人机界面设计案例
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，进一步完善了椭圆机的设计理论。当前，健身器材的使用越来越普遍。但是，我 国的健身器材起步较晚，产品档次和技术含量低，与世界先进水平相比还有较大差 距。椭圆机的人因工程学设计准则的提出及其主要设计参数选择范围的研究，是我 国的椭圆机设计赶超世界先进水平的基础工作。
两
种
不
同
结
构
形
式
的
椭
圆
b
机
1
案例 考虑人因工程学的椭圆机设计
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
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。
活动把手的轨迹应与运动时人手的实际轨迹尽可能一致，图6 为5 位受测者 （分别为身高155 女性、165 男、169 男、169 男和170 男，单位：㎝）在跑步 机上运动时腕关节的实测轨迹。从图6可见：各曲线的曲率中心在其上方，位置随 受测者身高不同而变化，身材越高曲线位置越靠上，形状大体相似，可用一簇互 相平行曲线段来拟。
图2 曲柄滑块机构
图3 曲柄摇杆机构
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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
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案例 考虑人因工来自百度文库学的椭圆机设计
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。
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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
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案例 考虑人因工程学的椭圆机设计
中等身材的人群密度高，可取中等身材的人的手腕实测轨迹来设计把手 的轨迹。目前，椭圆机产品其把手轨迹的曲率中心在曲线下方，可做进 一步改进。
图5 把手位置示意图
图6 手腕运动轨迹实测图
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案例 考虑人因工程学的椭圆机设计
4结束语 将人因工程学原理应用于椭圆机的设计中，提出椭圆机的人因工程学设计准则
a 图4 踏板、小腿间夹角极值示意图b
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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 = 1 22Iω（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，加大飞轮的角速度。一般情况下，飞轮半径取15～30cm，重量6～12kg。
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。
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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。
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。
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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。
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。
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构
形
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的
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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
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。
活动把手的轨迹应与运动时人手的实际轨迹尽可能一致，图6 为5 位受测者 （分别为身高155 女性、165 男、169 男、169 男和170 男，单位：㎝）在跑步 机上运动时腕关节的实测轨迹。从图6可见：各曲线的曲率中心在其上方，位置随 受测者身高不同而变化，身材越高曲线位置越靠上，形状大体相似，可用一簇互 相平行曲线段来拟。
图2 曲柄滑块机构
图3 曲柄摇杆机构
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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
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案例 考虑人因工来自百度文库学的椭圆机设计
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。
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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
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案例 考虑人因工程学的椭圆机设计
中等身材的人群密度高，可取中等身材的人的手腕实测轨迹来设计把手 的轨迹。目前，椭圆机产品其把手轨迹的曲率中心在曲线下方，可做进 一步改进。
图5 把手位置示意图
图6 手腕运动轨迹实测图
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案例 考虑人因工程学的椭圆机设计
4结束语 将人因工程学原理应用于椭圆机的设计中，提出椭圆机的人因工程学设计准则
a 图4 踏板、小腿间夹角极值示意图b
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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 = 1 22Iω（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，加大飞轮的角速度。一般情况下，飞轮半径取15～30cm，重量6～12kg。
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。
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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。
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。
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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。
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。