劉 智，蔡 睿，薛安虎，李 然，何申杰，江崇民

1.Hubei Institute of Sport Science，Wuhang 430205，China；2.China Insititute of Sport Science，Beijing 100061，China；3.Shanxi Orient Fitness ＆Health Industry Co.，LTD，Changzhi 046011，China.

1 前言

不同年齡段兒童青少年在人體身體形態(tài)上的不同，所以，在運動健身車的結構尺寸大小要求上也就有一定的區(qū)別。在運動健身器材設計中，人體的舒適感和健身效率是一個重要環(huán)節(jié)。充分考慮不同人群的因素，反映不同人群的需要，把人與器材密切結合起來，這是運動健身器材設計發(fā)展的必然趨勢。運動健身器材中最為重要的是器材的結構架型、結構大小與人體特征匹配程度，這些直接關系到健身效果。本研究在基于兒童青少年身體形態(tài)特征的基礎上，探討通過對健身車部分結構尺寸的大小調(diào)節(jié)，以期望能夠達到適合不同身體形態(tài)大小的兒童青少年使用，為兒童青少年運動健身器材的開發(fā)提供參考。

2 兒童青少年身體形態(tài)尺寸在健身器材設計中的應用

運動健身訓練器材的設計應符合人體尺寸，最大限度地挖掘人的潛能，綜合平衡地發(fā)揮人的機能，促進人體健康。人體身體形態(tài)結構尺寸對于確定器材尺度、比例關系以及合理設計器械具有重要意義。本研究主要針對青少年運動健身訓練器材的結構尺寸及大小調(diào)節(jié)尺寸范圍進行分析，研究中所選取的形態(tài)指標主要是根據(jù)“青少年—健身器材系統(tǒng)”而確定。為了能夠較完整地獲得本研究所需的兒童青少年身體形態(tài)各指標參數(shù)，本研究測量了2 590名7～18歲兒童青少年主要身體形態(tài)指標（表1）。以形態(tài)差異為依據(jù)將7～18歲劃分為4 個年齡組（7～9歲、10～12歲、13～15歲和16～18歲；表2）［4］。在本研究中將依照這些參數(shù)來確定青少年運動健身車的基本結構尺寸及大小調(diào)節(jié)尺寸范圍。

表1 本研究樣本量一覽表Table 1 Sample Size （人）

表2 本研究7～18歲兒童青少年主要身體形態(tài)指標參數(shù)一覽表Table 2 The Parameters of the Mainly Physical Shape of Children and Adolescents from 7To 18Years Old（cm）

3 健身車結構尺寸及大小調(diào)節(jié)尺寸分析

健身車的運動是模仿自行車運動的，所以，它的結構設計也可以參照自行車的結構設計，但由于健身車在其自身的特殊結構和功能應用上又不同于自行車，因此，不能完全模仿自行車的結構。而且，兒童青少年身體形態(tài)結構尺寸個體差異性較大，為了使健身車能更好地符合兒童青少年的使用，因此需要對其進行人機工程學分析，以期達到舒適性和安全性的統(tǒng)一。

健身車騎姿決定著健身者在健身過程中的舒適性及健身效率。騎姿是由健身者與健身車的把手、鞍座以及踏板的相對位置來決定的。從人機工程學觀點出發(fā)，要提高健身車在使用過程中的舒適性及健身效率，就必須合理定位把手、鞍座及踏板三者之間的位置，讓健身者在運動過程中盡可能的處于舒適的自然狀態(tài)。

3.1 曲柄長度及調(diào)節(jié)尺寸

曲柄的長度一般按人的身高或下肢長來考慮，以達到能使人省力和舒適的目的。通常曲柄的長度基準取人體身高的1／10，相當于大腿骨長約1／2［6］。曲柄長度決定了大腿骨的運動角度和有關肌肉群的收縮程度。如果健身車的曲柄過長，將會引起肌肉的過度伸長和過度縮短，曲柄過短將會使肌肉收縮不能被充分利用。曲柄的長短還會直接影響到健身過程中合理的踏速［7］，從而對健身過程中的舒適性和健身效率具有不利的影響。

從本次測量分析中可以看出，我國7～9歲、10～12歲、13～15歲和16～18歲兒童青少年身高范圍一般分別在118.1～140.9cm、131.6～158.0cm、147.2cm～170.9 cm、150.3～176.6cm 之間。所以，根據(jù)7～18歲兒童青少年的身高特征，不同年齡段兒童青少年使用的健身車曲柄長度一般是7～9歲為11.8～14.1cm、10～12歲為13.2～15.8cm、13～15歲為14.7～17.1cm、16～18歲為15.0～17.7cm。如果7～18歲人群使用同一臺健身車，曲柄長度可調(diào)節(jié)尺寸應為5.9cm（最大值－最小值＝17.7－11.8cm）。

3.2 鞍座與車把之間的相對位置及高低調(diào)節(jié)尺寸

車把與鞍座之間的相對位置直接影響著騎行者在健身車上的姿勢。正確的騎行姿勢不會使健身者感到不適，并能提高健身效率。正常情況下，運動員在自行車比賽過程中，為了提高騎行效率，根據(jù)不同比賽距離的競賽特征，運動員的軀干與鞍座水平面夾角θ1一般保持在20°～60°之間對騎行較為有利（圖1），同時，在騎行的過程中肩關節(jié)夾角θ2保持在90°～120°、膝關節(jié)θ3在60°～130°、肘關節(jié)θ4在95°～180°之間也是較理想的運動員騎行姿勢要求［3，5］。

圖1 騎行姿勢與身體及關節(jié)角度示意圖Figure 1.Cycling Posture and the Angle of Body Joints

3.2.1 鞍座高低及調(diào)節(jié)尺寸分析

以7～9歲兒童身體形態(tài)特征為例，當健身車鞍座垂直高度調(diào)到最低點，即H高度為0cm 時（圖2），以及鞍座向后水平調(diào)節(jié)距離為0cm，即N的距離為0cm 時。此時，鞍座高度至少要應適合該年齡段身材較小的人群使用。

因此，如圖2中，根據(jù)理想的騎姿要求可知，當BC與CD不重合且成一條直線時，此時膝關節(jié)的角度應該是最大，即130°。則該年齡段人群使用的健身車鞍座至踏板最短直線距離BDmin應為：

從表2中可以看出，我國7～9歲年齡段兒童90%的人群大腿長在22.2～30.4cm 之間，小腿加足高約在28.9～36.5cm 之間。將大腿長和小腿加足高最小值代入上述公式可得：

由于此時是適合7～9歲兒童身材較小的人群使用，因此，曲柄長度應是選擇該年齡段中的最小值11.8cm，此時，7～9歲兒童使用的健身車鞍座至曲柄中心軸的最短直線距離BCmin應為：

正常情況下，BC與水平面夾角θ一般約為75°的時候，騎行的效率最高［1］，所以，此時L的距離應為：

而當健身車鞍座高度以及向后水平調(diào)節(jié)的距離適合7～9歲身材較高的人群使用時，同樣，根據(jù)理想的騎姿要求，當BC與CD不重合且成一條直線時，此時膝關節(jié)的角度應最大，即130°。則該年齡段人群使用的健身車鞍座至踏板最長直線距離BDmax應為：

圖2 健身車鞍座位置分析示意圖Figure 2.Analysis on Position of Saddle

根據(jù)表2中7～9歲兒童大腿長和小腿加足高范圍值特征，將最大值各代入公式可得：

由于此時是適合7～9歲兒童身材較高的人群使用，因此，曲柄長度應是選擇該年齡段的最大值14.1cm，此時，7～9歲兒童使用的健身車鞍座至曲柄中心軸的最長直線距離BCmax應為：

此時L的距離應為：

因此，7～9歲兒童使用的健身車鞍座垂直高度調(diào)節(jié)的最大尺寸Hmax可設計為：

同上述方法依此類推，10～12歲、13～15歲和16～18歲不同年齡段人群使用的健身車鞍座至曲柄中心軸的取值范圍BC可分別設計在39.7～53.6cm、44.0～58.3 cm、44.5～59.5cm 之間；鞍座垂直高度最大調(diào)節(jié)尺寸Hmax可分別為13.4cm、13.8cm 和14.5cm。如果7～18歲人群使用同一臺健身車，鞍座至曲柄中心軸的直線距離范圍應在34.6～59.5cm 之間，鞍座上下垂直調(diào)節(jié)尺寸可設計為24.1cm。

3.2.2 車把高低及調(diào)節(jié)尺寸分析

一般情況下，健身車或運動自行車的車把與鞍座的水平高度基本相同［5］，所以，車把的高低完全可以參照鞍座的高低來設計和調(diào)節(jié)。因此，兒童青少年健身車的車把垂直高低調(diào)節(jié)尺寸也應基本上與鞍座相同，即E＝H（圖3），所以，7～9歲、10～12歲、13～15歲和16～18歲兒童青少年人群使用的健身車的車把垂直高度最大可調(diào)節(jié)尺寸也可分別設計為11.6cm、13.4cm、13.8cm、14.5cm；同樣，如果7～18歲人群使用同一臺健身車，車把高度調(diào)節(jié)尺寸一般也可為24.1cm。

圖3 健身車鞍座和車把高低位置分析示意圖Figure 3.Analysis on Position of Saddle and Handle

3.2.3 座位與車把的相對位置及前后調(diào)節(jié)尺寸分析

車把與鞍座之間的距離主要由騎行者的騎姿以及臂長與軀干長來決定，如圖4中的AB兩點距離，主要由AF和FB的長度和騎姿所形成的關節(jié)角度來確定。在一般情況下，自行車比賽中較科學和理想的騎姿為肩關節(jié)夾角在90°～120°之間（θ2）、軀干與鞍座水平面的夾角在20°～60°之間（θ1），肘關節(jié)在95°～180°之間（θ4）。

3.2.3.1 健身車車把至鞍座的最短距離分析

同樣以7～9歲兒童身體形態(tài)特征為例，當健身車車把向前水平調(diào)節(jié)距離為0cm，即M為0cm 時，鞍座向后水平調(diào)節(jié)距離為0cm，即N為0cm 時（圖4），此時，健身車的結構尺寸應符合7～9歲身材較小的人群使用。因此，健身車車把至鞍座的最短距離設計可根據(jù)7～9歲身材較小的人群身體形態(tài)特征及騎姿來確定。

通過理想騎姿的身體相關關節(jié)角度范圍推理可知，如果健身車車把與鞍座水平高度一致，在騎行過程中，當形成手臂伸直（即θ4為180°），肩關節(jié)角度為90°（即θ2為90°）的騎姿時，且雙手恰好觸及并握住車把，此時車把至鞍座的距離最短（圖5）。因此，根據(jù)7～9歲身材較小的人群身體形態(tài)特征計算出來的車把與鞍座的距離AB，即為健身車車把至鞍座的最短設計距離。從表2 中可知，我國7～9歲兒童人群中，90%的人群軀干長度約在42.2～50.3cm 之間，前臂長約在15.0～19.5cm 之間，上臂長約在18.7～25.6cm 之間。因此，7～9歲兒童人群健 身車車把距鞍座最短距離ABmin可設計為：

圖4 健身車鞍座與車把的距離分析示意圖Figure 4.Analysis on Distance From Saddle to Handle

圖5 騎行姿勢1示意圖Figure 5.Cycling Posture 1

3.2.3.2 健身車車把至鞍座的最長距離分析

以7～9歲兒童身體形態(tài)特征為例，當健身車車把向前水平調(diào)節(jié)距離和鞍座向后水平調(diào)節(jié)距離適合該年齡段身材較高的人群使用時，該年齡段人群使用的健身車車把至鞍座的最長距離設計，可根據(jù)該年齡段身材較高的人群身體形態(tài)特征及騎姿來確定。

通過理想騎姿的身體相關關節(jié)角度范圍推理可知，如果健身車車把與鞍座水平高度一致，在騎行過程中，當形成肩關節(jié)角度θ2為120°，軀干與鞍座水平面的夾角θ1為20°，前臂自然下放恰好觸及并握住車把的騎姿時（圖6），車把至鞍座的距離最長。因此，根據(jù)此騎姿和該年齡段身材較高的人群身體形態(tài)特征計算出來的車把與鞍座的距離AB，即為該年齡段人群使用的健身車車把至鞍座最長設計的距離。因此，根據(jù)表2 中7～9歲人群身體形態(tài)參數(shù)，該年齡段人群健身車車把至鞍座最長距離ABmax可通過以下方式得出：

（1）根據(jù)正弦定理可知：

因此，得出GP＝FG－上臂長max＝26.8cm－25.6cm＝1.2cm

圖6 騎行姿勢2 示意圖Figure 6.Cycling Posture 2

（2）根據(jù)余弦定理可知：

由于，AP為前臂長，∠AGP為θ1＋θ2＝140°，所以將（1）中的GP值代入公式中可得：

AG2＝前臂長2max－1.22cm＋2×AG×1.2cm×cos 140°，解一元二次方程且取正值可得AG≈18.6cm。

因此，根據(jù)（1）和（2）中的計算結果可知，7～9歲兒童健身車車把至鞍座最長距離ABmax為：

綜合以上分析可知，7～9歲兒童健身車車把與鞍座最大調(diào)節(jié)尺寸之和，即M＋N 應為：

由于在鞍座與車把的調(diào)節(jié)過程中，要考慮到是否影響到理想的騎行姿態(tài)問題，因此，鞍座和車把的調(diào)節(jié)尺寸應相等才能使不同身材大小人群都能調(diào)節(jié)出合適的騎姿，所以，7～9歲兒童健身車車把和鞍座前后最大可調(diào)節(jié)尺寸可設計為：

以上述方法依此類推，10～12歲、13～15歲和16～18歲不同年齡段人群使用的健身車車把距鞍座的距離設計一般分別在61.2～97.4cm、68.0～106.5cm、70.1～110.4cm 之間；車把和鞍座前后最大可調(diào)節(jié)尺寸一般分別為18.1cm、19.2cm、20.2cm。如果7～18歲人群使用同一臺健身車，車把距鞍座的直線距離最大可調(diào)節(jié)尺寸為56.4cm；車把和鞍座前后最大可調(diào)節(jié)尺寸為28.2cm。

4 討論

4.1 兒童青少年身體形態(tài)特征與健身器材的設計

依據(jù)兒童青少年身體形態(tài)特征，分析符合兒童青少年使用的健身器材結構尺寸，指導和設計適合兒童青少年的健身器材，是兒童青少年使用科學的健身器材進行安全、舒適地體育鍛煉的基本要求，從而使兒童青少年通過體育鍛煉來達到增強體質(zhì)、促進健康的目的。

眾所周知，兒童青少年時期正是生長發(fā)育的重要時期，在此時期，人體各部分器官系統(tǒng)將會逐漸發(fā)生一系列的生理變化。身體形態(tài)是人體在一定條件下的表現(xiàn)形式，在生長發(fā)育時期體現(xiàn)出明顯的快速變化。對于7～18歲兒童青少年來說，男、女生身體形態(tài)增長的最快階段基本一致，基本上都處在7～14歲年齡階段［4］。因此，不同年齡段兒童青少年人群身體形態(tài)可能表現(xiàn)出較大的不同，所以，在進行兒童青少年運動健身器材的設計時，應全面地考慮到兒童青少年不同年齡段和性別人群的身體形態(tài)差異特征，只有在設計中兼顧到不同人群的差異性，才能夠做到對兒童青少年運動健身器材更加科學合理的開發(fā)。

在以人的身體形態(tài)為作為器材設計的依據(jù)時，一般采用雙限值設計，指的是利用兩個人體身體形態(tài)尺寸百分位數(shù)作為尺寸的上限值和下限值［5］。為了使健身器材能夠較好地適合不同身體形態(tài)大小的人群使用，在確定健身器材尺寸時，一般采取5%、50%、95%百分位數(shù)作為結構尺寸設計的依據(jù)。

4.2 人機工程學與健身車的設計

人機工程學是把人－機－環(huán)境系統(tǒng)作為研究的基本對象，運用生理學、心理學和其他有關學科知識，根據(jù)人和機器的條件和特點，合理分配人和機器承擔的操作職能，并使之相互適應，從而為人創(chuàng)造出舒適和安全的工作環(huán)境，使工效達到最優(yōu)的一門綜合性學科，它己成為一切工程技術人員必不可少的工具，成為實現(xiàn)工業(yè)設計目標的重要手段［2］。

人機工程學在健身車設計中的應用，使健身車整體結構設計更加趨于合理性、舒適性。人機工程學在健身器材設計中應用越來越廣，從器材的整體結構設計到各種零部件的設計，都不可或缺。本研究主要給出了人體工程學在健身車上的應用，通過對兒童青少年健身車的曲柄、鞍座、把手的各個功能尺寸進行分析，不僅為兒童青少年健身車設計方案的確定以及結構設計打下基礎，同時，也力求達到舒適性和安全性的統(tǒng)一。同樣，在今后各類健身器材的設計中，如何對健身器材進行全面合理地人機工程學設計分析，使其符合人體的生理和心理要求，將是器材設計科學性的關鍵。

5 結論

本研究依據(jù)人機工程學理論以及兒童青少年身體形態(tài)特征為基礎，分析認為7～18歲兒童青少年健身車的部分主要結構尺寸可設計為：

1.健身車曲柄長度可設計在11.8～17.7cm 之間，同一臺車可調(diào)節(jié)尺寸為5.9cm；

2.鞍座到曲柄中心軸的直線距離可設計在34.6～59.5cm 之間，當騎行中鞍座至曲柄中心軸的連線與水平面后夾角成75°時，同一臺車鞍座和車把的最大垂直調(diào)節(jié)尺寸可設計為24.1cm；

3.鞍座至車把的直線距離可設計在54.0～110.4 cm 之間，同一臺車車把和鞍座前后可調(diào)節(jié)尺寸可設計為28.2cm。

［1］鄧益民，張仲源.自行車車架結構尺寸的計算機輔助設計［J］.微機發(fā)展，1994，（4）：31－34.

［2］高鳳麟.人機工程學［M］.北京：高等教育出版社，2009.

［3］胡祖武，江耀順，吳志銘.自行車騎姿電腦動態(tài)模型之研究［J］.大葉學報，1997，6（1）：119－125.

［4］李然，蔡睿，何申杰，等.基于兒童、青少年健身器材開發(fā)進行的身體形態(tài)增長特征研究［J］.中國體育科技，2011，47（6）：127－130.

［5］林霜.自行車設計中的人機因素分析與研究［D］.昆明理工大學碩士學位論文，2008.

［6］劉慧喜.人機工程學在家用健身車設計中的應用［J］.包裝工程，2011，（10）：47－50.

［7］宋賢敦.自行車設計［J］.中國自行車，1989，（3）：38－40.