基于Pro/E的健骑机设计

    健骑机是社区健身常见的器械之一，它能够增强人体的心肺功能，活动全身主要关节，发展上下肢和腰背部力量，还能通过运动按摩内脏增强消化系统功能。

1、健骑机的结构分析

    健骑机系力量、有氧复合器械类。人们用它可以做全向运动，从而增强上、下肢的肌力和胸部肌肉，并能锻炼腰腹部肌肉和按摩内脏，增强消化系统和心脏功能。其简单易学，适用年龄广泛，尤其适于14-75岁人群使用。具体操作方法为：人坐在座板上，双手拉动手柄、同时双脚踩动踏脚，作往返运动。注意，锻炼时动作幅度不宜过大，速度不能过快。

    图1为健骑机的实物模型。对其进行分析可知，健骑机主要有四个部分组成。分别是：1坐垫，2支撑架，3连接件，4把手及脚架。这四个部分之间分别以销钉进行连接，通过对把手和脚架施力，带动健骑机运动，以实现健身功能。

    以下是通过Pro/E建立起来的健骑机总体模型和各个零件的模型图：

2、健骑机的建模过程

    利用Pro/E建立健骑机的过程如下：

（1）Pro/E的TOP，FRONT，RIGHT三个面作为模型空间定位的基准面，基准坐标系。建立以上每个实体特征时，都利用基准特征作为参考，然后根据需要再另外建立新的基准面。

（2）通过对每一个零件的分析，建立拉伸、旋转、扫描、混合这些基础实体特征和倒角、拔模等工程特征。使用surface菜单下的各种选项，如merge（融合曲面，包括：join（连接）、intersect（相交）、trim（修剪曲面）、extend（延伸曲面）等，对曲面进行修剪、编辑，完成模型的初步设计。

（3）对建立好的模型进行添加材质和渲染处理，以便将来在室内外安装时与周围的环境和谐、统一，即达到强身健体的锻炼作用，又美化环境，令人有心旷神怡的感觉。

以把手和坐垫的建模过程为例（如图5）：

    打开Pro/E，新建零件，不使用缺省模板，选择mmns_part_solid，确定。

A 首先在FRONT平面草绘一条与RIGHT平面成20°夹角的68cm的直线，然后对其扫描成直径6.5cm的圆柱1。

B 新建一个以A步骤圆柱中心线为基准轴线，与FRONT平面成左倾20°角的一个平面DIM1，在DIM1上草绘把手，然后扫描生产直径为3.5cm的圆柱。

C 新建一个与DIM1平行的在DIM1右端6cm的平面DIM2。在DIM2上，在以（圆柱1）的中心线为基准线，与（圆柱1）的顶端距离41cm的地方草绘一个长6.5cm，宽4cm的矩形，然后扫描到（圆柱1）的表面上，生成一个突块1。在新生成的突块1上拉伸实体形成如图所示的销钉。

D 在离圆柱1顶端46cm的地方新建一个与DIM1平面成左倾23°角的平面DIM4，然后向右平移14cm，形成平面DIM5，在DIM5上草绘、拉伸实体生成突块2.

E 以圆柱1的底端圆轴线为中心线，新建一个与FRONT成左倾75°角的平面DIM3，然后草绘、扫描成脚架。

3、生成虚拟样机

    随着计算机三维技术的发展，在机械零件及机械系统设计中，零部件如何装配、加工、各零部件是否发生干涉，可视化设计等方面能否实现，都具有很实际的意义。虚拟装配技术就是在虚拟设计环境下，来完成三维实体模型的最终设计。它是按照一定的约束条件或连接方式，将各零件组织成一个整体并能满足功能的过程。

    Pro/E的装配模式提供了并行的、自下而上的、自上而下的产品开发方法。所谓自下而上的设计模式，即先在零件模块中构造各个零件的三维模型，然后在装配模块中建立零部件之间的连接关系，这种连接关系的建立是通过零部件之间建立约束关系来确定零部件在产品中的位置。在虚拟装配中，零部件的几何体是被装配利用，而不是复制到装配中。基于Pro/E具有单一数据库的特性，不管如何编辑零部件，整个装配依然保持关联性，如果修改整个零部件，则引用它的装配件自动更新，反映零部件的最新变化。

    进行零件装配时，最重要的步骤就是对零部件进行适当的约束，在Pro/E中建立装配关系是用面和面配合、平面和基准面对齐，坐标系各个轴相互对齐等约束命令将所有的零部件按要求装配在一起。

健骑机的模型主要用到销钉的连接方式，装配比较简单，主要就是注意各零件装配的先后和各个销钉配合问题。装配好以后的虚拟样机就是如整体图3.1-5所示。

4、基于Pro/E的健骑机的运动仿真

    基于Pro/E的健骑机的模型已经建立，接下来主要确定模型运动仿真的机构组成和初步动态仿真分析。

4.1 机构组件的确定

    在Pro/E的组件页面下，在菜单-应用程序-机构中（如图12）对健骑机模型的连接、电动机、分析等进行数据设计。

（1）电动机选择把手和脚架的A-2连接为ServoMotor1，初始角设置预览位置为-180deg，模采用余弦，把振幅设置为100，其余默认。如下图13所示。

（2）右键点击图12分析，在弹出的对话框中，选择类型、终止时间、帧频、最小间隔如下图14所示。

（3）最后点击运行，机构则会显示运动轨迹

4.2 运动仿真分析

4.2.1 仿真动画的生成

    在确定了4.1中几个步骤之后，点击按钮，进入回放界面，继续点击按钮，进入动画界面，如图15所示。点击捕获，设置输出工作目录，生成MPG格式的文件，便是运动仿真的效果视频了。

4.2.2 仿真分析

    在动画生成之后，便要对健骑机模型进行仿真分析了。由于在使用健骑机的时候，我们是双手紧握手柄，同时双脚踩动踏脚，做往返运动。从运动的动画可以看出在健骑机运动时，主要是把手和脚架这2个主运动点以及坐垫这个副运动点的相对运动。因此在仿真分析时，我们就选取这3个点为参考点，选取Pro/E的笛卡尔坐标为零点。

（1）点击按钮，进入测量结果界面，点击按钮，进入测量定义界面，在这里面设定类型、点或运动轴以及评估方法，分别对measure1，measure2，measure3（如图16所示）进行定义：

（2）点击应用、确定，回到测量结果界面，点击则生成下图所示各点的位置/时间变化曲线。

图18  点measure2在X方向上的位置变化曲线

图19  点measure3在Y方向上的位置变化曲线

    其中各个参数的最大、最下值如图20所示：

图20  3个点的最大、最小值

    由以上各图和表可以看出模型中，把手的移动范围为25mm左右，脚架的移动范围为30mm左右，而坐垫的移动范围为20mm左右，由于比例为1:10，它们的实际移动范围则分别是25cm、30cm、20cm，再结合大部分人体的身体比例，此模型已经可以让人起到很好的锻炼作用了。