膝關(guān)節(jié)健身器材的創(chuàng)新設(shè)計(jì)與研究

張莉 劉卓瑛

摘要：眾所周知，人老先老腿，膝關(guān)節(jié)是身體最薄弱的關(guān)節(jié)，膝關(guān)節(jié)疼痛給人們生活帶來(lái)了極大不便。資料顯示，正確的鍛煉方式有助于人們?cè)鰪?qiáng)膝關(guān)節(jié)穩(wěn)定，減少膝關(guān)節(jié)的病發(fā)幾率，很多人由于不了解正確鍛煉膝關(guān)節(jié)的方式以及缺乏鍛煉，反而對(duì)膝關(guān)節(jié)造成損害。本文通過(guò)醫(yī)院實(shí)地調(diào)研，得出膝關(guān)節(jié)正確的鍛煉方式，結(jié)合創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法學(xué)，以及人機(jī)尺寸設(shè)計(jì)出一款可以在家合理鍛煉膝關(guān)節(jié)的健身器材，它提供了兩種正確鍛煉膝關(guān)節(jié)的方式，對(duì)膝關(guān)節(jié)的磨損極小，—方面使膝關(guān)節(jié)周?chē)募∪庾兊酶訌?qiáng)勁，穩(wěn)定和保護(hù)膝關(guān)節(jié)。另一方面可分泌潤(rùn)滑液，伸展拉長(zhǎng)的腿筋及髕股關(guān)節(jié)，有利減少膝損傷的機(jī)會(huì)。

關(guān)鍵詞：膝關(guān)節(jié) 正確鍛煉 運(yùn)動(dòng)姿勢(shì) 保護(hù) 人機(jī)

引言

膝關(guān)節(jié)是人體最大且最復(fù)雜、損傷機(jī)會(huì)最多的關(guān)節(jié)，近年來(lái)，老齡人群中的跌倒問(wèn)題持續(xù)升溫，專(zhuān)家分析，膝關(guān)節(jié)老化是跌倒的主要原因。膝關(guān)節(jié)老化常常伴隨著膝骨性關(guān)節(jié)炎的發(fā)生，炎癥造成的病痛將導(dǎo)致老年人活動(dòng)受限，從而形成了老年人生理機(jī)能衰退的惡性循環(huán)。而膝關(guān)節(jié)的合理鍛煉可以有效緩解膝關(guān)節(jié)疼痛，而市場(chǎng)上現(xiàn)有產(chǎn)品對(duì)鍛煉膝關(guān)節(jié)沒(méi)有功能針對(duì)性，也沒(méi)有考慮到運(yùn)動(dòng)時(shí)膝關(guān)節(jié)的磨損狀況，如果可以結(jié)合運(yùn)動(dòng)學(xué)、工業(yè)設(shè)計(jì)方法學(xué)、人機(jī)工學(xué)、設(shè)計(jì)一款針對(duì)膝關(guān)節(jié)鍛煉、并提供多種運(yùn)動(dòng)方式的健身器材，可以有效保護(hù)膝關(guān)節(jié)和延緩膝關(guān)節(jié)老化，將會(huì)減輕很多家庭在醫(yī)療費(fèi)用上的支出，是社會(huì)的一大福音。

一、市場(chǎng)調(diào)研

（一）問(wèn)卷調(diào)查：300份網(wǎng)上調(diào)研問(wèn)卷顯示，大概有90%以上40歲以上的人有膝蓋疼的癥狀，膝關(guān)節(jié)疼80%的原因是關(guān)節(jié)型退變和受寒受潮引起的，85%的人都不了解鍛煉膝蓋的正確方式。并且如果有一款膝關(guān)節(jié)健身器材可以預(yù)防膝關(guān)節(jié)病變和緩解膝關(guān)節(jié)疼痛，90%的人愿意購(gòu)買(mǎi)。

（二）膝關(guān)節(jié)病因調(diào)研：醫(yī)學(xué)資料顯示：膝關(guān)節(jié)疼痛的基本原因是膝關(guān)節(jié)疾病多為慢性勞損、積累性勞動(dòng)性損傷，而產(chǎn)生風(fēng)濕性膝、關(guān)節(jié)炎、外傷性膝關(guān)節(jié)炎，如果在20-40歲時(shí)可以把膝關(guān)節(jié)鍛煉得很強(qiáng)壯，中年之后膝關(guān)節(jié)大多沒(méi)有問(wèn)題，如果年輕時(shí)候沒(méi)有運(yùn)動(dòng)，那么進(jìn)入中年之后應(yīng)該采取非負(fù)重運(yùn)動(dòng)，再慢慢過(guò)渡到負(fù)重運(yùn)動(dòng)，那樣膝關(guān)節(jié)不易受到損害，如果膝關(guān)節(jié)已經(jīng)出現(xiàn)疾病，康復(fù)治療是—種保守治療的方法。想辦法消除關(guān)節(jié)的炎癥緩解疼痛和腫脹，給軟骨增加營(yíng)養(yǎng)促進(jìn)其代謝和自我修復(fù)，最重要的鍛煉肌肉使肌肉更加有力量，保護(hù)膝關(guān)節(jié)、讓關(guān)節(jié)更穩(wěn)定，減少軟骨的進(jìn)一步磨損。

（三）市場(chǎng)上現(xiàn)有膝關(guān)節(jié)健身產(chǎn)品調(diào)研：市場(chǎng)上的膝關(guān)節(jié)保健產(chǎn)品大致分為動(dòng)學(xué)輔具和理學(xué)輔具兩大類(lèi)，而科學(xué)研究顯示：理學(xué)輔具（艾灸儀、關(guān)節(jié)按摩儀）等職能對(duì)膝蓋疼痛起緩解作用，沒(méi)有實(shí)質(zhì)性的增強(qiáng)膝關(guān)節(jié)活動(dòng)的能力。而運(yùn)動(dòng)學(xué)的方式是最為安全有效的，可以通過(guò)鍛煉肌肉增強(qiáng)膝關(guān)節(jié)穩(wěn)定性。

現(xiàn)有國(guó)內(nèi)對(duì)膝關(guān)節(jié)有益的健身器材常以訓(xùn)練功能多少來(lái)分為單功能和綜合型多功能兩大類(lèi)，常用的有劃船器、健身車(chē)、健步機(jī)、跑步機(jī)、橢圓機(jī)，這些健身器材受眾人群大都是針對(duì)于熱愛(ài)健身的年輕人士，大多操作都是針對(duì)上下肢的運(yùn)動(dòng)，并且在設(shè)計(jì)上沒(méi)有考慮到鍛煉方式對(duì)膝關(guān)節(jié)的磨損。結(jié)構(gòu)和交互界面都相對(duì)復(fù)雜，安全性欠缺、只能做單一的動(dòng)作。例如（如圖1）所示，這是一款家用的磁控健身車(chē)。專(zhuān)為中老年人設(shè)計(jì)，它的優(yōu)點(diǎn)是可為零肌力或者弱肌力的高齡用戶(hù)提供上肢或者下肢的肌力和協(xié)調(diào)性訓(xùn)練，全面提高心肺功能。與常用的健身車(chē)相比，磁控阻力車(chē)對(duì)人們的傷害較小，因?yàn)樗梢酝ㄟ^(guò)磁控輪來(lái)控制阻力，從而達(dá)到調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度的目的。

目前我國(guó)市場(chǎng)上針對(duì)老年人群體生理心理需要的健身器材仍在起步階段，特別是針對(duì)于膝關(guān)節(jié)的老年人健身器材少之又少，我國(guó)健身器材制造商蓬勃發(fā)展，但在設(shè)計(jì)方面，尤其是針對(duì)特殊群體的產(chǎn)品設(shè)計(jì)需要更多依賴(lài)發(fā)達(dá)國(guó)家的經(jīng)驗(yàn)，急需真正符合國(guó)人的體質(zhì)、關(guān)節(jié)狀態(tài)、精神需求、運(yùn)動(dòng)習(xí)慣的設(shè)計(jì)。

二、設(shè)計(jì)定位

（一）研究方法及設(shè)計(jì)依據(jù)：

用戶(hù)調(diào)研：為了獲取到膝關(guān)節(jié)應(yīng)當(dāng)如何正確地保護(hù)和鍛煉的科學(xué)依據(jù)，對(duì)醫(yī)院進(jìn)行了為期一個(gè)月的實(shí)地調(diào)研，以黑龍江哈爾濱211解放軍醫(yī)院為例，在醫(yī)院對(duì)正在使用健身車(chē)鍛煉大腿肌肉的病人采訪(fǎng)（如圖2）所示，醫(yī)生表示這種蹬單車(chē)的姿勢(shì)可以鍛煉腿部前方的股四頭肌和后側(cè)的腿后肌，股四頭肌是保護(hù)膝關(guān)節(jié)的重要肌肉。有意識(shí)地加強(qiáng)大腿股四頭肌的鍛煉，可使肌肉運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)和肌力增強(qiáng)，有助于減輕關(guān)節(jié)癥狀，保持和增加關(guān)節(jié)活動(dòng)的范圍及提高日常活動(dòng)能力。

另外一款康復(fù)膝蓋的儀器（如圖3）所示，是患者坐在股四頭肌訓(xùn)練椅上，胭窩貼近椅子的邊緣，軀干保持正直，雙手扶在兩邊的扶手上，調(diào)節(jié)內(nèi)側(cè)阻力桿的加壓墊置于小腿的中下1/3處，固定患腿，在外側(cè)阻力桿上增減適當(dāng)?shù)闹亓?，患者用力伸膝到最大限度，然后再緩慢放下，如此反?fù)進(jìn)行，這樣的操作方式也是鍛煉股四頭肌，強(qiáng)化股四頭肌可增加肌肉和耐力，有助于更好地穩(wěn)定膝關(guān)節(jié)和吸收震蕩。

（二）動(dòng)作設(shè)定：經(jīng)過(guò)查詢(xún)骨科以及醫(yī)科學(xué)資料顯示，對(duì)膝關(guān)節(jié)保健有好處的運(yùn)動(dòng)，首選是盡量做無(wú)負(fù)重的運(yùn)動(dòng)，例如游泳（水中的浮力可以減輕負(fù)重），以及坐位或者臥位式蹬自行車(chē)，坐姿前抬腿等，此類(lèi)運(yùn)動(dòng)對(duì)膝關(guān)節(jié)磨損較小，還有靠墻靜蹲，腿部伸展、屈伸、等運(yùn)動(dòng)，這些運(yùn)動(dòng)可以強(qiáng)化膝關(guān)節(jié)周?chē)募∪馊?，從而使膝關(guān)節(jié)更加穩(wěn)定，并且由于膝關(guān)節(jié)是一個(gè)屈伸關(guān)節(jié)，只有在屈伸運(yùn)動(dòng)時(shí)，循環(huán)才是良好的，所以不能保持一個(gè)姿勢(shì)穩(wěn)定，所以選取了“騎自行車(chē)”以及“腿部屈伸”運(yùn)動(dòng)兩個(gè)運(yùn)動(dòng)姿勢(shì)。（如圖4）膝關(guān)節(jié)保健動(dòng)作歸納圖以及虛線(xiàn)框選圖所示。

（三）人群定位：中老年人、愛(ài)好健身的人士。

（四）造型定位：造型定位盡量采用親切柔和的曲線(xiàn)形態(tài)，結(jié)構(gòu)支撐桿等方面為直線(xiàn)形態(tài)。

研究方法：5W1H法以及缺點(diǎn)列舉法：提出問(wèn)題以及需求，然后進(jìn)行歸納、分析，明確設(shè)計(jì)目的和設(shè)計(jì)方向，列出現(xiàn)有對(duì)膝關(guān)節(jié)鍛煉有利的健身器材的操縱方式，運(yùn)用設(shè)計(jì)方法中的組合法進(jìn)行結(jié)合嘗試，最后考慮到結(jié)構(gòu)合理性、易操作性、宜人性等幾個(gè)方面，選取了“蹬自行車(chē)”和“屈伸腿”兩種運(yùn)動(dòng)方式。

草圖繪制：將各種對(duì)膝關(guān)節(jié)有利的運(yùn)動(dòng)姿勢(shì)以及相關(guān)產(chǎn)品畫(huà)出來(lái)，通過(guò)合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)這些動(dòng)作（最少兩個(gè)），外觀造型以圓潤(rùn)，柔和的曲線(xiàn)線(xiàn)條為主。

三維建模以及工程圖制作：依次進(jìn)行三維建模、渲染模型，工程圖制作，大體模型制作），三維建模的依據(jù)主要是結(jié)合產(chǎn)品形態(tài)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，還有人體尺寸設(shè)計(jì)進(jìn)行產(chǎn)品犀牛建模，犀牛建模需要遵守以下幾點(diǎn)原則：（1）要有準(zhǔn)確的外形輪廓：在這個(gè)階段要強(qiáng)調(diào)準(zhǔn)確性，沒(méi)有準(zhǔn)確的外形輪廓就不可能有正確的產(chǎn)品效果。（2）分清細(xì)節(jié)層次：在滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)要求的前提下，應(yīng)盡量減少模型的復(fù)雜程度。（3）靈活選用建模方法：由于在犀牛建模系統(tǒng)中提供了多種建模方法，這些方法都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)及適用范圍。膝關(guān)節(jié)健身器材的尺寸按照人體尺寸標(biāo)準(zhǔn)來(lái)建模，產(chǎn)品建模以及尺寸數(shù)據(jù)（如圖5）所示。

三、膝關(guān)節(jié)健身器材的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

（一）造型與色彩

1.造型設(shè)計(jì)：此款膝關(guān)節(jié)健身器材屬于家居類(lèi)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)品，它是集實(shí)用性和審美性為一體的，對(duì)其造型設(shè)計(jì)的研究就有別于純粹的美學(xué)藝術(shù)的研究，不能過(guò)分追求造型的修飾性，在造型設(shè)計(jì)上選取了簡(jiǎn)單的幾何形體的切割、組合。設(shè)計(jì)幾何學(xué)在家居用品設(shè)計(jì)中十分常見(jiàn)，其存在使家居產(chǎn)品在保證功能的同時(shí)，追求造型的簡(jiǎn)潔和美感，減少了用料和加工時(shí)間，從而達(dá)到低碳理念的要求，是一種極簡(jiǎn)的造型語(yǔ)言。整體造型設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔大方，圓潤(rùn)柔和具有親切感。

2.色彩設(shè)計(jì)：此款健身器材的設(shè)計(jì)主要采用的灰白經(jīng)典色搭配，可以適應(yīng)不同的家居環(huán)境，選取了飽和度較低的色彩是因?yàn)轱柡投雀叩纳释鶗?huì)給老年人的心理和生理產(chǎn)生一定的影響，比如心跳加快等情況、這屬于不自然情緒的范疇。飽和度低的色彩設(shè)計(jì)給人們一種安詳舒適的感覺(jué)，更加貼近產(chǎn)品與人之間的距離。整體造型與色彩設(shè)計(jì)（如圖6）所示。

（二）結(jié)構(gòu)和功能

1.結(jié)構(gòu)：此款膝關(guān)節(jié)的健身器材由磁力健身車(chē)和磁控劃船器組成的，原理上可以通過(guò)前端的一個(gè)磁力輪實(shí)現(xiàn)，轉(zhuǎn)換方式為同軸轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)健身器為健身車(chē)狀態(tài)時(shí)，右側(cè)用螺栓固定，把螺栓擰開(kāi)，人坐在座椅上可以坐蹬自行車(chē)的運(yùn)動(dòng)，當(dāng)轉(zhuǎn)換為劃船器狀態(tài)時(shí)，把螺栓擰開(kāi)，即可旋轉(zhuǎn)放下滑軌和座椅，人坐在座位上，依靠腿部發(fā)力使座椅通過(guò)滑軌裝置滑動(dòng)，做腿部伸縮運(yùn)動(dòng)。（如圖7）為同軸轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)。

2.功能以及使用方式：此款膝關(guān)節(jié)的健身器材由磁力健身車(chē)和磁阻劃船器組成的，在功能方面使用該健身器材時(shí)，使用者可以坐在座位上，兩手把著前方的感應(yīng)桿，雙腿放在腳踏板上，開(kāi)始做360度旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，此種方式可以鍛煉大腿的股四頭肌以及、臀大肌、大腿后肌、小腿上的比目魚(yú)肌和腓腸肌等眾多肌肉群。穩(wěn)定膝關(guān)節(jié)，當(dāng)處于劃船器狀態(tài)時(shí)，人坐在座椅上，手握劃船桿，兩腿放在前方腳蹬上，通過(guò)滑軌滑動(dòng)坐面開(kāi)始做劃船運(yùn)動(dòng)，這個(gè)姿勢(shì)即為腿部伸展運(yùn)動(dòng)，可以刺激分泌潤(rùn)滑液，伸展拉長(zhǎng)的腿筋及髕股關(guān)節(jié)，有利減少膝損傷的機(jī)會(huì)。前方的界面可顯示人的心率數(shù)值，還可以針對(duì)不同人的體質(zhì)調(diào)整健身車(chē)的阻力，對(duì)人們的膝蓋磨損度較小，使用方式（如圖8）所示。

3.材質(zhì)：由于該膝關(guān)節(jié)健身器材圓潤(rùn)的造型，考慮到生產(chǎn)性，主要材質(zhì)應(yīng)為ABS材質(zhì)，加工工藝為注塑成型。滑軌以及座椅的支撐架不銹鋼材質(zhì)，因?yàn)椴讳P鋼材質(zhì)具有良好的承重能力，并且重量輕，可以方便人們移動(dòng)，抗腐蝕。使用壽命長(zhǎng)。座面材質(zhì)為紡織材料，因?yàn)榧徔棽剂夏Σ亮^大，坐上去較穩(wěn)固不易滑倒，并且透氣性好。

4.人機(jī)尺寸設(shè)計(jì)：各種機(jī)械，設(shè)備、設(shè)施和工具等設(shè)計(jì)對(duì)象在適合于人的使用方面，首先涉及的問(wèn)題是如何適合于形態(tài)和功能范圍的限度，此款健身器材要涉及的人機(jī)尺寸主要涉及到“坐姿眼高”、“臀部寬度”、“膝蓋高度”、“腿彎高度”、“臀部至腿彎長(zhǎng)度”等。其中“膝蓋高度”、“腿部至腳后跟長(zhǎng)度”、“臀部寬度”由于涉及到間距問(wèn)題，應(yīng)該取第95百分位，“腿彎高度”、“手臂平伸手握距離”應(yīng)選取第5百分位，這樣能適應(yīng)絕大部分的人。查閱人體尺寸百分位數(shù)據(jù)得出產(chǎn)品的詳細(xì)尺寸（如圖9）所示。

總結(jié)

此款膝關(guān)節(jié)健身器材的設(shè)計(jì)充分考慮到膝關(guān)節(jié)的構(gòu)造，結(jié)合創(chuàng)意設(shè)計(jì)學(xué)和人體工程學(xué)，通過(guò)同軸轉(zhuǎn)動(dòng)的結(jié)構(gòu)提供兩種鍛煉膝關(guān)節(jié)的正確方式，分別為“坐姿蹬車(chē)”、“坐姿劃船”。人們通過(guò)這兩個(gè)姿勢(shì)的鍛煉可以使膝關(guān)節(jié)的周?chē)募∪鈴?qiáng)勁、穩(wěn)定和保護(hù)膝關(guān)節(jié)。緩解現(xiàn)代社會(huì)人們因膝關(guān)節(jié)退變、膝關(guān)節(jié)疼痛而造成的行動(dòng)不便、活動(dòng)受限等問(wèn)題。整體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單合理、便于操作。具有實(shí)踐意義。