一种多功能动感单车的设计

郭文静，张涛源，张佳鑫，王 宽

(太原工业学院 电子工程系,山西 太原 030008)

1 概述

目前市场上的动感单车功能单一,很多改变只是改变其外形,只能起到锻炼身体的作用,本产品在减少占用空间的同时将动感单车家具化,提高了其实用性。很多人居家锻炼时,动感单车可能使用并不频繁,闲置后会占据一定的空间。鉴于这种情况,本文设计了多功能动感单车,包括车身、设置在车身的机械结构以及相关的连接方式。

采用动感单车的原因:动感单车起源于美国,因其活力四射、热情奔放的锻炼风格颇受25～35岁人群的青睐。它相较于同类型的室内锻炼器材如跑步机、踏步机等更加适合与家具的合理变形[1]。

2 结构解析

该动感单车外观基本与普通的动感单车相似,包括车把、车座、蹬板和轮子几个部分,车身稳固地联结为一个整体。与普通单车不同的是,它的结构可以做很大的调整,使骑行的人感觉更舒适。上车之前,首先要决定座位的高度,通常这个高度以自己站在地面、抬起大腿并与地面水平时的高度为准,这样在骑行的时候,大腿与小腿的夹角不会过小,从而减轻了膝盖的负担,避免其受到损伤;然后以座位的位置决定车把的位置,手扶在车把最前方,手肘靠在把位上最为合适,身体要紧凑,手臂伸向前方不觉得吃力就好。车把的高低也可以根据骑行者的身材升降。

下面是对动感单车一些简单结构的解析,图1为动感单车示意图。

图1 动感单车示意图

2.1 基础部分

1) 座椅:动感单车的座椅高度是可以方便调节的,这是为了让不同身高的人适应同样的单车,是非常人性化的设计。

2) 座椅调节装置:该装置可通过两个旋钮来调节座位的位置,从而达到适应大众身高及提高大众舒适度的问题。

3) 踏板与曲柄:常规的单车驱动,借此实现单车的大多数功能。

4) 挡泥板:位于车体与刹车系统间的挡泥板,这挡泥板的作用和普通单车是差不多的,是保护飞轮免受汗液与锈迹的侵蚀的。

5) 制动:很多的动感单车上都配有刹车系统,这也让很多动感单车运动者能够在疲惫的时候更好的控制和把握节奏。

2.2 改进的部分

1) 车身固定框架:我们基于原有的车身垫高5 cm,在不影响用户体验的前提下将充当桌面的模板置于其下。

2) 伸缩管及安装支架件,图2为伸缩管示意图。我们通过雨伞伸缩管获得灵感,两侧采用钢制管,中间使用3D打印件,当动感单车使用时,打印件左侧高处抵住左边,钢管缩至最短;拉长时,打印件右侧抵住钢管凸出实现拉长。

图2 伸缩管示意图

3) 桌面:我们采用的2个小型的桌面,并将其置于单车底部,变成桌子时会有两侧的插销结构合成一个大的桌子。

4) 折叠车头:我们更改原车头与车身之间的刚性连接,在车头与车身之间加入一种类似铰链结构,折叠车头使车前与座位平行,保证桌面不倾斜。

5) 飞轮:我们在飞轮合理的地方粘贴磁片,用来给用户测速,根据力学公式(1):

f-mg=mv^2/r.

(1)

可得,在飞轮最外侧安装磁片会使磁片所受的离心力最小,尽可能的在不影响飞轮配重的情况下实现测速。

3 功能解析

3.1 基础的变形功能

图1为动感单车变形前的状态图,在动感单车的基础上增添了两对伸缩杆,运动模式下,伸缩杆在重力的作用下伸长,使桌面可以藏于车架下方。伸缩杆则可藏于挡泥板的凹槽中,不影响动感单车的正常使用。车头与车架由合页连接,运动时,将合页固定,车头与车架即可连为一体。

在家居模式下,伸缩杆会缩短,与桌面形成三角结构,提供稳定的支撑。同时,合页也会打开,把车头放下,将坐椅调高,使椅面与合页处于同一高度,撑住桌面,为其提供进一步的支撑。最后,将桌面下的两个螺栓拧紧,防止桌面分离,变形后示意图如图3所示。

图3 变形后图

3.2 计时功能的实现

为了使动感单车变得更加方便实用,我们添加了一些电子元素,首先是给它做了一个计时功能,期间使用了单片机,数码管,译码器等等。

当用户准备锻炼时可按下按键一,这时数码管开始计时,当结束锻炼或不想锻炼的时候按下按键三则会使时间清零,当有事需要离开一会儿的时候,可以按下按键二来暂停锻炼时间。

3.3 配速功能的实现

使用了单片机,数码管,磁性霍尔开关等,原理如下:当用户使用动感单车时,随着用户的不断踩脚蹬锻炼,后面的飞轮会不停的转动,我们在飞轮上均匀的贴了四块铁片,当飞轮不停转动时,立于其旁边的磁性霍尔传感器会不断地进行信号采样,利用单片机在一个计数周期内采样的次数来除以计数周期,可以得出一秒内转几圈,再使用圈数计算周长即为配速[2],在设计这个的时候,我们原本打算使用红外开关,但经测试当光照环境不是太理想的时候红外开关采样数据会发生较大的偏差,而选择磁性霍尔开关的原因是它对光照条件具有较高的适应能力,经测试可以在黑暗的条件下完成信号采样,通过上述操作对霍尔传感器的接收信号口进行初始化,开启定时器中断,主函数中只需对接收到的信号进行不断地处理计算即可得到配速,因为我们选择的飞轮重10 kg,最后的配速只需要采样周期除以1.572即可。用户可以实时的在数码管上查看自己的配速情况,合理的了解自己的锻炼水平,从而达到适度锻炼的目的。

3.4 温湿度功能的实现

使用了单片机,数码管,DHT22温湿度传感器,LCD1602等,DHT22也称AM2302,是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器,湿度量程范围0～99.9%RH,精度±2%RH,而温度量程范围是-40 ℃～80 ℃,精度±0.5 ℃。可以准确的反应用户室内的温度和湿度,提醒用户添衣或适度的在锻炼前后补水。图4为温湿度示意图。

图4 温湿度显示图

4 结束语

现如今经济科学社会飞速发展,人们在涉及领域更加关注产品的功能性、情感体验性,乃至关注人与产品之间的使用舒适性,然而却很少考虑到产品与生活的联系[3]。本设计产品基于折叠自行车和折叠家具的思路进行扩展延伸,具有变形灵活,节省空间,外形美观的特点,便于经常居家锻炼人群使用,相对于市场上单一锻炼功能的动感单车具有更好的市场前景,对未来家具与其他物品的转化提供了借鉴思想。愿早日投入生产,成为居家锻炼的首要工具。