崑山科技大學 機械工程系 學生專題製作報告 舉重健身腳踏車之設計與製作 指導老師:陳維仁 組員;吳政軒 4960H139 林致宏 4981H052 蘇員正 4960H209 張喆翔 4981H051
崑山科技大學
機械工程系
學生專題製作報告
舉重健身腳踏車之設計與製作
指導老師:陳維仁
組員;吳政軒 4960H139
林致宏 4981H052
蘇員正 4960H209
張喆翔 4981H051
目 錄
誌謝……………………………………… 1
序………………………………………… 2
摘要……………………………………… 3
第一章 前言………………………………4
1.1 運動器材之介紹…………………………5
1.2 器材間之選用……………………………6
第二章 設計……………………………… 7
2.1 設計之動機…………………………… 8
2.2 設計之目的…………………………… 9
2.3 設計之構想…………………………… 10
第三章設計工具之介紹……………………11
3.1 機構作動分析……………………………11
3.2零件使用種類與數量………………………13
3.3構造主體與零件………………………… 14
第四章 結論…………………………………27
參考資料…………………………………… 28
誌 謝
在本次專題實務製作首先要感謝是我的指導教授;陳維仁教授
當我在設計機構及繪製零件圖過程中總是會遇到許多的困難,這時老
師總是耐心的與我們討論及改進,並且對我們提出的問題加以解答及
提供意見,一一的檢查我所設計的零件圖及組合圖,找出錯誤所在讓
我能在最短的時間內修正及繪製出最後完成的組合圖,老師也抽空介
紹幾間廠商供我們洽談並教導我們如何與廠商互動,在幾次訪談後也
完成了製作模型的成品,在此要非常鄭重的感謝指導教授,陳維仁教
授。
在此也要感謝光信廣告的全體工作人員,因為在我繪製圖形
遇到困難時給了我許多建議以及設計模型材料的選用,並幫我檢查圖
中的錯誤及跟我分析零件圖的固定性跟迴避性,使我完成更加堅固的
模型。
最後再次感謝在這次實務專題製作中幫助我引導我的各位教授、朋友
以及目前在業界服務的各家廠商,因為有你們的教導、建議才幫助我
在這次實務專題製作中能克服困難,並且將最後的實體模型給順利製
作並呈現出來。
1
序
記得剛升到四技三年級要開始找製作三學期的專題老師製作專
題,因為之前有修過電腦輔助繪圖的課程,所以讓我順利的找到實務
專題製作的老師。
剛開始設計機構圖時完全沒有方向,但是老師也是百忙之中抽
空與我們討論以及開會,一一的拿出之前學長製作的機構模型給我們
參考,慢慢的我們初步有了概念圖,只要想到新的靈感就馬上用鉛筆
先繪畫出來,所以在下學期幾乎都在趕設計圖,當然過程中遇到很多
困難及挫折,也詢問過很多朋友的協助,有時甚至忙著繪畫設計圖到
三更半夜才睡覺,才得以完成機構設計圖,接下來要開始選用模型加
工材料的選用、加工方式、成本的控制,且要四處尋找加工廠商製作
模型,除了上網尋找以及朋友介紹遲遲找不到適合的廠商,後來經過
老師的協助才順利上網找到代工廠商,也順利的製作出專題模型。
這一學期專題製作的這些日子,常常急著要把實務專題做完而
給自己很大的壓力,但過程中遇到很多的朋友、老師幫助我順利的解
決困難及挫折,當然我也獲得了很多寶貴的經驗幫助我迎接未來的各
項挑戰。
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摘 要
就世界健身市場而言,消費者在休閒活動項目選擇中,愈來
愈重視體育活動,也願意以運動來維持個人的身材和健康在台灣健身
器材市場消費者以追求身材健美為主;台灣健身器材市場,主要體育
用品消費族群為15~34歲年齡層的消費,這是因為台灣以從事體育活
動來促進身體健康的人愈來愈多,這股體育活動參與力量,將會使得
消費族群的年齡層提高,將會是最具成長潛力的部份。
台灣家庭用健身器材主要購買層為40歲以上消費者,隨著年
紀增加,對健康的關心度提高,踏步器(Stepper)、腳踏器(Bike)、
按摩椅、騎馬器等在台灣相當受歡迎,一般家庭的坪數不大,大型的
健身器材沒地方擺,如能開發較不佔空間或容易折疊收納的健身器材
產品,將比較容易被消費者接受,近年健身室增加了各種適合年紀較
大或家庭主婦的健身器材,增加了塑身養生熱潮,向不同階層的消費
族群鼓吹健身熱潮。製造商針對高齡人士的需要,以安全為首要條件。
傳統上運動量較大的青少年從事健身運動人數反有下降的趨
勢,青少年活動量的減少,可歸因於體能教育的不受重視,再加上網
路、電動玩具及電視節目的普及,把以往受歡迎的童軍活動、各式球
類競技排除在外,將大部分的時間安排在室內活動上。
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第一章 前言
現今社會因為忙碌、壓力的影響身體多少會因為不堪負荷而
產生一些文明病,所以人們也開始注重養身及運動來保養、調理身體
但總因為沒時間外出運動而興起了健身房與家庭運動器材的選用,市
面也提供各式各樣的運動器材供人們更多的選擇。
人體的器官隨著年齡而逐漸退化;肌肉力量從三十歲以後就逐漸減
了,韌帶肌腱的強度到四十歲約減弱一半,四十歲以上,身體膠原組
織強度減弱一半以上,壯年的上班族應要斟酌減少運動量,注意熱身
再從事運動以免韌帶或肌肉受傷,加上現代人工作壓力大、吃的太
好,故塑身舒壓的運動器材為其不二選擇。更年期後的的婦女,骨質
疏鬆會很明顯,從事運動必須小心,在女性消費市場裡,故選擇舒壓
兼具美麗塑身的運動產品總是不退流行。
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1.1運動器材之介紹
立式健身車
家用車雙向可折疊健身車
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1.2器材間之選用
人體好比是一精密組合的機器人,任何一個零件受損都會影響
到活動的功能。而根據統計顯示人體有許多疼痛與傷害,是由於未選
用或正確使用其器材,引起對人體組織不當的振動、撞擊以及物理性
壓力所造成,尤其慢性的運動傷害,不是一天兩天就看得到,而是經
年累月之後才顯現出來,以符合自然運動方式為原則,設計適合正常
運動曲線之運動機。首先收集市售運動器材之優缺點資訊,目前市面
所售之以下肢運動為主之運動器材有跑步機、走步機以及橢圓機,其
優缺點如下:
一. 跑步機,優點:完全與人類行走及跑步功能吻合。缺點:若馬達失
控或跑帶意外滑動斷裂易造成嚴重意外傷害。
二.腳踏機,優點:無電控失效之安全顧慮,多為金屬管件之結構,較
不易在使用中突然斷裂產生危險。缺點:腳部在兩支搖擺桿所做之運
動與實際人類行走及跑步之運動方式差距甚遠,易造成不舒適感及運
動傷害,且兩隻腳的腳底一直在受壓力及受摩擦力作用,腳底易起水
泡,不適合長時間使用。並且踏板處於在懸空狀態做前後搖擺運動,
易讓使用者失去重心而摔倒受傷。
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第二章 設計
利用腳踏車為主體並結合拆卸式的訓練台來從事腳踏車的運動,
這種搭配的方式對於本身已有腳踏車的民眾來說尤其方便,因為腳踏
車主體是屬於自己的,無論是在車架尺寸的大小、龍頭把手及坐墊高
度的設定,完全合乎自身需求,同以及降低發生運動傷害的危險因子。
故本器材是經腳踏車改良而成的運動健身器材,同時搭配舉重效果的
手臂鍛練滑塊,讓你在騎乘腳踏車的同時訓練腿部也能使手臂的肌肉
達到鍛鍊的效果,坐墊調得太高或太低會造成大、小腿肌肉酸麻的現
象因為坐墊過高會造成下背和臀部的運動傷害,坐墊太低則會導致膝
蓋前側脛骨的疼痛,踏板前後位置的調整對於採踏時的力量輸出有著
絕對的關係,其最佳踏板的位置如右圖所示,以拇趾球在腳踝90度
時,剛好垂線通過踏板軸心為基準點,才能有最佳的力學輸出。
滑塊與滑道的設計是運用三角形原理計算各個內角角度所計算出來
與腳踏基座配合的基準長度,使其運作時排除所有的阻礙,進而符合
人體工學。
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2.1設計之動機
台灣地區生活步調緊湊,容易緊張的情緒,有時又比較缺乏生活舒壓
管道,普遍健身房收費高價,卻不適合親子同遊,空閒時想去健身房運
動又覺缺乏動力,因此構想開發一個適合親子同樂的複合式休閒運動
空間,促進人與人之間的交流 ,不但增進親子之間的感情,又可以達
到健身休閒的目的!好讓在現今生活中有個舒適的運動休閒空間。
「現代人都很忙,社會大眾對於「運動」與「體育」型態的刻板印象,
才是「那是運動選手訓練」與「非選手實務練習」想法的主因。其實,
「運動」並沒有那麼的複雜與困難,運動員與一般人的運動參與原則
也沒有什麼不同。只是,一般社會大眾往往需要在日常生活中,規劃
出適當的運動參與時間與運動休閒型態;運動員則需要在運動訓練
後,安排靜態的休閒與休息。
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2.2設計之目的
「工欲善其事,必先利其器」;在使用運動器材之運動項目中,運動
器材之設計為運動表現優劣一大關鍵,不僅是教練選手技術體能之比
賽,更是運動器材設計者間的競爭;現代科技日新月異,運動器材的
設計研發也突飛猛進,運用各種精密儀器及電腦輔助,希望能組合材
料、力學分析、設計及製造等領域之專長,設計出最佳化運動器材。
人體各項身體機能的維護,除了必須具備足夠的運動量以外,參與運
動的方式也很重要。特別是有關健康體適能的部份,心肺適能、肌肉
適能、柔軟度與身體組成等,各自獨立且互不關連的特性相當明顯。
每天進行腳踏車運動者,在肌肉適能的發展上,長期耐力運動
訓練後,人體生理會有轉向利於有氧代謝發展的條件,對於瞬發、敏
捷與協調要求較高的身體活動狀況,都有相當大的幫助。
人體各項身體機能的維護,除了必須具備足夠的運動量以外,參與運
動的方式也很重要。特別是有關健康體適能的部份,心肺適能、肌肉
適能、柔軟度與身體組成等,對健康都有很好的維護。
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2.3設計之構想
此結構產生預先決定之封閉路徑運動軌跡,導引使用者的腳步
隨此軌跡運動。並透過連桿組的延伸讓手部與腳步做協調運動。
其機器結構主要為對腳踏板運動曲線之控制,此機器左右兩側各有
一個做相對運動之腳踏板,此兩個腳踏板分別固定在兩側兩支做相
對運動之連接桿上,這兩支連接桿再接到兩側兩支做相對運動之曲
柄,兩支連接桿的另一端再接到兩側之兩支搖擺桿上。機器主體為
一固定桿,固定桿一端與與其兩側曲柄之一端連接使曲柄在此作迴
轉圓周運動,固定桿另一端與其兩側之兩支搖擺桿連結使兩支搖擺
桿在此做相對搖擺運動。
經由上述結構使腳踏板在使者運動時做近似長方形橢圓或橢圓延
伸形曲線運動,此封閉曲線為模擬人類足步在走路、跑步、爬坡和
騎自行車之足部運動曲線合成,並且因腳底緊貼踏板,使得雙腳在
做前後上下如跑步之運動時減少對關節及肌肉之衝擊,並且藉由搖
擺桿穿過其支點之延伸使手掌能握著搖擺桿之另一端也與足步做
協調式前後運動。
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第三章 設計工具之介紹
本專題之設計,採用solidworks此套繪圖軟體來進行我們所需的零
件之3D示意圖,並利用了此套軟體進行模擬組裝與模擬運動時是否會
造成碰撞之偵測,以及模擬零件與零件之間組裝時是否會互相干涉。
3.1機構作動分析
本專題所設計之運作具備腳踏車之動作能力,其機構必有一個可以
360度迴轉的曲柄,且必需有一連接桿可繞其圓周擺動,並且帶動連
接桿上頭的滑塊作上下擺動,因此在圖3-1中,標註1到4號的桿件
依序為機架、曲柄、連接桿、滑塊。
此機構作動過程滑塊在最高點時的運動長度如圖3-2,我們運用三
角形正弦定理 計算出滑塊在最高點高度
y1=131.0mm
圖3-1機構簡圖 圖3-2
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此機構作動過程滑塊在最低點時的運動長度如圖3-3,我們運用三
角形正弦定理 計算出滑塊在最低點高度
y2=31.40mm。
所以滑塊運動行程長度為最高點位置減最低點位置等於
131.0-31.40=99.60mm。
圖3-3
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3.2零件使用種類與數量
內滾輪 1個
外滾輪 1個
支撐滑道柱 1個
支撐零件 1個
固定桿 1個
底座 1個
拉桿 1個
連接桿 1個
腳踏板 1組
腳踏板連接桿 1組
組合體 1個
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3.3構造主體與零件
內滾輪
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外滾輪
15
支撐滑道柱
16
支撐零件
17
固定桿
18
底 座
19
拉 桿
20
連接桿
21
腳踏板
22
腳踏板連接桿
23
組合圖
24
組合上視圖
25
組合側視圖
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第四章 結論
這次專題製作學到很多的經驗,並且學會許多解決問題的方法,
由於現代社會中,人口多集中於都市,忙碌於工作,因此運動的時間
跟空間也逐漸的減少了,這時家庭用健身器材儼然成為減輕上班族壓
力的最佳幫手。再目前健身器材市場上,其器材的機台都過於龐大所
以在放置的時候往往都會佔據家中很大的空間且整理也不方便,故使
許多消費者想購買器材卻因收藏不便而放棄購買,在本次的設計中雖
然其運動方式較為新奇,但還是有許多要改進的地方,譬如:收藏的
便利性、體積的大小、組裝的容易度等。以及如何讓本器材增加使用
率。由於特殊型的公共設施,包括游泳池、健身房、溫泉SPA 等可能
需要提供較大的場地、精密的機械設施及專業安全人員的駐地等,故
除了昂貴建置費用的轉嫁,亦需龐大的定期檢修及管理維護費用。
特殊型公共設施數量越多將使社區住戶負擔較高昂的管理維護費
用,以上問題都值得我們去探討改進。
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參考資料
1.自行腳踏車機構介紹
http://www.me.ntu.edu.tw/ntume_am/application/bike/10/UntitledFrameset-10.htm
2台灣運動休閒產業展
http://www.leisuretaiwan.com.tw/zh_TW/index.html
3強身運動科技有限公司
http://www.chanson.com.tw/about.asp
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