郭輝 孫學雁 郭軍權 孔振興 張一民

摘 ?要：體質(zhì)測量與評價，離不開科學的測量方法和測量儀器。鑒于當前傳統(tǒng)的測量儀器無法完全滿足軀干轉體測量準確性的要求，針對性地開展了基于人機工程學的軀干轉體測量儀的研發(fā)。運用人體工程學和機械設計方法，利用CAD工程軟件，結合人機工程學理論和我國成年人人體尺寸國家標準，畫出了裝配圖和零件圖，研制了一種軀干轉體測量儀，該測量儀能大大提高軀干轉體測量的準確性。

關鍵詞：柔韌素質(zhì) ?體質(zhì)測量 ?軀干轉體 ?人機工程學 ?CAD工程軟件

中圖分類號：G80 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：2095-2813（2020）05（a）-0234-06

Abstract： Physical measurement and evaluation depends on scientific methods and instruments. As the current traditional measurement instruments cannot fully meet the requirements of the torso rotation measurement accuracy， we carry out research and development on torso rotation measurement instruments based on ergonomics. Applied with CAD software and methods of ergonomics and mechanical design， assembly drawings and part drawings were painted and torso rotation measuring instrument were developed. These achievements were combined with theory of ergonomics and Chinese national standards of adults' body size， which improves the accuracy of measurements to a large extent.

Key Words： Flexibility; Physical fitness measurement; Trunk rotation;Ergonomics; CAD engineering software

通過科學的測量方法評價大眾的體質(zhì)健康，已成為全民健身關注的熱門課題之一。柔韌素質(zhì)是身體素質(zhì)的重要組織部分，也是體質(zhì)健康的重要組成部分[1-6]。關節(jié)的柔韌性對短道速滑、自由式滑雪空中技巧、花樣滑冰、單板U型槽等項目運動成績關系重大，是反應運動員身體素質(zhì)的重要指標[7]。良好的柔韌性有助于完成運動和預防組織損傷[8]。身體的柔韌性通常用關節(jié)的活動度來測評，在實驗室一般用量角器、曲率計、傾角計及測量尺來測量關節(jié)活動度，進而反映關節(jié)柔韌性[2]。軀干是鏈接四肢和頭部的核心，是支配身體運動的關鍵環(huán)節(jié)。軀干的柔韌性是身體柔韌性的重要環(huán)節(jié)。

加強軀干柔韌素質(zhì)訓練及評估對于提高運動訓練、大眾健身的效果、預防運動損傷等具有重要意義[7，8]。在一些運動項目中（比如網(wǎng)球、羽毛球反手擊球動作），軀干轉體能力的提高可以增大四肢的運動幅度，增強運動能力[6，9]。研究表明，缺乏適當柔韌性會引發(fā)駝背、脊柱后彎、高低肩等不良姿勢，良好的柔韌素質(zhì)是身體活動的必要條件，而且對降低腰背疼、關節(jié)炎等也大有益處[7，8]。軀干的整體運動范圍較大，可繞額狀軸做屈伸運動;繞矢狀軸做側屈運動;繞垂直軸做回旋運動。在矢狀面的活動度可以通過坐位體前屈測量，在水平面的活動度可以通過軀干轉體測量。

長久以來，對軀干轉體的測量是依靠臂夾棍轉體（見圖1）方法來測量。具體的測量方法是：在平坦地面上，畫一直徑1.5m標有角度刻度（0°～180°的圖，最小刻度為5°）、圓心和直徑的圓圈。受試者自然直立于0°～180°直線上，兩眼平視前方，兩腳與肩同寬，站在圓圈中央，身體垂直軸與圓圈的圓心在同一直線上，雙肘屈曲于體后夾住系有錐形重物的木棍，使錐尖正對0°，木棍與地面保持平行，向左右緩慢轉體，以錐尖所指的角度為測量值[2，4]。這種測量方法無法滿足測量準確性。為了解決上述問題，本研究開展了一種新型測量器械的研發(fā)。

人機工程學研究人在某種工作中的解剖學、生理學、生物力學、人體測量學等方面的各種因素，把人的因素作為產(chǎn)品設計的重要條件和原則，研究人與機的相互作用，以達到人-機系統(tǒng)總體性能的最優(yōu)化[3，10-11]。本文采用人機工程學原理和機械設計原理開發(fā)設計出軀干轉體測量儀，以期在豐富體質(zhì)測量方法的同時提高測試的準確性。

1 ?研究對象與方法

1.1 研究對象

以反應人體柔韌素質(zhì)的測量器材為研究對象。

1.2 研究方法

運用人體工程學和機械設計方法，利用CAD工程軟件，結合人機工程學理論和我國成年人人體尺寸國家標準，設計出一種軀干轉體測量儀的裝配圖和零件圖，使用該測量儀能大大提高軀干轉體測量的準確性。

2 ?總體結構設計

2.1 主要結構及工作原理

2.1.1 軀干轉體測量儀主要結構

軀干在水平面的柔韌性用軀干轉體角度來表示，即兩髖關節(jié)所在的直線與兩肩關節(jié)所在的直線的夾角。先固定髖關節(jié)，后轉動兩肩，兩肩轉動的角度即為軀干轉體角度。軀干轉體測量儀是一種基于人機工程學設計的（見圖2），包括3個方面的機構，1個是座椅機構，另外2個是縱向?qū)蛘{(diào)整機構和轉體測量機構，縱向?qū)蛘{(diào)整機構分別與座椅機構和轉體測量機構連接，當縱向?qū)蛘{(diào)整機構縱向調(diào)整高度時，轉體測量機構的高度也會根據(jù)受試者的坐高相應調(diào)整[7]。

2.1.2 軀干轉體測量儀工作原理

軀干轉體測量儀是通過測量軀干在水平面內(nèi)活動的幅度（即兩髖所在直線與兩肩所在直線的夾角），來反映軀干的柔韌性。根據(jù)關節(jié)活動的固定方式采用下固定，即固定兩髖，轉動兩肩來達到轉體效果。測量時讓受試者坐在座椅上，然后用固定帶固定下肢，再通過縱向?qū)蛘{(diào)整機構調(diào)整轉體測量機構的高度，高度調(diào)整到合適的位置后，固定此高度。轉體測量機構的肩部夾具固定受試者的雙肩，受試者面向正前方，指針指向零刻度值，檢測人員發(fā)出開始轉體的指令后，受試者向左或向右轉，轉到最大位置，指針所指的刻度即為軀干轉體的角度[12]。

2.2 尺寸設計及依據(jù)

軀干轉體測量儀尺寸設計充分考慮人機工程學原理，依據(jù)我國成年人人體尺寸國家標準進行設計。由于軀干轉體測量儀的被測試者是在坐姿狀態(tài)下進行測試的，因此，設計時充分考慮人體坐姿尺寸。設計座椅結構時，要考慮座寬、座高、座深的設計尺寸，便于被測試者方便舒適地使用。座寬按人機工程學的要求應考慮坐姿臀寬（見圖3）的尺寸。主要尺寸按我國成年人人體尺寸國家標準進行選擇，如表1和表2所示[11]。為滿足大多數(shù)使用者需要，坐姿臀寬以成人女子第99百分位數(shù)值為設計依據(jù)，同時考慮衣服厚度和余量，本文設計的座寬為480mm。

坐高是指坐位姿勢時頭頂點至座板平面之間的垂直距離（如圖4所示）。為滿足更多人的需要，坐高以成人女子第5百分位數(shù)和男子第99百分位數(shù)值為設計依據(jù)，可調(diào)范圍在800～1000mm（表1、表2）。椅背只起固定作用，設計椅背高為300mm。

座高是座面到地面之間的垂直距離，它等于人體小腿長度加足高長度（見圖5）。為滿足大多數(shù)人使用，選擇在成人女子第10百分位數(shù)和成人男子第95百分位數(shù)之間， 根據(jù)表1、表2可知，小腿加足高的值分別為350mm和450mm，由于最大值和最小值之間差別不大，取二者的中間值400mm作為座高值。

坐深是指處于坐位姿勢時臀部后沿到小腿后沿的垂直距離（見圖6），也是座面的前后距離，它應能使臀部得到完全支撐。為保證小腿的活動自由應選擇淺的坐深較為適宜。我國坐深尺寸一般在380～420mm之間。對于普通的工作椅來說，坐深可以更淺一點。為使更多的人能適用此設備，按成人女子第5百分位數(shù)設計，應為 400mm（見表2）。

最大肩寬是指2個三角肌外側的最大水平距離（見圖7）。肩寬是指兩肩峰之間的距離（見圖8）。在設計肩部夾具時要考慮最大肩寬和衣服的厚度，還要考慮軀干和肩活動所需空間，對薄衣服要附加7.9mm，對厚衣服附加76mm。還要考慮頭長（見圖9）和頭寬（見圖10）尺寸，肩部夾具的內(nèi)部寬度要大于最大頭長和最大頭寬，根據(jù)表1和表2可知，成人男子第99百分位數(shù)的最大頭長為200mm，本文設計的肩部夾具的外部寬度為550mm，內(nèi)部寬度為350mm。

3 ?整體結構設計

3.1 縱向?qū)蛘{(diào)整機構設計

考慮到不同人群的坐高的不同，設計縱向?qū)蛘{(diào)整機構為可調(diào)，如圖11所示，縱向?qū)蛘{(diào)整機構包括第一導向桿、第一導向桿滑塊、第二導向桿、第二導向桿滑塊、第一連接塊和第二連接塊。當被測量者坐于座椅上時，從被測量者角度來看，可以將座椅右側作為第一側，將座椅左側作為第二側，第一導向桿滑塊通過螺釘與座椅的第一側固定連接，第二導向桿滑塊通過螺釘與座椅的第二側固定連接。當被測量者端坐于座椅上時，第一導向桿和第二導向桿構成的平面與被測量者的背部所在平面平行。

本設計在具體實施中，在第二導向桿上還可以設置有均勻分布的多個固定槽，相應的，第二導向桿滑塊上還設置有與固定槽匹配的按鈕，用于調(diào)整第二導向桿的頂端的高度。即第一導向桿和第二導向桿的頂端的高度是同步調(diào)整的。在第二導向桿上設置均勻分布的多個固定槽，在調(diào)整高度的時候，通過第二導向桿滑塊上的按鈕，達到一格一格調(diào)整的效果，方便操作。

在本設計的具體實施中，第一導向桿滑塊還可以設置固定桿，當?shù)谝粚驐U在第一導向桿滑塊中滑動到滿足條件的位置時，使用固定桿固定第一導向桿?？梢允褂玫温輻U調(diào)整并固定第一導向桿的高度，用于固定第一導向桿的位置。通過此機構的調(diào)整可以適應不同坐高的受試者。

3.2 座椅機構設計

軀干轉體測量儀座椅機構設計包括座椅和固定帶，被測量者坐于座椅上進行軀干轉體的測量。為避免測量過程中座椅移動，在座椅的座椅腿底端還可以設置固定片，用于將座椅固定在地面上。另外，該座椅機構還包含固定帶，固定帶的兩端分別與座椅的兩端連接，用于固定被測量者腿部，使其髖骨以下不會因為腰部的轉動而轉動，固定帶可以是繃緊絲帶或者帶有插扣的絲帶，其松緊度可調(diào)。

3.3 轉體測量機構設計

轉體測量機構是實現(xiàn)人體柔韌素質(zhì)精確測量的關鍵機構。如圖12所示，轉體測量機構包括肩部夾具、連接圈、刻度盤、圓周導軌和指針。連接圈分別與肩部夾具、圓周導軌、指針固定連接。肩部夾具用于夾在被測量者雙肩上，可以設計為倒U型，當被測量者腰部及腰部以上軀干轉動時，與肩部夾具固定連接的連接圈帶動圓周導軌在刻度盤上做圓周轉動。指針的尖端指示刻度盤表面的刻度?？潭缺P的正前方為0°，依次向左右增加，到正后方為180°，精確到1°。連接圈和刻度盤為圓形結構，且連接圈和刻度盤的中心點在同一豎直線上。第一連接塊和第二連接塊分別與刻度盤的外側固定連接。當被測量者進行軀干轉體測量的時候，夾在被測量者肩部的肩部夾具將腰部及以上軀干的轉動轉移到連接圈，再通過固定在連接圈上的指針來直接讀取刻度盤的度數(shù)，得到測量結果。如圖12所示，圓周導軌至少包含3個圓周導軌滑塊（見圖13）。

圓周導軌滑塊的結構如圖13所示，圓周導軌滑塊有3個面，以上側面為例，包含軸承、銷和軸承座。軸承座與上側面使用螺釘固定連接，銷穿過軸承中心。上側面與軸承對應的位置有空槽，軸承圍繞銷可在上側面滾動。圓周導軌滑塊的上側面的軸承接觸刻度盤的上表面，下側面的軸承接觸刻度盤的下表面，右側面的軸承接觸刻度盤內(nèi)側表面，進行圓周運動。

為節(jié)約成本考慮，在該測量儀中，部分部件可以考慮采用塑料材質(zhì)，如肩部夾具、指針、圓周導軌等，其他部件可以考慮采用鋼質(zhì)或鐵質(zhì)材料，能夠進行相關的連接即可。

4 ?結語

本文設計了一種新型軀干轉體測量儀，畫出裝配圖和零件圖。在設計過程中充分考慮人機工程學的原理，對被測量者的動作規(guī)范性要求不高，只需被測量者坐于座椅上，用固定帶固定下肢，然后使用肩部夾具夾住肩部，轉動腰部及以上軀干，通過指針在刻度盤上的滑動位置即可獲得軀干轉體測量值，測試方法較簡單、安全，測量結果較為準確，能精確測量軀干轉體的活動范圍。

參考文獻

[1] 王正珍.ACSM運動測試與運動處方[M].北京：人民衛(wèi)生出版社，2010：3.

[2] 李潔，陳仁偉.人體運動能力檢測與評定[M].北京：人民體育出版社，2005：200-201.

[3] A brahan sson L.Production economics analysis of investment initiated to in prove working environment[J]. AppIErgon，2000，31（1）：1-7.

[4] 全國體育學院教材委員會審定.體育測量評價[M].北京：人民體育出版社，2008：199.

[5] 陳明達.實用體質(zhì)學[M].北京：北京醫(yī)科大學中國協(xié)和醫(yī)科大學聯(lián)合出版社，1993：224.

[6] 楊靜宜，徐俊華.運動處方[M].北京：高等教育出版社，2005：234-235.

[7] 趙雪峰.PNF拉伸法在花球舞蹈啦啦操柔韌素質(zhì)訓練中的運用研究[J].中國學校體育（高等教育），2016，3（12）：67-71.

[8] 王安利，宋琳.“預防損傷的功能鍛煉”系列文章（10） 柔韌性訓練的理論探索與實踐進展：柔韌性的意義、影響因素及分類[J].中國學校體育（高等教育），2014，1（12）：78-82，87.

[9] 何青山.下肢柔韌器材的創(chuàng)新設計[J].當代體育科技，2018，8（1）：26-27.

[10]孫學雁，王赫瑩，曹輝，等.基于人機工程學的單手驅(qū)動殘疾人車設計[J].沈陽工業(yè)大學學報，2009，2（31）：203-206.

[11]孫學雁，王赫瑩，曹輝.基于人機工程學的健身踏步滑板車的設計與應用[J].沈陽工業(yè)大學學報，2009，5（31）：544-547.

[12]張一民，郭輝，孫鳳，等.一種軀干轉角測量儀：中國，201420618975.6[P].2015-01-28.