騎健身車時(shí)人體垂向生物力學(xué)響應(yīng)特性分析

闞世超

騎健身車時(shí)人體垂向生物力學(xué)響應(yīng)特性分析

闞世超

（山東理工大學(xué) 體育學(xué)院，山東 淄博 255000）

為揭示騎健身車時(shí)人體生物力學(xué)響應(yīng)特性，建立了人體-健身車耦合系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型。根據(jù)踩踏騎行力學(xué)原理，結(jié)合試驗(yàn)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(nèi)臟及下軀干垂向響應(yīng)進(jìn)行數(shù)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(shí)，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(xué)

1 引言

隨著人們生活水平提升和生活觀念的轉(zhuǎn)變，人們對健身車除了安全需求之外，對其動(dòng)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(tǒng)的不同角度開展了相關(guān)研究[3]。典型研究如MOHAMMADI- ABDAR等人[4]分析了康復(fù)健身車使用者的運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)和生理特性的變化規(guī)律。MESTRE等人[5]對虛擬現(xiàn)實(shí)與鍛煉效果的相關(guān)性進(jìn)行了詳細(xì)研究。RACHITA等人[6]通過試驗(yàn)測量了騎健身車者的腳踏力、臀部壓力及下肢的肌肉活動(dòng)。國內(nèi)學(xué)者也開展了相關(guān)研究，例如蔡睿等人[7]建立了健身車力學(xué)模型，分析了不同騎行狀態(tài)下的特征和規(guī)律。文獻(xiàn)[8]也建立了人-車模型，側(cè)重分析騎車過程中髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)及踝關(guān)節(jié)等關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特征。劉智等人[9]分析了健身車結(jié)構(gòu)尺寸特征。張錚璿等人[10]研究了健身車轉(zhuǎn)速與阻力對踩踏力量與下肢肌電的影響?，F(xiàn)有文獻(xiàn)為研究人體-健身車耦合系統(tǒng)提供了參考，但對廣受歡迎的動(dòng)感型健身車、人們健身過程中的人體垂向生物力學(xué)響應(yīng)及影響機(jī)制尚未探明。

2 研究對象及其特點(diǎn)

商業(yè)化的動(dòng)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(shí)現(xiàn)人體-健身車耦合系統(tǒng)動(dòng)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(chǎn)生的作用由肌腱傳遞到骨頭上，從而令下肢發(fā)力，通過踝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)，從腳部施加于腳踏板，以實(shí)現(xiàn)騎車運(yùn)動(dòng)。騎行中，踝關(guān)節(jié)根據(jù)實(shí)際騎行狀況調(diào)節(jié)蹬踏力的施力角度。在往復(fù)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(chǎn)生變形，使車身繞車安裝底座鉸接點(diǎn)發(fā)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。與此同時(shí)，一個(gè)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(jìn)一步加強(qiáng)了耦合系統(tǒng)的垂向運(yùn)動(dòng)，使得動(dòng)感性增強(qiáng)。

3 研究方法

3.1 人體-健身車耦合系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模

基于人體-健身車耦合系統(tǒng)的動(dòng)感化原理，建立了6自由度人體-健身車耦合系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型。

4，3，2及1分別為人頭頸、上軀干、內(nèi)臟及下軀干的質(zhì)量，4，3，2及1分別為相應(yīng)的剛度，4，3，2及1分別為相應(yīng)的阻尼；s，s分別為車座的質(zhì)量、剛度；d為車底彈簧-阻尼裝置所承擔(dān)的車身有效質(zhì)量且d=b·2/1，其中，b為健身車的車身質(zhì)量，2為車底底彈簧-阻尼裝置與車底前支撐鉸接點(diǎn)之間的水平距離，1為車身質(zhì)心與車底前支撐鉸接點(diǎn)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(shù)；為人體發(fā)出的垂向作用力。

利用牛頓第二定律，可得耦合系統(tǒng)的振動(dòng)微分方程為：

3.2 激勵(lì)建模

為了便于理論分析，腳踏力用數(shù)學(xué)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(shí)間。

4 結(jié)果分析與討論

通過數(shù)值仿真，可得=1.00 Hz時(shí)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(xué)響應(yīng)。

三種不同幅值下，人體器官垂向位移響應(yīng)，如圖1所示。人體各器官垂向響應(yīng)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(yīng)曲線

（b）人體上軀干垂向位移響應(yīng)曲線

（c）人體內(nèi)臟垂向位移響應(yīng)曲線

（d）人體下軀干垂向位移響應(yīng)曲線

圖1 不同0下人體器官垂向位移響應(yīng)曲線

表1 不同下人體器官垂向響應(yīng)的最大值及均方根值

腳踏垂向力幅值F0/N評價(jià)指標(biāo)人體器官 頭頸上軀干內(nèi)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(fù)運(yùn)動(dòng)的中心并不在先前的靜平衡點(diǎn)。結(jié)果表明，腳踏垂向力改變了人體的往復(fù)運(yùn)動(dòng)中心。對比圖1（a）和圖1（d）可知，人體頭頸垂向位移響應(yīng)幅值略大于人體下軀干垂向位移響應(yīng)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(wěn)態(tài)時(shí)人體頭頸垂向位移響應(yīng)幅值依次增大，但最小值幾乎不變。結(jié)果表明，腳踏垂向力幅值越大，人體垂向運(yùn)動(dòng)位移越大，健身者獲得的動(dòng)感越強(qiáng)。

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(nèi)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(jié)果表明，騎行健身車時(shí)，隨著腳踏垂向力幅值0的增大，動(dòng)感增強(qiáng)，但振動(dòng)舒適性變差。

5 結(jié)論

本文創(chuàng)立了人體-健身車耦合系統(tǒng)模型，為分析騎行健身車過程中人體垂向生物力學(xué)響應(yīng)提供了工具。采用的建模及分析方法，也可為體育運(yùn)動(dòng)中人體生物力學(xué)響應(yīng)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(shè)計(jì)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(xiàn)狀［J］.中國運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)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.

［6］RACHITA V，ERNST A H，MARK D Z，et al.Effect of seat positions on discomfort, muscle activation, pressure distribution and pedal force during cycling［J］.Journal of Electromyography and Kinesiology，2016（27）：78-86.

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

［8］吳上生，陸振威.基于人車連桿模型的自行車騎行狀態(tài)分析［J］.華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2016，44（2）：46-52.

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

［10］張錚璿，李尹鑫，相子元.健身車轉(zhuǎn)速與阻力對踩踏力量與下肢肌電的影響［J］.醫(yī)用生物力學(xué)，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?yàn)槿梭w生物力學(xué)研究與體育訓(xùn)練。

〔編輯：嚴(yán)麗琴〕