博 雅，任家駿，薛安虎，張宏瑞，王雅坤

(1.太原理工大學(xué) 機械與運載工程學(xué)院，山西 太原 030024；2.澳瑞特體育產(chǎn)業(yè)股份有限公司，山西 長治 046000)

0 引言

近年來，由于人們對身體素質(zhì)和生活質(zhì)量越來越重視，室內(nèi)健身的需求不斷增加。健身器械行業(yè)飛速發(fā)展的同時，也逐步提高了對健身器性能及附加價值的要求[1]，因此國內(nèi)外對室內(nèi)健身器的研究也日益興起。坐姿前踢腿訓(xùn)練器作為室內(nèi)健身器材的一種，也同樣受到健身愛好者的青睞。

目前，對于室內(nèi)健身器械的研究多集中于通過仿生方法、語義分析法對造型進行設(shè)計[2],與人機工程相結(jié)合的研究較少。文獻[3]基于人機工程理論，通過材料創(chuàng)新，對康復(fù)訓(xùn)練器的人機接口進行了設(shè)計；文獻[4]通過人體測量的特性，提出了健身器材設(shè)計的五大原則。上述研究中，人機工程學(xué)在健身器設(shè)計中的實際應(yīng)用較少。本文基于人機工程學(xué)的理論，根據(jù)人體測量特性對坐姿前踢腿訓(xùn)練器的主要尺寸進行改良設(shè)計，通過三大原則對其造型進行設(shè)計，并采用RAMSIS對設(shè)計結(jié)果進行仿真驗證。

1 坐姿前踢腿訓(xùn)練器尺寸設(shè)計

1.1 設(shè)計思路

坐姿前踢腿訓(xùn)練器的造型設(shè)計流程見圖1。

圖1 坐姿前踢腿訓(xùn)練器的造型設(shè)計流程

1.2 人體測量特性

GB10000—1988是國家技術(shù)監(jiān)督局在1987年發(fā)布的中國成年人人體尺寸標準[5],該標準中涉及的尺寸包括肢體尺寸與相對尺寸兩種。肢體尺寸因百分位與性別而不同，相對尺寸的影響因素則較多，在產(chǎn)品的設(shè)計中需要綜合考慮肢體尺寸與相對尺寸的影響。常用的坐姿人體尺寸如表1所示。

表1 坐姿人體尺寸 mm

1.3 尺寸設(shè)計

坐姿前踢腿訓(xùn)練器中人體主要操作的部分在于座椅、配重塊以及踢腿滾柱。原有坐姿前踢腿訓(xùn)練器椅面為水平平板型，不符合人機工程學(xué)的要求與最佳受力要求。由于坐姿前踢腿訓(xùn)練器使用時間通常為半小時及以上，具有較高的靈活性，且不為工作座椅，椅面弧凹性設(shè)計的作用不大，因此，設(shè)定椅面為平面無弧凹形。坐姿前踢腿訓(xùn)練器屬于高背椅，既不屬于工作椅也不完全屬于休閑椅，因此椅面的傾斜角度設(shè)定為高背椅中的最低值10°。健身人員的身高不集中，有矮小、中等身材的,也有高大身材的，因此，本文設(shè)定訓(xùn)練器的坐高為可調(diào)式，根據(jù)表1中的人體坐姿尺寸設(shè)定訓(xùn)練器坐高的行程范圍為第5百分位人員的坐高與第95百分位人員的坐高差值。在具體百分位坐高的求解中，設(shè)人體高度為H，H的取值為表1中人體坐高+穿鞋修正量(20 mm)。坐高的垂直行程為椅面與椅背的連接端距離地面的高度，椅面的水平行程為第5百分位女性與第95百分位男性的水平差值，根據(jù)文獻[6]中的修正方法，確定該垂直行程為0.467H、水平行程為149 mm。座椅的水平與垂直行程的調(diào)節(jié)按鈕為座椅底部的扶手式金屬桿，該扶手的高度與座椅椅面底部之間的距離為45 mm，符合人手的正常操作尺寸。坐姿前踢腿訓(xùn)練器設(shè)計尺寸如表2所示，尺寸簡圖如圖1所示。

表2 坐姿前踢腿訓(xùn)練器設(shè)計尺寸

圖2 坐姿前踢腿訓(xùn)練器尺寸簡圖

坐姿前踢腿訓(xùn)練器作為力量訓(xùn)練器械，具有配重塊，健身人員通常在健身前蹲姿下調(diào)整好配重塊，在健身過程中，也會在坐姿下對配重塊進行調(diào)整，因此，常用配重塊的高度不宜過高與過低。根據(jù)調(diào)研，使用最頻繁的配重塊為10 kg，該部分配重塊的設(shè)計高度符合人體坐姿側(cè)身手伸高度，設(shè)定為離地300 mm。踢腿滾柱分為上滾柱和下滾柱，上滾柱的作用為對大腿肌肉施壓，下滾柱的作用為對小腿肌肉施壓。下滾柱主要與坐姿下的小腿部靜態(tài)與動態(tài)尺寸相關(guān)，腿部在剛觸到下滾柱時的舒適傾斜角度為15°，據(jù)此，下滾柱離地高度設(shè)定為0.567H。

2 坐姿前踢腿訓(xùn)練器造型設(shè)計

2.1 造型設(shè)計原則

鍛煉身體已經(jīng)成為現(xiàn)代人們享受生活的過程，健身器材的人性化、美觀化能給用戶帶來更好的精神享受。健身器材在進行造型設(shè)計時，除了遵循美觀性原則，還應(yīng)該遵循以下三大設(shè)計原則[7-8]：

(1)功能性原則。健身器材的主要功能是鍛煉身體，在造型設(shè)計中需要注意其結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足功能性要求。通過外觀設(shè)計體現(xiàn)健身器的可靠性、科學(xué)性。此外，健身器材也有家居裝飾的輔助功能，造型設(shè)計需要融入情感化與趣味化。

(2)人性化原則。造型設(shè)計應(yīng)考慮產(chǎn)品使用對象的性別、年齡，以及該人群的心理特征、社會習(xí)慣、生理特征等。通過人機工程分析，使得產(chǎn)品的每一部分都體現(xiàn)出舒適美，提高用戶體驗。

(3)情感性原則。情感性原則是指健身器材作為產(chǎn)品與使用者的精神互動，在設(shè)計中，需要對產(chǎn)品的情感表達進行定位，通過產(chǎn)品的造型表達，刺激用戶的視覺、觸覺等感官，以喚起用戶的心理情感，達到共鳴。

2.2 造型設(shè)計

本文根據(jù)上述造型設(shè)計原則對某型號坐姿前踢腿訓(xùn)練器進行造型設(shè)計。圖3為現(xiàn)有的坐姿前踢腿訓(xùn)練器，造型較為簡單。通過對大量健身人員以及健身教練的調(diào)研，結(jié)合市場需求，確定該坐姿前踢腿訓(xùn)練器的主要造型語義為柔美與活潑，次要造型語義為剛硬，設(shè)計后的坐姿前踢腿訓(xùn)練器如圖4所示。

圖3 現(xiàn)有的坐姿前踢腿訓(xùn)練器 圖4 造型設(shè)計后的坐姿前踢腿訓(xùn)練器

2.3 色彩表達

坐姿前踢腿訓(xùn)練器的色彩設(shè)計中，采用較為中性的色彩，以滿足不同性別使用者的需求。滾柱采用棕色皮革，以增加防滑性能,保證安全性，且通過內(nèi)部填充層保證舒適性；在座椅扶手部分采用黑色防滑橡膠，較為廉價且容易更換；座椅椅面與椅背部分采用黑色粗面皮革，增加防滑性能與耐用性；其余支架部分以金屬色為主色，體現(xiàn)材質(zhì)的原有色彩，增強厚重與剛毅的感覺，以黑色油漆為配色，增加穩(wěn)重感。

3 設(shè)計驗證

由于鍛煉的目的是為了讓肌肉朝著需要的方向不斷收縮與拉伸，在鍛煉結(jié)束時，有效的鍛煉使得肌肉不舒服。因此，鍛煉后的不舒適程度高代表鍛煉效果更佳，而鍛煉前舒適程度越高，代表人體工學(xué)性能越良好。故本文在鍛煉初期對坐姿前踢腿訓(xùn)練器設(shè)計采用RAMSIS軟件仿真驗證，在鍛煉后期采用調(diào)研方式的主觀驗證。

3.1 鍛煉初期的仿真驗證

采用RAMSIS軟件對坐姿前踢腿訓(xùn)練器的造型設(shè)計進行仿真驗證。RAMSIS軟件是一種用于駕駛室內(nèi)乘坐人員仿真設(shè)計的CAD工具，與CATIA等CAD工具相比，該軟件的優(yōu)勢在于提供了中國人體各個年份的數(shù)字人體模型，為設(shè)計師在產(chǎn)品開發(fā)初期的仿真校核提供了精準、便利的條件，避免后續(xù)修改，降低了生產(chǎn)成本。

坐姿前踢腿訓(xùn)練器的舒適度校核主要體現(xiàn)在椅面、椅背的舒適度，鑒于使用健身器材的目的是給予肌肉一定的疲勞程度以達到鍛煉的目的，本文對將人體安放在坐姿前踢腿訓(xùn)練器上時的不舒適程度采用RAMSIS軟件進行仿真，仿真結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，造型設(shè)計后的坐姿前踢腿訓(xùn)練器在使用時的舒適度當(dāng)前值和參考值之差更小，即舒適程度較高，人體工學(xué)性能良好。

圖5 鍛煉初期的不舒適度仿真結(jié)果

3.2 鍛煉后期的主觀驗證

采用15位健身人員的主觀評價對坐姿前踢腿訓(xùn)練器的設(shè)計進行主觀驗證。15位健身人員分別采用原有坐姿前踢腿訓(xùn)練器與造型設(shè)計后的坐姿前踢腿訓(xùn)練器進行15 min的鍛煉，采用1～9打分(1～9表示不舒適程度逐漸增加)的方法對鍛煉后的不舒適程度進行問卷調(diào)研，評價結(jié)果如表3所示。由表3可知，設(shè)計后的坐姿前踢腿訓(xùn)練器在鍛煉后的不舒適程度更高，因此，設(shè)計后的坐姿前踢腿訓(xùn)練器鍛煉效果更好。

表3 鍛煉后不舒適程度得分

4 結(jié)論

(1)探究了人體測量特性對坐姿前踢腿訓(xùn)練器設(shè)計的影響，對其椅面、椅背、踢腿滾柱尺寸進行修正，獲得了滿意的效果，為人體仿真分析提供了理論依據(jù)。

(2)依照三大設(shè)計原則，結(jié)合尺寸修正的結(jié)果對坐姿前踢腿訓(xùn)練器進行造型設(shè)計，使得造型效果更加柔美活潑。

(3)通過RAMSIS仿真對設(shè)計結(jié)果進行驗證，結(jié)果表明，設(shè)計后的坐姿前踢腿訓(xùn)練器鍛煉效果更佳，驗證了該分析與設(shè)計的正確性。