基于人机工程学的躯干转体测量仪的研制

郭辉 孙学雁 郭军权 孔振兴 张一民

摘  要：体质测量与评价，离不开科学的测量方法和测量仪器。鉴于当前传统的测量仪器无法完全满足躯干转体测量准确性的要求，针对性地开展了基于人机工程学的躯干转体测量仪的研发。运用人体工程学和机械设计方法，利用CAD工程软件，结合人机工程学理论和我国成年人人体尺寸国家标准，画出了装配图和零件图，研制了一种躯干转体测量仪，该测量仪能大大提高躯干转体测量的准确性。

关键词：柔韧素质  体质测量  躯干转体  人机工程学  CAD工程软件

中图分类号：G80                                   文献标识码：A                        文章编号：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

通過科学的测量方法评价大众的体质健康，已成为全民健身关注的热门课题之一。柔韧素质是身体素质的重要组织部分，也是体质健康的重要组成部分[1-6]。关节的柔韧性对短道速滑、自由式滑雪空中技巧、花样滑冰、单板U型槽等项目运动成绩关系重大，是反应运动员身体素质的重要指标[7]。良好的柔韧性有助于完成运动和预防组织损伤[8]。身体的柔韧性通常用关节的活动度来测评，在实验室一般用量角器、曲率计、倾角计及测量尺来测量关节活动度，进而反映关节柔韧性[2]。躯干是链接四肢和头部的核心，是支配身体运动的关键环节。躯干的柔韧性是身体柔韧性的重要环节。

加强躯干柔韧素质训练及评估对于提高运动训练、大众健身的效果、预防运动损伤等具有重要意义[7，8]。在一些运动项目中（比如网球、羽毛球反手击球动作），躯干转体能力的提高可以增大四肢的运动幅度，增强运动能力[6，9]。研究表明，缺乏适当柔韧性会引发驼背、脊柱后弯、高低肩等不良姿势，良好的柔韧素质是身体活动的必要条件，而且对降低腰背疼、关节炎等也大有益处[7，8]。躯干的整体运动范围较大，可绕额状轴做屈伸运动;绕矢状轴做侧屈运动;绕垂直轴做回旋运动。在矢状面的活动度可以通过坐位体前屈测量，在水平面的活动度可以通过躯干转体测量。

长久以来，对躯干转体的测量是依靠臂夹棍转体（见图1）方法来测量。具体的测量方法是：在平坦地面上，画一直径1.5m标有角度刻度（0°～180°的图，最小刻度为5°）、圆心和直径的圆圈。受试者自然直立于0°～180°直线上，两眼平视前方，两脚与肩同宽，站在圆圈中央，身体垂直轴与圆圈的圆心在同一直线上，双肘屈曲于体后夹住系有锥形重物的木棍，使锥尖正对0°，木棍与地面保持平行，向左右缓慢转体，以锥尖所指的角度为测量值[2，4]。这种测量方法无法满足测量准确性。为了解决上述问题，本研究开展了一种新型测量器械的研发。

人机工程学研究人在某种工作中的解剖学、生理学、生物力学、人体测量学等方面的各种因素，把人的因素作为产品设计的重要条件和原则，研究人与机的相互作用，以达到人-机系统总体性能的最优化[3，10-11]。本文采用人机工程学原理和机械设计原理开发设计出躯干转体测量仪，以期在丰富体质测量方法的同时提高测试的准确性。

1  研究对象与方法

1.1 研究对象

以反应人体柔韧素质的测量器材为研究对象。

1.2 研究方法

运用人体工程学和机械设计方法，利用CAD工程软件，结合人机工程学理论和我国成年人人体尺寸国家标准，设计出一种躯干转体测量仪的装配图和零件图，使用该测量仪能大大提高躯干转体测量的准确性。

2  总体结构设计

2.1 主要结构及工作原理

2.1.1 躯干转体测量仪主要结构

躯干在水平面的柔韧性用躯干转体角度来表示，即两髋关节所在的直线与两肩关节所在的直线的夹角。先固定髋关节，后转动两肩，两肩转动的角度即为躯干转体角度。躯干转体测量仪是一种基于人机工程学设计的（见图2），包括3个方面的机构，1个是座椅机构，另外2个是纵向导向调整机構和转体测量机构，纵向导向调整机构分别与座椅机构和转体测量机构连接，当纵向导向调整机构纵向调整高度时，转体测量机构的高度也会根据受试者的坐高相应调整[7]。

2.1.2 躯干转体测量仪工作原理

躯干转体测量仪是通过测量躯干在水平面内活动的幅度（即两髋所在直线与两肩所在直线的夹角），来反映躯干的柔韧性。根据关节活动的固定方式采用下固定，即固定两髋，转动两肩来达到转体效果。测量时让受试者坐在座椅上，然后用固定带固定下肢，再通过纵向导向调整机构调整转体测量机构的高度，高度调整到合适的位置后，固定此高度。转体测量机构的肩部夹具固定受试者的双肩，受试者面向正前方，指针指向零刻度值，检测人员发出开始转体的指令后，受试者向左或向右转，转到最大位置，指针所指的刻度即为躯干转体的角度[12]。

2.2 尺寸设计及依据

躯干转体测量仪尺寸设计充分考虑人机工程学原理，依据我国成年人人体尺寸国家标准进行设计。由于躯干转体测量仪的被测试者是在坐姿状态下进行测试的，因此，设计时充分考虑人体坐姿尺寸。设计座椅结构时，要考虑座宽、座高、座深的设计尺寸，便于被测试者方便舒适地使用。座宽按人机工程学的要求应考虑坐姿臀宽（见图3）的尺寸。主要尺寸按我国成年人人体尺寸国家标准进行选择，如表1和表2所示[11]。为满足大多数使用者需要，坐姿臀宽以成人女子第99百分位数值为设计依据，同时考虑衣服厚度和余量，本文设计的座宽为480mm。

坐高是指坐位姿势时头顶点至座板平面之间的垂直距离（如图4所示）。为满足更多人的需要，坐高以成人女子第5百分位数和男子第99百分位数值为设计依据，可调范围在800～1000mm（表1、表2）。椅背只起固定作用，设计椅背高为300mm。

座高是座面到地面之间的垂直距离，它等于人体小腿长度加足高长度（见图5）。为满足大多数人使用，选择在成人女子第10百分位数和成人男子第95百分位数之间， 根据表1、表2可知，小腿加足高的值分别为350mm和450mm，由于最大值和最小值之间差别不大，取二者的中间值400mm作为座高值。

坐深是指处于坐位姿势时臀部后沿到小腿后沿的垂直距离（见图6），也是座面的前后距离，它应能使臀部得到完全支撑。为保证小腿的活动自由应选择浅的坐深较为适宜。我国坐深尺寸一般在380～420mm之间。对于普通的工作椅来说，坐深可以更浅一点。为使更多的人能适用此设备，按成人女子第5百分位数设计，应为 400mm（见表2）。

最大肩宽是指2个三角肌外侧的最大水平距离（见图7）。肩宽是指两肩峰之间的距离（见图8）。在设计肩部夹具时要考虑最大肩宽和衣服的厚度，还要考虑躯干和肩活动所需空间，对薄衣服要附加7.9mm，对厚衣服附加76mm。还要考虑头长（见图9）和头宽（见图10）尺寸，肩部夹具的内部宽度要大于最大头长和最大头宽，根据表1和表2可知，成人男子第99百分位数的最大头长为200mm，本文设计的肩部夹具的外部宽度为550mm，内部宽度为350mm。

3  整体结构设计

3.1 纵向导向调整机构设计

考虑到不同人群的坐高的不同，设计纵向导向调整机构为可调，如图11所示，纵向导向调整机构包括第一导向杆、第一导向杆滑块、第二导向杆、第二导向杆滑块、第一连接块和第二连接块。当被测量者坐于座椅上时，从被测量者角度来看，可以将座椅右侧作为第一侧，将座椅左侧作为第二侧，第一导向杆滑块通过螺钉与座椅的第一侧固定连接，第二导向杆滑块通过螺钉与座椅的第二侧固定连接。当被测量者端坐于座椅上时，第一导向杆和第二导向杆构成的平面与被测量者的背部所在平面平行。

本设计在具体实施中，在第二导向杆上还可以设置有均匀分布的多个固定槽，相应的，第二导向杆滑块上还设置有与固定槽匹配的按钮，用于调整第二导向杆的顶端的高度。即第一导向杆和第二导向杆的顶端的高度是同步调整的。在第二导向杆上设置均匀分布的多个固定槽，在调整高度的时候，通过第二导向杆滑块上的按钮，达到一格一格调整的效果，方便操作。

在本设计的具体实施中，第一导向杆滑块还可以设置固定杆，当第一导向杆在第一导向杆滑块中滑动到满足条件的位置时，使用固定杆固定第一导向杆。可以使用蝶形螺杆调整并固定第一导向杆的高度，用于固定第一导向杆的位置。通过此机构的调整可以适应不同坐高的受试者。

3.2 座椅机构设计

躯干转体测量仪座椅机构设计包括座椅和固定带，被测量者坐于座椅上进行躯干转体的测量。为避免测量过程中座椅移动，在座椅的座椅腿底端还可以设置固定片，用于将座椅固定在地面上。另外，该座椅机构还包含固定带，固定带的两端分别与座椅的两端连接，用于固定被测量者腿部，使其髋骨以下不会因为腰部的转动而转动，固定带可以是绷紧丝带或者带有插扣的丝带，其松紧度可调。

3.3 转体测量机构设计

转体测量机构是实现人体柔韧素质精确测量的关键机构。如图12所示，转体测量机构包括肩部夹具、连接圈、刻度盘、圆周导轨和指针。连接圈分别与肩部夹具、圆周导轨、指针固定连接。肩部夹具用于夹在被测量者双肩上，可以设计为倒U型，当被测量者腰部及腰部以上躯干转动时，与肩部夹具固定连接的连接圈带动圆周导轨在刻度盘上做圆周转动。指针的尖端指示刻度盘表面的刻度。刻度盘的正前方为0°，依次向左右增加，到正后方为180°，精确到1°。连接圈和刻度盘为圆形结构，且连接圈和刻度盘的中心点在同一竖直线上。第一连接块和第二连接块分别与刻度盘的外侧固定连接。当被测量者进行躯干转体测量的时候，夹在被测量者肩部的肩部夹具将腰部及以上躯干的转动转移到连接圈，再通过固定在连接圈上的指针来直接读取刻度盘的度数，得到测量结果。如图12所示，圆周导轨至少包含3个圆周导轨滑块（见图13）。

圆周导轨滑块的结构如图13所示，圆周导轨滑块有3个面，以上侧面为例，包含轴承、销和轴承座。轴承座与上侧面使用螺钉固定连接，销穿过轴承中心。上侧面与轴承对应的位置有空槽，轴承围绕销可在上侧面滚动。圆周導轨滑块的上侧面的轴承接触刻度盘的上表面，下侧面的轴承接触刻度盘的下表面，右侧面的轴承接触刻度盘内侧表面，进行圆周运动。

为节约成本考虑，在该测量仪中，部分部件可以考虑采用塑料材质，如肩部夹具、指针、圆周导轨等，其他部件可以考虑采用钢质或铁质材料，能够进行相关的连接即可。

4  结语

本文设计了一种新型躯干转体测量仪，画出装配图和零件图。在设计过程中充分考虑人机工程学的原理，对被测量者的动作规范性要求不高，只需被测量者坐于座椅上，用固定带固定下肢，然后使用肩部夹具夹住肩部，转动腰部及以上躯干，通过指针在刻度盘上的滑动位置即可获得躯干转体测量值，测试方法较简单、安全，测量结果较为准确，能精确测量躯干转体的活动范围。

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