騎健身車時人體垂向生物力學響應特性分析

闞世超

騎健身車時人體垂向生物力學響應特性分析

闞世超

（山東理工大學 體育學院，山東 淄博 255000）

為揭示騎健身車時人體生物力學響應特性，建立了人體-健身車耦合系統動力學模型。根據踩踏騎行力學原理，結合試驗將踩踏力等效為作用于車身上的垂向力，以此作為模型輸入對人體頭頸、上軀干、內臟及下軀干垂向響應進行數值模擬。仿真可知，在騎健身車過程中，腳踏垂向力幅值依次取250 N、300 N及350 N時，人體各器官垂向位移和加速度均依次增大。

健身車；人體；腳踏力；生物力學

1 引言

隨著人們生活水平提升和生活觀念的轉變，人們對健身車除了安全需求之外，對其動感化和舒適性提出了更高的要求[1-2]。為了更好提升健身效果，人們從人體-健身車系統的不同角度開展了相關研究[3]。典型研究如MOHAMMADI- ABDAR等人[4]分析了康復健身車使用者的運動生物力學和生理特性的變化規律。MESTRE等人[5]對虛擬現實與鍛煉效果的相關性進行了詳細研究。RACHITA等人[6]通過試驗測量了騎健身車者的腳踏力、臀部壓力及下肢的肌肉活動。國內學者也開展了相關研究，例如蔡睿等人[7]建立了健身車力學模型，分析了不同騎行狀態下的特征和規律。文獻[8]也建立了人-車模型，側重分析騎車過程中髖關節、膝關節及踝關節等關節的運動學和動力學特征。劉智等人[9]分析了健身車結構尺寸特征。張錚璿等人[10]研究了健身車轉速與阻力對踩踏力量與下肢肌電的影響。現有文獻為研究人體-健身車耦合系統提供了參考，但對廣受歡迎的動感型健身車、人們健身過程中的人體垂向生物力學響應及影響機制尚未探明。

2 研究對象及其特點

商業化的動感型健身車主要包括車身、車座以及車底彈簧-阻尼裝置。其中，前部車底處與健身車安裝底座鉸接。

實現人體-健身車耦合系統動感化的具體原理如下：健身者在騎行過程中，下肢骨骼肌收縮所產生的作用由肌腱傳遞到骨頭上，從而令下肢發力，通過踝關節轉動，從腳部施加于腳踏板，以實現騎車運動。騎行中，踝關節根據實際騎行狀況調節蹬踏力的施力角度。在往復騎車過程中，人體會對車身施加向下的交變力，通過車身傳遞到車底使彈簧產生變形，使車身繞車安裝底座鉸接點發生旋轉運動。與此同時，一個與等大反向的交變力也會反作用人體，致使車座彈簧形變，進一步加強了耦合系統的垂向運動，使得動感性增強。

3 研究方法

3.1 人體-健身車耦合系統動力學建模

基于人體-健身車耦合系統的動感化原理，建立了6自由度人體-健身車耦合系統動力學模型。

4，3，2及1分別為人頭頸、上軀干、內臟及下軀干的質量，4，3，2及1分別為相應的剛度，4，3，2及1分別為相應的阻尼；s，s分別為車座的質量、剛度；d為車底彈簧-阻尼裝置所承擔的車身有效質量且d=b·2/1，其中，b為健身車的車身質量，2為車底底彈簧-阻尼裝置與車底前支撐鉸接點之間的水平距離，1為車身質心與車底前支撐鉸接點之間的水平距離；d和d分別為車底彈簧-阻尼裝置的剛度和阻尼，且d= 20·cos2，d=20·cos2，其中，為彈簧-阻尼器與垂向的夾角，0為車底單只彈簧的剛度，0為車底單只阻尼器的阻尼系數；為人體發出的垂向作用力。

利用牛頓第二定律，可得耦合系統的振動微分方程為：

3.2 激勵建模

為了便于理論分析，腳踏力用數學表述式簡記為：

式（1）中：0為腳踏垂向力的最大值；為腳踏力的施加頻率；為騎行時間。

4 結果分析與討論

通過數值仿真，可得=1.00 Hz時不同幅值下，即0=250 N、300 N以及350 N情況下的人體的垂向生物力學響應。

三種不同幅值下，人體器官垂向位移響應，如圖1所示。人體各器官垂向響應的最大值及均方根值如表1所示。

（a）人體頭頸垂向位移響應曲線

（b）人體上軀干垂向位移響應曲線

（c）人體內臟垂向位移響應曲線

（d）人體下軀干垂向位移響應曲線

圖1 不同0下人體器官垂向位移響應曲線

表1 不同下人體器官垂向響應的最大值及均方根值

腳踏垂向力幅值F0/N評價指標人體器官 頭頸上軀干內臟下軀干 250位移最大值/mm26.525.825.324.5 加速度最大值/（m/s2）2.142.071.991.87 加速度均方根/（m/s2）1.631.551.491.39 300位移最大值/mm31.831.030.329.4 加速度最大值/（m/s2）2.572.482.392.24 加速度均方根/（m/s2）1.951.861.781.67 350位移最大值/mm37.036.135.434.3 加速度最大值/（m/s2）2.992.902.792.62 加速度均方根/（m/s2）2.282.172.081.95

由圖1可知，健身者在騎行健身車過程中，人體各器官上下往復運動的中心并不在先前的靜平衡點。結果表明，腳踏垂向力改變了人體的往復運動中心。對比圖1（a）和圖1（d）可知，人體頭頸垂向位移響應幅值略大于人體下軀干垂向位移響應幅值，這說明人體對從下肢傳遞的位移起了放大作用。由圖1（a）可知，在0=250 N、300 N及350 N情況下，穩態時人體頭頸垂向位移響應幅值依次增大，但最小值幾乎不變。結果表明，腳踏垂向力幅值越大，人體垂向運動位移越大，健身者獲得的動感越強。

由表1可知，騎行健身車過程中，在同一腳踏垂向力幅值情況下，人體下軀干、內臟、上軀干及頭頸的垂向最大位移、加速度最大值和垂向加速度均方根值均依次增大；對于人體某一器官，隨著腳踏垂向力幅值0的增大，其垂向最大位移、加速度最大值和垂向加速度均方根值也均增大。結果表明，騎行健身車時，隨著腳踏垂向力幅值0的增大，動感增強，但振動舒適性變差。

5 結論

本文創立了人體-健身車耦合系統模型，為分析騎行健身車過程中人體垂向生物力學響應提供了工具。采用的建模及分析方法，也可為體育運動中人體生物力學響應特性分析及自行車競技研究等提供有益理論參考。

［1］臧倩，任家駿，薛安虎.家用健身車的情感化設計研究［J］.包裝工程，2018，39（14）：185-189.

［2］YEN C C.Influence of the seat position of recumbent exercise bikes on riding comfort and fatigue levels of male and female riders［J］.Journal of Technology，2018，33（1）：41-52.

［3］厲丹彤，馮小保，問朋朋，等.健身車研究現狀［J］.中國運動醫學雜志，2014，33（1）：90-92.

［4］MOHAMMADI-ABDAR H，RIDGEL A L，DISCENZO F M.Test and validation of a smart exercise bike for motor rehabilitation in individuals with parkinson’s disease［J］.IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering，2016，24（11）：1254-1264.

［5］MESTRE D R，MAIANO C，DAGONNEAU V，et al.Does virtual reality enhance exercise performance, enjoyment, and dissociation? an exploratory study on a stationary bike apparatus［J］.Presence，2011，20（1）：1-14.

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［7］蔡睿，陳亮，何申杰，等.公路自行車的動力學分析及仿真研究［J］.中國體育科技，2014，50（1）：125-128.

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［9］劉智，蔡睿，薛安虎，等.兒童青少年健身車結構尺寸分析［J］.體育科學，2013，33（2）：80-84.

［10］張錚璿，李尹鑫，相子元.健身車轉速與阻力對踩踏力量與下肢肌電的影響［J］.醫用生物力學，2013，28（3）：80-84.

G804.6

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.24.020

2095－6835（2019）24－0051－02

闞世超（1989—），女，碩士研究生，講師，研究方向為人體生物力學研究與體育訓練。

〔編輯：嚴麗琴〕