厲丹彤 馮小保 問朋朋 黃明宇 倪紅軍

南通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院（江蘇 南通 226019）

全民健身計(jì)劃是一項(xiàng)利國(guó)利民的宏偉工程，健身器材是全民健身的重要基礎(chǔ)環(huán)節(jié)[1]。健身車在運(yùn)動(dòng)科學(xué)領(lǐng)域被稱為“功率自行車”，屬于典型的模擬戶外運(yùn)動(dòng)的有氧健身器材。現(xiàn)代人工作時(shí)間長(zhǎng)、壓力大，進(jìn)行室外健身的時(shí)間越來越少，這一現(xiàn)狀刺激了室內(nèi)健身器材的發(fā)展[2]。健身車作為主要的室內(nèi)健身器材之一，依靠其安全方便的鍛煉方式以及適中的價(jià)格，具有不受空氣污染、氣候、時(shí)間及地點(diǎn)影響等優(yōu)點(diǎn)，成為深受大眾歡迎的鍛煉方式之一。

1 健身車發(fā)展概況

1.1 結(jié)構(gòu)

圖1 健身車結(jié)構(gòu)

健身車的典型結(jié)構(gòu)如圖1所示，由一個(gè)底座、一個(gè)支架組、一個(gè)驅(qū)動(dòng)部構(gòu)成。驅(qū)動(dòng)部有一個(gè)傳動(dòng)輪、一副傳動(dòng)帶及一個(gè)飛輪，傳動(dòng)輪設(shè)于支架組上，飛輪設(shè)于底座上，且傳動(dòng)帶套在傳動(dòng)輪與飛輪上，可令傳動(dòng)輪與飛輪產(chǎn)生連動(dòng)。在自發(fā)電健身車中，飛輪內(nèi)裝有發(fā)電裝置，還包括一個(gè)電控部，該電控部有一個(gè)蓄電器及一個(gè)控制面板。蓄電器設(shè)于底座上，控制面板設(shè)于支架組上，電控部有一個(gè)磁動(dòng)器及一個(gè)設(shè)置于底座上的磁組，該磁動(dòng)器由控制面板電控來帶動(dòng)磁組對(duì)飛輪做遠(yuǎn)近位移。通過傳動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)飛輪，飛輪的發(fā)電裝置即可對(duì)蓄電器充電，再由蓄電器提供控制面板的電力來源。

1.2 分類

根據(jù)使用場(chǎng)所，健身車可以分為商用健身車、輕商用健身車和家用健身車三種；根據(jù)結(jié)構(gòu)，可分為直立式、背靠式（也稱為臥式）兩種；根據(jù)阻力調(diào)節(jié)方式，可分為普及型的磁控健身車（根據(jù)飛輪的構(gòu)造不同還分為內(nèi)磁控和外磁控）、較高階的電磁控健身車以及更加智能環(huán)保的自發(fā)電健身車。

（1）磁控健身車產(chǎn)生阻力的金屬飛輪外圍 （或內(nèi)圍）有磁鐵挨近，通過人力旋鈕拉線方式，調(diào)節(jié)磁鐵與金屬飛輪的遠(yuǎn)近，控制阻力大小，實(shí)現(xiàn)不同運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度的要求。

（2）電磁控健身車的其原理與磁控健身車類似，只是由拉線馬達(dá)控制磁鐵與飛輪的遠(yuǎn)近來調(diào)節(jié)阻力大小。

（3）自發(fā)電健身車是一種綠色、環(huán)保、節(jié)能、低碳、無污染的新能源產(chǎn)品，在其傳動(dòng)系統(tǒng)中，設(shè)置有增速結(jié)構(gòu)和發(fā)電裝置，能夠?qū)⑷诉\(yùn)動(dòng)時(shí)所消耗的體力轉(zhuǎn)化為電能。

1.3 運(yùn)動(dòng)形式

目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上常用的健身車主要以腳踏式為主，運(yùn)動(dòng)方式較單一、枯燥。此外，還出現(xiàn)了同樣采用交替運(yùn)動(dòng)方式的手搖式健身車。ALENAX公司[3]推出了一款多功能健身車，不僅具有普通健身車雙腳交替蹬踏的功能，由于雙腳之間是獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的，因此還增加了雙腳同步360°圓周蹬踏的功能。深圳先進(jìn)技術(shù)研究院[4]開發(fā)的一種新的多功能交互式健身自行車，其特點(diǎn)是雙手和雙腳可以獨(dú)立操作，并可以添加不同的運(yùn)動(dòng)方式。

1.4 材料

從材料方面看，健身車金屬部分大部分采用精鋼材質(zhì)，高質(zhì)量產(chǎn)品采用合金材質(zhì)。手柄部分采用泡棉等較柔軟舒適的材質(zhì)，外殼采用塑料材質(zhì)（ABS等）。為了追求美感，設(shè)計(jì)者開始使用一些新材料，如碳纖維材料。

2 關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 人機(jī)工程學(xué)

人機(jī)工程學(xué)（ergonomics）是近年來興起的一門學(xué)科，研究分析人機(jī)關(guān)系、人機(jī)界面、人和環(huán)境的關(guān)系；勞動(dòng)過程中的心理和生理因素；作業(yè)范圍、操作力、能量消耗與工作疲勞；信息傳遞、操作控制等涉及產(chǎn)品開發(fā)、設(shè)計(jì)、制造和管理中的人與機(jī)器相互關(guān)系的問題。由此出發(fā)向設(shè)計(jì)人員提供必要的設(shè)計(jì)參數(shù)和數(shù)據(jù)，使設(shè)計(jì)趨于合理，更適合人的生理和心理要求[5]。根據(jù)人機(jī)工程學(xué)理論和我國(guó)成年人身體測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)，可利用標(biāo)準(zhǔn)人體模板設(shè)計(jì)健身車主體結(jié)構(gòu)，包括坐姿的舒適性、上肢的把持范圍和下肢的運(yùn)動(dòng)特性[6]。

2012年7月，意大利健身車品牌Ciclotte推出一系列Roberto Cavalli For Ciclotte室內(nèi)健身車 （圖2），其根據(jù)人體工程學(xué)設(shè)計(jì)，構(gòu)造簡(jiǎn)單，便于存放。

圖2 Ciclotte健身車

2.2 數(shù)字化設(shè)計(jì)手段

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、多媒體技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字化設(shè)計(jì)手段在產(chǎn)品設(shè)計(jì)應(yīng)用中的水平不斷提高。采用數(shù)字化設(shè)計(jì)可以大大提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)效率，縮短開發(fā)周期，降低設(shè)計(jì)成本。潘志國(guó)等[7]采用數(shù)字化設(shè)計(jì)手段，首先對(duì)零件進(jìn)行建模，采用CAXA SOLID組成零件庫，便于零件的管理，可實(shí)現(xiàn)裝配設(shè)計(jì)與渲染。

2.3 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)（virtual reality，VR）[8]技術(shù)是一門綜合了計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)、多媒體技術(shù)、傳感器技術(shù)、并行實(shí)時(shí)計(jì)算技術(shù)、人工智能技術(shù)、仿真技術(shù)等發(fā)展起來的新興技術(shù)，是先進(jìn)的計(jì)算機(jī)用戶接口技術(shù)，其通過視覺、聽覺、觸覺、嗅覺、味覺等各種直觀而又自然的實(shí)時(shí)感知交互手段，為用戶提供高度逼真的人工真實(shí)環(huán)境。

虛擬健身車系統(tǒng)是以虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為基礎(chǔ)，綜合運(yùn)用傳感器技術(shù)、DSP控制技術(shù)、三維建模技術(shù)和碰撞檢測(cè)技術(shù)，采用多線程、非阻塞的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)通訊技術(shù)，并通過立體顯示等多通道交互技術(shù)實(shí)現(xiàn)人在虛擬環(huán)境中的漫游，使用戶在計(jì)算機(jī)構(gòu)造的虛擬場(chǎng)景中獲得如同在真實(shí)環(huán)境中騎車的體驗(yàn)，是將虛擬環(huán)境漫游和體育仿真相結(jié)合的有益嘗試，應(yīng)用前景十分廣闊[9]。虛擬現(xiàn)實(shí)健身車系統(tǒng)構(gòu)成如圖3所示[10]。

圖3 虛擬現(xiàn)實(shí)健身系統(tǒng)構(gòu)成圖

2.4 人機(jī)交互

人機(jī)交互指人機(jī)之間互相施加影響、交換信息的方式，是聯(lián)系人與機(jī)器的橋梁和紐帶。狹義的人機(jī)交互主要是指人和計(jì)算機(jī)間的信息交換[11]。

自行車模擬器正是利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的一個(gè)典范。自行車模擬器在虛擬場(chǎng)景漫游過程中，通過各種傳感器（光電碼盤傳感器、力覺傳感器、角度傳感器等）、人、健身車、虛擬場(chǎng)景之間不間斷地?cái)?shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)人、車、場(chǎng)景的互動(dòng)[12，13]，其應(yīng)用前景廣闊。

由Herpers等[14]研發(fā)的FIVIS自行車模擬系統(tǒng)，是建立在生物力學(xué)、體育教育、交通、道路安全和娛樂等應(yīng)用平臺(tái)上的一種模擬系統(tǒng)，其參考了物理、光學(xué)和聲學(xué)等的特性，使用一種特殊的沉浸式可視化系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)平臺(tái)和配有傳感器的自行車和執(zhí)行器，以及一個(gè)環(huán)繞立體聲系統(tǒng)。FIVIS模擬器為交通教育和應(yīng)力研究提供了現(xiàn)實(shí)訓(xùn)練和練習(xí)環(huán)境。

3 健身車在其它領(lǐng)域的應(yīng)用

健身車在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用主要為保證安全訓(xùn)練及康復(fù)運(yùn)動(dòng)兩個(gè)方面。為了保證運(yùn)動(dòng)過程中的安全，尤其是保證中、老年人群的安全，需進(jìn)行心率測(cè)定。在康復(fù)訓(xùn)練方面，利用健身車可以使患者根據(jù)自己的具體情況選擇適當(dāng)?shù)倪\(yùn)動(dòng)方式，使患者在輕松愉快的環(huán)境中鍛煉，進(jìn)而加快康復(fù)進(jìn)程[15]。潘素蘭等[16]采用臥式自行車及電動(dòng)起立床進(jìn)行早期康復(fù)介入，結(jié)果顯示，治療后患者的平衡功能、運(yùn)動(dòng)功能及ADL評(píng)分均顯著提高，且治療組明顯優(yōu)于對(duì)照組，說明早期介入臥式自行車及電動(dòng)起立床訓(xùn)練可明顯降低腦卒中的致殘率、縮短住院時(shí)間及臥床時(shí)間。Mulder等[17]采用功能電刺激（FES）訓(xùn)練方法鍛煉截癱肌肉，F(xiàn)ES健身車可以連接輪椅，供患者進(jìn)行坐位訓(xùn)練。約翰霍普金斯大學(xué)醫(yī)學(xué)院[18]開發(fā)了一種交互式自行車運(yùn)動(dòng)（IBIKE）平臺(tái)，該平臺(tái)將一個(gè)微型無線三軸加速度計(jì)安裝在患者的手腕上，將循環(huán)加速數(shù)據(jù)傳送到筆記本電腦，電腦屏幕顯示鍛煉的速度與運(yùn)動(dòng)距離。首先在屏幕上設(shè)定患者的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)參數(shù)，在運(yùn)動(dòng)過程中，屏幕上顯示運(yùn)動(dòng)參數(shù)隨時(shí)間變化的圖形。當(dāng)運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度超過患者耐受水平，該平臺(tái)會(huì)進(jìn)行提示。

4 小結(jié)

隨著健身車產(chǎn)品的更新與開發(fā)，健身車的應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷擴(kuò)展，現(xiàn)有健身車不僅能實(shí)現(xiàn)鍛煉身體的功能，也在醫(yī)療、能源環(huán)境領(lǐng)域發(fā)揮作用，如發(fā)電健身車、康復(fù)健身車等。隨著人們生活品質(zhì)的提升，人們對(duì)于健身車的要求不斷提高，健身車的功能和性能還有待完善。自發(fā)電健身車、多功能健身車及康復(fù)健身車等成為近年健身車研究熱點(diǎn)。

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