心肺功能訓練機之研發
徐正會、洪若桐
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國立台北科技大學機械工程系 副教授
國立台北科技大學機電整合研究所 研究生
摘要
本研究係關於新型心肺功能訓練機產品之研發，其主要目的是以Top-down design的設計原理來進行設計與研發，以期發展出具有創意且多功能的運動器材。本研究針對各種類型之踏步機及腹部運動之相關文獻[1]，進行廣泛之蒐集並加以妥善地分類與分析，參考此分析結果，重新設計出一款整合二項功能的心肺功能訓練機，其最主要的功能包含踏步運動及腹部運動。
本研究依據創新機構設計流程，首先定義出主要之功能需求，再依照主要功能及需求尺寸來設計心肺功能訓練機的基礎架構，在架構完成後，設計一組機構來整合各項功能。最後在產品生產前，必須考慮各項成本、外觀設計以及依消費者的心態作考量，再將產品作適當的改變。
本研究並以Pro/ENGINEER繪製所設計之心肺功能訓練機之3D零件圖與3D組合圖，之後再利用Pro/MECHANISM 進行運動模擬及驗證心肺功能訓練機之作動情形，最後依3D的CAD模型製作出實體成品。
關鍵字：踏步機、腹部運動、階梯機、連桿機構
1. 前言
由於現代人的生活水準快速提升，在追求物質享受之後造成身體上的負擔，如：體重過重、體脂肪過高，嚴重影響心肺功能，因此越來越重視健康下，許多與健身有關的產品應運而生，全世界健身器材的需求也正逐年成長中。越來越多人需要使用健身器材來鍛鍊心肺功能，以保障他們的健康生活，目前市場上依不同的鍛鍊需求有各式的健身器材供選擇，健身器材的優點包括[2]：
1. 可在室內使用而不受天候影響。
2. 居家使用可不受時間及外在環境因素的限制。
踏步是目前國際流行並被醫學界和體育界給予高度評價的有氧健身運動，是保持一個人身心最有效、最科學的健身方式，也越來越受到大家喜愛。但由於環境的限制，無法享受腳踩泥土、貼近大自然的跑步，所以踏步機就成了健身者的首選。
市售通稱為踏步機之產品，主要是站姿，用於鍛鍊下肢大、小腿的健身器材，且健身器材本身操作容易不需額外的訓練，有些類型的設計亦可同時有鍛鍊上肢的運動。而隨著時代的演進，許多的產品甚至產
業都漸漸朝向整合的趨勢，多用途的產品大幅地出現在市面上，業者不但發展出另一波商機，也讓消費者能夠同時享受到多種服務。因此本研究將研發出具有踏步功能及腹部運動功能之運動健身器材，讓使用者能夠達到有氧踏步運動及腹部運動的效果。
在本研究的設計流程中套入Top-Down Design的設計觀念[3]，即在設計的過程中，盡可能地使用由簡而繁、由大而小的設計概念。我們在實際設計的案例中往往不單單只是設計一組零件，而是設計數個具有組合關係的零件。因此，在設計產品時往往需要具備產品的整體概念。首先必須瞭解欲設計的功能，瞭解後得決定整體形狀，再以簡單的線條畫出各項功能大概的樣式以及尺寸大小。有了各項主要功能的樣式之後，即可開始利用3D繪圖軟體建立3D的模型零件圖及組合圖，在建立電腦模型時，一些基本尺寸與零可以參考市面上容易購得材料，比如管件的管徑與彎曲尺寸。建完電腦模型後，接著設計一些較關鍵性的機構，比如桿件之間的連接機構以及重要功能的零件等。
2. 心肺功能訓練機之設計需求
過去健身器材使用者最主要動機為減肥與鍛鍊肌肉，但目前已有越來越多使用者是基於其他理由而使用健身器材，特別是新加入之高齡使用者。以近年來需求發展情形，可歸納與推估出幾個重要的現況與未來之趨勢：
1. 年齡45 歲以上的健身器材使用人口持續增加中，給健身器材產業帶來新的市場拓銷機會。 2. 越來越多的旅館、大專院校、公司、醫院及公家機關都提供室內健身器材運動中心供大眾使用，使健身器材運動在社會已完全平民化。
3. 「低負荷(Low Impact)」健身運動被廣泛提倡，能提供符合這種低負荷、低衝擊健康運動所需要的健身器材，將更受青睞。
心肺功能訓練機主要是用於鍛鍊下肢小腿及腹部的健身器材，且現有的設計大多為站式，緣此，本研究即設計一複合式心肺功能訓練機之健身器材，所訂定之設計需求如下：
1. 本研究所設計之心肺功能訓練機，在踏步功能方面，其必須讓使用者之腿部能夠確實伸縮達到有氧運動之功能，且踏步過程需符合人體之習慣性動作，當左腳抬起後同時右手伸起，反之亦然。
2. 在腹部運動方面，需考慮腹部運動的運動幅度，避免運動不足或太過量而受傷。
3. 在零件合成尺寸方面須符合人因工程，例如雙腳最舒適之距離及座椅角度之選取等等。
4. 本設計之心肺功能訓練機，必須針對安全性、操作容易及可行性等原則進行設計。
5. 爲降低製造成本，機構設計需朝簡單及加工容易為原則。
3. 心肺功能訓練機之機構設計
本研究係關於新型心肺功能訓練機產品之研
發，其主要目的是以Top-down design的設計原理來進行設計與研發，以期發展出具有創意且多功能的生活產品，在設計產品時往往需要具備產品的整體概念。首先必須瞭解欲設計的功能，瞭解後得決定整體形狀，再以簡單的線條畫出各項功能大概的樣式以及尺寸大小。本研究合併踏步功能及腹部運動功能之訓練機，如圖一所示，為心肺功能訓練之線條概念圖。 3.1 踏步功能之機構設計
先決定使用者踏步運動雙腳的最大幅度，如圖二所示，依照擺動的最大幅度及符合人體工學踏桿之長度[4]，接下來可知兩邊踏桿擺動的最大角度，且為符合腳部之人體工學，腳踏板及踏桿取約150度之角度，如圖三所示。因兩踏桿擺動幅度稍大，踏桿長度會使得整體心肺功能訓練機體積過大，過於佔空間，故將踏桿設計成具有伸縮性，以利於非使用時之收納，如圖四所示。
3.2 手部握持之機構設計
人體踏步時，雙手自然擺動為最平常之現象，而在使用踏步過程中，讓雙手有握桿得以握持，使得使用者不需刻意改變踏步習性，且在踏步運動中增加使用者之安全感，符合人因工程中心理層面之設計。而雙手的擺動幅度，各人的習慣均不同，因此，手部握持需設計為可調整式，符合不同使用者之雙手擺動幅度，如圖五所示。
3.3 踏步機構之設計
在人體踏步動作具有此現象：人體為了保持重心的平衡，因此雙腳擺動的節奏恰好與雙手相反，假設當右腳舉起則左手自然會擺動至人體前方，反之亦然。為使心肺功能訓練機達到此動作，且須將前述之踏步機構及手部握持二種機構整合，因此將整合後踏步機構之轉軸設置於人體後方，以符合人因工程，模擬人體踏步之動作如圖六所示。
3.4 坐椅之設計
本研究之設計為坐式之踏步機構類型，因此坐椅亦需設計符合人體最舒適之角度，如圖七所示，坐椅與地面之夾角約為5度之傾斜。
3.5 腹部運動之機構設計
腹部運動為一種彎腰之動作，因此設計為背板導引人體達到腹部運動，在腹部運動之機構中，擬二種狀態為設計上之考量，第一種為當使用者作踏步運動時，背板必須固定不動，以利使用者使用上之安全性；第二種為當使用者做腹部運動時，背板在安全的狀態下則可隨使用者任意擺動。如圖八所示。
4. 心肺功能訓練機之尺寸合成及3D模型建立
心肺功能訓練機之基本構型已經設計完成，接著進行基本零組件的設計，在這個步驟中將決定零組件的尺寸及細部結構之設計。且進行3D電腦模型的建立，利用3D繪圖軟體Pro Engineer Wildfire進行心肺功能訓練機之繪製。如圖九所示為整體之3D模型。 4.1 踏步機構之3D模型
如圖十所示，為坐椅及主支架，二者可組合為一體若裝箱運用時可減小佔用之空間。而坐椅角度與地面呈5度之夾角，增加使用者之舒適性。如圖十一所示為踏桿，以方形內外管組合，使得踏桿能伸縮，以減少非使用時之收納體積，而在踏桿上設有相同距離之小孔，可調整使用者最適當之長度，管內設有彈扣，可固定調整後之長度。如圖十二所示，內管與踏板互相夾150度，以增加使用者腳部的安全性及舒適性。踏管下方設置一組阻尼器，增加踏步時之負荷，以達到訓練之效果。
4.2 手部握持桿之3D模型
為求整體之美觀及減少使用上所佔之空間，將手握持之桿設計如圖十三所示。而調整握桿角度之機構，則以一組齒輪箱嚙合，齒輪中設一彈簧，齒輪外設一旋鈕確保齒輪間的嚙合，如圖十四所示。圖為三個不同之角度時握桿狀態。
4.3 腹部運動機構之3D模型
如圖十五所示，背管與座椅管以銷相接，拉力橡皮設置於座椅下方，使用者手握持住上方把手輔助背板進行腹部運動。把手上設有彈扣方便拆卸，而當使用者非進行腹部運動時，可將手把下放，避免進行踏步運動時使用上的不方便，如圖十六所示。
5. 心肺功能訓練機之實體製作
於前述中完成心肺功能訓練機之合成與分析後，為確認新設計之心肺功能訓練機車在實際使用上有無問題，必須將實驗模型製造出來，以達到驗證之目的。製作模型的另一個目的是將設計好的產品公佈，藉於展示會等展示出新產品的樣式，吸引投資者的訂單。本研究在實際製作模型上使用許多業界的打樣技巧，因此在進行加工程序時相當順利，但除了產品動作正常之外，為了吸引客戶，在心肺功能訓練機的外型上必須作整體的修飾。而在零件製作之前，必須將各個零件的製作程序及工作圖準備齊全，如此在
加工製作模型時，才能達到事半功倍的效果。在這些工作中，部分精度需求較高的零件是委託給製造廠商製作，如此類的製作準備工作，就得針對此類型零件
的製程來建立工作圖，再交給製造商製作。有些零件可以使用基本加工工具機製作，如此類的零件在其它零件委託出去時，可同時進行製作，這類零件只要建立出製作者能了解的工作圖即可。
5.1 工具簡介
在完成電腦模擬後，接著要進行實體模型的製作，本研究所使用的設備有铣床、鑽床、線鋸機、手提式砂輪機、鋼鋸、焊接機、魚尾鉗、固定鉗、尖嘴鉗、及一些基本的手工具組，如活動鈑手、螺絲起子...等，因為產品打樣的精度要求不能太低，因此部份零 件必須委外加工，委外加工的部份有管材彎曲及塑膠
件加工。
5.2 原型製作
如圖十七、圖十八、圖十九、圖二十及圖二十一所示，分別為整體狀態、踏板平放狀態、踏板最大擺動狀態、使用者踏步狀態及使用腹部運動狀態。
6. 結論
運動器材之產品研發係為一富有創意性機構設計的研究工作，本研究未來之發展方向建議如下。因應市面上消費者之消費方式較注重產品的美觀與方便性，未來建議在不影響其主要功能之下可犧牲部分小功能，或是能在新設計的外觀之下，增加功能。一項新產品推出，還必須確定市場的需求，未來在改良上，可設計出符合市場需求且更適合的運動器材。
7. 參考文獻
1. 徐正會、郭育銓，踏步機之回顧與分析，中華民國機構與機器原理學會第六屆全國機構與機器設計學術研討會論文集，連桿機構及生物機構學（一），虎尾，第217–224頁，2003。 2. 徐正會,郭育銓, “運動階梯機之機構 設計,＂ C0100603，中國機械工程學會第二十一屆全國學術研討會論文集, 2004
3. 徐正會, 古文琦,“多功能手推車之研發,＂ C6-006，中國機械工程學會第二十二屆全國學術研討會論文集，2005
4. 徐正會, 賴治維,“膝關節之步態運動分析,＂ B05-011-full，第四屆精密機械製造研討會論文集,，2004
8. 圖表彙整
圖七 座椅傾斜角度之概念圖
圖八 背板設計之概念圖
圖九 心肺功能訓練機之3D模型
圖十 座椅之設計
圖十一 踏管伸縮之設計
圖十二 踏板及踏管之設計
圖十三 手把之設計
圖十四 手把調整裝置之設計
圖十五 腹部運動輔助手把之設計
圖十六 輔助手把之收放狀態
圖十七 訓練機實體之整體狀態
圖十八 踏板平放狀態
圖十九 踏板最大擺動狀態
圖二十 使用者踏步狀態
圖二十一 使用腹部運動狀態
Research and Development of a
Cardio trainer
Jenq-Huey Shyu 1
and Ruo-Tung Hung 2
1
Department of Mechanical Engineering National Taipei University of Technology 2 Institute of Manufacturing Technology National Taipei University of Technology
Abstract
This thesis is the research and development of a cardio trainer. The principal is acting the design and development of a cardio trainer based on principle of Top-down design. According to achieve this goal, however, we research more related patent published and kinds of a stair exerciser and a abdominal trainer in the market, synthesize and classify these paper, find out the advantage and defect. Refer to this result, designs a cardio trainer has more functions. The functions include the stair trainer and the abdominal trainer.
According to the design flow of creative mechanism, first, to define the main functional requirements, next to design the base frame of cardio trainer. After finished the base frame to conformity each function.
The product of this thesis had been build up its 3D model by computer aid Pro/Engineer Wildfire 2.0 and the simulate function of Pro/Mechanism is also used to process the simulation so as to ensure no interferes are involved or occurred. Last but not least, the physical mock up of the cardio trainer is to testify this new design of multi-purpose cardio trainer.
Keywords: step exerciser, abdominal sport, stair trainer,
link mechanism