兒童青少年健身車(chē)結(jié)構(gòu)尺寸分析

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(yùn)動(dòng)健身車(chē)的結(jié)構(gòu)尺寸大小要求上也就有一定的區(qū)別。在運(yùn)動(dòng)健身器材設(shè)計(jì)中，人體的舒適感和健身效率是一個(gè)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(jié)合起來(lái)，這是運(yùn)動(dòng)健身器材設(shè)計(jì)發(fā)展的必然趨勢(shì)。運(yùn)動(dòng)健身器材中最為重要的是器材的結(jié)構(gòu)架型、結(jié)構(gòu)大小與人體特征匹配程度，這些直接關(guān)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(chǔ)上，探討通過(guò)對(duì)健身車(chē)部分結(jié)構(gòu)尺寸的大小調(diào)節(jié)，以期望能夠達(dá)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(yùn)動(dòng)健身器材的開(kāi)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(shè)計(jì)中的應(yīng)用

運(yùn)動(dòng)健身訓(xùn)練器材的設(shè)計(jì)應(yīng)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(jī)能，促進(jìn)人體健康。人體身體形態(tài)結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)于確定器材尺度、比例關(guān)系以及合理設(shè)計(jì)器械具有重要意義。本研究主要針對(duì)青少年運(yùn)動(dòng)健身訓(xùn)練器材的結(jié)構(gòu)尺寸及大小調(diào)節(jié)尺寸范圍進(jìn)行分析，研究中所選取的形態(tài)指標(biāo)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(biāo)參數(shù)，本研究測(cè)量了2 590名7～18歲兒童青少年主要身體形態(tài)指標(biāo)（表1）。以形態(tài)差異為依據(jù)將7～18歲劃分為4 個(gè)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(lái)確定青少年運(yùn)動(dòng)健身車(chē)的基本結(jié)構(gòu)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(biāo)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(chē)結(jié)構(gòu)尺寸及大小調(diào)節(jié)尺寸分析

健身車(chē)的運(yùn)動(dòng)是模仿自行車(chē)運(yùn)動(dòng)的，所以，它的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也可以參照自行車(chē)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，但由于健身車(chē)在其自身的特殊結(jié)構(gòu)和功能應(yīng)用上又不同于自行車(chē)，因此，不能完全模仿自行車(chē)的結(jié)構(gòu)。而且，兒童青少年身體形態(tài)結(jié)構(gòu)尺寸個(gè)體差異性較大，為了使健身車(chē)能更好地符合兒童青少年的使用，因此需要對(duì)其進(jìn)行人機(jī)工程學(xué)分析，以期達(dá)到舒適性和安全性的統(tǒng)一。

健身車(chē)騎姿決定著健身者在健身過(guò)程中的舒適性及健身效率。騎姿是由健身者與健身車(chē)的把手、鞍座以及踏板的相對(duì)位置來(lái)決定的。從人機(jī)工程學(xué)觀點(diǎn)出發(fā)，要提高健身車(chē)在使用過(guò)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(yùn)動(dòng)過(guò)程中盡可能的處于舒適的自然狀態(tài)。

3.1 曲柄長(zhǎng)度及調(diào)節(jié)尺寸

曲柄的長(zhǎng)度一般按人的身高或下肢長(zhǎng)來(lái)考慮，以達(dá)到能使人省力和舒適的目的。通常曲柄的長(zhǎng)度基準(zhǔn)取人體身高的1／10，相當(dāng)于大腿骨長(zhǎng)約1／2［6］。曲柄長(zhǎng)度決定了大腿骨的運(yùn)動(dòng)角度和有關(guān)肌肉群的收縮程度。如果健身車(chē)的曲柄過(guò)長(zhǎng)，將會(huì)引起肌肉的過(guò)度伸長(zhǎng)和過(guò)度縮短，曲柄過(guò)短將會(huì)使肌肉收縮不能被充分利用。曲柄的長(zhǎng)短還會(huì)直接影響到健身過(guò)程中合理的踏速［7］，從而對(duì)健身過(guò)程中的舒適性和健身效率具有不利的影響。

從本次測(cè)量分析中可以看出，我國(guó)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(chē)曲柄長(zhǎng)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(tái)健身車(chē)，曲柄長(zhǎng)度可調(diào)節(jié)尺寸應(yīng)為5.9cm（最大值－最小值＝17.7－11.8cm）。

3.2 鞍座與車(chē)把之間的相對(duì)位置及高低調(diào)節(jié)尺寸

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

圖1 騎行姿勢(shì)與身體及關(guān)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(dāng)健身車(chē)鞍座垂直高度調(diào)到最低點(diǎn)，即H高度為0cm 時(shí)（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(shí)。此時(shí)，鞍座高度至少要應(yīng)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(dāng)BC與CD不重合且成一條直線時(shí)，此時(shí)膝關(guān)節(jié)的角度應(yīng)該是最大，即130°。則該年齡段人群使用的健身車(chē)鞍座至踏板最短直線距離BDmin應(yīng)為：

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

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

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

而當(dāng)健身車(chē)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(shí)，同樣，根據(jù)理想的騎姿要求，當(dāng)BC與CD不重合且成一條直線時(shí)，此時(shí)膝關(guān)節(jié)的角度應(yīng)最大，即130°。則該年齡段人群使用的健身車(chē)鞍座至踏板最長(zhǎng)直線距離BDmax應(yīng)為：

圖2 健身車(chē)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(zhǎng)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(shí)是適合7～9歲兒童身材較高的人群使用，因此，曲柄長(zhǎng)度應(yīng)是選擇該年齡段的最大值14.1cm，此時(shí)，7～9歲兒童使用的健身車(chē)鞍座至曲柄中心軸的最長(zhǎng)直線距離BCmax應(yīng)為：

此時(shí)L的距離應(yīng)為：

因此，7～9歲兒童使用的健身車(chē)鞍座垂直高度調(diào)節(jié)的最大尺寸Hmax可設(shè)計(jì)為：

同上述方法依此類(lèi)推，10～12歲、13～15歲和16～18歲不同年齡段人群使用的健身車(chē)鞍座至曲柄中心軸的取值范圍BC可分別設(shè)計(jì)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(tái)健身車(chē)，鞍座至曲柄中心軸的直線距離范圍應(yīng)在34.6～59.5cm 之間，鞍座上下垂直調(diào)節(jié)尺寸可設(shè)計(jì)為24.1cm。

3.2.2 車(chē)把高低及調(diào)節(jié)尺寸分析

一般情況下，健身車(chē)或運(yùn)動(dòng)自行車(chē)的車(chē)把與鞍座的水平高度基本相同［5］，所以，車(chē)把的高低完全可以參照鞍座的高低來(lái)設(shè)計(jì)和調(diào)節(jié)。因此，兒童青少年健身車(chē)的車(chē)把垂直高低調(diào)節(jié)尺寸也應(yīng)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(chē)的車(chē)把垂直高度最大可調(diào)節(jié)尺寸也可分別設(shè)計(jì)為11.6cm、13.4cm、13.8cm、14.5cm；同樣，如果7～18歲人群使用同一臺(tái)健身車(chē)，車(chē)把高度調(diào)節(jié)尺寸一般也可為24.1cm。

圖3 健身車(chē)鞍座和車(chē)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(chē)把的相對(duì)位置及前后調(diào)節(jié)尺寸分析

車(chē)把與鞍座之間的距離主要由騎行者的騎姿以及臂長(zhǎng)與軀干長(zhǎng)來(lái)決定，如圖4中的AB兩點(diǎn)距離，主要由AF和FB的長(zhǎng)度和騎姿所形成的關(guān)節(jié)角度來(lái)確定。在一般情況下，自行車(chē)比賽中較科學(xué)和理想的騎姿為肩關(guān)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(guān)節(jié)在95°～180°之間（θ4）。

3.2.3.1 健身車(chē)車(chē)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(dāng)健身車(chē)車(chē)把向前水平調(diào)節(jié)距離為0cm，即M為0cm 時(shí)，鞍座向后水平調(diào)節(jié)距離為0cm，即N為0cm 時(shí)（圖4），此時(shí)，健身車(chē)的結(jié)構(gòu)尺寸應(yīng)符合7～9歲身材較小的人群使用。因此，健身車(chē)車(chē)把至鞍座的最短距離設(shè)計(jì)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(lái)確定。

通過(guò)理想騎姿的身體相關(guān)關(guān)節(jié)角度范圍推理可知，如果健身車(chē)車(chē)把與鞍座水平高度一致，在騎行過(guò)程中，當(dāng)形成手臂伸直（即θ4為180°），肩關(guān)節(jié)角度為90°（即θ2為90°）的騎姿時(shí)，且雙手恰好觸及并握住車(chē)把，此時(shí)車(chē)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(jì)算出來(lái)的車(chē)把與鞍座的距離AB，即為健身車(chē)車(chē)把至鞍座的最短設(shè)計(jì)距離。從表2 中可知，我國(guó)7～9歲兒童人群中，90%的人群軀干長(zhǎng)度約在42.2～50.3cm 之間，前臂長(zhǎng)約在15.0～19.5cm 之間，上臂長(zhǎng)約在18.7～25.6cm 之間。因此，7～9歲兒童人群健 身車(chē)車(chē)把距鞍座最短距離ABmin可設(shè)計(jì)為：

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

圖5 騎行姿勢(shì)1示意圖Figure 5.Cycling Posture 1

3.2.3.2 健身車(chē)車(chē)把至鞍座的最長(zhǎng)距離分析

以7～9歲兒童身體形態(tài)特征為例，當(dāng)健身車(chē)車(chē)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(shí)，該年齡段人群使用的健身車(chē)車(chē)把至鞍座的最長(zhǎng)距離設(shè)計(jì)，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(lái)確定。

通過(guò)理想騎姿的身體相關(guān)關(guān)節(jié)角度范圍推理可知，如果健身車(chē)車(chē)把與鞍座水平高度一致，在騎行過(guò)程中，當(dāng)形成肩關(guān)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(chē)把的騎姿時(shí)（圖6），車(chē)把至鞍座的距離最長(zhǎng)。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(jì)算出來(lái)的車(chē)把與鞍座的距離AB，即為該年齡段人群使用的健身車(chē)車(chē)把至鞍座最長(zhǎng)設(shè)計(jì)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(chē)車(chē)把至鞍座最長(zhǎng)距離ABmax可通過(guò)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(zhǎng)max＝26.8cm－25.6cm＝1.2cm

圖6 騎行姿勢(shì)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(zhǎng)，∠AGP為θ1＋θ2＝140°，所以將（1）中的GP值代入公式中可得：

AG2＝前臂長(zhǎng)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(jì)算結(jié)果可知，7～9歲兒童健身車(chē)車(chē)把至鞍座最長(zhǎng)距離ABmax為：

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

由于在鞍座與車(chē)把的調(diào)節(jié)過(guò)程中，要考慮到是否影響到理想的騎行姿態(tài)問(wèn)題，因此，鞍座和車(chē)把的調(diào)節(jié)尺寸應(yīng)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(chē)車(chē)把和鞍座前后最大可調(diào)節(jié)尺寸可設(shè)計(jì)為：

以上述方法依此類(lèi)推，10～12歲、13～15歲和16～18歲不同年齡段人群使用的健身車(chē)車(chē)把距鞍座的距離設(shè)計(jì)一般分別在61.2～97.4cm、68.0～106.5cm、70.1～110.4cm 之間；車(chē)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(tái)健身車(chē)，車(chē)把距鞍座的直線距離最大可調(diào)節(jié)尺寸為56.4cm；車(chē)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(shè)計(jì)

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(jié)構(gòu)尺寸，指導(dǎo)和設(shè)計(jì)適合兒童青少年的健身器材，是兒童青少年使用科學(xué)的健身器材進(jìn)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(guò)體育鍛煉來(lái)達(dá)到增強(qiáng)體質(zhì)、促進(jìn)健康的目的。

眾所周知，兒童青少年時(shí)期正是生長(zhǎng)發(fā)育的重要時(shí)期，在此時(shí)期，人體各部分器官系統(tǒng)將會(huì)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(zhǎng)發(fā)育時(shí)期體現(xiàn)出明顯的快速變化。對(duì)于7～18歲兒童青少年來(lái)說(shuō)，男、女生身體形態(tài)增長(zhǎng)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(jìn)行兒童青少年運(yùn)動(dòng)健身器材的設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)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(shè)計(jì)中兼顧到不同人群的差異性，才能夠做到對(duì)兒童青少年運(yùn)動(dòng)健身器材更加科學(xué)合理的開(kāi)發(fā)。

在以人的身體形態(tài)為作為器材設(shè)計(jì)的依據(jù)時(shí)，一般采用雙限值設(shè)計(jì)，指的是利用兩個(gè)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(shí)，一般采取5%、50%、95%百分位數(shù)作為結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)的依據(jù)。

4.2 人機(jī)工程學(xué)與健身車(chē)的設(shè)計(jì)

人機(jī)工程學(xué)是把人－機(jī)－環(huán)境系統(tǒng)作為研究的基本對(duì)象，運(yùn)用生理學(xué)、心理學(xué)和其他有關(guān)學(xué)科知識(shí)，根據(jù)人和機(jī)器的條件和特點(diǎn)，合理分配人和機(jī)器承擔(dān)的操作職能，并使之相互適應(yīng)，從而為人創(chuàng)造出舒適和安全的工作環(huán)境，使工效達(dá)到最優(yōu)的一門(mén)綜合性學(xué)科，它己成為一切工程技術(shù)人員必不可少的工具，成為實(shí)現(xiàn)工業(yè)設(shè)計(jì)目標(biāo)的重要手段［2］。

人機(jī)工程學(xué)在健身車(chē)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，使健身車(chē)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更加趨于合理性、舒適性。人機(jī)工程學(xué)在健身器材設(shè)計(jì)中應(yīng)用越來(lái)越廣，從器材的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)到各種零部件的設(shè)計(jì)，都不可或缺。本研究主要給出了人體工程學(xué)在健身車(chē)上的應(yīng)用，通過(guò)對(duì)兒童青少年健身車(chē)的曲柄、鞍座、把手的各個(gè)功能尺寸進(jìn)行分析，不僅為兒童青少年健身車(chē)設(shè)計(jì)方案的確定以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)，同時(shí)，也力求達(dá)到舒適性和安全性的統(tǒng)一。同樣，在今后各類(lèi)健身器材的設(shè)計(jì)中，如何對(duì)健身器材進(jìn)行全面合理地人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)分析，使其符合人體的生理和心理要求，將是器材設(shè)計(jì)科學(xué)性的關(guān)鍵。

5 結(jié)論

本研究依據(jù)人機(jī)工程學(xué)理論以及兒童青少年身體形態(tài)特征為基礎(chǔ)，分析認(rèn)為7～18歲兒童青少年健身車(chē)的部分主要結(jié)構(gòu)尺寸可設(shè)計(jì)為：

1.健身車(chē)曲柄長(zhǎng)度可設(shè)計(jì)在11.8～17.7cm 之間，同一臺(tái)車(chē)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(shè)計(jì)在34.6～59.5cm 之間，當(dāng)騎行中鞍座至曲柄中心軸的連線與水平面后夾角成75°時(shí)，同一臺(tái)車(chē)鞍座和車(chē)把的最大垂直調(diào)節(jié)尺寸可設(shè)計(jì)為24.1cm；

3.鞍座至車(chē)把的直線距離可設(shè)計(jì)在54.0～110.4 cm 之間，同一臺(tái)車(chē)車(chē)把和鞍座前后可調(diào)節(jié)尺寸可設(shè)計(jì)為28.2cm。

［1］鄧益民，張仲源.自行車(chē)車(chē)架結(jié)構(gòu)尺寸的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)［J］.微機(jī)發(fā)展，1994，（4）：31－34.

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