健身车研究现状

厉丹彤 冯小保 问朋朋 黄明宇 倪红军

南通大学机械工程学院（江苏 南通 226019）

全民健身计划是一项利国利民的宏伟工程，健身器材是全民健身的重要基础环节[1]。健身车在运动科学领域被称为“功率自行车”，属于典型的模拟户外运动的有氧健身器材。现代人工作时间长、压力大，进行室外健身的时间越来越少，这一现状刺激了室内健身器材的发展[2]。健身车作为主要的室内健身器材之一，依靠其安全方便的锻炼方式以及适中的价格，具有不受空气污染、气候、时间及地点影响等优点，成为深受大众欢迎的锻炼方式之一。

1 健身车发展概况

1.1 结构

图1 健身车结构

健身车的典型结构如图1所示，由一个底座、一个支架组、一个驱动部构成。驱动部有一个传动轮、一副传动带及一个飞轮，传动轮设于支架组上，飞轮设于底座上，且传动带套在传动轮与飞轮上，可令传动轮与飞轮产生连动。在自发电健身车中，飞轮内装有发电装置，还包括一个电控部，该电控部有一个蓄电器及一个控制面板。蓄电器设于底座上，控制面板设于支架组上，电控部有一个磁动器及一个设置于底座上的磁组，该磁动器由控制面板电控来带动磁组对飞轮做远近位移。通过传动轮转动飞轮，飞轮的发电装置即可对蓄电器充电，再由蓄电器提供控制面板的电力来源。

1.2 分类

根据使用场所，健身车可以分为商用健身车、轻商用健身车和家用健身车三种；根据结构，可分为直立式、背靠式（也称为卧式）两种；根据阻力调节方式，可分为普及型的磁控健身车（根据飞轮的构造不同还分为内磁控和外磁控）、较高阶的电磁控健身车以及更加智能环保的自发电健身车。

（1）磁控健身车产生阻力的金属飞轮外围 （或内围）有磁铁挨近，通过人力旋钮拉线方式，调节磁铁与金属飞轮的远近，控制阻力大小，实现不同运动强度的要求。

（2）电磁控健身车的其原理与磁控健身车类似，只是由拉线马达控制磁铁与飞轮的远近来调节阻力大小。

（3）自发电健身车是一种绿色、环保、节能、低碳、无污染的新能源产品，在其传动系统中，设置有增速结构和发电装置，能够将人运动时所消耗的体力转化为电能。

1.3 运动形式

目前国内市场上常用的健身车主要以脚踏式为主，运动方式较单一、枯燥。此外，还出现了同样采用交替运动方式的手摇式健身车。ALENAX公司[3]推出了一款多功能健身车，不仅具有普通健身车双脚交替蹬踏的功能，由于双脚之间是独立驱动的，因此还增加了双脚同步360°圆周蹬踏的功能。深圳先进技术研究院[4]开发的一种新的多功能交互式健身自行车，其特点是双手和双脚可以独立操作，并可以添加不同的运动方式。

1.4 材料

从材料方面看，健身车金属部分大部分采用精钢材质，高质量产品采用合金材质。手柄部分采用泡棉等较柔软舒适的材质，外壳采用塑料材质（ABS等）。为了追求美感，设计者开始使用一些新材料，如碳纤维材料。

2 关键技术发展现状

2.1 人机工程学

人机工程学（ergonomics）是近年来兴起的一门学科，研究分析人机关系、人机界面、人和环境的关系；劳动过程中的心理和生理因素；作业范围、操作力、能量消耗与工作疲劳；信息传递、操作控制等涉及产品开发、设计、制造和管理中的人与机器相互关系的问题。由此出发向设计人员提供必要的设计参数和数据，使设计趋于合理，更适合人的生理和心理要求[5]。根据人机工程学理论和我国成年人身体测量标准，可利用标准人体模板设计健身车主体结构，包括坐姿的舒适性、上肢的把持范围和下肢的运动特性[6]。

2012年7月，意大利健身车品牌Ciclotte推出一系列Roberto Cavalli For Ciclotte室内健身车 （图2），其根据人体工程学设计，构造简单，便于存放。

图2 Ciclotte健身车

2.2 数字化设计手段

随着计算机技术、多媒体技术和网络技术的发展，数字化设计手段在产品设计应用中的水平不断提高。采用数字化设计可以大大提高产品设计效率，缩短开发周期，降低设计成本。潘志国等[7]采用数字化设计手段，首先对零件进行建模，采用CAXA SOLID组成零件库，便于零件的管理，可实现装配设计与渲染。

2.3 虚拟现实技术

虚拟现实（virtual reality，VR）[8]技术是一门综合了计算机图形技术、多媒体技术、传感器技术、并行实时计算技术、人工智能技术、仿真技术等发展起来的新兴技术，是先进的计算机用户接口技术，其通过视觉、听觉、触觉、嗅觉、味觉等各种直观而又自然的实时感知交互手段，为用户提供高度逼真的人工真实环境。

虚拟健身车系统是以虚拟现实技术为基础，综合运用传感器技术、DSP控制技术、三维建模技术和碰撞检测技术，采用多线程、非阻塞的数据实时通讯技术，并通过立体显示等多通道交互技术实现人在虚拟环境中的漫游，使用户在计算机构造的虚拟场景中获得如同在真实环境中骑车的体验，是将虚拟环境漫游和体育仿真相结合的有益尝试，应用前景十分广阔[9]。虚拟现实健身车系统构成如图3所示[10]。

图3 虚拟现实健身系统构成图

2.4 人机交互

人机交互指人机之间互相施加影响、交换信息的方式，是联系人与机器的桥梁和纽带。狭义的人机交互主要是指人和计算机间的信息交换[11]。

自行车模拟器正是利用虚拟现实技术实现人机交互的一个典范。自行车模拟器在虚拟场景漫游过程中，通过各种传感器（光电码盘传感器、力觉传感器、角度传感器等）、人、健身车、虚拟场景之间不间断地数据交互，实现人、车、场景的互动[12，13]，其应用前景广阔。

由Herpers等[14]研发的FIVIS自行车模拟系统，是建立在生物力学、体育教育、交通、道路安全和娱乐等应用平台上的一种模拟系统，其参考了物理、光学和声学等的特性，使用一种特殊的沉浸式可视化系统、运动平台和配有传感器的自行车和执行器，以及一个环绕立体声系统。FIVIS模拟器为交通教育和应力研究提供了现实训练和练习环境。

3 健身车在其它领域的应用

健身车在医学上的应用主要为保证安全训练及康复运动两个方面。为了保证运动过程中的安全，尤其是保证中、老年人群的安全，需进行心率测定。在康复训练方面，利用健身车可以使患者根据自己的具体情况选择适当的运动方式，使患者在轻松愉快的环境中锻炼，进而加快康复进程[15]。潘素兰等[16]采用卧式自行车及电动起立床进行早期康复介入，结果显示，治疗后患者的平衡功能、运动功能及ADL评分均显著提高，且治疗组明显优于对照组，说明早期介入卧式自行车及电动起立床训练可明显降低脑卒中的致残率、缩短住院时间及卧床时间。Mulder等[17]采用功能电刺激（FES）训练方法锻炼截瘫肌肉，FES健身车可以连接轮椅，供患者进行坐位训练。约翰霍普金斯大学医学院[18]开发了一种交互式自行车运动（IBIKE）平台，该平台将一个微型无线三轴加速度计安装在患者的手腕上，将循环加速数据传送到笔记本电脑，电脑屏幕显示锻炼的速度与运动距离。首先在屏幕上设定患者的运动目标参数，在运动过程中，屏幕上显示运动参数随时间变化的图形。当运动强度超过患者耐受水平，该平台会进行提示。

4 小结

随着健身车产品的更新与开发，健身车的应用领域也在不断扩展，现有健身车不仅能实现锻炼身体的功能，也在医疗、能源环境领域发挥作用，如发电健身车、康复健身车等。随着人们生活品质的提升，人们对于健身车的要求不断提高，健身车的功能和性能还有待完善。自发电健身车、多功能健身车及康复健身车等成为近年健身车研究热点。

[1]陈桂玲，柴玲.健身器材市场现状研究.安徽体育科技，2004，25（3）：74-76.

[2]高林.室内健身器材设计的探析.上海同济大学硕士学位论文，2007：1-30.

[3]龙志健.多功能互动健身车的创新设计及有限元优化分析.哈尔滨工业大学硕士学位论文，2009：1-30.

[4]Dong WL，Zhi JL，Xiao MC.Design for the resistance automatic adjustment system of multifunctional interactive fitness bike.Adv Mater Res，2011：328-330.

[5]丁玉兰.人机工程学.北京：北京理工大学出版社，2000，1（2）：35-49.

[6]蔡清华，王继成.磁控健身车设计中的人机工程学.工程图学学报，2003，（2）：132-136.

[7]潘志国，杜宏伟，赵丽清，等.数字化设计手段在四肢驱动健身车设计中的应用.制造业自动化，2008，3（7）：8-10.

[8]王海英.虚拟现实技术研究与系统实现.微计算机信息，2011，27（5）： 210-212.

[9]高欣，孙汉旭，贾庆轩，等.自行车仿真器的设计与实现.系统仿真学报，2005，17（5）： 1163-1167.

[10]陈和恩，陈扬枝.基于虚拟现实技术的健身车系统.现代制造工程， 2007，（9）：132-133.

[11]孟祥旭，李学庆.人机交互系统—原理与应用.北京：清华大学出版社，2004：1-30.

[12]贾庆轩，孙汉旭，李峰，等.健身车人机交互系统的研究与实现.北京邮电大学学报，2006，29：83-87.

[13]印松.交互式自行车模拟器运动及力觉提示系统研究.上海：上海交通大学硕士学位论文，2007：10-49.

[14]Herpers R，Scherfgen D，Kutz M，et al.FIVIS-A bicycle simulation system.IFMBE Proceedings， 2009，25：2132-2135.

[15]黄靖远，刘宏增，凌迪，等.康复用虚拟现实健身车的技术基础.生物医学工程学杂志，1999，16（4）：453-457.

[16]潘素兰，邓秋兰，张冲.早期应用卧式功率自行车及电动起立床训练对急性脑卒中后偏瘫患者的疗效观察.中国临床新医学，2011，4（8）：741-743.

[17]Mulder AJ，Hermens HJ，Janssen F，et al.A low-cost FES exercise bicycle for training paraplegics at home.J Med Eng Technol，1989，13（1-2）：90-92.

[18]Jeong IC，Finkelstein J.Computer-assisted upper extremity training using interactive biking exercise （iBikE）platform.Conf Proc IEEE Eng Med Biol Soc，2012，2012：6095-6099.