儿童青少年健身车结构尺寸分析

2013-11-12薛安虎何申杰江崇民

体育科学 2013年2期

刘智，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

不同年龄段儿童青少年在人体身体形态上的不同，所以，在运动健身车的结构尺寸大小要求上也就有一定的区别。在运动健身器材设计中，人体的舒适感和健身效率是一个重要环节。充分考虑不同人群的因素，反映不同人群的需要，把人与器材密切结合起来，这是运动健身器材设计发展的必然趋势。运动健身器材中最为重要的是器材的结构架型、结构大小与人体特征匹配程度，这些直接关系到健身效果。本研究在基于儿童青少年身体形态特征的基础上，探讨通过对健身车部分结构尺寸的大小调节，以期望能够达到适合不同身体形态大小的儿童青少年使用，为儿童青少年运动健身器材的开发提供参考。

2 儿童青少年身体形态尺寸在健身器材设计中的应用

运动健身训练器材的设计应符合人体尺寸，最大限度地挖掘人的潜能，综合平衡地发挥人的机能，促进人体健康。人体身体形态结构尺寸对于确定器材尺度、比例关系以及合理设计器械具有重要意义。本研究主要针对青少年运动健身训练器材的结构尺寸及大小调节尺寸范围进行分析，研究中所选取的形态指标主要是根据“青少年—健身器材系统”而确定。为了能够较完整地获得本研究所需的儿童青少年身体形态各指标参数，本研究测量了2 590名7～18岁儿童青少年主要身体形态指标（表1）。以形态差异为依据将7～18岁划分为4 个年龄组（7～9岁、10～12岁、13～15岁和16～18岁；表2）［4］。在本研究中将依照这些参数来确定青少年运动健身车的基本结构尺寸及大小调节尺寸范围。

表1 本研究样本量一览表Table 1 Sample Size （人）

表2 本研究7～18岁儿童青少年主要身体形态指标参数一览表Table 2 The Parameters of the Mainly Physical Shape of Children and Adolescents from 7To 18Years Old（cm）

3 健身车结构尺寸及大小调节尺寸分析

健身车的运动是模仿自行车运动的，所以，它的结构设计也可以参照自行车的结构设计，但由于健身车在其自身的特殊结构和功能应用上又不同于自行车，因此，不能完全模仿自行车的结构。而且，儿童青少年身体形态结构尺寸个体差异性较大，为了使健身车能更好地符合儿童青少年的使用，因此需要对其进行人机工程学分析，以期达到舒适性和安全性的统一。

健身车骑姿决定着健身者在健身过程中的舒适性及健身效率。骑姿是由健身者与健身车的把手、鞍座以及踏板的相对位置来决定的。从人机工程学观点出发，要提高健身车在使用过程中的舒适性及健身效率，就必须合理定位把手、鞍座及踏板三者之间的位置，让健身者在运动过程中尽可能的处于舒适的自然状态。

3.1 曲柄长度及调节尺寸

曲柄的长度一般按人的身高或下肢长来考虑，以达到能使人省力和舒适的目的。通常曲柄的长度基准取人体身高的1／10，相当于大腿骨长约1／2［6］。曲柄长度决定了大腿骨的运动角度和有关肌肉群的收缩程度。如果健身车的曲柄过长，将会引起肌肉的过度伸长和过度缩短，曲柄过短将会使肌肉收缩不能被充分利用。曲柄的长短还会直接影响到健身过程中合理的踏速［7］，从而对健身过程中的舒适性和健身效率具有不利的影响。

从本次测量分析中可以看出，我国7～9岁、10～12岁、13～15岁和16～18岁儿童青少年身高范围一般分别在118.1～140.9cm、131.6～158.0cm、147.2cm～170.9 cm、150.3～176.6cm 之间。所以，根据7～18岁儿童青少年的身高特征，不同年龄段儿童青少年使用的健身车曲柄长度一般是7～9岁为11.8～14.1cm、10～12岁为13.2～15.8cm、13～15岁为14.7～17.1cm、16～18岁为15.0～17.7cm。如果7～18岁人群使用同一台健身车，曲柄长度可调节尺寸应为5.9cm（最大值－最小值＝17.7－11.8cm）。

3.2 鞍座与车把之间的相对位置及高低调节尺寸

车把与鞍座之间的相对位置直接影响着骑行者在健身车上的姿势。正确的骑行姿势不会使健身者感到不适，并能提高健身效率。正常情况下，运动员在自行车比赛过程中，为了提高骑行效率，根据不同比赛距离的竞赛特征，运动员的躯干与鞍座水平面夹角θ1一般保持在20°～60°之间对骑行较为有利（图1），同时，在骑行的过程中肩关节夹角θ2保持在90°～120°、膝关节θ3在60°～130°、肘关节θ4在95°～180°之间也是较理想的运动员骑行姿势要求［3，5］。

图1 骑行姿势与身体及关节角度示意图Figure 1.Cycling Posture and the Angle of Body Joints

3.2.1 鞍座高低及调节尺寸分析

以7～9岁儿童身体形态特征为例，当健身车鞍座垂直高度调到最低点，即H高度为0cm 时（图2），以及鞍座向后水平调节距离为0cm，即N的距离为0cm 时。此时，鞍座高度至少要应适合该年龄段身材较小的人群使用。

因此，如图2中，根据理想的骑姿要求可知，当BC与CD不重合且成一条直线时，此时膝关节的角度应该是最大，即130°。则该年龄段人群使用的健身车鞍座至踏板最短直线距离BDmin应为：

从表2中可以看出，我国7～9岁年龄段儿童90%的人群大腿长在22.2～30.4cm 之间，小腿加足高约在28.9～36.5cm 之间。将大腿长和小腿加足高最小值代入上述公式可得：

由于此时是适合7～9岁儿童身材较小的人群使用，因此，曲柄长度应是选择该年龄段中的最小值11.8cm，此时，7～9岁儿童使用的健身车鞍座至曲柄中心轴的最短直线距离BCmin应为：

正常情况下，BC与水平面夹角θ一般约为75°的时候，骑行的效率最高［1］，所以，此时L的距离应为：

而当健身车鞍座高度以及向后水平调节的距离适合7～9岁身材较高的人群使用时，同样，根据理想的骑姿要求，当BC与CD不重合且成一条直线时，此时膝关节的角度应最大，即130°。则该年龄段人群使用的健身车鞍座至踏板最长直线距离BDmax应为：

图2 健身车鞍座位置分析示意图Figure 2.Analysis on Position of Saddle

根据表2中7～9岁儿童大腿长和小腿加足高范围值特征，将最大值各代入公式可得：

由于此时是适合7～9岁儿童身材较高的人群使用，因此，曲柄长度应是选择该年龄段的最大值14.1cm，此时，7～9岁儿童使用的健身车鞍座至曲柄中心轴的最长直线距离BCmax应为：

此时L的距离应为：

因此，7～9岁儿童使用的健身车鞍座垂直高度调节的最大尺寸Hmax可设计为：

同上述方法依此类推，10～12岁、13～15岁和16～18岁不同年龄段人群使用的健身车鞍座至曲柄中心轴的取值范围BC可分别设计在39.7～53.6cm、44.0～58.3 cm、44.5～59.5cm 之间；鞍座垂直高度最大调节尺寸Hmax可分别为13.4cm、13.8cm 和14.5cm。如果7～18岁人群使用同一台健身车，鞍座至曲柄中心轴的直线距离范围应在34.6～59.5cm 之间，鞍座上下垂直调节尺寸可设计为24.1cm。

3.2.2 车把高低及调节尺寸分析

一般情况下，健身车或运动自行车的车把与鞍座的水平高度基本相同［5］，所以，车把的高低完全可以参照鞍座的高低来设计和调节。因此，儿童青少年健身车的车把垂直高低调节尺寸也应基本上与鞍座相同，即E＝H（图3），所以，7～9岁、10～12岁、13～15岁和16～18岁儿童青少年人群使用的健身车的车把垂直高度最大可调节尺寸也可分别设计为11.6cm、13.4cm、13.8cm、14.5cm；同样，如果7～18岁人群使用同一台健身车，车把高度调节尺寸一般也可为24.1cm。

图3 健身车鞍座和车把高低位置分析示意图Figure 3.Analysis on Position of Saddle and Handle

3.2.3 座位与车把的相对位置及前后调节尺寸分析

车把与鞍座之间的距离主要由骑行者的骑姿以及臂长与躯干长来决定，如图4中的AB两点距离，主要由AF和FB的长度和骑姿所形成的关节角度来确定。在一般情况下，自行车比赛中较科学和理想的骑姿为肩关节夹角在90°～120°之间（θ2）、躯干与鞍座水平面的夹角在20°～60°之间（θ1），肘关节在95°～180°之间（θ4）。

3.2.3.1 健身车车把至鞍座的最短距离分析

同样以7～9岁儿童身体形态特征为例，当健身车车把向前水平调节距离为0cm，即M为0cm 时，鞍座向后水平调节距离为0cm，即N为0cm 时（图4），此时，健身车的结构尺寸应符合7～9岁身材较小的人群使用。因此，健身车车把至鞍座的最短距离设计可根据7～9岁身材较小的人群身体形态特征及骑姿来确定。

通过理想骑姿的身体相关关节角度范围推理可知，如果健身车车把与鞍座水平高度一致，在骑行过程中，当形成手臂伸直（即θ4为180°），肩关节角度为90°（即θ2为90°）的骑姿时，且双手恰好触及并握住车把，此时车把至鞍座的距离最短（图5）。因此，根据7～9岁身材较小的人群身体形态特征计算出来的车把与鞍座的距离AB，即为健身车车把至鞍座的最短设计距离。从表2 中可知，我国7～9岁儿童人群中，90%的人群躯干长度约在42.2～50.3cm 之间，前臂长约在15.0～19.5cm 之间，上臂长约在18.7～25.6cm 之间。因此，7～9岁儿童人群健身车车把距鞍座最短距离ABmin可设计为：

图4 健身车鞍座与车把的距离分析示意图Figure 4.Analysis on Distance From Saddle to Handle

图5 骑行姿势1示意图Figure 5.Cycling Posture 1

3.2.3.2 健身车车把至鞍座的最长距离分析

以7～9岁儿童身体形态特征为例，当健身车车把向前水平调节距离和鞍座向后水平调节距离适合该年龄段身材较高的人群使用时，该年龄段人群使用的健身车车把至鞍座的最长距离设计，可根据该年龄段身材较高的人群身体形态特征及骑姿来确定。

通过理想骑姿的身体相关关节角度范围推理可知，如果健身车车把与鞍座水平高度一致，在骑行过程中，当形成肩关节角度θ2为120°，躯干与鞍座水平面的夹角θ1为20°，前臂自然下放恰好触及并握住车把的骑姿时（图6），车把至鞍座的距离最长。因此，根据此骑姿和该年龄段身材较高的人群身体形态特征计算出来的车把与鞍座的距离AB，即为该年龄段人群使用的健身车车把至鞍座最长设计的距离。因此，根据表2 中7～9岁人群身体形态参数，该年龄段人群健身车车把至鞍座最长距离ABmax可通过以下方式得出：

（1）根据正弦定理可知：

因此，得出GP＝FG－上臂长max＝26.8cm－25.6cm＝1.2cm

图6 骑行姿势2 示意图Figure 6.Cycling Posture 2

（2）根据余弦定理可知：

由于，AP为前臂长，∠AGP为θ1＋θ2＝140°，所以将（1）中的GP值代入公式中可得：

AG2＝前臂长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，根据（1）和（2）中的计算结果可知，7～9岁儿童健身车车把至鞍座最长距离ABmax为：

综合以上分析可知，7～9岁儿童健身车车把与鞍座最大调节尺寸之和，即M＋N 应为：

由于在鞍座与车把的调节过程中，要考虑到是否影响到理想的骑行姿态问题，因此，鞍座和车把的调节尺寸应相等才能使不同身材大小人群都能调节出合适的骑姿，所以，7～9岁儿童健身车车把和鞍座前后最大可调节尺寸可设计为：

以上述方法依此类推，10～12岁、13～15岁和16～18岁不同年龄段人群使用的健身车车把距鞍座的距离设计一般分别在61.2～97.4cm、68.0～106.5cm、70.1～110.4cm 之间；车把和鞍座前后最大可调节尺寸一般分别为18.1cm、19.2cm、20.2cm。如果7～18岁人群使用同一台健身车，车把距鞍座的直线距离最大可调节尺寸为56.4cm；车把和鞍座前后最大可调节尺寸为28.2cm。

4 讨论

4.1 儿童青少年身体形态特征与健身器材的设计

依据儿童青少年身体形态特征，分析符合儿童青少年使用的健身器材结构尺寸，指导和设计适合儿童青少年的健身器材，是儿童青少年使用科学的健身器材进行安全、舒适地体育锻炼的基本要求，从而使儿童青少年通过体育锻炼来达到增强体质、促进健康的目的。

众所周知，儿童青少年时期正是生长发育的重要时期，在此时期，人体各部分器官系统将会逐渐发生一系列的生理变化。身体形态是人体在一定条件下的表现形式，在生长发育时期体现出明显的快速变化。对于7～18岁儿童青少年来说，男、女生身体形态增长的最快阶段基本一致，基本上都处在7～14岁年龄阶段［4］。因此，不同年龄段儿童青少年人群身体形态可能表现出较大的不同，所以，在进行儿童青少年运动健身器材的设计时，应全面地考虑到儿童青少年不同年龄段和性别人群的身体形态差异特征，只有在设计中兼顾到不同人群的差异性，才能够做到对儿童青少年运动健身器材更加科学合理的开发。

在以人的身体形态为作为器材设计的依据时，一般采用双限值设计，指的是利用两个人体身体形态尺寸百分位数作为尺寸的上限值和下限值［5］。为了使健身器材能够较好地适合不同身体形态大小的人群使用，在确定健身器材尺寸时，一般采取5%、50%、95%百分位数作为结构尺寸设计的依据。

4.2 人机工程学与健身车的设计

人机工程学是把人－机－环境系统作为研究的基本对象，运用生理学、心理学和其他有关学科知识，根据人和机器的条件和特点，合理分配人和机器承担的操作职能，并使之相互适应，从而为人创造出舒适和安全的工作环境，使工效达到最优的一门综合性学科，它己成为一切工程技术人员必不可少的工具，成为实现工业设计目标的重要手段［2］。

人机工程学在健身车设计中的应用，使健身车整体结构设计更加趋于合理性、舒适性。人机工程学在健身器材设计中应用越来越广，从器材的整体结构设计到各种零部件的设计，都不可或缺。本研究主要给出了人体工程学在健身车上的应用，通过对儿童青少年健身车的曲柄、鞍座、把手的各个功能尺寸进行分析，不仅为儿童青少年健身车设计方案的确定以及结构设计打下基础，同时，也力求达到舒适性和安全性的统一。同样，在今后各类健身器材的设计中，如何对健身器材进行全面合理地人机工程学设计分析，使其符合人体的生理和心理要求，将是器材设计科学性的关键。