基于人机工程学分析的坐姿前踢腿训练器造型设计

博 雅，任家骏，薛安虎，张宏瑞，王雅坤

(1.太原理工大学 机械与运载工程学院，山西 太原 030024；2.澳瑞特体育产业股份有限公司，山西 长治 046000)

0 引言

近年来，由于人们对身体素质和生活质量越来越重视，室内健身的需求不断增加。健身器械行业飞速发展的同时，也逐步提高了对健身器性能及附加价值的要求[1]，因此国内外对室内健身器的研究也日益兴起。坐姿前踢腿训练器作为室内健身器材的一种，也同样受到健身爱好者的青睐。

目前，对于室内健身器械的研究多集中于通过仿生方法、语义分析法对造型进行设计[2],与人机工程相结合的研究较少。文献[3]基于人机工程理论，通过材料创新，对康复训练器的人机接口进行了设计；文献[4]通过人体测量的特性，提出了健身器材设计的五大原则。上述研究中，人机工程学在健身器设计中的实际应用较少。本文基于人机工程学的理论，根据人体测量特性对坐姿前踢腿训练器的主要尺寸进行改良设计，通过三大原则对其造型进行设计，并采用RAMSIS对设计结果进行仿真验证。

1 坐姿前踢腿训练器尺寸设计

1.1 设计思路

坐姿前踢腿训练器的造型设计流程见图1。

图1 坐姿前踢腿训练器的造型设计流程

1.2 人体测量特性

GB10000—1988是国家技术监督局在1987年发布的中国成年人人体尺寸标准[5],该标准中涉及的尺寸包括肢体尺寸与相对尺寸两种。肢体尺寸因百分位与性别而不同，相对尺寸的影响因素则较多，在产品的设计中需要综合考虑肢体尺寸与相对尺寸的影响。常用的坐姿人体尺寸如表1所示。

表1 坐姿人体尺寸 mm

1.3 尺寸设计

坐姿前踢腿训练器中人体主要操作的部分在于座椅、配重块以及踢腿滚柱。原有坐姿前踢腿训练器椅面为水平平板型，不符合人机工程学的要求与最佳受力要求。由于坐姿前踢腿训练器使用时间通常为半小时及以上，具有较高的灵活性，且不为工作座椅，椅面弧凹性设计的作用不大，因此，设定椅面为平面无弧凹形。坐姿前踢腿训练器属于高背椅，既不属于工作椅也不完全属于休闲椅，因此椅面的倾斜角度设定为高背椅中的最低值10°。健身人员的身高不集中，有矮小、中等身材的,也有高大身材的，因此，本文设定训练器的坐高为可调式，根据表1中的人体坐姿尺寸设定训练器坐高的行程范围为第5百分位人员的坐高与第95百分位人员的坐高差值。在具体百分位坐高的求解中，设人体高度为H，H的取值为表1中人体坐高+穿鞋修正量(20 mm)。坐高的垂直行程为椅面与椅背的连接端距离地面的高度，椅面的水平行程为第5百分位女性与第95百分位男性的水平差值，根据文献[6]中的修正方法，确定该垂直行程为0.467H、水平行程为149 mm。座椅的水平与垂直行程的调节按钮为座椅底部的扶手式金属杆，该扶手的高度与座椅椅面底部之间的距离为45 mm，符合人手的正常操作尺寸。坐姿前踢腿训练器设计尺寸如表2所示，尺寸简图如图1所示。

表2 坐姿前踢腿训练器设计尺寸

图2 坐姿前踢腿训练器尺寸简图

坐姿前踢腿训练器作为力量训练器械，具有配重块，健身人员通常在健身前蹲姿下调整好配重块，在健身过程中，也会在坐姿下对配重块进行调整，因此，常用配重块的高度不宜过高与过低。根据调研，使用最频繁的配重块为10 kg，该部分配重块的设计高度符合人体坐姿侧身手伸高度，设定为离地300 mm。踢腿滚柱分为上滚柱和下滚柱，上滚柱的作用为对大腿肌肉施压，下滚柱的作用为对小腿肌肉施压。下滚柱主要与坐姿下的小腿部静态与动态尺寸相关，腿部在刚触到下滚柱时的舒适倾斜角度为15°，据此，下滚柱离地高度设定为0.567H。

2 坐姿前踢腿训练器造型设计

2.1 造型设计原则

锻炼身体已经成为现代人们享受生活的过程，健身器材的人性化、美观化能给用户带来更好的精神享受。健身器材在进行造型设计时，除了遵循美观性原则，还应该遵循以下三大设计原则[7-8]：

(1)功能性原则。健身器材的主要功能是锻炼身体，在造型设计中需要注意其结构设计满足功能性要求。通过外观设计体现健身器的可靠性、科学性。此外，健身器材也有家居装饰的辅助功能，造型设计需要融入情感化与趣味化。

(2)人性化原则。造型设计应考虑产品使用对象的性别、年龄，以及该人群的心理特征、社会习惯、生理特征等。通过人机工程分析，使得产品的每一部分都体现出舒适美，提高用户体验。

(3)情感性原则。情感性原则是指健身器材作为产品与使用者的精神互动，在设计中，需要对产品的情感表达进行定位，通过产品的造型表达，刺激用户的视觉、触觉等感官，以唤起用户的心理情感，达到共鸣。

2.2 造型设计

本文根据上述造型设计原则对某型号坐姿前踢腿训练器进行造型设计。图3为现有的坐姿前踢腿训练器，造型较为简单。通过对大量健身人员以及健身教练的调研，结合市场需求，确定该坐姿前踢腿训练器的主要造型语义为柔美与活泼，次要造型语义为刚硬，设计后的坐姿前踢腿训练器如图4所示。

图3 现有的坐姿前踢腿训练器 图4 造型设计后的坐姿前踢腿训练器

2.3 色彩表达

坐姿前踢腿训练器的色彩设计中，采用较为中性的色彩，以满足不同性别使用者的需求。滚柱采用棕色皮革，以增加防滑性能,保证安全性，且通过内部填充层保证舒适性；在座椅扶手部分采用黑色防滑橡胶，较为廉价且容易更换；座椅椅面与椅背部分采用黑色粗面皮革，增加防滑性能与耐用性；其余支架部分以金属色为主色，体现材质的原有色彩，增强厚重与刚毅的感觉，以黑色油漆为配色，增加稳重感。

3 设计验证

由于锻炼的目的是为了让肌肉朝着需要的方向不断收缩与拉伸，在锻炼结束时，有效的锻炼使得肌肉不舒服。因此，锻炼后的不舒适程度高代表锻炼效果更佳，而锻炼前舒适程度越高，代表人体工学性能越良好。故本文在锻炼初期对坐姿前踢腿训练器设计采用RAMSIS软件仿真验证，在锻炼后期采用调研方式的主观验证。

3.1 锻炼初期的仿真验证

采用RAMSIS软件对坐姿前踢腿训练器的造型设计进行仿真验证。RAMSIS软件是一种用于驾驶室内乘坐人员仿真设计的CAD工具，与CATIA等CAD工具相比，该软件的优势在于提供了中国人体各个年份的数字人体模型，为设计师在产品开发初期的仿真校核提供了精准、便利的条件，避免后续修改，降低了生产成本。

坐姿前踢腿训练器的舒适度校核主要体现在椅面、椅背的舒适度，鉴于使用健身器材的目的是给予肌肉一定的疲劳程度以达到锻炼的目的，本文对将人体安放在坐姿前踢腿训练器上时的不舒适程度采用RAMSIS软件进行仿真，仿真结果如图5所示。由图5可知，造型设计后的坐姿前踢腿训练器在使用时的舒适度当前值和参考值之差更小，即舒适程度较高，人体工学性能良好。

图5 锻炼初期的不舒适度仿真结果

3.2 锻炼后期的主观验证

采用15位健身人员的主观评价对坐姿前踢腿训练器的设计进行主观验证。15位健身人员分别采用原有坐姿前踢腿训练器与造型设计后的坐姿前踢腿训练器进行15 min的锻炼，采用1～9打分(1～9表示不舒适程度逐渐增加)的方法对锻炼后的不舒适程度进行问卷调研，评价结果如表3所示。由表3可知，设计后的坐姿前踢腿训练器在锻炼后的不舒适程度更高，因此，设计后的坐姿前踢腿训练器锻炼效果更好。

表3 锻炼后不舒适程度得分

4 结论

(1)探究了人体测量特性对坐姿前踢腿训练器设计的影响，对其椅面、椅背、踢腿滚柱尺寸进行修正，获得了满意的效果，为人体仿真分析提供了理论依据。

(2)依照三大设计原则，结合尺寸修正的结果对坐姿前踢腿训练器进行造型设计，使得造型效果更加柔美活泼。

(3)通过RAMSIS仿真对设计结果进行验证，结果表明，设计后的坐姿前踢腿训练器锻炼效果更佳，验证了该分析与设计的正确性。