社区室外健身蓄能娱乐系统的研发

2014-11-27杨文珍竺志超陆立青

浙江体育科学 2014年1期

杨文珍，朱梁，竺志超，陆立青，钱伟

（1.浙江理工大学机械与自动控制学院，浙江杭州 310018；2.宁波奇胜运动器材有限公司，浙江宁波 315336）

0 前言

随着科学技术的快速发展和生活质量的提高，人们已认识到体育对增进身体健康的作用，“花钱买健康”的观念不断增强。为了使我国群众体育得到持续和稳定的发展，国务院于1995年6月颁布了《全民健身计划纲要》，目的在于全方位和多方面地实现体育与国民经济和社会事业的协调发展，全面提高中华民族体质与健康水平，构建具有中国特色的全民健身体系。《中华人民共和国体育法》第二章第十二条明确规定:“地方人民政府应当为公民参加社会体育活动创造必要的条件，支持、扶助群众性体育活动的开展。”

为了使群众体育与社会发展相适应，国家体育总局有针对性地推出一系列改革举措，把群众体育摆到了重要的位置，并把社区体育的发展作为群众体育的基础。国家体育总局颁布的《2001-2010年体育改革和发展纲要》中提出了“城市体育以社区为重点”的发展新思路，社区成为人们娱乐、锻炼的中心。

社区健身运动器材设施是社区体育硬件配套设施的重要组成部分。《全民健身计划纲要》颁布十余年来，在政府、社会、个人“三级投入”机制，已取得了显著的成效。我国许多社区或住宅小区的公共活动场地配置了一些社区健身运动器材设施，如太空漫步机、椭圆机、伸臂机、双人蹬腿机等，例如，自1998年至2006年，北京市用体育彩票公益金作为引导资金，共配建全民健身工程5563个，覆盖100%的街道、乡镇和有条件社区以及65%的行政村［1］。这些设施给居民生活增添了生活乐趣，增强了居民的身体素质。

1 社区室外健身运动器材存在问题

虽然，社区健身运动器材的安装，为社区居民活动健身提供了良好条件，使大家期盼的“运动场就在身边”的梦想变成了现实，但是，在实际应用过程中存在着诸多问题。

1.1 社区室外健身运动器材的产品质量问题

近年来，由于室外健身器材的产品质量问题引发的伤人事故屡有发生，国家体育用品质量监督检验中心受国家体育总局的委托，在全国范围内，对社区室外健身器材进行了全面的检验和检查，发现许多问题:①部分产品设计不符合人体生理特点；②多家产品存在挤夹间隙易伤人手指或手臂；③运动部件的限位不足，容易将人打伤、打残甚至致死；④部分产品大量使用玻璃钢配件，外露的玻璃丝极易伤人；5）部分健身器材活动部件的耐久性和防尘性较差；⑥部分健身产品的防盗性能较差；⑦器材上缺乏标示牌，起不到指导运动的作用；⑧部分产品涂饰层不合要求，涂层严重脱落或锈蚀后，既影响使用效果，也容易成为安全隐患；⑨部分室外健身器材的立柱直径小于110mm，过小的直径无法承载大的运动负荷，易使健身者受到伤害；⑩部分产品埋入深度达不到要求，造成器材在使用中倾倒而碰伤或碰死人的事件。有些器材直接安装在水泥、便道砖之类的硬质地面上，极不安全［2］。

1.2 社区室外健身运动器材的使用状况问题

目前，社区健身运动器材大体分为两大类，一类是固定类型的器材如单双杠等，另一类是活动类型的器材如太极盘、太空漫步机等，其中，活动类型的社区健身运动器材使用状况问题尤为突出。

笔者通过文献资料检索、专家咨询、社区访谈和数据统计，对社区健身运动器材使用情况进行了深入地调查研究，列出社区健身运动器材在使用过程中最为突出的几个问题:①多数社区室外健身运动器材的运动性能只适合老人小孩玩耍锻炼，少有适合青少年、中青年锻炼的器材。②有些社区室外健身运动器材在使用过程中存在安全隐患，对动作缓慢的老人和没有安全意识的小孩构成严重威胁，受伤、致残甚至死亡事件屡有发生。③多数社区室外健身运动器材在使用过程中枯燥、乏味，缺乏吸引力，难以吸引人们参加健身运动。④在能源越来越紧张的社会背景下，人们在社区室外健身运动器材运动时的能量却白白浪费。

1.3 带来的后果

由于社区室外健身运动器材存在着质量、使用状况等问题，使得大量社区室外健身运动器材使用频率低、被大量闲置，加之日久失修，逐渐生锈和腐蚀，最后损坏报废，造成具大的经济和社会损失，有背于全民健身计划的初衷。

2 社区室外健身蓄能娱乐系统设计目标和组成

针对社区室外健身运动器材使用状况存在的问题（安全性差、运动性能差、枯燥乏味和能量浪费等），我们开展了创新设计，改进社区室外健身运动器材的运动性能和安全性，实现发电蓄能和娱乐功能，吸引更多的人加入全民健身的热潮中。

2.1 社区室外健身蓄能娱乐系统的设计目标

社区室外健身蓄能娱乐系统的设计目标是实现社区室外健身运动器材的健身、娱乐、蓄能的综合性功能。它能收集人们健身时消耗的动能，转化为电能并储存起来，可供给照明、通讯等电能所需，实现边健身边蓄能、边健身边娱乐。社区室外健身蓄能娱乐系统绿色新颖，既可实现一定的负载调节，使健身运动更具可操作性和安全性，又可以吸引更多的人来参加健身，提高全民身体素质和产生更多的电能。如图1所示为该系统的设计目标。

图1 社区室外健身蓄能娱乐系统的设计目标

2.2 社区室外健身蓄能娱乐系统的组成

社区室外健身蓄能娱乐系统由社区健身器材中常见的太极盘、滚子跑步机、伸臂机、双人蹬腿机、滚筒机、健骑机和椭圆跑步机七台器械组成（可扩展）。每个器材都包括:动力输入装置部分，传动机构部分，发电输出部分，且均以人作为动力源，利用各自传动系统，能可靠地把人健身时产生的能量通过发电机转化为电能输出。最后，我们把各部分输出的电能通过电路汇集在一起，储存到一个总的蓄电器中，并将电能传输出去，供路灯、收音机和电瓶充电等所用。如图2所示为该系统的组成。

图2 社区室外健身蓄能娱乐系统的组成

3 社区室外健身蓄能娱乐系统的实现

在该系统中，由于各个健身器材（太极盘、滚子跑步机、伸臂机、双人蹬腿机、滚筒机、健骑机和椭圆跑步机）的运动形式都不尽相同，我们首先进行了机构改进创新设计，将这七种社区室外健身运动器材的不同运动形式转化成能被直流发电机接受的运动形式。接着，我们将这七种社区室外健身运动器材构成一个并联发电的网络体系。最后，我们设计了电能输出功能部分，供可给社区路灯、社区广播、收音机、健康计数器和充电器等所用。

3.1 社区室外健身蓄能娱乐系统的电路设计

系统中的七台发电机各自独立发电（永磁直流发电机额定转速范围:600～650r／min，额定输出电压:20V，实际输出电压:18～21V，额定输出功率:40W），由于输入端运动速度不稳定，引起发电机转速不均匀，使输出电压在DC18～21V范围内波动，为了更有效地利用电能，需要采取降压稳压措施，而且供电时要有相对稳定的电压，我们采用了L7806CV三端稳压器为核心的降压稳压电路。为防止蓄电池回流，给发电机逆向供电，我们在每个发电机后面串联一个防反冲二极管D3IN4007，防止七台直流发电机并联工作时产生的反驱动等问题。为防止蓄电池过充电或过放电，严重影响其性能和寿命，电路上接有充放电控制器，以自动防止蓄电池过冲电和过放电。由于我们选用的发电机和蓄电池只适用于直流电，为实现交流电的应用，电路上可选接逆变器，将直流电转换为交流电。如图3所示为该系统的电路设计示意图。

图3 社区室外健身蓄能娱乐系统的电路设计示意图

3.2 社区室外健身蓄能娱乐系统的样机实现

为了直观和显式的呈现的社区室外健身蓄能娱乐系统，我们基于Pro／E三维软件，将整个社区健身娱乐蓄能系统清楚的展现出来。出于安全性的考虑，我们将系统发电运动部件用安全罩保护起来，这样既保证了财产安全，更重要的是确保人健身的安全性，如图4所示社区室外健身蓄能娱乐系统。我们对社区室外健身蓄能娱乐系统的椭圆跑步机部分进行了物理样机制造，该样机被评为2008年浙江省大学生机械设计大赛一等奖，图5为健身蓄能娱乐椭圆跑步机的物理样机。