基于人機(jī)工程學(xué)分析的坐姿前踢腿訓(xùn)練器造型設(shè)計(jì)

博 雅，任家駿，薛安虎，張宏瑞，王雅坤

(1.太原理工大學(xué) 機(jī)械與運(yùn)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(jìn)行設(shè)計(jì)[2],與人機(jī)工程相結(jié)合的研究較少。文獻(xiàn)[3]基于人機(jī)工程理論，通過材料創(chuàng)新，對康復(fù)訓(xùn)練器的人機(jī)接口進(jìn)行了設(shè)計(jì)；文獻(xiàn)[4]通過人體測量的特性，提出了健身器材設(shè)計(jì)的五大原則。上述研究中，人機(jī)工程學(xué)在健身器設(shè)計(jì)中的實(shí)際應(yīng)用較少。本文基于人機(jī)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(jìn)行改良設(shè)計(jì)，通過三大原則對其造型進(jìn)行設(shè)計(jì)，并采用RAMSIS對設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

1 坐姿前踢腿訓(xùn)練器尺寸設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)思路

坐姿前踢腿訓(xùn)練器的造型設(shè)計(jì)流程見圖1。

圖1 坐姿前踢腿訓(xùn)練器的造型設(shè)計(jì)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(biāo)準(zhǔn)[5],該標(biāo)準(zhǔn)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(jì)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(jì)

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(jī)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(jì)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(xiàn)[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(jì)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(jì)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(jìn)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(jì)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(jì)

2.1 造型設(shè)計(jì)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(jìn)行造型設(shè)計(jì)時，除了遵循美觀性原則，還應(yīng)該遵循以下三大設(shè)計(jì)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(jì)中需要注意其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足功能性要求。通過外觀設(shè)計(jì)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(jì)需要融入情感化與趣味化。

(2)人性化原則。造型設(shè)計(jì)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(jī)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(yàn)。

(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(jì)中，需要對產(chǎn)品的情感表達(dá)進(jìn)行定位，通過產(chǎn)品的造型表達(dá)，刺激用戶的視覺、觸覺等感官，以喚起用戶的心理情感，達(dá)到共鳴。

2.2 造型設(shè)計(jì)

本文根據(jù)上述造型設(shè)計(jì)原則對某型號坐姿前踢腿訓(xùn)練器進(jìn)行造型設(shè)計(jì)。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(jì)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(jì)后的坐姿前踢腿訓(xùn)練器

2.3 色彩表達(dá)

坐姿前踢腿訓(xùn)練器的色彩設(shè)計(jì)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(qiáng)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(jì)驗(yàn)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(jì)采用RAMSIS軟件仿真驗(yàn)證，在鍛煉后期采用調(diào)研方式的主觀驗(yàn)證。

3.1 鍛煉初期的仿真驗(yàn)證

采用RAMSIS軟件對坐姿前踢腿訓(xùn)練器的造型設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真驗(yàn)證。RAMSIS軟件是一種用于駕駛室內(nèi)乘坐人員仿真設(shè)計(jì)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(jì)師在產(chǎn)品開發(fā)初期的仿真校核提供了精準(zhǔn)、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(dá)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(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，造型設(shè)計(jì)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(yàn)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(jì)進(jìn)行主觀驗(yàn)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(jì)后的坐姿前踢腿訓(xùn)練器進(jìn)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(jìn)行問卷調(diào)研，評價結(jié)果如表3所示。由表3可知，設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)的影響，對其椅面、椅背、踢腿滾柱尺寸進(jìn)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(jì)原則，結(jié)合尺寸修正的結(jié)果對坐姿前踢腿訓(xùn)練器進(jìn)行造型設(shè)計(jì)，使得造型效果更加柔美活潑。

(3)通過RAMSIS仿真對設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明，設(shè)計(jì)后的坐姿前踢腿訓(xùn)練器鍛煉效果更佳，驗(yàn)證了該分析與設(shè)計(jì)的正確性。