自行车健身器的发明

导读：　自行车健身器的发明(共7篇)[我爱发明自行车]健身自行车 健步骑行(附发明人崔喜鹏联系方式)[我爱发明] 20150812 健步骑行 本期节目主要内容： 湖南省长沙市的崔喜鹏发明了一款健身自行车，这款健身车利用驱杆连接车座和脚蹬，运用自身重量，双脚同上或同下运动，实现自行车的骑行，既能运动全身，又能出汗排毒，对肥胖的人群来说，...

篇一 自行车健身器的发明
[我爱发明自行车]健身自行车 健步骑行(附发明人崔喜鹏联系方式)

　　[我爱发明] 20150812 健步骑行

　　本期节目主要内容： 湖南省长沙市的崔喜鹏发明了一款健身自行车，这款健身车利用驱杆连接车座和脚蹬，运用自身重量，双脚同上或同下运动，实现自行车的骑行，既能运动全身，又能出汗排毒，对肥胖的人群来说，能有很好的减肥作用。 （《我爱发明》 20150812 健步骑行）

　　发明人联系方式：崔喜鹏 13669306197 18229892326

　　发明摘要：本实用新型公开了一种马行式运动自行车,是自行车的一种。通过装在原有自行车架上的起伏装置,实现代步与健身的双重效果,尤其加强腰腿的锻炼效果。本实用新型是在现有自行车基础上改装而成的,在车架上加装起伏装置。该装置包括车座联动架,车座支管插入车座联动架管中,车座联动架上铰接着平行拉板和活动支板,平行拉板的前端和活动支板的中部铰接在车架支杆上端,活动支板前端与踏杆总成铰接,踏杆总成下部前端装有脚踏管,后端与脚踏杆铰接。脚蹬脚踏管,使脚踏杆顺时针转动,带动链轮转动,通过传动链驱动自行车前进。本实用新型为代步用交通工具,兼作健身器械,适用于所有人群,对缺乏锻炼时间的人更为适用。

　　

　　

　　　

篇二 自行车健身器的发明
[我爱发明]健身自行车 踏步而行(发明人柳峰华和顾永军)

　　[我爱发明] 20141220 踏步而行(健身自行车)

　　本期视频主要内容： 江苏常州的柳峰华和顾永军都爱健身，玩车。他们发明了一辆健身自行车，将椭圆机和普通自行车结合，既可以代步，又可以健身，并且对人体几乎完全没有伤害。通过各项严格的测试，证明健身自行车有着良好的安全性能，灵活性能，稳定性能等。（《我爱发明》 20141220 踏步而行）

　　发明人联系方式：柳峰华13585065065

　　《踏步而行》花絮：拍摄持续了一周，从失败，再失败，到成功，兄弟两从来不觉得自己已经老去，他们不懂得放弃两个字，他们只知道，这一次，他们必须成功。我们的拍摄进展得很顺利，围观的群众都非常配合，大家都对这辆自行车感到很新奇，都愿意尝试，并给出自己的结论。

　　发明说明摘要：本实用新型涉及一种跑步车，其特征在于它包括车架，所述车架的前部下方设有前轮，所述车架前部上方设有把立（12），所述车架的中部的左右两侧均设有斜向后下方的导轨（1），所述导轨（1）内设置有踏杆(创业:

　　

　　

　　

篇三 自行车健身器的发明
多功能健身自行车设计

ＶａｌｕｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ

・６５・

多功能健身自行车设计

Ｄｅｓｉｇｎｏｆ

Ｍｕｌｔｉ－ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ

ＦｉｔｎｅｓｓＢｉｋｅ

胡占明Ｈｕ

Ｚｈａｎｍｉｎｇ

（沈阳职业技术学院，沈阳１１００４５）

（ＳｈｅｎｙａｎｇＰｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃＣｏｌｌｅｇｅ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ１１００４５，Ｃｈｉｎａ）

摘要：本设计通过偏心轮机构实现自行车车座的上下往复运动，使此类自行车同时具有代步和健身两大功能，结构简单，加工方便，成本低。

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓｄｅｓｉｇｎｉｓｔｈｒｏｕｇｈｅｃｃｅｎｔｒｉｃｇｅａｒｔｈｅ

ｔｗｏ

ｔｏ

ｒｅａｌｉｚｅｔｈｅｕｐａｎｄｄｏｗｎｒｅｃｉｐｒｏｃｍｉｎｇｍｏｔｉｏｎｏｆ

ａ

ｂｉｋｅｓｅａｔｃｏｓｔ．

ｗｈｉｃｈｍａｋｅｓｔｈｉｓｋｉｎｄｏｆｂｉｋｅｈａｖｅ

ｆｅａｔｕｒｅｓｏｆｔｒａｖｅｌｉｎｇａｎｄｆｉｔｎｅｓｓａｎｄｗｉｔｈｔｈｅａｄｖａｎｔａｇｅｓｏｆｓｉｍｐｌｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｅａｓｙｔｏｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ

ａｎｄｌｏｗ

关键词：偏心轮；凸轮；自行车

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｅｃｃｅｎｔｒｉｃｇｅａｒ；ｃａｍｗｈｅｅｌ；ｂｉｋｅ

中图分类号：ＴＨｌ２文献标识码：Ａ文章编号：１００６—４３１Ｉ（２０１１）０６－００６５－０１

１设计背景

如今，自行车已不仅仅作为代步的交通工具，已逐渐演变成人们运动、健身、休闲的伙伴，众多发达国家将其重新作为最佳的环保交通工具纳入了大公交体系。自行车拥有节能环保、使用方便灵活、购买门槛低、道路占用面积小的优点。

错动，将主动件嵌入到从动滚子中。

２．２代步功能

若仅仅需要将该款自行车作为普通的代步工具时，只需要通过一个简单的螺栓进行锁紧将车座加以固定，轻松的就可以实现健身功能与代步功能之间的转换。这样又使该自行车结构大大地简化了。

２．３折叠功能

目前市场上的折叠自行车的折叠形式主要有三种：第一种是左右折叠自行车，又称对折叠，这是国内外比较常见的折叠方式也是发明最早的一种折叠方式，它是从自行车脚踏中央折叠，然后前轮和后轮并在一起；第二种是剪刀折叠自行车，又称ｘ折叠。在国内比较少见，它主要是从自行车中间去折叠，然后折叠过后自行车前轮和后轮形成一条直线式ｉ第三者是内折叠自行车，又称前后折叠。在国内这种折叠方式的自行车也比较少见，一般用于折叠电动车，这种折叠主要是后轮向前折叠，前轮向后轮折叠，前后轮并碰到一起，两个轮子基本上能接触。

分析比较以上三种折叠方式，最终决定采用比较常见的第一种折叠方式，具备折叠功能后，应用此种设计的自行车的储存空间就

‘

图１

２原理方案的分析２．１健身功能

资料显示，当车座处在不同的位置时，会锻炼到人体的不同部位，根据机械原理知识，通过比较各种凸轮机构，最终确定通过偏心轮机构实现车座的上下往复运动，这样设计不仅结构简单，加工方便，可以大大地降低成本，而且又不失实用性。

健身的实现过程：如图１所示，表面上看该自行车与普通自行车几乎没有差别，但其既能实现健身，又能够作为代步工具。两者之间的转换凭借链轮上的偏心轮（或凸轮）来实现。当该自行车作为健身使用时，如图可适当调节轮１３和链轮１０之间的偏心距，而弹簧１５被放置在座管１２中，并与鞍座６相连，当人坐在鞍座６上，脚在脚蹬９上进行骑行时，大链轮ｌＯ转动并带动偏心轮１３转动，滑轮１４在偏心轮１３上滑动，同时对弹簧作用，使弹簧压缩或伸长，由于弹簧连着鞍座，所以鞍座就会上下往复运动，从而达到健身的效果。

通过分析不同凸轮机构的运动规律及特点，最初确定了如下三种方案：

①尖端从动件

尖端能以任意复杂的凸轮轮廓保持接触，从而使从动件实现任意的运动规律。但尖端处极易磨损，只适用于低速场合。

②滚子从动件凸轮与从动件之间为滚动摩擦，因此摩擦磨损较小，可用于传递较大的动力。

③平底从动件【自行车健身器的发明】

从动件与凸轮之间易形成油膜，润滑状况好，受力平稳，传动效率高，常用于高速场合。但与之相配合的凸轮轮廓须全部外凸。

结论：由于自行车速度并不是很大，并且需要足够的动力，故而选择采用第二种结构形式，并且为了避免从动件与主动件之间相互

作者简介：胡占明（１９６３一），男，辽宁沈阳人，沈阳职业技术学院实验师。

大大地减小了。考虑到由于现在停车场位置紧张，这样的设计可以方便用户将自行车储存在家里，与此同时，也可以克服自行车放在室外防盗性差的缺点。

２．４自发电实现原理车灯的发电原理：

有些人经常夜间出行，但由于没有照明系统。特别是在农村，没有路灯，给自行车阵夜间出行带来了许多不便。现在有人将手电放在自行车上，但其必须使用电池而使用电池会污染环境，且更换电池会带来不便。我决定利用自行车的颠簸来进行发电，将两台１．５伏手压自发电手电筒进行改造，并联ＬＥＤ提供所需的电压使电池充电能，可供夜晚行车时用。

其原理是：手压带动轮轴转动，轮轴带动线圈转动，线圈外有磁铁，闭合回路在磁场中切割磁感线便会产生电流，内有充电电池，电能储存在内，打开开关就会灯亮了。

总结方案创新点：

①通过偏心轮实现车座往复运动，机构简单，效果明显。②通过螺栓将车座固定即可实现代步、健身功能切换。③可折叠功能解决了占地面积大，防盗性差的缺点。

④辅助功能：车载ＭＰ３、车头灯。使用清洁能源，环保无污染。

参考文献：

【ＩＪ刘极峰，喻海飞。程骞．高速健身自行车的创新设计【Ｊ】．南京工程学院报，２００９，７（３）：２９—３３．

【２１邢钢，徐玉秀．再生能源健身自行车研制及动态分析伽．天津工业大学学报，２００６，２５（１）：６７—６９．

【３】汪娟．关于自行车出行的几个相关问题ｆＪｌ．科技与经济学报，２００６（４）．［４］ＨＡＭＭＥＲ车，２００６（３）．

ＳＰＯＲＴ全力打造高｛琳室内自行车健身器叨．中国自行

【５】５ＭＥＲＣＥＤＥＳＩ一精心打造高品位的娱乐健身自行车【Ｊ】．中国自行车，２００６（４）．

【６】陈愚．多功能提箱式折叠电动自行车【Ｊ】．中国自行车，２００８（３）．

万方数据

篇四 自行车健身器的发明
自行车仿真健身器的设计与实现

Vol. 17 No. 5 系 统 仿 真 学 报

May 2005 JOURNAL OF SYSTEM SIMULATION

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自行车仿真健身器的设计与实现

高 欣1，孙汉旭2，贾庆轩2，宋荆洲1，赵 峰2

（1北京航空航天大学机械工程及自动化学院，北京 100083 2北京邮电大学自动化学院，北京 100876）

摘 要：基于虚拟现实技术设计了一个健身车仿真器VR-BWS并加以实现，该系统以健身车作为人机交互的工具, 综合运用了传感器技术、DSP控制技术、三维建模技术和碰撞检测技术，并通过立体显示等多通道交互技术实现了人在虚拟环境中的漫游，参与者在由计算机构造的虚拟场景中获得了如同在真实环境中骑车的体验。

关键词：虚拟现实；人机交互；DSP；碰撞检测；立体显示

文章编号：1004-731X (2005) 05-1163-05 中图分类号：TP391.9 文献标识码：A

Design and Implementation of Bicycle Simulator

GAO Xin1, SUN Han-xu2, JIA Qing-xuan2, SONG Jing-zhou1, ZHAO Feng2

(1School of Mechanical Engineering and Automation, Beijing University of Aeronautics and Astronautics, Beijing 100083, China; 2

School of Automation, Beijing University of Post and Telecommunication, Beijing 100876, China)

Abstract: It is presented the design and implementation of VR-BWS bicycle simulator. The VR-BWS takes the bicycle as the carrier of human-computer interaction, and integrates sensor technology, DSP control technique, three-dimensional modeling，collision detection and multimodal interactive technologies such as stereo displaying. The feeling that a participator experiences in virtual environment is just like that in real one.

Keywords: virtual reality; human-computer interaction; DSP; collision detection; stereo displaying

尝试，应用前景十分广阔。

引 言

虚拟环境漫游是虚拟现实应用的基本功能之一。构造一个虚拟环境漫游系统，就是利用高性能的计算机软、硬件创建使参与者具有身临其境的沉浸感和良好的人机交互能力，有助于启发构思的信息环境，进而达到参与者在虚拟环境中获取知识、形成概念的最终目标[1]。这就要求采用自然方式的人机交互操作，使用户在虚拟世界中的体验符合用户固有的经验和理解，同时这种交互行为也应当是多维的、一致的。

虚拟现实技术在体育仿真中具有很好的应用前景，这是由虚拟现实技术特点所决定的。虚拟现实技术能够为体育工作者和运动员提供有效的、崭新的训练手段，扩大系统仿真的应用范围，同时也能够促进虚拟现实技术的发展[2]。本文以健身车作为人机交互的工具，设计了自行车仿真健身器VR-BWS，该系统以虚拟现实技术为基础，综合运用了传感器技术、DSP控制技术、三维建模技术和碰撞检测技术，采用了多线程，非阻塞的数据实时通讯技术，并通过立体显示等多通道交互技术实现了人在虚拟环境中的漫游，使参与者在由计算机构造的虚拟场景中获得了如同在真实环境中骑车的体验，是把虚拟环境漫游和体育仿真相结合的一个有益

1 系统的构成及其原理

该自行车仿真健身器（VR-BWS）硬件配置为：图形工作站一台，配置为Pentium IV 2.4GHz CPU, 内存2G,硬盘80G, 立体显示卡为Quadro4 750XGL 128M，采用了刷新频率为120Hz的优派21寸纯平显示器；配备装有红外线发射器的有源立体眼镜；健身车选用了经过自行改装加工的仿真健身车一台。

当参与者骑在自行车上使自行车运动时，自行车的速度、方向、笼头往上提的时间和力度以及骑车人自身重量等数据，通过传感器实时采集，然后经由DSP控制系统传送到上位机中，经过分析处理，使其在屏幕中的虚拟场景中得到仿真和展示；同时，当屏幕中的场景变化时，如上坡、下坡等，也可以通过控制软件反馈到自行车的控制器上，产生阻尼/驱动力，使骑车人有上述场景产生的上、下坡的感觉，从而获得较好的沉浸感。

2 系统的硬件开发平台

为了仿真真实的自行车的运动，系统的跟踪控制性能应该在7hz以上[3]，我们采用基于模型的控制策略，这种方法需要在每个采样时间计算系统的运动学和动力学，为了做到这一点,VR-BWS采用了高速的DSP控制系统，DSP控制系统不仅负责传感器数据的采集与传输，同时它还负责将由上位机传输过来的虚拟场景中的地形数据转化为控制信号，控

收稿日期：2004-03-24 修回日期：2004-06-24 作者简介：高欣（1974－），男，陕西渭南人，博士生，研究方向为虚拟现实、人机交互，CAM; 孙汉旭（1962－），男，陕西汉中人，博导，研究方向为虚拟现实，机器人等。贾庆轩（1965-），男，山东淄博人，教授，研究方向为虚拟现实，机器人等。宋荆洲（1976－），男，湖北荆洲人，博士生，研究方向为虚拟现实，CAD/CAE; 赵峰(1980-)，河北人，硕士生，研究方向为虚拟现实，人机交互等。

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Vol. 17 No. 5

系 统 仿 真 学 报 May 2005

2.2.1阻力部分

在健身车的前轮部分按照车轮的弧度设计一个弧形支架,用来放置一圈电磁铁(见图3)，在VR-BWS的虚拟漫游场景中我们设置有不同坡度的山坡，当视点漫游到此处时，通过检测该处的地形数据确定坡度值，然后通过串口通讯把由上位机通过串口传递的场景中的不同坡度信息作为控制信号，通过DSP的I/O口输出控制继电器的通断从而控制电磁铁的通断个数，通过磁力来产生阻尼力，模拟人上坡时脚蹬的吃力程度。

图3 阻力机构图

制电磁铁的通断和驱动电机，来模拟自行车上、下坡时的阻力和动力，考虑到控制系统的实时性和高精度的要求,本文中的控制器核心芯片采用TI公司的运动控制专用DSP芯片TMS320LF2407A.它集DSP的信号高速处理能力和适用于电机控制的外围电路于一体,大大减少了控制系统的体积,提高了系统的性价比[4]. 在我们的应用中为了编程方便,外扩了128K的SDRAM,其中64K程序空间,64K数据空间.为了给出电机速度设定值,外扩了2路D/A.

2.1 传感器数据的实时采集

在VR-BWS中使用到的传感器有光电编码器、角位移传感器、电位计、拉力传感器和称重传感器。我们把光电编码器安装在自行车车轮的轴上，与车轮同步旋转（见图2中④），通过DSP事件管理器中的正交编码脉冲电路QEP，以增量式编码的方式记录自行车车轮旋转角度对应的脉冲，然后将检测到的脉冲数转换成车轮的旋转圈数，即自行车相对于某一参考点的瞬时位置；为了真实的模仿骑车人的行进状态，除了行进位置和速度的信息，还需要知道自行车车把的转动角度数据，来控制场景中视线的方向，以达到漫游的效果，因此在VR-BWS中使用了角位移传感器来检测车把转角，并使用电位计来标定健身车车头的原始位置（见图1中②）；在我们的场景中设计有不同宽度的沟壑和天堑，根据骑车人的体重和速度来判断能否冲过去，仿真飞越长城和黄河等，因此在自行车的车把和车座处安装了用来测量提力和人体重量的力传感器（见图1中①）。为了更真实的模拟自行车的运动，我们为健身车加装了手刹系统（见图2中③），参与者可以控制自行车的快慢，获得更真实的感受。

2.2.2动力部分【自行车健身器的发明】

由电机与健身车的前轮连接，通过电机输出主动力矩提供自行车下坡时的动力。我们选用的是松下公司生产的交流伺服电机,电动机经过一级齿轮减速后驱动健身车的前轮, 减速比为8:1,在电机的轴上固定有增量式光电编码器, 编码器发出的两路正交脉冲通过解码器处理,得到了电机的运动方向和一路绝对的脉冲值,分别送到240的IO口和捕获单元,再通过DSP的处理,可以得到电机的转速和方向。 F240的事件管理器中包括PWM的产生功能和速度检测功能,利用串行通信接口(SCI)及时地通过串行通讯接收模块接收由上位机传送过来的虚拟场景中的坡度信息，转化为速度指令信息。采用PWM调速,通过改变脉冲的宽度来实现对电机的调速控制。另外A/D转换模块用于电机的电枢电流检测。

2.3串行通讯软、硬件的设计实现

使用多路传感器作为3维场景漫游的视点跟踪传感器时，必须不断地从串口采集各路传感器的状态数据，以跟踪视点位置和视线方向的改变，TMS320F240有较强的串行通信能力,它的串行通讯接口（SCI）是一个标准的通用异步接收/发送通讯接口(UART)，因为要实现数据的双向传递，我们在程序中把它设置成全双工的方式。

在VC环境下我们开发了基于RS232协议的实时通讯软件，可以和虚拟环境软件部分直接相连，并采用了多线程、非阻塞的实时漫游框架来进行数据通讯,在辅助线程中监视串口，有数据到达时依靠事件驱动，读入数据并向主线程报告；并且使用了非阻塞通信技术，依靠重叠（overlapped）读写操作，让串口读写操作在后台运行。每当主线程收到由辅助线程传过来的新一帧数据后，首先必须对它进行判断，只有在它相对于上一帧状态数据的变化超过规定阈值的情况下，才能开始更新用户视口内的场景显示，从而避免由于参与者的微小运动而引起的不必要的场景重绘。

③④

始信号后，由于角位移传感器和力传感器采集到的角度数据和力数据是模拟信号，不适合直接进行处理，需要通过DSP的模数转换模块（ADC）将采集到的数据进行模数转换后存入结果寄存器中，经过比例关系的换算得到相应的角度值和力的大小。

2.2 踏板阻力/动力控制系统

当屏幕中出现上坡和下坡时的场景时，如果只是通过骑车人施加与自行车上的力矩对自行车进行加速，参与者会感觉到比在真实路面上骑车更小的阻力/动力，为了营造一个真实的感觉，踏板阻力/动力控制系统来模拟路面的摩擦力和自身重力的影响，产生制动力矩，同时踏板阻力/动力控制系统还用来输出主动力矩来模拟自行车下坡时的加速效果。

①②

图1 改装后的车头 图2 光电码盘和手刹

多传感器的数据采集和处理要完成多项功能，在采集原

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May 2005 高 欣, 等：自行车仿真健身器的设计与实现

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3 软件开发平台

在VR-BWS虚拟场景的构建中我们使用到的软件有:VC++6.0,OpenGL,3dMax,Multigen Creator,ArcInfo8.0.2，Photoshop6.1。

3.3.3运用层次细节

为了保证系统的交互速度,VR-BWS采用层次细节LOD(Level of Detail)储存对象,在远距离观察时,物体表示非常简单,但随着眼睛移近物体,就会不断增加物体的复杂性。下图（图4）是用来实现LOD的房屋的三个不同细节层次的模型。Creator采用了Morph方法来平滑相邻层的切换,即在相邻的LOD间生成一个过渡区,使LOD间能够自然过渡。

1234个三角面片 740三角面片 371个三角面片

图4 LOD模型

3.1 三维地物模型的建立

我们在3dMax中建好房屋、建筑等地物模型后，把它存为3ds格式，在Multigen Creator中对3ds格式进行处理， Creator为每个物体构建了一个数据库，我们能容易的实现实时的渲染。OpenFlight本身具有的特色可以使我们使用它来对实时仿真的数据库进行优化，为了满足实时仿真的要求，在Multigen Creator中，一些观察者看不到的面片被删除掉,同时还进行了面片的合并。

3.2 三维地形模型的建立

地理信息系统软件采用了美国环境系统研究所生产的ARC/INFO软件， 利用ARC/INFO建立的地形图，通过数字化及高程内插值处理，建立地形矢量数据库和数字高程模型（DEM）。高程数据以一定的地理间距将整个地形划分为网格状数据，每个均匀分布的网格点都有相应的X、Y坐标和高程数据。

在进行虚拟地形三维建模时，首先把生成的 DEM 数据转入 MultiGen Creator，进而转化为 Creator 专用的 DED 标准格式。然后，采用 CAT方式对输入的地形模型进行三角化，生成平滑过渡的多重LOD的数据库。按照不同的地物属性分层输入 MultiGen，选择或重新建立对应的特征码（FeatureID）和表面材质码(SMC)，赋予其适当的纹理。然后选择合适的投影方式，按照与地表模型对应的经纬度坐标投影到地貌景观上，得到更为突出和真实的地貌景观。

3.3.4使用纹理来代替多边形造型

在VR-BWS中，纹理用于建筑物、道路、树木、草地等物体。经过转换的模型并没有纹理信息，为了增强场景的真实感，同时也为了提高视景的生成与显示速度，我们采用了大量的纹理贴图。 3.3.4.1远景和天空的构造

在VR-BWS中，通过在地形的边缘构造一圈闭合的、由若干多边形组成的“围墙”，在多边形上映射相应的纹理，实现该方向上远景的模拟。同样，对天空的模拟，采用加盖一个多边形作为“屋顶”，在多边形上映射相应天气效果的纹理。这样，当视点在这个由地形、边界立面、顶面组成的盒子内移动时，加上适当的光照效果，我们就可以感到由远景、天空所产生的强烈的纵深感，而且渲染的速度要比渲染由几百甚至几千个多边形模型的速度要快得多。 3.3.4.2透明单面物体的构造

在虚拟场景的构造过程中，我们采用了透明纹理映射技术较好的实现逼真度和运行速度的平衡。例如对于一棵树, 在两个十字交叉的面片上贴上带α通道的透明纹理，这样可以显著减少面片的数量。在VR-BWS的开发过程中，我们使用数码相机来采集环境素材，一般以JPG格式存储,为了在Creator中使用,必须对原始图形进行加工,我们使用Photoshop6.1中的魔术棒工具来截取我们所需要的图像，然后通过输出透明贴图把文件保存为.PNG格式，输入到Multigen creator中用纹理编辑器将其保存为rgba格式。在纹理文件输出时一定要注意输出文件的长宽尺寸,将文件长、宽度全部限制为2的幂次单位的像素大小。这样的严格限制保证了贴图纹理的正常显示,否则在Creator中的规则的贴图在实景浏览时,很可能丢失、或者倾斜变形。

3.3 提高三维模型实时显示的几种方法

3.3.1使用实例

在虚拟场景中存在同一物体被多次使用的情况,（例如路旁的树木、花草等），除了空间位置的不同之外,其它的属性都一样,我们只需建立一个模型,在以后的使用过程中只要通过坐标变换来引用该模型即可,对于具有对称性的物体的模型, 也可以采用实例的方法。这样可以节省大量的硬盘和内存空间。 3.3.2使用外部引用

在Multigen Creator中外部引用(External reference)可以让用户直接把其他数据库引用到当前的数据库中。引用的数据库能在当前数据库中重新定位。通过外部引用，能够将复杂场景中的各个物体、单元地形等分别调入，这样可以根据视点动态的选择显示区域，十分有效的提高了运行的实时性。

3.4 碰撞检测

在我们设计的漫游场景中，

漫游时对那些不能穿越的物【自行车健身器的发明】

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Vol. 17 No. 5

系 统 仿 真 学 报 May 2005

一个相交平面确定为地形表面。再将视点置于该表面的Y值高度之上，视点的高度值设置为Y分量加上一个固定值。

体（如楼房、山和坡地等）需进行碰撞检测。进行碰撞检测时只对落入人的视野范围内的物体进行检测，以满足实时性的要求。我们采用了基于包围盒的碰撞检测算法，对漫游视点与物体之间的几何位置关系进行限制，通过检测视点与物体的距离，一旦小于某个阈值，则认为发生了碰撞，此时需要给出合理的碰撞响应，在VR-BWS中当检测到视点与物体发生碰撞时，通过判断被撞物体的属性，来进行下一步的动作，当被撞物体是房屋等建筑物时，通过骑车人速度的快慢给出不同的视觉效果，如使视点略微后退、改变视线方向、或使视点向左或右平移而视线方向不变等。当被撞物体是山坡时，则调用地形匹配子程序，使视点和视线随地形的变化而变化， 下面给出了碰撞检测的流程图（图5）：

图5 碰撞检测的流程图

3.6 转弯时图像抖动的处理

当自行车转弯时在转角处视线会按转角大小突然偏转，反应到漫游动画中就是在转角处相临的两帧很不连续，以至观察者会感觉到画面有明显的抖动。不消除转角处产生的抖动问题势必影响动画的质量，在VR-BWS中采用了一种消除转角处抖动的方法。

这种方法的基本思想就是将转角按一定大小进行平分，视线每转过一个平分角度就根据当前视点和视线方向插入一个动画帧，使视线平滑过渡到下一视线方向，与人眼扫过某一场景类似，从而使得观察者看到的动画很平滑。

4 立体显示技术

3 维立体显示技术是虚拟现实的关键技术之一。要实现3维景观的立体显示,首先必须得到符合3维特征的立体图像对(Stereo Pair)[5]。由于左右片对图像的相关性很强,物体在左右图上往往只有一个视差d,而其色彩与亮度值相差很小,所以我们可以利用这一点实现立体片对生成的快速算法。

假设场景中任意点F(x,y,z)在左右片对中分别成像为Pl(xl,yl)、Pr(xr,yr)，则可得：

视差 d=xl−xr=(L•f)/z （1）

⎧xl=xr+d=xr+(L•f)/z⎨

⎩yl=yr

（2）

其中L代表左右焦点之间的间距，f代表焦距，d代表两眼的视差，首先分别计算得到左右眼的视点向量及其变换矩阵 ,而后在生成右眼图的同时 ,利用式(2)来计算左眼图。在这一过程中 ,我们对离视点近的物体不采用式(2)计算 ,而用分别计算方法生成,这样可以使得生成的左右片对既不失真实性,又具有快速性。

5 试验结果及结论

根据本文所论述的原理和方法,我们设计并实现了基于微机平台的自行车仿真健身器,（实物见图6，漫游场景见图7）。该自行车漫游系统（VR-BWS）可实现对虚拟场景的交互漫游，最小帧速率达到30帧/秒(分辨率1024*768，32位真彩色)，系统的功能和性能指标如下：

（1）当参与者骑在自行车上使自行车运动时，可实现在虚拟场景中前行、拐弯、后退，可以刹车，画面流畅,人机交互和谐、自然

（2）当场景中出现上坡和下坡时的画面时，参与者可以感觉到由力觉提示装置所反馈回来的阻尼力和驱动力，有身临其境的感觉

（3）场景中设计有不同宽度的沟壑和天堑，根据自行车的速度以及骑车人的体重和提把的力的信息来判断能否冲过去，仿真飞越长城和黄河等

3.5 地形匹配技术

在VR-BWS中，参与者骑车在虚拟场景中漫游时，当检测到山坡等地形物体时，需要进行地形匹配，由于漫游者控制的是人眼的“化身”，即视点，所以地形匹配即指视点的高度及视线方向随地形变化而改变。当由传感器实时采集到的数据使视点位置发生变化时，将引起碰撞检测模块的调用，一旦碰撞检测的结果显示为发生碰撞，通过读取被撞面属性数据决定采取何种响应，如果是坡地的话则进行地形匹配。视点在视向方向上发生碰撞之后，碰撞位置可记为collisionPOS，经地形匹配后的视点位置必然在视点坐标系的Y轴之上。经过点collisionPOS建立竖直的直线方程，利用直线与空间多边形集求交的方法，求出与Y轴相交的平面及交点坐标。令交点坐标中Y分量不超过某一给定值且最大的

Vol. 17 No. 5

May 2005 高 欣, 等：自行车仿真健身器的设计与实现

（4）逼真的漫游场景画面，视场角750，地景10km*10km，场景中三维模型的多边形面片数超过了10万个,景象有道路，草地、建筑、房屋、山坡、蓝天、白云等

（5）高效的DSP控制系统，系统的跟踪控制性能达到7hz以上实验表明,我们设计的系统能较好的模拟人在实际环境中骑车的感受，上述设计原理和方法可以用于跑步机、划船机等许多方面，应用前景十分广阔。

图6 实物图 图7 交互漫游场景

• 1167 •

目前，受虚拟现实软、硬件技术条件限制，如虚拟现实专用交互设备比较昂贵，现有交互方式还不够方便灵活，系统实时性和精度都有待提高，这些制约因素限制了VR技术在体育仿真技术领域的推广应用。随着VR技术进步，可以确信，在不远的将来会有更多的、更具创新的应用出现。

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Allen Bierbaum, Christopher Just. Software Tools for Virtual Reality

篇五 自行车健身器的发明
健身自行车是一种有氧锻炼器械

健身自行车是一种有氧锻炼器械

健身自行车是一种有氧锻炼器械，深受年轻人和白领工作人员的欢迎。

长时间的慢速骑行心率一般不超过最大心率的65%。持续20分钟以上，会“燃烧”更多的脂肪来供给能量，因此，比较适合以减脂为目的的肥胖者。

快速骑行可使心率达到最大心率的85%以上。此时机体主要通过糖原无氧酵解的方式来供能，可以提高全身尤其是大腿肌肉的无氧运动能力，帮助提升无氧阈值。也就是说，剧烈运动后的身体不适感将会被推迟，有助于我们从事更高强度的运动，或在高强度运动时坚持更长的时间。此外，快骑对心肺功能也颇具锻炼价值。

快慢结合的骑行方式除了能兼顾有氧能力、无氧能力、心肺功能外，还能增加运动的乐趣。如能得到科学的指导，采用更合理的快慢结合锻炼方式，还会取得更好的健身效果。

中速骑行也就是把心率控制在最大心率的65%—85%，是锻炼心肺功能及身体有氧运动能力的好方法。

健身时最好将以上几种方式交替进行，但以其中一种为主，同时辅以其他方式，才能达到更好的锻炼效果。

此外，健身者刚开始锻炼时，骑行速度不宜过快，时间一般为20—40分钟，期间如感觉疲劳，可隔一段时间慢速骑1—2分钟以恢复体力。经过一个阶段后，再逐渐增加运动的强度和持续时间。

运动前不要喝酒

运动前不要喝酒， 因为酒精会使你的运动技巧和判断力变得迟钝，酒精可降低力量、速度、肌肉耐力和心血管耐力。一次大量的饮酒更会导致反应、平衡和协调能力的降低，即使在中等量饮酒的第二天，这些运动能力仍不能完全恢复。但是，很少有人能知道，如果运动后少量喝点酒，还能起到缓解疲劳的作用。

国外医学研究报告提出，适当饮酒可使动脉血管扩张、血压下降，有益于患轻微高血压及血液循环不良的患者，而适量葡萄酒更能提升有利的高密度脂蛋白及降低有害的低密度脂蛋白， 防止心脏病发作。运动后喝点酒能够缓解疲劳，因为运动后产生大量乳酸，导致人体酸碱不平衡，而喝酒能够使血管扩张，加快乳酸代谢。

需要注意的是，运动后喝酒要遵循“适时”“适度”“适量”的原则。“适时”就是不能停止

运动马上饮酒，尤其是饮大量的啤酒，因为这样会加重心脏、肾脏的负担，损害健康，应该选择在进食时：“适度”就是运动后饮酒度数应是低度酒，如葡萄酒、黄酒、啤酒等，而我国传统的酿酒如绍兴酒、糯米酒也是自古流传的滋养补品：“适量”就是酒量要适当，一般白酒每次不宜超过50毫升，啤酒不超过300毫升。

另外，喝酒时选择理想的佐菜既可饱口福，又可补充运动后营养物质的缺失，最佳佐菜当推高蛋白和含维生素多的食物，如新鲜蔬菜、鲜鱼、瘦肉、豆类、蛋类等。

资料来源：

篇六 自行车健身器的发明
高速休闲健身自行车的创新设计

第7卷 第3期

2009年9月南京工程学院学报(自然科学版)JournalofNanjingInstituteofTechnology(NaturalScienceEdition)Vo.l7,No.3Sep.,2009 文章编号:1672-2558(2009)03-0028-06

高速休闲健身自行车的创新设计

刘极峰,喻海飞,程 骞

(南京工程学院机械工程学院,江苏 南京,211167)

摘 要:针对普通自行车及电动车设计使用中存在的不足,提出骑乘舒适、操控科学、使用便捷、绿色环保的自行车设计新理念;基于人机工学原理构造原理设计新思路、结构设计新方案,开发研制出高速休闲健身自行车.测试结果表明:该车与普通自行车相比,用力相同时速度明显提高,速度相同时骑行明显省力,且坐姿舒适度、安全性等方面明显提高,样车试骑最高时速可达40km.

关键词:低座;平蹬;高速;高速自行车;人机工学;舒适性

中图分类号:TB18 文献标识码:A

InnovativeDesignofHigh speedLeisureGymnasticBicycles

LIUJi feng,YUHai fe,iCHENGQian

(SchoolofMechanicalEngineering,NanjingInstituteofTechnology,Nanjing211167,China)

Abstract:Thedefectsofordinarybicyclesandelectronicbicyclescallforanewkindofgreenandenvironmentalfriendlybicycleswhicharecomfortableandeasytoride.Humanfactorsengineeringprincipleisappliedtoproduceanewhigh speedleisuregymnasticbicycle.Thetestresultsindicatethatcomparedwithordinarybicycles,thenewlydesignedoneisfaster,safer,morelabor savingandcomfortableunderthesameconditions.Themaximumspeedreachesfortykilometersperhour.

Keywords:lowplace;flatlytread;high speed;oscillating polebicycle;humanfactorsengineering;comfortableness

随着全球化经济的日益发展,人们对交通工具的依赖性越来越大.我国号称 自行车王国 ,与普通老百姓生活关系最为密切的交通工具当属自行车.目前,全世界有自行车逾10亿辆,而我国就占近1/3.自行车在我国不仅数量多,且作为代步和运输的交通工具在全国几乎所有城市以及广大的农村具有极高的使用普及率,自然也就使我国当之无愧成为世界上最大的自行车产销及使用地,同时也促使其产品质量和品种不断地提高和增多.

现有自行车的使用如此之广,其优点固然很多,但也存在着诸多不足,人们在设计、使用中不断改进,新车型不断涌现.高速休闲健身自行车(简称高速车)提出一种具有低位车座、带靠背结构、摆式驱动装置的新型自行车设计理念.此外还可考虑加装全密封舱或半密封舱的高速车,以降低空气阻力对自行车高速行驶时的影响,使驾驶者不再承受恶劣天气的影响,流线型舱身结构设计既减阻又美观[1-2].

高速车与普通自行车相比,人体舒适度、安全性、车速、性价比等能得到显著提高,同时该车还具有显收稿日期:2009-03-23;修回日期:2009-06-04

基金项目:河南省科技攻关计划基金项目(0624260008);江苏省高校大学生实践创新训练计划资助项目(166201070004);江苏省高校大学生实践创新训练计划资助项目(166201090004)

作者简介:刘极峰(1955-),男,教授,研究方向为机电与振动工程.

E mai:lliujf2002@163.com

第7卷第3期刘极峰,等:高速休闲健身自行车的创新设计29著的运动、休闲等功能.此种自行车将充分利用人的体能,其时速可高达40km.在以环保、节能为主旨的今天,它显然具有广阔的市场应用前景.

从市场调研到创新设计与论证,经历2年多不断的改进与试验,样车通过初步测试,主要技术参数达到预期设计目标.

1 问题的提出

1 1 自行车的起源和发展

从自行车的发明至今已有百余年的历史,经历数代人孜孜不倦的改进和创新,已有多种类型的自行车出现,由原来的平地发展到适应于崎岖山路的变速自行车,又由陆地发展到水上自行车,如今又流行电动助力自行车.

1 2 自行车的优缺点

传统自行车大部分是前轮转向,后轮驱动,即所谓普通自行车.即使在大中城市汽车比较普及的今天,普通自行车对大多数人来说也不失为是便捷、实用的交通工具,大家普遍认为,普通自行车的设计是科学、完美的,也是无可挑剔的.但随着汽车的进一步普及,自行车的运输功能降为次要,作为短途交通、休闲健身工具,其缺点便随之显现出来.

普通自行车最大的缺点就是在安全、舒适、省力等性能方面的不相容性.普通自行车的速度低、费力且舒适度差是个较大的问题.由人机工学研究可知,普通自行车的车座窄小,呈窄三角形,影响蹬车动作,尤其是山地车、跑车、赛车的车座更窄,就更缺乏舒适感,使得驾驶者易疲劳.长期、远途使用,人们还会患自行车 三角座病 ,城市上班族上下班单程3~6km是常见的,长时间骑车后会感到阴部不适,若不及时休息或治疗,症状会渐加重,引起尿痛、尿频、睾丸疼痛等症状.此源于骑车时会阴部长时间受挤压,致使前列腺充血、肿胀,发生慢性炎症之缘故

1 3 电动车的优缺点

近年来,电动车以其适中的价格和较传统自行车明显的省力、速度优势,得到了广大消费者的青睐,使用者更是迅猛激增,很多地方甚至超过了自行车的拥有量.但是,作为电动自行车的最大缺点:污染和能源问题却没有得到大多数人的重视.

资料显示,绝大多数电动车使用铅酸电池,其酸液具有高溶解性;所含大量的铅在一定温度下可产生铅蒸气,而人体的铅含量一旦超标,就会导致智力下降,易诱发的恶性肿瘤等疾病;更可怕的是,这种电池废弃后一旦接触到水,其污染作用可持续百年之久,贻害后人

1 4 问题综述

普通自行车和电动车各有优势,又各有其不足.如何从根本上解决自行车-人体构成的人机系统问题,提高乘坐舒适度,综合发挥人体潜能,是自行车设计中至今悬而未决的问题.设计一种集舒适、高效、安全、高速、环保、节能、休闲健身于一体的新型自行车,是今天人们所追求的新目标[4-7][3][2]...

2 高速车的创新设计

2 1 设计理念创新

为了使自行车更好地成为交通、休闲健身和短途旅游的工具,本车以提高自行车的传动效率和驾驶者

30南京工程学院学报(自然科学版)2009年9月

[8-10]舒适度为出发点,充分体现以人为本的设计理念,使人在舒适的坐姿下,尽量发挥人体的肢体功能.

1)车速的提高:采用串联的二级链传动.因一般自行车为增速传动,故将其传动比设为主动轮齿数/被动轮齿数.第一级传动为摆杆极限距离的弧长与中轴飞轮分度圆周长之比i1;第二级传动为普通自行车的花盘与后轴飞轮的齿数之比i2.本车中摆杆前后摆动的弧长为317mm,中轴飞轮分度圆直径为70mm,即i1=317/210=1 51.第二级传动中花盘与后轴飞轮的齿数分别为38、24,即i2=38/24=1 583.则有总传动比i =1 51!1 583=2 391.

高速车的传动比是传统自行车的1 51倍,故可获得较高的时速.又考虑到高速车的带靠背结构,驾驶者的后腰能用上力,则可轻松地产生很大的平蹬驱动力,摆杆前后摆动一个循环的周期节奏常常与人的心脏节律差不多,若取60次/min,则本车的时速VG为

VG=2!L!i !60!60=2!1 91!2 391!60!60=32 88km/h

其中采用24英寸自行车后轮,周长L为1 91m.

时速32 88km仅为高速车理论计算速度,实际速度还要考虑不同人群人体素质的健壮程度与年龄段、试验条件、骑行里程、整车的调试状况等多种因素的影响,其摆动循环的周期会有比较大的变化.

2)人体舒适度的提高:在设计过程中应用人机工学、人体力学原理等知识,充分考虑人驾驶时的舒适度,通过使用带靠背的宽平座椅,将 三角座病 的发生概率减至最低,研究和调整座椅形状与尺寸,从而达到操纵灵活、视野开阔、用力自然、乘坐舒适的目的[2,6].

3)休闲健身功能:在行车过程中,可以充分锻炼到人体背部、腰部、大小腿部等肌肉,更多可以锻炼到腹部肌肉,有利于人体的健康与完美身材的塑造.同时在宽座上行驶,对人的生殖系统有更明显的保护作用,免患自行车病[2,6].

4)行车安全性:普通自行车因重心偏高,遇有紧急情况时来不及下车,容易出现摔车摔人事故.高速车调低座位高度,使人车总重心明显降低,如遇紧急情况时,在收刹闸的同时,双脚即可着地,能有效提高行车的安全性[6,7].

5)环保节能性:高速车在驱动过程中为全人力驱动,不使用气、煤、电等能源,既节约了能源,又不会对环境产生任何污染.

6)实用性与经济性:经测试,高速车时速可达40km/h,速度明显高于普通自行车、价格明显低于电动车;且无需燃料费,维修保养费相对于电动车也低得多.

2 2 结构设计创新

1)摆式驱动装置:现有的人力驱动装置是人的双脚踩脚踏作回转运动使车前进,一个周期内有用功仅占总功的不足1/3;高速车采用接近水平的平蹬式驱动装置,其关键技术在于把脚蹬的圆周运动改为左右摆杆端部的近似直线运动,用功仅占总功的2/3以上.这种运动方式通过链轮∀链条间的传动实现,平蹬驱动装置中有害分力大幅降低,有用分力大幅提高,不仅提高了工作效率,而且提高了自行车的运动速度.

2)低位车座带靠背结构:把车座设计在与脚蹬基本等高的平面上,让人像在座椅上一样,使腿接近水平方向自然下垂作来回蹬踏动作,同时背靠弧型靠背,使人能充分利用腿部及腰部力量,在脚蹬上无需过多用力就能将时速提高,使自行车能最大限度地发挥人体结构的用力功能,降低人的疲劳强度,增强驾驶者的舒适性,提高驾驶者的耐力,使其能轻松地驱车前进.

3)整体功能方面:考虑到整体式车架、轻型塑钢的选用、可靠的制动系统、启动停车的稳定性等因素,

第7卷第3期刘极峰,等:高速休闲健身自行车的创新设计31采用上述装置制作的高速车主要可作为体育、休闲健身工具之用,也可作为人们的代步运输交通工具[11-13].

2 3 工作原理创新

高速车机构运动简图见图1.当左脚向前施力蹬踩左脚蹬19时,19通过左摆杆1带动左杆链6驱动左飞轮14正向施力,其上离合器闭合且使驱动轮8带动后飞轮12正向旋转,使装置向前运动;与此同时,左侧的链条通过滑轮17使得右飞轮15反转,右飞轮与驱动轮处于分离状态,右脚蹬5则相应向后运动;当左脚蹬19前移至最前点时,右脚蹬5则运动到最后点,变换脚踩方向,即右脚向前蹬踩,右飞轮15正转,带动整个装置向前运动,而左飞轮14与驱动轮8分离,左脚蹬19相应向后运动,直至终点完成一个工作循环,如此反复,实现装置的连续向前运动

.

图2为全密闭舱高速车透视图.车体外舱固定在整体车架上,纵剖面内车架由连杆构成L型,上端为摆杆转动转轴中心,摆杆下端装有脚蹬,并固接驱动链条、左杆链与右杆链,且通过滑轮连为一体.

图3为传动示意图,在左、右摆杆的推力F1、F2依次作用下,通过左、右飞轮内分别装的超越离合器,使其只能单向回转,带动花盘驱动后轴.在中轴上方安装低位车座与靠背,前插下端与车轮相连,上端与车把固接,便于操纵.花盘与飞轮的传动及装配关系与普通自行车类似[11-13]

.

3 高速车的研制与试验

高速车基本部件有前叉、前轴、摆杆、中轴、滑轮、车架、绳链传动等7部分.经过从市场调研、查阅资料

32南京工程学院学报(自然科学版)2009年9月到原理设计、结构设计与论证,图纸设计、计算机仿真、零部件加工安装、调试、试验等阶段.

试车员由选定的3位学生来担任.根据试车员的体能和骑车技术编号为甲、乙、丙,采用选定的普通自行车与高速车样车,在选定的5km路段上,每人各骑行三次取平均值.使用的主要测试仪表为捷安特自行车码表,测试结果如表1.

表1 测试情况表试车员

甲

乙

丙普通自行车平均速度/(km#h-1)19 3518 0716 76时间/min15 516 617 9高速车样车平均速度/(km#h-1)32 2629 7026 79时间/min 9 310 111 2

由表1可看出:样车在5km时段上,同一驾驶者试骑高速车样车的平均速度明显高于普通自行车;也就是说,当高速车样车平均速度与普通自行车基本相同时,骑行明显省力;且坐姿舒适、安全度高;最高时速可达40km.由此可见,与普通自行车相比,高速车在用力相同时速度明显提高.

研制出的高速车样车,已申请并获得国家专利局授权的国家专利.行进中的无舱高速自行车、基于Rhinoceros软件制作的半密闭舱高速车外观图分别如图4、图5所示[9-11]

.

研制与试验过程中,主要考虑了如下问题:

1)高速车行驶时如何使得正常人在驾驶时不会感到过度的疲劳,即与普通自行车等人力驱动装置相比,不会有过多的体力消耗,在获得高速的同时,基本与普通自行车正常行驶时人体消耗的体力相当.

2)考虑到人的舒适度,采用座式自然后倾,加长自行车龙头,脚踏板前置,踏板尽量上抬,让人保持正常坐姿,和普通自行车不同,人腿向前作近似直线运动,链条加长,让前链、轮有足够的空间前移.4 结论

1)由测试情况表可知,样车在5km时段上,同一驾驶者试骑高速车样车的平均速度明显高于普通自行车,即与普通自行车相比,高速车在用力相同时速度明显提高,速度相同时骑行明显省力.

2)普通自行车的一般时速为10~20km,高速车样车骑行时速可达40km,可称为普通自行车中的高速车.

3)高速自行车与普通自行车相比,坐姿舒适、操作省力、安全度高;与电动自行车相比,无污染,无充电之烦,无续行里程之扰,价格低而速度相当,既不太费力又可适度运动,能起到强身健体的作用,是真正的绿色交通工具.

篇七 自行车健身器的发明
高品位的室内 自行车健身器

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