基本信息
- 项目名称：
- 基于人机工程的新型爬行锻炼机
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 在物质水平突飞猛进的今天，人们对健身和运动的需求愈加明显，对健身器械的要求不仅是能够实现简单的身体锻炼，还要能够对身体进行调节和预防一些疾病。该爬行锻炼机通过四个爬步带——两个上肢和两个下肢爬步带的连续运动，手掌和脚底分别与爬步带接触，使用户在上面实现多种爬行锻炼。该设备具有广泛的实用性和适用性，可用于多种人群；应用场所也比较广泛，例如：家庭的日常锻炼，医院的康复治疗，健身会所等。
- 详细介绍：
- 1.1研发背景 随着人类社会的不断发展和当前人们生活节奏的不断加快，各种由于缺少运动和长期不良姿态引发的身体问题愈加严重地干扰着人们的生活，如颈椎病、冠心病、腰椎病等。巴西著名专家卡尔旺博士对各种爬行动物进行了详细的观察研究，发现爬行动物很少有动脉硬化、腰椎病、冠心病、痔疮、下肢静脉曲张等疾病。科学研究发现：人在站着运动或工作中，由于脊柱受垂直的力比较大，时间长了自然会导致颈椎出现问题，逐步演变为颈椎病；人在站立或直立行走时，由于大脑所处位置高于心脏，给心脏的供血带来了很大的压力，从而引发很多的危害，例如：短暂缺氧，头晕乏力等；同时由于心脏的供血压力比较大，也极易引起心脏上的一些问题。通过实际试验研究，综合医学和生理学，发现爬行是一种很全面的全身运动，可有效地减少和治愈一些由于长时间站立或直立运动引发的疾病，弥补人类直立行走后身体其他部位得不到锻炼之不足。爬行使人在活动中回到原始动作姿势，头部和心脏处于等高位置；爬行时，内脏向下压迫胸、腹前壁，使呼吸肌得到了锻炼，呼吸器官的功能也得到了改善，胸式呼吸和腹式呼吸负荷都比较均衡；；肺内的气体交换充分，血液中的氧量增多，从而使新陈代谢增强；支撑头部重量的颈、背部肌肉群也得到了锻炼，改善了脊柱的姿势，使全身的血液回流通畅，有利于对身体各器官的血液供应；身体重量分散到四肢，可大大减轻腰椎的垂直负重，腹部和腰部肌肉明显变得结实，弹性也大大增强；爬行运动可矫正脊柱歪斜，防治腰肌劳损、腰椎部疾病、坐骨神经痛、下肢静脉曲张、上臂肌肉萎缩、消化不良等病，对关节炎等疾患也有疗效；爬行的长处在于脊柱及腹的运动强度都比较大，可同时进行腰腹运动。 2011年4月20日中央电视台中文国际频道《中华医药》栏目组又对爬行锻炼的好处做了进一步的阐述。有资料说，直立姿势的时候，脊柱担负着身体60%以上的重量，成为身体的薄弱环节。而人体血液的70%，在这种情况下也是低于心脏位置的，这样不利于血液回流到心脏的。而头部位于身体的最高处，也是极易缺血的，所以不少生理学家认为冠心病、高血压、还有脊椎病等等都与直立有关系。但是当爬行的时候，他让身体的头部和心脏有垂直方向变成了一个水平方向，重心降低了，这样血液回流心脏以及上达头部就变得比较舒畅了。心脏的供血量增加了，胸闷、心慌等等这样一些状态自然就会有所改善了。栏目组介绍的爬行锻炼的好处： （一） 头部供血量增加了，记忆力就容易增强，也有利于改善视力，防止头发变白。（二）此外，爬行因为把身体重量分散到了四肢，使得颈椎、腰椎的负担也大大减轻了，这样就有利于防治各种颈椎病变的。（三）爬行时，腹部器官的受力方向也发生了改变，这样可以减少内脏的压力，增强内脏功能，肠胃功能也会因此而增强，自然就有利于缓解便秘了。 1.2 需求特征 随着人们健康理念的不断增强，很多群体对在任何时间、任何空间、进行全面而有用的健身需求越来越迫切。但由于设计理念和关键技术的原因，健身器材和健身方法还存在着严重的局限性。式样不同，功能各异的健身器材层出不穷，但是否能够最大限度的缓解身体由于缺乏运动而引起的各类疾病的发生还没有准确的定论。但一些较为成熟的技术可为新的设计提供灵感，如现有的跑步机技术已比较成熟，相对稳定的跑步机技术为解决爬行的稳定性提供了技术支持。“基于人机工程的新型爬行锻炼机”借鉴前人对人机工程学、仿生学、爬行运动和跑步机技术设计的研究成果制作，它既适合于多种人群做全面的健身运动，又能够有效地避免或缓解某些职业病，对现代社会的进步有积极的意义。 1.3 现有爬行的背景技术 目前在国内外对于爬行健身的研究是比较多的，很多医生、专家、学者都对爬行健身的优点和效果做了一些比较系统的研究，在爬行运动的科学性和可实践性方面都做出了坚实的理论支持。在实践过程中，很多人都对此提出和设计了一些简易的爬行锻炼器，但遗憾的是目前市场上并没有一款专门针对于爬行运动的健身器。通过科技查新，发现现已公布的发明和实用新型专利、公开发表的论文中涉及的爬行健身器材较多的都是完全依据仿生学原理，例如爬行时必须是左手右脚或右手左脚这样的交替方式，这样的设计对爬行就有了较多的限制，对机器而言就是去了灵活性和适用性；另外，一些爬行器大多都采用手柄和脚板的方式，在爬行时，身体的重量主要依靠脚和手腕来支撑，一旦机器运行不稳极易造成手腕受伤，此外利用手柄和脚板的方式进行爬行还极大的限制了爬行锻炼的适用人群范围，一些老人和手臂力量较小的人就很不适合或者无法利用这种爬行锻炼机械。除了这些手柄、脚踏板式的爬行锻炼机外，一些研究者还设计了一些辅助爬行的设备，但也因诸多不尽人意之处无法面向市场。 综上分析，目前市场上爬行锻炼设备缺乏的原因如下：一是技术的不成熟，二是人们还没有完全认识到爬行锻炼的好处。“基于人机工程的新型爬行锻炼机”具有技术稳定、使用方便、适用性强等特点，在日常运动锻炼中必将更为普遍，具有更为广阔的市场前景和经济效益。 1.4 设计方案 在人机学的设计准则中，要求本锻炼机主要满足这样的一些设计理念：使用安全性、结构简单合理、外观美观优雅、一体化设计完备等。依据仿生学原理和人们的爬行习惯，该锻炼机布置有四个触点，分别为两个前肢接触点、两个下肢接触点。在仿生学原理的基础上，对触点的运动方式做出一些创新和改动，就是四个触点可以按照自己的需求进行个性化的转换和联动，打破了资料中人们爬行锻炼的纯仿生，那手脚不许是左右前后相对交替的模式，新模式下更易提高的协调性和运动的同步性。现有资料中设计研究的爬行锻炼设备或辅助性设备大都采用手柄，脚板的触点方式。该方式在很大程度上阻碍了爬行锻炼机走进人们的日常锻炼。为提高锻炼机的安全性和适用性，触点设计采用目前比较成熟的跑步带技术，使人与锻炼机的接触，主要是四肢与四条相对独立但又可联动的步带。这样不仅增加了人体与锻炼机接触面积，而且降低身体的重心，有助于提高运动的安全性能。基于人机工程的新型爬行锻炼机有四个相对独立且有相互关联的爬步带，每个爬步带都有独立的动力装置，以满足不同时期不同人群的锻炼需要。其中下肢接触的两个爬步带固定固定于支板板上，上肢接触的两个爬步带通过剪式抬升机构固定于支板，以实现对人体爬行姿态最佳效果的调整。用于固定四个爬步带的支板，通过电机、顶杆的抬升装置可以实现锻炼时的坡度调节。用于固定四块爬步带的支板与底架之间采用液压推杆元件，通过底架上的折叠机构，可以使锻炼机在不用时，方便折叠，节省空间。传动爬步带的设计主要参考目前相对成熟的跑步机中的步带技术。传动带主要通过驱动电机带动带轮，通过传动带带动橡胶步带绕于之上的滚筒，进而通过滚筒的转动带动步带的运动，位于步带另一端缠绕的滑动件除了减小阻力，带动步带旋转外，在滚动件两端设置的螺栓张紧装置还有利调节步带的松紧程度，改变了依靠专门的张紧辊来调整松紧程度的需要。同时，减轻了一整个装置的质量，更利于实现本锻炼机的一体化设计。 1.5 设备优势 随着人们生活节奏的加快和对健康理念认识的逐步加深，在日常的运动和锻炼中更加注重效果，在日常的办公场所、生活场所和娱乐健身会所，人们对能够全面健身且可以有效缓解工作压力、减少职业性脊椎病的爬行锻炼机的需求会不断地提高。“基于人机工程的新型爬行锻炼机”正是提供这样的服务，并具有如下的优势： ■科学性：该设备是在医学、生理学、仿生学和机械设计理论的充分论证下设计制作的，无论是作用机制和作用效果都有科学的依据。爬行的好处现已有医学和身理学上的充分论证，我们的设备就是在此基础上设计制作的，再者我们立足于现在比较成熟的跑步机技术，避开了目前出现在资料上的一些设备的不足，结合“人机工程学”设计制作的“基于人机工程的新型爬行锻炼机”在具有完备的科学性的基础上又具有一定的新颖性 ■结构简单：该新型爬行锻炼机利用电机带动四个爬步带的连续运动，手掌和脚底分别与爬步带接触，该设备还可以使用户在上面实现多种爬行锻炼模式，例如：左上肢和右下肢同步运动，右上肢和左下肢同步运动；上肢不动，下肢做运动；上肢同步运动，下肢同步运动。通过灵活的转换和联动，使四个爬步带可以按照个体需求进行不同肢体的运动和实现不同的运动方式，在结构简单的基础上满足了多方式的爬行运动。 ■适用性强：新型爬行锻炼机采用了高度集成的一体化设计，采用多档级调速设置和主被动运行模式，扩大和强化了该新型爬行锻炼机的适用范围。多档级调速和主被动运行模式使该锻炼机可用于多种人群；高度集成的一体化设计可使设备适用于多种场合，诸如：家庭、办公场所、医院康复治疗中心和健身会所等。 ■广阔的市场性：当前市场上还没有用于爬行锻炼的设备或机械，基于人机工程的新型爬行锻炼机有着很大的发展空间，即可健身又可以预防或治愈一些疾病的设计理念，使得该锻炼机械能在较短的时间内赢得多种人群的市场。以上海市为例：2011年3月、4月我们对上海市闵行区、徐汇区、浦东新区和宝山区的800个个人、350个家庭、100家公司、20家医院和30家健身会所以问卷形式进行了调研，调研结果发现：55%的人愿意试用、21%的人愿意购买本设备、20%的家庭、30%的公司、10%的医院和20%的健身会所愿意试用或购买本设备。由此可知该“基于人机工程的新型爬行锻炼机”有着广阔的市场前景和良好的经济效益。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 一、设计的目的人在爬行时，上下肢和腰腹部的肌肉群均需参与运动，这对全面发展身体素质，提高身各关节的灵活性有积极的作用。爬行时脊柱及腹的运动强度都比较大，可同时进行腰腹运动；并且胸式呼吸和腹式呼吸负荷都比较均衡；颈部运动也较大，可弥补人类直立行走后身体其他部位得不到锻炼之不足。而设计本新型爬行锻炼机的目的正是为了使人在活动中回到原始动作姿势，使头部和心脏的位置降低，使全身的血液回流通畅，有利于对身体各器官的血液供应；也是为了弥补该类健身产品在国内外市场上的空白。二、设计的基本思路本爬步机的设计思路是通过四个爬步带——两个上肢和两个下肢爬步带的连续运动，手掌和脚底分别与爬步带接触，使用户在上面实现多种爬行锻炼模式。三、创新点 1．爬行锻炼的概念设计 2．设计的首创性和独创性 3．基于人机工程的理念设计 4．多档级变速基础上的联动转换 5．多方式运动组合和多用途转换四、技术关键爬步机设计的技术关键是通过四个爬步带的连续运动和非同步运动之间的转换，设置切实有效保护装置，在运动中防止使用者在运动中因各种原因导致的意外。五、主要技术指标 1．输出功率：连续输出功率1.5-2.0Hp。 2．承载重量50-150kg。 3．速度范围：0-8Km/h。 4．坡度调节：0-30°。 5．有效爬步带面积：前步带：2*600*800mm 后步带：2*600*1200mm
科学性、先进性
- 科学性： 1. 爬行健身可将全身重量分散到四肢，以减轻身体各部位，尤其是颈椎、腰椎的负担大大减轻。对防治腰椎部疾病、腰肌劳损以及多种颈、肩、脊柱病有一定的疗效。 2. 人体直立时，心脏要推动血液循环，就要克服血液的重力影响。与此相比，爬行时由于心脏及其以上部位位置的降低，有利于全身的血液循环，对防治心血管疾病有积极作用。 3．爬行时头部经常得以下垂，血流量增加，能有效地改善大脑的血液循环可刺激大脑，阻止和延缓脑细胞的退化过程，对预防老年痴呆症十分有益。 先进性：现已公布的发明和实用新型专利、公开发表的论文中涉及的爬行健身器材较多的都是采用手柄和脚板的方式，在爬行时，身体的重量主要依靠脚和手腕来支撑，一旦机器运行不稳极易造成手腕受伤。我们的先进性在于参考跑步机的传动方式，将爬行的触点设置为步带形式，为锻炼者提供更为平稳均匀的受力接触点。
获奖情况及鉴定结果
- 在2011年3月23日，基于人机工程的新型爬行锻炼机在教育部科技查新工作站（Z14）完成了科技查新，并获得相关的科技查新报告。查新结论：在国内外公开发表的文献中，未见与委托课题类似的基于人机工程学的有四个相互独立的爬步带组成的新型爬行锻炼机的课题。因此，该查新项目的研究内容具有新颖性。
作品所处阶段
- 运行测试阶段
技术转让方式
- 专利权转让
作品可展示的形式
- 实物 图纸 现场演示 图片
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 当前市场上还没有用于爬行锻炼的设备或机械，基于人机工程的新型爬行锻炼机有着很大的发展空间，即可健身又可以预防或治愈一些疾病的设计理念，使得该锻炼机械能在较短的时间内赢得多种人群的市场。以上海市为例：2011年3月、4月我们对上海市闵行区、徐汇区、浦东新区和宝山区的800个个人、350个家庭、100家公司、20家医院和30家健身会所以问卷形式进行了调研，调研结果发现：55%的人愿意试用、21%的人愿意购买本设备、20%的家庭、30%的公司、10%的医院和20%的健身会所愿意试用或购买本设备。由此可知该“基于人机工程的新型爬行锻炼机”有着广阔的市场前景和良好的经济效益。
同类课题研究水平概述
- 经国内外文献搜索和科技查新，确定这方面的资料及其稀少，只找到与国内实用新型专利相似的几项、我们以专利进行比较说明。(专利名称：一种爬步机，专利申请号：200820035717.x，2009年2月25日授权，授权公告号：CN201197864X)。 该专利介绍：一种爬步机，设有个机架，机架上设有个台面，在台面上布置有一左一右两个脚踏板和左一右一两个手柄，两个脚踏板和两个手柄通过连杆与设在台面下的传动装置相接。所述传动装置包括两个与左右手柄连接的曲柄滑块机构和两个与左右脚踏板连接的曲柄滑块机构，左右脚踏板和左右手柄分别通过连杆与所述曲柄滑块机构的滑块固定连接。提供了一种专用于爬行锻炼的设备，通过电机带动两个脚踏板和两个手柄做前后移动，模仿动物的爬行和跑的动作，左手与右脚联动，右手与左脚联动。采用两个脚踏板和两个手柄的方式布置，其左手与右脚联动，右手与左脚联动。采用手柄的缺陷是：爬行动作时，手部有时需与地面脱离，手柄的设置恰恰是这个动作的障碍；手柄具有一定的高度，锻炼时易损伤关节。脚踏板的设置也具有上述的缺陷。除了这些手柄、脚踏板式的爬行锻炼机外，一些研究者还设计了一些辅助爬行的设备，但也因诸多不尽人意之处无法面向市场。
