上肢健身器生物激勵設(shè)計與運動分析*

付雷杰，魏 偉，千學(xué)明，白 瑀

(西安工業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院，西安 710021)

隨著經(jīng)濟水平的提高，人均壽命與身體健康狀況等健康指標成為社會發(fā)展程度的重要體現(xiàn)。根據(jù)測算，中國的人均預(yù)期壽命為77.47歲，位于世界第64名，排名不高。全國經(jīng)常參加體育鍛煉(每周參加體育鍛煉3次及以上，每次持續(xù)30 min及以上，每次體育鍛煉的運動強度達到中等及以上)的人數(shù)僅占33.9%(包含兒童青少年)，總體比例偏低。《健康中國行動(2019-2030年)》中提出，要在2030年使得經(jīng)常參加體育鍛煉的人數(shù)比例達到40%及以上。上述數(shù)據(jù)表明，在我國普及體育鍛煉的空間非常大。開發(fā)健身器材，可以推動全民健身事業(yè)發(fā)展，具有重要的經(jīng)濟和社會意義。健身器材種類繁多，其設(shè)計原理也不盡相同。健身器材要能提供一定的負荷或運動等，供鍛煉者去克服，以達到鍛煉的目的。目前的健身器材設(shè)計也是從實現(xiàn)上述功能的角度出發(fā)，較少考慮其他的因素。實際上，自然界中有許多生物的運動方式就是很好的鍛煉方法。仿生設(shè)計是一種典型的向自然界學(xué)習(xí)的設(shè)計方法，仿生設(shè)計更側(cè)重于對現(xiàn)有一些生物的表面特征進行簡單模仿[1-2]。隨著仿生學(xué)的發(fā)展，采用生物領(lǐng)域知識來推動生物激勵設(shè)計方法發(fā)展。生物激勵設(shè)計在本質(zhì)上是跨學(xué)科的一種設(shè)計方法，是使用生物系統(tǒng)的類比來開發(fā)工程問題解決方案。國內(nèi)外學(xué)者在生物激勵設(shè)計方法、生物材料、生物激勵機制和傳感器等方面開展了大量的工作。文獻[3-6]針對生物激勵設(shè)計進行了大量研究，在設(shè)計過程中的知識獲取和類比推理等技術(shù)方面取得了一定的進展?，F(xiàn)有的研究表明生物激勵設(shè)計可以應(yīng)用于多個不同領(lǐng)域，目前尚未見到采用生物激勵設(shè)計方法進行健身器材設(shè)計。本文將生物激勵的開發(fā)方案運用到人體上肢健身器材中，通過對生物運動的分析獲取生物領(lǐng)域知識，通過類比將其應(yīng)用于工程領(lǐng)域，實現(xiàn)對健身器材的設(shè)計，對健身器材的性能進行仿真分析。

1 生物激勵設(shè)計

根據(jù)知識元距離確定最佳生物模型，并依據(jù)生物運動原理模型得到上肢健身器結(jié)構(gòu)方案?；诂F(xiàn)有的生物激勵研究成果，采取以下步驟對所要設(shè)計的上肢健身器進行理論設(shè)計。

1.1 上肢健身器的定義

設(shè)計一種符合生物學(xué)特性，能夠用于鍛煉上肢的健身器材。對該目標進行功能分解，實現(xiàn)的功能是鍛煉上肢。進一步對其進行功能優(yōu)化，為了能夠吸取生物知識，需要重新采用生物化方法定義問題，即某種生物的某種特性能夠完成某項設(shè)計的特需功能[6]。功能的生物化問題不是“鍛煉上肢”，而是“生物有哪些特性使它們能夠預(yù)防、抵御和治愈骨骼老化”，有助于搜索合適的生物知識。根據(jù)問題的生物化定義，即可以進行生物知識的搜索。在搜索相關(guān)生物知識時，如果約束過少，會導(dǎo)致難以搜索到合適的知識，這時可以通過增加約束來提高搜索成功的概率。

1.2 解決方案定義

根據(jù)功能分解和優(yōu)化，將所設(shè)計的內(nèi)容分為兩個問題：① 活動人體上肢；② 鍛煉身體。在此基礎(chǔ)上，在大自然界中尋取相關(guān)對應(yīng)的生物或系統(tǒng)。對于問題1，選取了袋鼠、螞蚱，它們的起跳運動使它們保持健康；對于問題2，選取了螳螂、青蛙，它們的活動使得身體凸顯肌肉，改善身體美感。

將所需解決的問題定為一個知識元，將生物體的特性功能定義為另一個知識元，比較兩知識元間一致性來確定需要學(xué)習(xí)的目標生物體。在知識元中，主要特征參數(shù)類型包括數(shù)值型、區(qū)間型、模糊評價型和文本型等。將人體上肢定義為目標知識元，它的特征可以用文本型和數(shù)值型來表示。上肢鍛煉的角度一般是從雙臂伸展，再向內(nèi)拉到胸前位置，因此數(shù)值型特征值為90°。知識元間特征距離文本型檢索計算公式為

Dist(x,y)=1-max(x,y)。

(1)

知識元間特征距離數(shù)值型檢索計算公式為

(2)

式中：x為上肢健身器材特征；y為生物激勵源知識元特征；Dist(x,y)為特征距離。目標知識元與生物系統(tǒng)的相似性計算采用式(1)和式(2)。

所選幾種生物特征相似度比較結(jié)果見表1。

表1 生物特征相似度

由表1計算可知，對于文本型，其生物特征相似度一致，無法區(qū)別；對于數(shù)值型，其生物特征相似度從小到大依次為袋鼠<螳螂<螞蚱<青蛙，在所挑選的四種生物中，袋鼠的腿部運動知識元與健身所要求的運動知識元間距離最小，最為符合上肢健身器的運動標準，故選取袋鼠作為生物激勵本源。

1.3 原理提取與應(yīng)用

從動力源、傳動機構(gòu)、神經(jīng)元等生物角度分析袋鼠運動的特性。其動力源是生物的肌肉儲能，主要位于大腿部位；傳動機構(gòu)是骨骼和關(guān)節(jié)，主要對應(yīng)袋鼠小腿部位；神經(jīng)元負責(zé)調(diào)節(jié)機體的運動，發(fā)起運動指令等；骨骼肌負責(zé)接收命令后帶動骨骼做運動[7]。圖1為袋鼠的運動模型。

圖1 袋鼠運動模型

由于年齡、性別、體形等方面的差異，人的動作會有所不同。受到骨骼、肌肉、關(guān)節(jié)等的限制，人體上肢的運動規(guī)律是相似的[8-9]。從解剖學(xué)角度看，大臂上只有一塊骨頭就是肱骨，小臂上有兩塊，分別是尺骨和橈骨，跟腿部相似，尺骨在里面，橈骨在外面；肩部為支點，大、小臂肌肉作為儲能源；手臂處骨骼負責(zé)傳動，各部位相互協(xié)作完成運動。將袋鼠運動模型中的軀干、大腿、小腿等對應(yīng)到人體鍛煉時的肩部、大臂、小臂等部分，同時考慮到鍛煉安全等因素，得到上肢健身器結(jié)構(gòu)方案如圖2所示。

該方案在人體背部設(shè)置2個可穿戴式的彈簧阻尼器，利用2根固定的連桿，連接彈簧阻尼和人體手臂，通過人體手臂的張合和彈簧產(chǎn)生的阻尼來實現(xiàn)人體上肢背闊肌、胸肌、斜方肌和三角肌的鍛煉。

2 上肢健身器的建模與仿真

根據(jù)上述的上肢健身器結(jié)構(gòu)方案，通過對比確定最優(yōu)實現(xiàn)方案，得到健身器實體模型，并對模型進行仿真分析，驗證設(shè)計的可行性與安全性。上身健身器造型要素包括背板比例尺度、手臂形態(tài)、手把形態(tài)和肩帶形態(tài)等。其中背板比例尺度在整體上控制了整個上身健身外骨骼機構(gòu)的大小，其他要素則組成了健身器的基本結(jié)構(gòu)。普通上肢健身器配件以輕便為主，具體闡述如下：① 背板形態(tài)，主要指健身器的背板整體高度比，大致可分為矩形、正方形等。背板要求足夠的抗彎曲能力，因此選用共聚甲醛(POM)；② 手臂形態(tài)，分為薄板、方管、圓管等。手臂是鍛煉器材的核心部件，要求足夠的硬度和強度，以及抗彎曲變形能力，因此選用聚丙烯、碳鋼等；③ 手把形態(tài)，包括一字型、L型、U型等。手把主要功能是便于人手握持，故盡量選擇表面粗糙度較大的材料，選用聚乙烯、聚丙烯等；④ 運動阻尼，包括磁阻尼、彈簧阻尼等。目前電磁阻尼的材料多為鐵合金，彈簧阻尼多為合金。

依據(jù)現(xiàn)有一些健身器材的造型可選要素，將以上可選要素進行組合排列，共有36種可選方案?？紤]到健身時上肢外骨骼的運動要求以及人體適配性，方管與關(guān)節(jié)處的轉(zhuǎn)承不協(xié)調(diào)；一字型手把形態(tài)不利于握持；背板為矩形，符合人體兩肩形態(tài)，圓管有利于伸縮，鍛煉者可依據(jù)自己手臂的長短調(diào)節(jié)合適的距離，且圓管與軸間轉(zhuǎn)承相協(xié)調(diào)；阻尼部分的電磁阻尼調(diào)整方便，阻尼控制精確，需要額外的電路，成本較高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜；彈簧阻尼結(jié)構(gòu)簡單，成本低，因此選擇彈簧阻尼。由以上分析可得，優(yōu)選方案為矩形背板+圓管+L型把手+彈簧阻尼。

根據(jù)上述零件配置和前期意象語意與造型要素之間的相關(guān)性，得到上肢健身器的總體結(jié)構(gòu)，如圖3所示。此結(jié)構(gòu)主體由背部支架、滑輪支架、拉簧支架和手臂組成。另外還有用于提供阻力的拉簧、直徑較小的滑輪以及各個螺栓螺母固定零件等。機械部分材料選用6061-T4鋁合金。對于肩部關(guān)節(jié)、滑輪架和拉簧架等重要部位采用40Cr，手柄材料為聚丙烯，背部支板材料為共聚甲醛(POM)，背帶材料為尼龍。

圖3 上肢健身器模型

手臂部分，大臂小臂之間通過螺栓連接。大臂是直徑剛好大于小臂的管狀桿件。通過調(diào)節(jié)小臂在大臂伸縮的長度來改變整個手臂的長度，可適應(yīng)不同手臂長度的穿戴者。背部支架包含一個固定支架和可調(diào)節(jié)支架。兩支架通過螺栓連接，可調(diào)節(jié)支架可在固定支架中活動，兩個零件都有螺孔，這樣位置就可調(diào)。因為每個人的體型是不同的，這就要求距離可調(diào)，用來滿足不同肩寬的穿戴者。彈簧連接件由滑動導(dǎo)軌支撐，滑軌上的滑塊與彈簧連接件用螺釘固定，主要用于連接拉簧，拉簧的數(shù)目是可調(diào)節(jié)的。傳動部分由鋼絲線來完成，鋼絲線繞過滑輪分別與對應(yīng)的拉簧支架和大臂相連，穿戴者通過移動外骨骼的胳膊拉動鋼絲，兩根相反方向作用力的鋼絲受到拉簧施加的阻力從而鍛煉到上身。

健身器材除了要達到鍛煉功能外，還要具備安全性，不能對使用人員造成傷害。上肢健身器的主要安全隱患在于是否會因為速度變化過大而對人員造成傷害。由于健身器是左右對稱結(jié)構(gòu)，對其一側(cè)進行仿真測試即可。將健身器模型簡化后導(dǎo)入ADAMS軟件中進行運動學(xué)仿真，如圖4所示。

圖4 仿真模型

不同人群鍛煉時所選擇的一般配重為200 ～400 N，將上述驅(qū)動力代入仿真模型，分析其運動特性，包括最大速度、最大加速度，見表2。

表2 上肢健身器運動仿真

由仿真結(jié)果可知，上肢健身器能夠在正常鍛煉時平穩(wěn)運動，其最大角速度在0.30 rad·s-1附近波動，最大角加速度在0.03 rad·s-2附近波動，運動變化較為平穩(wěn)，不會對人體造成誤傷。

3 結(jié) 論

基于生物激勵方法對上肢健身器進行了設(shè)計。計算設(shè)計目標與生物間的特征距離，確定了最優(yōu)模仿對象，通過原理提取并基于原理對上肢健身器進行設(shè)計。在調(diào)研健身器設(shè)計元素的基礎(chǔ)上，分析了多種設(shè)計方案并確定最優(yōu)方案。通過ADAMS軟件對健身器三維模型進行了動力學(xué)模擬，結(jié)果表明該設(shè)計方法實現(xiàn)了產(chǎn)品功能定義、生物功能檢索、匹配生物篩選和功能原理提取等，是安全可行的。