健身車研究現(xiàn)狀

厲丹彤 馮小保 問朋朋 黃明宇 倪紅軍

南通大學機械工程學院（江蘇 南通 226019）

全民健身計劃是一項利國利民的宏偉工程，健身器材是全民健身的重要基礎(chǔ)環(huán)節(jié)[1]。健身車在運動科學領(lǐng)域被稱為“功率自行車”，屬于典型的模擬戶外運動的有氧健身器材?，F(xiàn)代人工作時間長、壓力大，進行室外健身的時間越來越少，這一現(xiàn)狀刺激了室內(nèi)健身器材的發(fā)展[2]。健身車作為主要的室內(nèi)健身器材之一，依靠其安全方便的鍛煉方式以及適中的價格，具有不受空氣污染、氣候、時間及地點影響等優(yōu)點，成為深受大眾歡迎的鍛煉方式之一。

1 健身車發(fā)展概況

1.1 結(jié)構(gòu)

圖1 健身車結(jié)構(gòu)

健身車的典型結(jié)構(gòu)如圖1所示，由一個底座、一個支架組、一個驅(qū)動部構(gòu)成。驅(qū)動部有一個傳動輪、一副傳動帶及一個飛輪，傳動輪設(shè)于支架組上，飛輪設(shè)于底座上，且傳動帶套在傳動輪與飛輪上，可令傳動輪與飛輪產(chǎn)生連動。在自發(fā)電健身車中，飛輪內(nèi)裝有發(fā)電裝置，還包括一個電控部，該電控部有一個蓄電器及一個控制面板。蓄電器設(shè)于底座上，控制面板設(shè)于支架組上，電控部有一個磁動器及一個設(shè)置于底座上的磁組，該磁動器由控制面板電控來帶動磁組對飛輪做遠近位移。通過傳動輪轉(zhuǎn)動飛輪，飛輪的發(fā)電裝置即可對蓄電器充電，再由蓄電器提供控制面板的電力來源。

1.2 分類

根據(jù)使用場所，健身車可以分為商用健身車、輕商用健身車和家用健身車三種；根據(jù)結(jié)構(gòu)，可分為直立式、背靠式（也稱為臥式）兩種；根據(jù)阻力調(diào)節(jié)方式，可分為普及型的磁控健身車（根據(jù)飛輪的構(gòu)造不同還分為內(nèi)磁控和外磁控）、較高階的電磁控健身車以及更加智能環(huán)保的自發(fā)電健身車。

（1）磁控健身車產(chǎn)生阻力的金屬飛輪外圍 （或內(nèi)圍）有磁鐵挨近，通過人力旋鈕拉線方式，調(diào)節(jié)磁鐵與金屬飛輪的遠近，控制阻力大小，實現(xiàn)不同運動強度的要求。

（2）電磁控健身車的其原理與磁控健身車類似，只是由拉線馬達控制磁鐵與飛輪的遠近來調(diào)節(jié)阻力大小。

（3）自發(fā)電健身車是一種綠色、環(huán)保、節(jié)能、低碳、無污染的新能源產(chǎn)品，在其傳動系統(tǒng)中，設(shè)置有增速結(jié)構(gòu)和發(fā)電裝置，能夠?qū)⑷诉\動時所消耗的體力轉(zhuǎn)化為電能。

1.3 運動形式

目前國內(nèi)市場上常用的健身車主要以腳踏式為主，運動方式較單一、枯燥。此外，還出現(xiàn)了同樣采用交替運動方式的手搖式健身車。ALENAX公司[3]推出了一款多功能健身車，不僅具有普通健身車雙腳交替蹬踏的功能，由于雙腳之間是獨立驅(qū)動的，因此還增加了雙腳同步360°圓周蹬踏的功能。深圳先進技術(shù)研究院[4]開發(fā)的一種新的多功能交互式健身自行車，其特點是雙手和雙腳可以獨立操作，并可以添加不同的運動方式。

1.4 材料

從材料方面看，健身車金屬部分大部分采用精鋼材質(zhì)，高質(zhì)量產(chǎn)品采用合金材質(zhì)。手柄部分采用泡棉等較柔軟舒適的材質(zhì)，外殼采用塑料材質(zhì)（ABS等）。為了追求美感，設(shè)計者開始使用一些新材料，如碳纖維材料。

2 關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 人機工程學

人機工程學（ergonomics）是近年來興起的一門學科，研究分析人機關(guān)系、人機界面、人和環(huán)境的關(guān)系；勞動過程中的心理和生理因素；作業(yè)范圍、操作力、能量消耗與工作疲勞；信息傳遞、操作控制等涉及產(chǎn)品開發(fā)、設(shè)計、制造和管理中的人與機器相互關(guān)系的問題。由此出發(fā)向設(shè)計人員提供必要的設(shè)計參數(shù)和數(shù)據(jù)，使設(shè)計趨于合理，更適合人的生理和心理要求[5]。根據(jù)人機工程學理論和我國成年人身體測量標準，可利用標準人體模板設(shè)計健身車主體結(jié)構(gòu)，包括坐姿的舒適性、上肢的把持范圍和下肢的運動特性[6]。

2012年7月，意大利健身車品牌Ciclotte推出一系列Roberto Cavalli For Ciclotte室內(nèi)健身車 （圖2），其根據(jù)人體工程學設(shè)計，構(gòu)造簡單，便于存放。

圖2 Ciclotte健身車

2.2 數(shù)字化設(shè)計手段

隨著計算機技術(shù)、多媒體技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字化設(shè)計手段在產(chǎn)品設(shè)計應(yīng)用中的水平不斷提高。采用數(shù)字化設(shè)計可以大大提高產(chǎn)品設(shè)計效率，縮短開發(fā)周期，降低設(shè)計成本。潘志國等[7]采用數(shù)字化設(shè)計手段，首先對零件進行建模，采用CAXA SOLID組成零件庫，便于零件的管理，可實現(xiàn)裝配設(shè)計與渲染。

2.3 虛擬現(xiàn)實技術(shù)

虛擬現(xiàn)實（virtual reality，VR）[8]技術(shù)是一門綜合了計算機圖形技術(shù)、多媒體技術(shù)、傳感器技術(shù)、并行實時計算技術(shù)、人工智能技術(shù)、仿真技術(shù)等發(fā)展起來的新興技術(shù)，是先進的計算機用戶接口技術(shù)，其通過視覺、聽覺、觸覺、嗅覺、味覺等各種直觀而又自然的實時感知交互手段，為用戶提供高度逼真的人工真實環(huán)境。

虛擬健身車系統(tǒng)是以虛擬現(xiàn)實技術(shù)為基礎(chǔ)，綜合運用傳感器技術(shù)、DSP控制技術(shù)、三維建模技術(shù)和碰撞檢測技術(shù)，采用多線程、非阻塞的數(shù)據(jù)實時通訊技術(shù)，并通過立體顯示等多通道交互技術(shù)實現(xiàn)人在虛擬環(huán)境中的漫游，使用戶在計算機構(gòu)造的虛擬場景中獲得如同在真實環(huán)境中騎車的體驗，是將虛擬環(huán)境漫游和體育仿真相結(jié)合的有益嘗試，應(yīng)用前景十分廣闊[9]。虛擬現(xiàn)實健身車系統(tǒng)構(gòu)成如圖3所示[10]。

圖3 虛擬現(xiàn)實健身系統(tǒng)構(gòu)成圖

2.4 人機交互

人機交互指人機之間互相施加影響、交換信息的方式，是聯(lián)系人與機器的橋梁和紐帶。狹義的人機交互主要是指人和計算機間的信息交換[11]。

自行車模擬器正是利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)實現(xiàn)人機交互的一個典范。自行車模擬器在虛擬場景漫游過程中，通過各種傳感器（光電碼盤傳感器、力覺傳感器、角度傳感器等）、人、健身車、虛擬場景之間不間斷地數(shù)據(jù)交互，實現(xiàn)人、車、場景的互動[12，13]，其應(yīng)用前景廣闊。

由Herpers等[14]研發(fā)的FIVIS自行車模擬系統(tǒng)，是建立在生物力學、體育教育、交通、道路安全和娛樂等應(yīng)用平臺上的一種模擬系統(tǒng)，其參考了物理、光學和聲學等的特性，使用一種特殊的沉浸式可視化系統(tǒng)、運動平臺和配有傳感器的自行車和執(zhí)行器，以及一個環(huán)繞立體聲系統(tǒng)。FIVIS模擬器為交通教育和應(yīng)力研究提供了現(xiàn)實訓練和練習環(huán)境。

3 健身車在其它領(lǐng)域的應(yīng)用

健身車在醫(yī)學上的應(yīng)用主要為保證安全訓練及康復(fù)運動兩個方面。為了保證運動過程中的安全，尤其是保證中、老年人群的安全，需進行心率測定。在康復(fù)訓練方面，利用健身車可以使患者根據(jù)自己的具體情況選擇適當?shù)倪\動方式，使患者在輕松愉快的環(huán)境中鍛煉，進而加快康復(fù)進程[15]。潘素蘭等[16]采用臥式自行車及電動起立床進行早期康復(fù)介入，結(jié)果顯示，治療后患者的平衡功能、運動功能及ADL評分均顯著提高，且治療組明顯優(yōu)于對照組，說明早期介入臥式自行車及電動起立床訓練可明顯降低腦卒中的致殘率、縮短住院時間及臥床時間。Mulder等[17]采用功能電刺激（FES）訓練方法鍛煉截癱肌肉，F(xiàn)ES健身車可以連接輪椅，供患者進行坐位訓練。約翰霍普金斯大學醫(yī)學院[18]開發(fā)了一種交互式自行車運動（IBIKE）平臺，該平臺將一個微型無線三軸加速度計安裝在患者的手腕上，將循環(huán)加速數(shù)據(jù)傳送到筆記本電腦，電腦屏幕顯示鍛煉的速度與運動距離。首先在屏幕上設(shè)定患者的運動目標參數(shù)，在運動過程中，屏幕上顯示運動參數(shù)隨時間變化的圖形。當運動強度超過患者耐受水平，該平臺會進行提示。

4 小結(jié)

隨著健身車產(chǎn)品的更新與開發(fā)，健身車的應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷擴展，現(xiàn)有健身車不僅能實現(xiàn)鍛煉身體的功能，也在醫(yī)療、能源環(huán)境領(lǐng)域發(fā)揮作用，如發(fā)電健身車、康復(fù)健身車等。隨著人們生活品質(zhì)的提升，人們對于健身車的要求不斷提高，健身車的功能和性能還有待完善。自發(fā)電健身車、多功能健身車及康復(fù)健身車等成為近年健身車研究熱點。

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