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摘要：基于人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)的一款健身產(chǎn)品，用于改善老年人下肢肌肉萎縮、流失的情況，使老年人步態(tài)穩(wěn)健，降低由于平衡能力的不足引起摔倒的概率。通過用戶調(diào)研了解目前用戶對于增加下肢肌肉力量的需求，并對調(diào)查結(jié)果進(jìn)行分析，對不同的健身器材以及使用方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對比。通過調(diào)研以及實(shí)驗(yàn)得出結(jié)論被試者更傾向選擇被動的簡易鍛煉方式進(jìn)行健身，相比傳統(tǒng)的抗阻訓(xùn)練產(chǎn)品電刺激訓(xùn)練方式更適合體能相對較弱的老年人，得出設(shè)計(jì)思路，明確設(shè)計(jì)方向。結(jié)合人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)出一款適合老年人的健身產(chǎn)品。

關(guān)鍵詞：電刺激訓(xùn)練；肌肉含量；人機(jī)工程學(xué)；健身產(chǎn)品

隨著年齡的增長，人體各項(xiàng)生理機(jī)能都會衰老，肌肉萎縮和退行性生理變化尤為明顯。主要表現(xiàn)為骨骼肌體積、肌纖維數(shù)量和橫截面積減少，骨骼肌力量下降，骨骼肌耐力下降[1]。此外，老年人肌肉力量的下降會導(dǎo)致疼痛，肢體僵硬和運(yùn)動功能下降，肌肉的退行性變化會影響人的代謝功能，嚴(yán)重影響老年人的生活質(zhì)量[2]。權(quán)威研究表明，在導(dǎo)致老年人跌倒的因素中，下肢的肌肉力量占據(jù)絕對重要的位置[3]，腿部肌肉的無力是導(dǎo)致跌倒的最危險(xiǎn)的因素。因此，延緩肌肉萎縮、增加肌肉含量是預(yù)防老年人摔倒有效方法。目前能夠增強(qiáng)老年人下肢肌肉力量的產(chǎn)品根據(jù)使用目的一般分為兩大類：一種為醫(yī)療康復(fù)產(chǎn)品，主要用于加速疏通人體經(jīng)絡(luò)，增強(qiáng)肢體力量訓(xùn)練，幫助中風(fēng)偏癱的老年人恢復(fù)自理，這種產(chǎn)品多數(shù)以腳踏車的形式呈現(xiàn)，用戶通過腳蹬的方式進(jìn)行鍛煉；第二種則是休閑健身產(chǎn)品，作為體育鍛煉的輔助產(chǎn)品，以例如漫步機(jī)、蹬力器、健騎機(jī)、壓腿杠等產(chǎn)品形式呈現(xiàn)。有些老年用戶并不明白使用方式，盲目使用健身產(chǎn)品時(shí)會出現(xiàn)肌肉拉傷、關(guān)節(jié)損傷、磕碰等傷害的發(fā)生。因此，作為老年人的健身產(chǎn)品，使用過程中的安全性是產(chǎn)品必須具備的要素，此外，經(jīng)常使用腳踏車進(jìn)行鍛煉會造成膝關(guān)節(jié)運(yùn)動性損傷，嚴(yán)重的可能會出現(xiàn)膝關(guān)節(jié)積液，造成膝關(guān)節(jié)功能的障礙。所以，從老年人的需求出發(fā)，設(shè)計(jì)出適合老年人的健身產(chǎn)品是十分重要的。本文運(yùn)用問卷調(diào)研與人機(jī)工程學(xué)的方法，對老年人的健身方式以及使用的健身產(chǎn)品進(jìn)行了調(diào)研分析，設(shè)計(jì)出能夠增強(qiáng)下肢肌肉力量并符合人體尺寸的老年人健身產(chǎn)品。

一、用戶研究

（一）調(diào)查對象

去養(yǎng)老院進(jìn)行實(shí)地調(diào)研，調(diào)查對象為60—75歲的老年人，30名男性，30女性，一共是60名，平均年齡為68歲，對有無堅(jiān)持健身習(xí)慣，行走時(shí)步態(tài)的穩(wěn)定情況，選擇健身的產(chǎn)品，一次健身可持續(xù)的時(shí)間，健身器材的舒適性與安全性等各方面性能改進(jìn)需求等5個(gè)方面進(jìn)行了調(diào)查調(diào)研。

（二）調(diào)研結(jié)果

對60名調(diào)研對象進(jìn)行調(diào)查結(jié)果如下：60名調(diào)查對象中，40%的人走路時(shí)抬腿動作出現(xiàn)障礙，身體呈現(xiàn)拖拉的姿態(tài)，步伐距離縮短、頻率變慢、速度降低、動作不充分等狀況；13%的調(diào)查對象每天堅(jiān)持健身半個(gè)小時(shí)以上；83.5%的人認(rèn)為應(yīng)對現(xiàn)有鍛煉腿部肌肉器材的材料進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，應(yīng)避免鍛煉時(shí)與金屬材質(zhì)的健身器材發(fā)生無意識的碰撞進(jìn)而出現(xiàn)安全問題；77.5%的人認(rèn)為目前的主動進(jìn)行抗阻訓(xùn)練的健身產(chǎn)品不適合體能較弱的老年群體；90%經(jīng)常鍛煉身體的調(diào)查對象選擇的健身產(chǎn)品是社區(qū)內(nèi)的公共健身設(shè)備，如漫步機(jī)、健騎機(jī)等簡單器械。上述的調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，經(jīng)常參加下肢肌肉鍛煉的老年人行動更自如，步態(tài)更穩(wěn)??；大多數(shù)老年人選擇鍛煉身體的器材來自于小區(qū)或公園的健身器材，但這些器材是對所有群眾開放使用的，在結(jié)構(gòu)和功能上并不一定完全適合老年人使用，現(xiàn)有健身產(chǎn)品的堅(jiān)硬金屬材質(zhì)會給老年用戶帶來一種不安全感，在使用時(shí)需要掌握使用方法及使用姿勢等，這些問題會使更多的體能較弱的老年人不愿意選擇現(xiàn)有的健身產(chǎn)品，主動選擇抗阻訓(xùn)練。

二、老年人需求分析

對老年人健身產(chǎn)品所具有的特性進(jìn)行分析，本文從安全、使用、心理等方面需求進(jìn)行分析，歸納總結(jié)出需求分析，如表1。通過對老年人的安全需求、使用需求、心理需求及其他需求的分析調(diào)研，查閱相關(guān)文獻(xiàn)得知，傳統(tǒng)抗阻訓(xùn)練，利用健身器械產(chǎn)生的重力加速度，長時(shí)間抗阻逐漸地增加訓(xùn)練強(qiáng)度來提高下肢肌肉力量[4]，抗阻訓(xùn)練是對負(fù)荷的時(shí)間積累效果，這種增加肌肉力量的效果不明顯，而且在肌肉工作時(shí)輸出功率相對較低。隨著年齡的增長，老年人的下肢肌肉流失萎縮，能夠負(fù)重的重量越來越小，不能夠再像年輕人一樣采取傳統(tǒng)的抗阻訓(xùn)練的方法訓(xùn)練，不正確地使用市面上常見的健身器械有導(dǎo)致骨折或關(guān)節(jié)磨損的情況發(fā)生，所以要尋找一種新的訓(xùn)練方式。通過查閱文獻(xiàn)得知電刺激力量訓(xùn)練是一種新興訓(xùn)練方法，在提高運(yùn)動員的身體素質(zhì)方面得到廣泛使用。它是一種脈沖電流，通過電刺激產(chǎn)生特定的頻率，波形和強(qiáng)度，模擬大腦中發(fā)生的神經(jīng)沖動，并根據(jù)人類意識產(chǎn)生肌肉的規(guī)則等長舒張或等長收縮，以實(shí)現(xiàn)改善肌肉萎縮的訓(xùn)練方法。與主動抗阻訓(xùn)練進(jìn)行對比，被動式電刺激力量訓(xùn)練的效果、安全性、舒適性、以及使用的可持續(xù)性需要進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)進(jìn)行論證。

三、對比實(shí)驗(yàn)及分析

（一）實(shí)驗(yàn)方案

1.實(shí)驗(yàn)對象：調(diào)查對象為60-70歲的老年人，5名男性，5名女性，一共10名，平均年齡為64.5歲。2.實(shí)驗(yàn)過程：被試者分別以四種不同的方式進(jìn)行下肢肌肉的訓(xùn)練。四種訓(xùn)練方式分別為：（1）騎單車20分鐘；（2）采用電刺激力量法訓(xùn)練20分鐘；（3）采用橢圓儀訓(xùn)練20分鐘；（4）采用坐式大腿伸展器健身20分鐘。每次訓(xùn)練間隔10分鐘。圖2坐式大腿伸展器訓(xùn)練測試圖圖3橢圓儀訓(xùn)練測試圖圖4健身單車訓(xùn)練測試圖圖5健身單車訓(xùn)練測試圖圖1流程圖3.主觀評價(jià)：被試者在每組實(shí)驗(yàn)結(jié)束后分別對四種訓(xùn)練方式的訓(xùn)練效果、舒適性、安全性進(jìn)行主觀評價(jià)。主觀評價(jià)分為1-10共10個(gè)等級，“1”表示各項(xiàng)指標(biāo)非常不滿意；“10”表示各項(xiàng)指標(biāo)非常滿意。4.實(shí)驗(yàn)設(shè)備：健身自行車、坐式大腿伸展器MB30、橢圓儀、電刺激力量訓(xùn)練裝置，實(shí)驗(yàn)過程如圖2為坐式大腿伸展器訓(xùn)練測試圖，圖3為橢圓儀訓(xùn)練測試圖，圖4為健身單車訓(xùn)練測試圖，圖5為電刺激力量訓(xùn)練測試圖。

（二）實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過本次實(shí)驗(yàn)得出4種健身產(chǎn)品的主觀評價(jià)評分平均值分別為:

（三）研究方法

將每種鍛煉方式主觀評價(jià)得分相加得出平均值，其中將主觀評價(jià)得分按不同分類相加得出平均值。其中代表4種健身產(chǎn)品的安全性主觀評價(jià)評分的平均值；、、、代表4種健身產(chǎn)品的效果主觀評價(jià)評分的平均值；、、、代表4種健身產(chǎn)品的舒適性主觀評價(jià)評分的平均值；、、、代表4種健身產(chǎn)品的可持續(xù)使用時(shí)間的主觀評價(jià)評分的平均值。根據(jù)以上數(shù)據(jù)繪制出柱狀圖。其中如圖6所示是安全性柱狀對比圖；如圖7所示是健身效果柱狀對比圖；如圖8所示是舒適性柱狀對比圖；如圖9所示是可持續(xù)性柱狀對比圖。

（四）實(shí)驗(yàn)結(jié)論

由柱狀圖對比可以清晰地得出結(jié)論：采取被動的電刺激鍛煉方式的安全性較強(qiáng)；電刺激力量訓(xùn)練的效果也是非常可觀的；電刺激訓(xùn)練的舒適性優(yōu)于傳統(tǒng)的抗阻訓(xùn)練；電刺激訓(xùn)練方式的主要優(yōu)點(diǎn)在于僅作用于需要增肌的局部、外周，而不會造成全身疲勞，解決了高強(qiáng)度肌肉力量訓(xùn)練中負(fù)荷與身體恢復(fù)之間的矛盾，消除了其他人體系統(tǒng)的疲勞，并能最大限度地發(fā)揮肌肉活躍性。與抗阻訓(xùn)練方法相比，電刺激訓(xùn)練方法可以較長時(shí)間保持肌肉收縮和舒張。力量損失緩慢、消耗能量較少，使用人員在感到疲勞之后仍然能夠堅(jiān)持訓(xùn)練。本實(shí)驗(yàn)注重用戶體驗(yàn)，為老年人的健身產(chǎn)品的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

四、老年人健身產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

（一）技術(shù)基礎(chǔ)：肌肉電刺激（ElectricalMuscleStimulation，以下簡稱EMS）的原理。就是模仿人體大腦生物電信號激發(fā)肌肉的運(yùn)動，EMS設(shè)備向人體輸送微小的電流信號,微小的電流信號頻率在40Hz到2500Hz范圍，通過電流的方式為肌肉群負(fù)重相當(dāng)于在每個(gè)肌肉群上掛了不同重量的沙袋。傳統(tǒng)的健身方式要刺激到深層的肌肉群至少需要一個(gè)小時(shí)，而EMS這種健身方法在微小電流的作用下，同時(shí)刺激淺層肌肉群和深層肌肉群，最大優(yōu)勢在于高效、短時(shí)。EMS為使用者提供了一種無負(fù)荷的健身方式，這樣就可以避免傳統(tǒng)健身方法對膝關(guān)節(jié)造成的損傷或由于使用方式不當(dāng)造成肌體損傷。最早是1786年意大利醫(yī)生和動物學(xué)家LuigiGalvani在青蛙實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的，后來被用來防止航天員在長期無重力情況下發(fā)生肌肉萎縮以及運(yùn)動員的日常訓(xùn)練。人體將這些微小的電流信號自動識別為人體生物電信號刺激肌肉收縮舒張運(yùn)動，以達(dá)到增強(qiáng)肌肉的目的。選擇現(xiàn)有成熟技術(shù)避免出現(xiàn)新的技術(shù)問題，技術(shù)路線圖如圖10所示。

（二）產(chǎn)品設(shè)計(jì)定位

1.產(chǎn)品的使用環(huán)境：正常工作環(huán)境、家庭環(huán)境，并且便于攜帶；可實(shí)現(xiàn)在任意場合使用，不受時(shí)間空間限制，可隨時(shí)隨地進(jìn)行鍛煉，簡化整個(gè)鍛煉過程。2.功能定位：（1）整體采用柔性材料，使產(chǎn)品與下肢皮膚緊密貼合，打開裝置即將電信號傳遞給下肢肌肉，對肌肉進(jìn)行訓(xùn)練，在使用產(chǎn)品的同時(shí)還可以跟同伴聊天以及讀書看報(bào)等，提高訓(xùn)練過程中的趣味性和時(shí)間的利用率。（2）應(yīng)用低頻電流引起肌肉收縮或松弛，電波刺激神經(jīng)系統(tǒng)模擬大腦信號刺激肌肉運(yùn)動。（3）根據(jù)用戶實(shí)際情況選擇適合自己的訓(xùn)練頻率強(qiáng)度達(dá)到提高下肢肌肉力量的效果。（4）可充電設(shè)計(jì)，方便外出攜帶；體積小占用空間較小。（5）電刺激訓(xùn)練過程中變換頻率一方面是為了避免枯燥，另一方面是因?yàn)殚L時(shí)間保持同一頻率會使神經(jīng)肌肉系統(tǒng)產(chǎn)生適應(yīng)。（6）使用時(shí)間隨訓(xùn)練階段遞增即為了遵循漸進(jìn)性原則。

（三）產(chǎn)品的功能原理設(shè)計(jì)

此款健身產(chǎn)品整體由硅膠片、電機(jī)盒、磁扣、導(dǎo)電銀網(wǎng)、水凝貼片組成。用戶只需要把本產(chǎn)品貼于下肢小腿皮膚處。人為操控打開啟動裝置并選擇合適的使用頻率，產(chǎn)品系統(tǒng)將電信號傳導(dǎo)到磁扣處并經(jīng)過導(dǎo)電銀網(wǎng)以及水凝膠片傳遞到小腿肌肉處，肌肉或肌腱接受到外源刺激后，促進(jìn)肌纖維進(jìn)行反復(fù)的收縮和舒張狀態(tài)，達(dá)到增加肌肉力量的目的，同時(shí)還會增加神經(jīng)肌肉協(xié)調(diào)能力、姿勢控制的穩(wěn)定能力，促使肌肉恢復(fù)活躍度，從而達(dá)到延緩肌肉萎縮的目的。產(chǎn)品的運(yùn)行原理圖如圖11所示。

（四）產(chǎn)品外觀設(shè)計(jì)的深入分析

本產(chǎn)品的定位具有便于攜帶、使用較為柔軟材料等特點(diǎn)，結(jié)合產(chǎn)品的用途為刺激下肢的肌肉群以達(dá)到增肌的效果以及作用部位，深入分析了人體小腿的形狀特點(diǎn)，不同的人的下肢尺寸略有差異，胖瘦不同的人、性別不同的人下肢尺寸也有差異。因此要設(shè)計(jì)成大小可調(diào)節(jié)以適應(yīng)不同用戶的需求，本產(chǎn)品的外型定位于人體的小腿的輪廓形狀，最外層具有可調(diào)節(jié)大小的魔術(shù)貼設(shè)計(jì)，采用“一片式”結(jié)構(gòu)，可以與用戶的下肢皮膚緊密貼合。準(zhǔn)確地將電信號傳遞給肌肉引起收縮或舒張運(yùn)動。使整個(gè)產(chǎn)品包裹在小腿肌肉處，實(shí)現(xiàn)肌肉的訓(xùn)練目的。

（五）人機(jī)尺寸分析

在設(shè)計(jì)時(shí)考慮人機(jī)工程學(xué)的因素。通過查閱資料，國家標(biāo)準(zhǔn)GB1000—1988《中國成年人人體尺寸》中男性的最大年齡為60歲，女性的最大年齡為55歲，缺乏60歲以上的老年人尺寸標(biāo)準(zhǔn)，因此，GB1000-1988標(biāo)準(zhǔn)中的尺寸不能作為設(shè)計(jì)參考[5]。通過查閱文獻(xiàn)中北京地區(qū)老年人的人體測量，對65歲以上的老年尺寸進(jìn)行了總結(jié)，得出相應(yīng)數(shù)據(jù)，我國男性小腿加足高長度第15百分位為369mm，第50百分位為408mm，第95百分位為442mm；女性小腿加足高長度第5百分位為306mm，第50百分位為377mm，第95百分位為412mm[6]。根據(jù)以上數(shù)據(jù)，通過函數(shù)公式計(jì)算并取平均值，其計(jì)算結(jié)果為：男性小腿加足高平均長度為404mm，女性小腿加足高的平均長度為360mm，所以要設(shè)計(jì)滿足不同老年用戶的健身產(chǎn)品的長度定位為382mm，經(jīng)查閱資料得知，人體小腿維度為身高的17%-21%，上寬度的尺寸數(shù)值為350mm，下寬尺寸為180mm可以根據(jù)個(gè)人的小腿維度進(jìn)行調(diào)節(jié)。老年人健身產(chǎn)品三維建模圖如圖12，老年人健身產(chǎn)品細(xì)節(jié)圖如圖13所示。

總結(jié)

本文通過查閱大量文獻(xiàn)，針對當(dāng)下老年人所面臨的普遍問題，利用用戶研究和實(shí)驗(yàn)的方法來研究老年人普遍面臨的問題，開展設(shè)計(jì)并對產(chǎn)品的人機(jī)尺寸進(jìn)行的分析，對老年人使用健身產(chǎn)品時(shí)產(chǎn)生的問題進(jìn)行用戶調(diào)研和實(shí)驗(yàn)分析，基于人機(jī)工程學(xué)的原理設(shè)計(jì)出一種老年人用于增強(qiáng)下肢肌肉力量的健身產(chǎn)品，能夠降低老年人出行時(shí)走路不穩(wěn)進(jìn)而摔倒的概率。本設(shè)計(jì)改善了傳統(tǒng)抗阻訓(xùn)練的體能要求高，需要掌握使用時(shí)的基本的運(yùn)動學(xué)知識，鍛煉后恢復(fù)時(shí)間久等缺點(diǎn)，符合老年用戶的健身需求。符合人機(jī)工程學(xué)以人為中心的要求與理念。由此可以看出，人機(jī)工程正在用其強(qiáng)大的理論基礎(chǔ)影響人們的工作、學(xué)習(xí)和生活，只有通過認(rèn)真的思考和研究，才能設(shè)計(jì)出更好的產(chǎn)品，更受用戶的歡迎的，不斷改善和提高人們的生活質(zhì)量。

作者：金信琴 張蒙 單位：哈爾濱理工大學(xué)機(jī)械動力工程學(xué)院