坐姿蹬腿器基于人机工程学的分析与改进.docx
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坐姿蹬腿器基于人机工程学的分析与改进
坐姿蹬腿器基于人机工程学的分析与改进
摘要：
人机工程学是一门与人密切相关的学科，是一门新兴的正在迅速发展的交叉学科，随着这门学科的发展完善，在当今产品设计与开发中，产品的宜人性、创新性、适用性等因素越来越受到设计方与使用者的重视。
健身路径是市民常用的健身设备，是国家发展全民健身运动的重要措施。
但是目前，生产健身路径的厂家非常缺乏，产品质量参差不齐，更重要的是各厂家之间的产品规格没有一致性，没有统一的标准，有些健身路径存在不符合人机工程设计的原理的问题。
特别是蹬腿器这种与人密切相关的健身器材产品设计中，考虑人机工程学的设计概念更加重要，文章针对蹬腿器在宜人性和适用性存在的问题，基于人机工程学的理论和方法对蹬腿器进行分析和改进，让使用者更加安全高效。
关键字：
坐姿蹬腿器；人机工程学；分析；改进
Analysisandimprovementofthesittingkickdevice
Abstract：
Ergonomicsisanandcloselyrelateddisciplinesandanewandrapidlydevelopingdisciplinewiththedevelopmentofthediscipline.Intoday'sproductdesignanddevelopment,productinnovation,agreeableness,applicabilityandotherfactorsaremoreandmoredesignersandusersattach.Fitnesspathispublicfitnessequipmentandthedevelopmentofnationwidefitnesscampaignimportantmeasures.Butatpresent,theproductionoffitnesspathofmanufacturersareverylack,productqualityisuneven,themoreimportantisthemanufacturersbetweenproductspecificationswithoutconsistency.Thereisnouniformstandard,somefitnesspathexistsdoesnotcomplywithergonomicdesignprincipleproblem.Especiallythewhirlwindroundthisandcloselyrelatedtopeople'sfitnessequipmentproductdesign,consideringergonomicdesignconceptismoreimportant,thesittingkickdeviceinagreeablenessandapplicabilityofexistingproblems,basedontheergonomicstheoryandmethodtoanalyzeandimprovethekickis,letusersmoresafetyandhighefficiency.
Keyword：
sittingkickdevice；ergonomics；Analysis；improvement
目录
摘要II
关键字II
AbstractII
KeywordII
1绪论1
1.1选题的背景和目的1
1.2国内外的研究现状1
1.2.1目前蹬腿器存在的问题2
1.2.1.1尺寸设计问题2
1.2.1.2质量问题3
1.2.1.3安全问题3
1.2.1.4外形颜色问题4
1.3研究方法4
1.3.1文献资料分析法4
1.3.2实测法4
1.3.3数理分析法4
1.3.4人体参数法4
1.4主要研究内容4
2蹬腿器的分析与改进5
2.1尺寸设计5
2.1.1座椅的设计5
2.1.1.1座椅的坐高5
2.1.1.2座椅的坐深6
2.1.1.3座椅的坐宽6
2.1.1.4座椅的靠背高度6
2.1.1.5座椅的靠背宽度7
2.1.1.6座椅的坐面设计7
2.1.1.7座椅的靠背倾角7
2.1.2踏杆与踏板的设计8
2.1.2.1水平踏杆的高度8
2.1.2.2踏板的中心距8
2.1.2.3踏板的倾角8
2.1.2.4踏板的长宽9
2.1.3握把的设计9
2.1.3.1握把的高度9
2.1.3.2握把的长度和直径9
2.1.3.3握把的其他设计9
2.2颜色的分析与改进10
2.3材质的分析与改进10
2.4其他设计与改进10
2.4.1安全保护措施10
2.4.2锻炼方法说明10
2.4.3注意事项说明11
2.5CAD图、成品效果图11
3结论与展望15
4致谢15
5参考文献15
1绪论
1.1选题的背景和目的
现代生产力的发展，促使人们的社会需求不断更新和提高，在基本的物质层次需要满足的基础上，人们更关注在文化上，精神上和心理上的需要。
进入21世纪，中国人们生活已经进入初级的小康社会生活，因此人们更注重生活质量，既包括物质生活方面，也包括精神生活方面，体育健身养身娱乐是改善生活质量的重要途径之一。
然而，方兴未艾的中国现代设计，在大力发展的同时也出现了诸多问题和不良倾向。
不尽如人意的设计，甚至是劣质的设计时有面世。
背弃优秀的本土传统文化精神，盲目地追捧西方设计风格；拒绝简约、平实和功能明确的设计，追求极度豪华、奢侈的装饰之风；忽视广大民众和弱势群体的需求，强调精英主义的设计；缺乏绿色设计理念和环境保护意识，破坏生态平衡，不利于可持续发展的设计；丧失合计伦理和社会责任，极端商业主义的设计大行其道。
目前，在我国提倡构建和谐社会的背景之下，设计将发挥其独特的作用。
“和谐”，作为一个重要的哲学范畴，反应的是事物在其发展过程中所表现出来的协调、完整合乎规律的存在状态。
这种和谐的状态是时代进步和社会发展的重要标志。
人们必须面对现实、面向未来，对人类和所有生灵存在的环境和生活方式，以及人、物、境之间的关系，进行全方位的、立体的、综合性的设计，以期真正实现中国现代设计的人文化、伦理化、和谐化。
面对目前生产蹬腿器的厂家非常缺乏，产品质量参差不齐，更重要的是各厂家之间的产品规格没有一致性，没有统一的标准，有些蹬腿器存在不符合人机工程学设计原理的问题的这一现状，本论文要做的就是通过本项目的研究，深入分析目前健身路径存在的问题，通过人机工程学分析，进一步改善健身路径的科学化程度，使人们在使用健身路径时更加的安全、舒适、科学、高效。
1.2国内外的研究现状
人机工程学研究应包括理论和应用两个方面，但当今本学科的总趋势还是重于应用。
而对于学科研究的主体方向，则由于各国科学和工业基础的不同，侧重点也不同。
例如，美国侧重工程和人际关系；法国侧重劳动生理学；前苏联注重工程心理学；保加利亚偏重人体测量；捷克、印度等注重劳动卫生学。
当前，国外对蹬腿器的研究集中在以下两个方面：
一方面是从运动健身的生理学方面作出的研究，如不同锻炼方式的能量消耗量，运动方式对不同肌群的锻炼效果等，对健身器材的健身效果进行研究。
通过运动消耗的能量和健身者身体生理特征的变化，寻找更加合理的锻炼方式，并运用到健身器材的设计上。
另一方面主要研究健身器材的功能实现方式，如力的产生与变化，满足功能基础上功能合理性的研究等。
可以看出健身路径在我国起步较晚，目前国内对蹬腿器的研究大都集中在锻炼方法，使用方法以及推广健身这些大的方面上，具体结合人机工程学等的研究和改进还处于萌芽状态，而国外的蹬腿器和人机工程相结合，已经发展到了相对成熟的阶段，设计的健身设备也相对比较人性化，这对我国发展健身路径有了更高要求和挑战。
1.2.1目前蹬腿器存在的问题
传统的机械设计以设计产品为主要目的，更多的考虑产品功能的实现，虽然或多或少的涉及了一些人的因素，但主要考虑让人如何适应机器，而没有把人作为一个设计的目标，没有规范的考虑人的因素。
人机工程学强调的是将人和机器作为相互联系的两个基本部分构成一个整体，形成人机系统。
对于蹬腿器这样的健身路径更要让它和人形成一个完美系统，才能达到安全高效。
如图2.1是现在市场上比较常见的蹬腿器，锻炼者先坐上座椅，再将双脚放上水平踏杆上，双脚或单脚来回蹬腿达到锻炼目的。
通过对汉口江滩、武汉体育学院的蹬腿器的观察测量及体验发现蹬腿器存在很多问题。
图2.1常见的市面上的蹬腿器
1.2.1.1尺寸设计问题
蹬腿器是人体健身路径，其尺寸应该符合人体尺寸标准，但是很多产品的设计的是依靠生产者自身的经验。
目前国内的蹬腿器在座椅的设计上、水平脚踏杆的离地高度等数据上都存在着盲目的估计，没有理论依据。
表2-1为汉口江滩与武体的蹬腿器主要部件尺寸对比表。
表2-1汉口江滩与武体的蹬腿器主要部件尺寸对比表（单位：
mm）
人机分类
数据类别
踏杆高度
坐高
座位前宽
座位后宽
靠背倾角
靠背宽度
靠背高度
坐深
汉口江滩蹬腿的寸
520
320
330
330
95°
350
360
350
武汉体育学院蹬腿器的尺寸
540
310
130
240
100°
300
380
330
从表2-1中，可以看出不同地方、不同制造商所制造的蹬腿器的制造标准各有不同。
然而，坐高低了，使用者的膝盖就会拱起，从而导致不适的感觉产生，并且使用者要起身时会比较困难；坐面过窄，会令使用者臀部的一部分不在坐面上，从而受到椅面边沿的挤压；靠背过窄，也会令使用者背部与靠背边沿相互挤压而感到不适。
尺寸的问题会造成使用者在锻炼过程中感到不适，从而不愿再次或长时间使用该器械。
所以，本论文所要做的就是统一蹬腿器的制造标准，使人们用上安全的、舒适的、科学的坐姿蹬腿器。
1.2.1.2质量问题
蹬腿器的活动部件缺乏防尘性和耐久性。
各部位连接处的螺丝虽然刚开始投入的时候有保护盖防潮，但是由于保护盖的质量问题，使用不久后就被损坏，武汉市由于长江、东湖、南湖等江河、湖泊的存在而导致天气十分潮湿，这些健身路径就更加容易受潮、损坏，从而不能达到强制性国家标准要求的四年使用期限，涂饰层质量不合格。
有的厂家选用的涂料，基本上不考虑室外紫外线长时间照射等因素，涂层很容易脱色，杆件的涂层严重锈蚀或脱落，这既会影响器材的美观，也会导致安全隐患。
1.2.1.3安全问题
健身路径的使用者以老人与小孩为主，大约分别占到28.8%和30.7%，两者都是极易受伤的人群，而现有的蹬腿器中并没有在安全问题上有过多的措施或安全提示。
有的老人平时常有膝痛，上下楼梯觉得腿脚无力，以为用蹬腿器锻炼一下就能增加腿部力量。
然而，有一上症状的老人很可能患有髋骨软化症，本来髋关节的负重功能就不好，再用强度较大的蹬腿器，很容易损伤膝肌群，反而加重原有病症。
这一现象并未在蹬腿器上有任何提示。
在所有的锻炼人群中，只有7.4%的居民在锻炼中有人进行指导，而另外有92.5%的锻炼者是在无人指导的情况下进行的。
然而，科学的蹬腿器使用方法是十分必要的，一方面可以提高使用者的锻炼效率，以达到使用者锻炼腿部和腰部肌肉的目的；令一方面可以防止不必要的受伤。
1.2.1.4外形颜色问题
由于情感效果和对客观事物的联想，色彩对视觉的刺激产生了一系列的色彩知觉心理效应。
这种效应随着具体的时间、地点、条件（比如外观形象、自然条件、个人爱好、生活习惯、形状大小及环境位置等）的不同而有所不同。
它包括：
温度感、距离感、重量感、疲劳感、注目感、空间感、尺度感、混合感、阴暗感、性格感。
而目前蹬腿器产品都没有依据这些因素随意的设计颜色。
1.3研究方法
1.3.1文献资料分析法
查找国内外与本论文设计相关文献资料，进行充分利用、分析，为本研究提供理论依据。
同时参考国内外坐姿蹬腿器的数据，从而更科学的进行创新。
1.3.2实测法
对目前汉口江滩和武汉体院的蹬腿器各部件尺寸进行实际测量，度得到的数据进行分析整理，从而保证产品具有可操作性。
1.3.3数理分析法
对调查的基本情况、数据、资料，还有使用蹬腿器运动的静态、动态、生理参数，对其进行数理分析，并充分考虑到大多数用户人体参数用于产品的设计。
1.3.4人体参数法
设计者主要依据现有的人体特征数据，如人体部分尺寸、体表面积、人体结构特征参数、人体机能特征参数、疲劳机理、劳动负荷等，对产品进行改良设计，使之符合人体特性。
1.4主要研究内容
重点就目前市面上常见的蹬腿器的人机工程学原理、设置的尺寸、颜色、材质、安全性、易用性等进行分析，并就此提出改进方案。
对市面上现有的蹬腿器的座椅、踏板等设计尺寸进行调查，结合人体感知与运动特征、心理与行为特征进行分析，目的是解决蹬腿器的设计如何与人的生理、心理特点相适应，从而为使用者创造安全、舒适、健康、高效的锻炼环境。
2蹬腿器的分析与改进
根据以上目前市面上蹬腿器存在的诸多问题，本论文取社区常见的蹬腿器作为研究对象（图2.1），因为社区针对的人群范围大，具有普遍性，对蹬腿器各主要部件的尺寸进行分析与改进。
2.1尺寸设计
在进行蹬腿器尺寸设计时，为了使各种与人体尺度有关的设计对象能符合人的生理特点，让人在使用时处于舒适的状态和适宜的环境之中，就必须在设计中考虑人体的各种尺度，因而也就要求设计者能了解一些人体测量学方面的基本知识，并能熟悉有关设计所必须的人体测量基本数据的性质和使用条件。
健身器材最佳功能尺寸=人体尺寸的分位数+功能修正量+心理修正量
表3-1部分坐姿人体尺寸（单位：
mm）
百分位
项目
男（18-60岁）
女（18-55岁）
5
50
95
5
50
95
小腿加足高
383
413
448
342
382
405
坐姿膝高
456
493
532
424
458
493
坐深
421
457
494
401
433
469
坐姿肩高
557
598
641
518
556
594
肩宽
344
375
403
320
351
377
坐姿臀宽
295
321
355
310
344
382
坐姿大腿厚
112
130
151
113
130
151
足宽
85
95
105
80
85
90
坐姿肩高
557
598
641
518
556
594
2.1.1座椅的设计
2.1.1.1座椅的坐高
锻炼者是坐在椅子上做蹬腿动作来达到锻炼目的的，从安全的角度出发，应该将坐高降到尽量低的高度。
另一方面，锻炼是间歇性的，锻炼者会锻炼一段时间后停下来休息，这时候椅子的功能主要是供锻炼者休息，所以要让人坐上去感到舒适，但是座椅的高度过低的话，使用者的膝盖就会拱起，从而导致不适的感觉产生，并且使用者要起身时会比较困难。
根据表3-1所示数据，取男女小腿加足高p50数据平均值，裤厚修正量为-3mm，姿势修正量+10mm心理修正量为-10mm。
椅高=男女小腿加足高p50数据平均值+裤厚修正量+姿势修正量+心理修正量
P椅高=（413+382）/2mm-3mm+10mm-10mm=394.5mm=395mm
2.1.1.2座椅的坐深
坐深，主要指坐面的前沿至后沿的距离。
坐面过深，超过大腿水平长度，人体背部挨上座椅靠背产生很大的倾斜度，腰部缺乏支撑点而悬空，加剧了腰部肌肉的活动强度而使疲劳产生。
同时坐面过深，还会使膝窝出产生麻木的反应，难以起立。
通常坐深应小于坐姿时大腿的水平长度，使坐面前沿离开小腿有一定距离，保证小腿的活动自由。
根据表3-1所示数据，取男女坐深p50数据平均值，裤厚修正量为+3mm，姿势修正量-10mm，心理修正量为-10mm。
坐深=男女坐深p50数据平均值+裤厚修正量-姿势修正量-心理修正量
P坐深=（457+433）/2mm+3mm-10mm-10mm=428mm
2.1.1.3座椅的坐宽
锻炼者在锻炼过程中，是相当于悬空状态的，所以坐宽不能过窄，以防止锻炼者不小心掉落下来。
而坐面过宽的话，使用者的双臂肯定会向外张开，如此使用者的背阔肌和肩部三角肌等肌腱组织均会受到拉伸，坐的久的话会令使用者感到疲劳。
从安全性的角度考虑，根据表3-1所示数据，取男女坐姿臀宽p95数据平均值，裤厚修正量为+3mm，姿势修正量+10mm心理修正量为+20mm。
坐宽=男女坐姿臀宽p95数据平均值+裤厚修正量+姿势修正量+心理修正量
P坐宽=（355+382）/2mm+3mm+10mm+20mm=401.5mm=402mm
2.1.1.4座椅的靠背高度
靠背的上端高度本论文直接取一般工作椅的高度400mm。
由于脊椎的尾椎是向后凸起的，所以一般在椅面和靠背的连接处会留有一些空间，而为了可以节省材料，一般采取靠背下端空余出来的方式设计。
根据表3-1所示数据，取男女坐姿大腿厚度p50数据平均值，裤厚修正量为+3mm，姿势修正量+10mm心理修正量为+10mm。
靠背下端高度=男女坐姿大腿厚度p50数据平均值+裤厚修正量+姿势修正量+心理修正量
P靠背下端高度=（130+130）/2mm+3mm+10mm+10mm=153mm
2.1.1.5座椅的靠背宽度
锻炼者在锻炼过程中是完全靠在椅子上的，所以靠背应该尽量的宽一些，以防止锻炼者从两边摔落下来。
但是蹬腿器是公共设施，靠背过宽会给给人以过于臃肿的感觉，所占的空间过大。
根据表3-1所示数据，取男女肩宽p50数据平均值，穿衣修正量为+8mm，姿势修正量+10mm心理修正量为+20mm。
靠背宽度=男女肩宽p95数据平均值+穿衣修正量+姿势修正量+心理修正量
P靠背宽度=（403+377）/2mm+8mm+10mm+20mm=428mm
2.1.1.6座椅的坐面设计
图3.1椅面上适宜的体压分布（单位：
102Pa）图3.2人体脊椎分布示意图
从图3.1可以看出，当人体处于坐姿状态下，坐骨结节点处所受的压力是最大的，若是坐久了肯定会不舒服，所以，椅面肯定不能设计成平面形状。
应该根据图3.1，椅面在坐骨结节点处设计成下凹形，以此为中点慢慢向两边增高，其中向椅面前沿增高的趋势应该缓慢一些。
另一方面，为了保证小腿的活动自由，椅面的最前沿应该的呈下滑状态。
所以整个椅面的设计的侧视图是一个以椅面为起点，先快速上升，再缓慢下降，最终再快速上升的S形状。
2.1.1.7座椅的靠背倾角
人的最自然的姿势是直立站姿，直立站姿时脊柱基本上是成S形的。
但是由于坐姿时，骨盆向后方倾转，因而使背下端的骶骨也随之倾转，使脊柱由S形向拱形变化，脊柱椎间盘受很大压力，从而导致腰痛等疾病。
研究表明，第三和第四腰椎间所受压力最大。
所以靠背的倾角更应该贴合脊柱的形状变化。
一般来说，靠背倾斜角度都是逐渐向后增加的，它对人体的支撑点也同时逐渐向上转移，如此，支撑点和支撑角度有一个增加到两个。
通常来说，靠背和左面的夹角越大，使用者休息时会感到越舒适。
所以靠背的倾角设计将分为两个部分：
靠背下端是刚好抵住腰椎，这部分的倾角是100°；在向上，靠背的形状应该是与胸椎的形状相吻合，这部分的倾角是105°。
从安全与舒适这两方面考虑，我将靠背设计成一个中间下凹的曲面。
当锻炼者在空中时，靠背与人紧紧贴住，像是将人抱住一样，给予离开地面的人一定的安全感。
2.1.2踏杆与踏板的设计
2.1.2.1水平踏杆的高度
水平踏杆的高度过低，会令使用者膝盖撞到踏杆而受伤；过高会令使用者在做蹬腿动作时双脚的位置过高而达不到锻炼效果。
所以，踏杆的高度应该是刚好比人体坐姿膝高高一点。
根据表3-1所示数据，取男女坐姿膝高p95数据平均值，裤厚修正量为+3mm，姿势修正量+10mm心理修正量为+10mm。
水平踏杆高度=男女坐姿膝高p95数据平均值+裤厚修正量+姿势修正量+心理修正量
P踏杆高度=（532+493）/2mm+3mm+10mm+10mm=535.5mm=535mm
2.1.2.2踏板的中心距
由于当人体处于自然站立状态下的时候，双脚的距离是和肩宽相等的，所以踏板的中心线间距根据表3-1所示数据，取男女肩宽p50数据平均值，裤厚修正量为+6mm，姿势修正量+10mm心理修正量为+10mm。
踏板间距=男女肩宽p50数据平均值+裤厚修正量+姿势修正量+心理修正量
P踏板间距=（375+351）/2mm+6mm+10mm+10mm=389mm
2.1.2.3踏板的倾角
图3.3不同体位下的蹬力
如图3.3所示，脚所踏的平面为70°时是最适宜的，此时的蹬力最大，所以踏板的倾角为70°。
为了防止在停止运动时膝盖碰到踏板的下沿，设计将踏板的下沿与水平踏杆的最低处平行。
2.1.2.4踏板的长宽
踏板的宽度过窄，容易使人踏空；过宽，会误导锻炼者错放脚的位置，造成受伤。
根据表3-1所示数据，取男女足宽p50数据平均值，鞋厚修正量为+13mm，姿势修正量+10mm心理修正量为+10mm。
踏板宽度=男女足宽p50数据平均值+鞋高修正量+姿势修正量+心理修正量
P踏板宽度=（95+85）/2mm+13mm+10mm+10mm=123mm
由于使用者是以蹬腿运动来达到锻炼效果的，踏板是固定不动的，而脚对踏板的力的作用方向是一直不变的，所以脚对踏板的力的作用点也是不变的，因此踏板的长度可以比足长短。
为了美观与节省材料，将踏板设计成一个正方形，即踏板的长=宽=123mm。
2.1.3握把的设计
为了进一步增强蹬腿器使用的安全性，在锻炼者的正前方的吊杆上加上一个供锻炼者在使用时握住，以增加稳定性的握把。
2.1.3.1握把的高度
手臂在坐姿情况下，只有在向前平伸的姿势下，对受力物的拉力和推力同时最大，所以根据表3-1所示数据，取坐姿肩高p50数据平均值，裤厚修正量为+3mm，姿势修正量-10mm心理修正量为-10mm。
握把高度=男女坐姿肩高p50数据平均值+裤厚修正量+姿势修正量+心理修正量
P握把高度=（598+556）/2mm+3mm-10mm-10mm=560mm
2.1.3.2握把的长度和直径
握把的长度在节省材料的同时也应该有足够的长度让使用者握住，所以根据表3-1所示数据，取肩宽p50数据平均值，衣厚修正量为+3mm，姿势修正量+10mm心理修正量为+10mm。
握把长度=男女肩宽p50数据平均值+衣厚修正量+姿势修正量+心理修正量
P握把高度=（375+351）/2mm+13mm+10mm+10mm=396mm
握把着力抓握的比较合适的直径是30-40mm，为了适合大多数人的使用，取握把的直径为35mm。
2.1.3.3握把的其他设计
为了减少生产成本，将握把设计成中空的圆管，并在外面包上一层橡胶，在防腐蚀的同时，增加对人的安全保护。
在握把表面设计一个手掌形的螺纹，在增加摩擦的同时，给人以握住它的心理暗示。
2.2颜色的分析与改进
当人看到某种颜色，常常联想到过去的经验和知
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