厲丹彤 馮小保 問朋朋 黃明宇 倪紅軍

南通大學(xué)機械工程學(xué)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(xué)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(xué)

人機工程學(xué)（ergonomics）是近年來興起的一門學(xué)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(xué)理論和我國成年人身體測量標(biāo)準(zhǔn)，可利用標(biāo)準(zhǔn)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(xué)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(xué)、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(xué)和聲學(xué)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(xùn)練和練習(xí)環(huán)境。

3 健身車在其它領(lǐng)域的應(yīng)用

健身車在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用主要為保證安全訓(xùn)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(xùn)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(dāng)?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(xùn)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(xùn)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(xùn)練。約翰霍普金斯大學(xué)醫(yī)學(xué)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(biāo)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(dāng)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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