到YT的无扰动切换。 5
结语 目前连续生产过程的计算机控制仍然以PID控制为
主，按照上述无平衡无扰动切换原理开发的PID控制组态
软件已运用于过程计算机控制，大大降低在生产过程进行
PID切换中的干扰，保证了我们

乙烯各套装置稳定运行，
在我们乙烯“安稳长满优”生产活动中发挥积极作用。


参考文献： [1]
王锦标，方崇智．过程计算机控制[M]．清华大学出版社．
[2]曹润生，黄祯地，周泽魁．过程控制仪表[M]．浙江大学出版社．
[3]TDC-3000组态手册. （上接第
16页）