基于人機(jī)工程學(xué)的軀干轉(zhuǎn)體測量儀的研制

郭輝 孫學(xué)雁 郭軍權(quán) 孔振興 張一民

摘 ?要：體質(zhì)測量與評(píng)價(jià)，離不開科學(xué)的測量方法和測量儀器。鑒于當(dāng)前傳統(tǒng)的測量儀器無法完全滿足軀干轉(zhuǎn)體測量準(zhǔn)確性的要求，針對(duì)性地開展了基于人機(jī)工程學(xué)的軀干轉(zhuǎn)體測量儀的研發(fā)。運(yùn)用人體工程學(xué)和機(jī)械設(shè)計(jì)方法，利用CAD工程軟件，結(jié)合人機(jī)工程學(xué)理論和我國成年人人體尺寸國家標(biāo)準(zhǔn)，畫出了裝配圖和零件圖，研制了一種軀干轉(zhuǎn)體測量儀，該測量儀能大大提高軀干轉(zhuǎn)體測量的準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞：柔韌素質(zhì) ?體質(zhì)測量 ?軀干轉(zhuǎn)體 ?人機(jī)工程學(xué) ?CAD工程軟件

中圖分類號(hào)：G80 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2813（2020）05（a）-0234-06

Abstract： Physical measurement and evaluation depends on scientific methods and instruments. As the current traditional measurement instruments cannot fully meet the requirements of the torso rotation measurement accuracy， we carry out research and development on torso rotation measurement instruments based on ergonomics. Applied with CAD software and methods of ergonomics and mechanical design， assembly drawings and part drawings were painted and torso rotation measuring instrument were developed. These achievements were combined with theory of ergonomics and Chinese national standards of adults' body size， which improves the accuracy of measurements to a large extent.

Key Words： Flexibility; Physical fitness measurement; Trunk rotation;Ergonomics; CAD engineering software

通過科學(xué)的測量方法評(píng)價(jià)大眾的體質(zhì)健康，已成為全民健身關(guān)注的熱門課題之一。柔韌素質(zhì)是身體素質(zhì)的重要組織部分，也是體質(zhì)健康的重要組成部分[1-6]。關(guān)節(jié)的柔韌性對(duì)短道速滑、自由式滑雪空中技巧、花樣滑冰、單板U型槽等項(xiàng)目運(yùn)動(dòng)成績關(guān)系重大，是反應(yīng)運(yùn)動(dòng)員身體素質(zhì)的重要指標(biāo)[7]。良好的柔韌性有助于完成運(yùn)動(dòng)和預(yù)防組織損傷[8]。身體的柔韌性通常用關(guān)節(jié)的活動(dòng)度來測評(píng)，在實(shí)驗(yàn)室一般用量角器、曲率計(jì)、傾角計(jì)及測量尺來測量關(guān)節(jié)活動(dòng)度，進(jìn)而反映關(guān)節(jié)柔韌性[2]。軀干是鏈接四肢和頭部的核心，是支配身體運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。軀干的柔韌性是身體柔韌性的重要環(huán)節(jié)。

加強(qiáng)軀干柔韌素質(zhì)訓(xùn)練及評(píng)估對(duì)于提高運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練、大眾健身的效果、預(yù)防運(yùn)動(dòng)損傷等具有重要意義[7，8]。在一些運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目中（比如網(wǎng)球、羽毛球反手擊球動(dòng)作），軀干轉(zhuǎn)體能力的提高可以增大四肢的運(yùn)動(dòng)幅度，增強(qiáng)運(yùn)動(dòng)能力[6，9]。研究表明，缺乏適當(dāng)柔韌性會(huì)引發(fā)駝背、脊柱后彎、高低肩等不良姿勢，良好的柔韌素質(zhì)是身體活動(dòng)的必要條件，而且對(duì)降低腰背疼、關(guān)節(jié)炎等也大有益處[7，8]。軀干的整體運(yùn)動(dòng)范圍較大，可繞額狀軸做屈伸運(yùn)動(dòng);繞矢狀軸做側(cè)屈運(yùn)動(dòng);繞垂直軸做回旋運(yùn)動(dòng)。在矢狀面的活動(dòng)度可以通過坐位體前屈測量，在水平面的活動(dòng)度可以通過軀干轉(zhuǎn)體測量。

長久以來，對(duì)軀干轉(zhuǎn)體的測量是依靠臂夾棍轉(zhuǎn)體（見圖1）方法來測量。具體的測量方法是：在平坦地面上，畫一直徑1.5m標(biāo)有角度刻度（0°～180°的圖，最小刻度為5°）、圓心和直徑的圓圈。受試者自然直立于0°～180°直線上，兩眼平視前方，兩腳與肩同寬，站在圓圈中央，身體垂直軸與圓圈的圓心在同一直線上，雙肘屈曲于體后夾住系有錐形重物的木棍，使錐尖正對(duì)0°，木棍與地面保持平行，向左右緩慢轉(zhuǎn)體，以錐尖所指的角度為測量值[2，4]。這種測量方法無法滿足測量準(zhǔn)確性。為了解決上述問題，本研究開展了一種新型測量器械的研發(fā)。

人機(jī)工程學(xué)研究人在某種工作中的解剖學(xué)、生理學(xué)、生物力學(xué)、人體測量學(xué)等方面的各種因素，把人的因素作為產(chǎn)品設(shè)計(jì)的重要條件和原則，研究人與機(jī)的相互作用，以達(dá)到人-機(jī)系統(tǒng)總體性能的最優(yōu)化[3，10-11]。本文采用人機(jī)工程學(xué)原理和機(jī)械設(shè)計(jì)原理開發(fā)設(shè)計(jì)出軀干轉(zhuǎn)體測量儀，以期在豐富體質(zhì)測量方法的同時(shí)提高測試的準(zhǔn)確性。

1 ?研究對(duì)象與方法

1.1 研究對(duì)象

以反應(yīng)人體柔韌素質(zhì)的測量器材為研究對(duì)象。

1.2 研究方法

運(yùn)用人體工程學(xué)和機(jī)械設(shè)計(jì)方法，利用CAD工程軟件，結(jié)合人機(jī)工程學(xué)理論和我國成年人人體尺寸國家標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)出一種軀干轉(zhuǎn)體測量儀的裝配圖和零件圖，使用該測量儀能大大提高軀干轉(zhuǎn)體測量的準(zhǔn)確性。

2 ?總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 主要結(jié)構(gòu)及工作原理

2.1.1 軀干轉(zhuǎn)體測量儀主要結(jié)構(gòu)

軀干在水平面的柔韌性用軀干轉(zhuǎn)體角度來表示，即兩髖關(guān)節(jié)所在的直線與兩肩關(guān)節(jié)所在的直線的夾角。先固定髖關(guān)節(jié)，后轉(zhuǎn)動(dòng)兩肩，兩肩轉(zhuǎn)動(dòng)的角度即為軀干轉(zhuǎn)體角度。軀干轉(zhuǎn)體測量儀是一種基于人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)的（見圖2），包括3個(gè)方面的機(jī)構(gòu)，1個(gè)是座椅機(jī)構(gòu)，另外2個(gè)是縱向?qū)蛘{(diào)整機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)體測量機(jī)構(gòu)，縱向?qū)蛘{(diào)整機(jī)構(gòu)分別與座椅機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)體測量機(jī)構(gòu)連接，當(dāng)縱向?qū)蛘{(diào)整機(jī)構(gòu)縱向調(diào)整高度時(shí)，轉(zhuǎn)體測量機(jī)構(gòu)的高度也會(huì)根據(jù)受試者的坐高相應(yīng)調(diào)整[7]。

2.1.2 軀干轉(zhuǎn)體測量儀工作原理

軀干轉(zhuǎn)體測量儀是通過測量軀干在水平面內(nèi)活動(dòng)的幅度（即兩髖所在直線與兩肩所在直線的夾角），來反映軀干的柔韌性。根據(jù)關(guān)節(jié)活動(dòng)的固定方式采用下固定，即固定兩髖，轉(zhuǎn)動(dòng)兩肩來達(dá)到轉(zhuǎn)體效果。測量時(shí)讓受試者坐在座椅上，然后用固定帶固定下肢，再通過縱向?qū)蛘{(diào)整機(jī)構(gòu)調(diào)整轉(zhuǎn)體測量機(jī)構(gòu)的高度，高度調(diào)整到合適的位置后，固定此高度。轉(zhuǎn)體測量機(jī)構(gòu)的肩部夾具固定受試者的雙肩，受試者面向正前方，指針指向零刻度值，檢測人員發(fā)出開始轉(zhuǎn)體的指令后，受試者向左或向右轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)到最大位置，指針?biāo)傅目潭燃礊檐|干轉(zhuǎn)體的角度[12]。

2.2 尺寸設(shè)計(jì)及依據(jù)

軀干轉(zhuǎn)體測量儀尺寸設(shè)計(jì)充分考慮人機(jī)工程學(xué)原理，依據(jù)我國成年人人體尺寸國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。由于軀干轉(zhuǎn)體測量儀的被測試者是在坐姿狀態(tài)下進(jìn)行測試的，因此，設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮人體坐姿尺寸。設(shè)計(jì)座椅結(jié)構(gòu)時(shí)，要考慮座寬、座高、座深的設(shè)計(jì)尺寸，便于被測試者方便舒適地使用。座寬按人機(jī)工程學(xué)的要求應(yīng)考慮坐姿臀寬（見圖3）的尺寸。主要尺寸按我國成年人人體尺寸國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行選擇，如表1和表2所示[11]。為滿足大多數(shù)使用者需要，坐姿臀寬以成人女子第99百分位數(shù)值為設(shè)計(jì)依據(jù)，同時(shí)考慮衣服厚度和余量，本文設(shè)計(jì)的座寬為480mm。

坐高是指坐位姿勢時(shí)頭頂點(diǎn)至座板平面之間的垂直距離（如圖4所示）。為滿足更多人的需要，坐高以成人女子第5百分位數(shù)和男子第99百分位數(shù)值為設(shè)計(jì)依據(jù)，可調(diào)范圍在800～1000mm（表1、表2）。椅背只起固定作用，設(shè)計(jì)椅背高為300mm。

座高是座面到地面之間的垂直距離，它等于人體小腿長度加足高長度（見圖5）。為滿足大多數(shù)人使用，選擇在成人女子第10百分位數(shù)和成人男子第95百分位數(shù)之間， 根據(jù)表1、表2可知，小腿加足高的值分別為350mm和450mm，由于最大值和最小值之間差別不大，取二者的中間值400mm作為座高值。

坐深是指處于坐位姿勢時(shí)臀部后沿到小腿后沿的垂直距離（見圖6），也是座面的前后距離，它應(yīng)能使臀部得到完全支撐。為保證小腿的活動(dòng)自由應(yīng)選擇淺的坐深較為適宜。我國坐深尺寸一般在380～420mm之間。對(duì)于普通的工作椅來說，坐深可以更淺一點(diǎn)。為使更多的人能適用此設(shè)備，按成人女子第5百分位數(shù)設(shè)計(jì)，應(yīng)為 400mm（見表2）。

最大肩寬是指2個(gè)三角肌外側(cè)的最大水平距離（見圖7）。肩寬是指兩肩峰之間的距離（見圖8）。在設(shè)計(jì)肩部夾具時(shí)要考慮最大肩寬和衣服的厚度，還要考慮軀干和肩活動(dòng)所需空間，對(duì)薄衣服要附加7.9mm，對(duì)厚衣服附加76mm。還要考慮頭長（見圖9）和頭寬（見圖10）尺寸，肩部夾具的內(nèi)部寬度要大于最大頭長和最大頭寬，根據(jù)表1和表2可知，成人男子第99百分位數(shù)的最大頭長為200mm，本文設(shè)計(jì)的肩部夾具的外部寬度為550mm，內(nèi)部寬度為350mm。

3 ?整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 縱向?qū)蛘{(diào)整機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

考慮到不同人群的坐高的不同，設(shè)計(jì)縱向?qū)蛘{(diào)整機(jī)構(gòu)為可調(diào)，如圖11所示，縱向?qū)蛘{(diào)整機(jī)構(gòu)包括第一導(dǎo)向桿、第一導(dǎo)向桿滑塊、第二導(dǎo)向桿、第二導(dǎo)向桿滑塊、第一連接塊和第二連接塊。當(dāng)被測量者坐于座椅上時(shí)，從被測量者角度來看，可以將座椅右側(cè)作為第一側(cè)，將座椅左側(cè)作為第二側(cè)，第一導(dǎo)向桿滑塊通過螺釘與座椅的第一側(cè)固定連接，第二導(dǎo)向桿滑塊通過螺釘與座椅的第二側(cè)固定連接。當(dāng)被測量者端坐于座椅上時(shí)，第一導(dǎo)向桿和第二導(dǎo)向桿構(gòu)成的平面與被測量者的背部所在平面平行。

本設(shè)計(jì)在具體實(shí)施中，在第二導(dǎo)向桿上還可以設(shè)置有均勻分布的多個(gè)固定槽，相應(yīng)的，第二導(dǎo)向桿滑塊上還設(shè)置有與固定槽匹配的按鈕，用于調(diào)整第二導(dǎo)向桿的頂端的高度。即第一導(dǎo)向桿和第二導(dǎo)向桿的頂端的高度是同步調(diào)整的。在第二導(dǎo)向桿上設(shè)置均勻分布的多個(gè)固定槽，在調(diào)整高度的時(shí)候，通過第二導(dǎo)向桿滑塊上的按鈕，達(dá)到一格一格調(diào)整的效果，方便操作。

在本設(shè)計(jì)的具體實(shí)施中，第一導(dǎo)向桿滑塊還可以設(shè)置固定桿，當(dāng)?shù)谝粚?dǎo)向桿在第一導(dǎo)向桿滑塊中滑動(dòng)到滿足條件的位置時(shí)，使用固定桿固定第一導(dǎo)向桿。可以使用蝶形螺桿調(diào)整并固定第一導(dǎo)向桿的高度，用于固定第一導(dǎo)向桿的位置。通過此機(jī)構(gòu)的調(diào)整可以適應(yīng)不同坐高的受試者。

3.2 座椅機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

軀干轉(zhuǎn)體測量儀座椅機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)包括座椅和固定帶，被測量者坐于座椅上進(jìn)行軀干轉(zhuǎn)體的測量。為避免測量過程中座椅移動(dòng)，在座椅的座椅腿底端還可以設(shè)置固定片，用于將座椅固定在地面上。另外，該座椅機(jī)構(gòu)還包含固定帶，固定帶的兩端分別與座椅的兩端連接，用于固定被測量者腿部，使其髖骨以下不會(huì)因?yàn)檠康霓D(zhuǎn)動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng)，固定帶可以是繃緊絲帶或者帶有插扣的絲帶，其松緊度可調(diào)。

3.3 轉(zhuǎn)體測量機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)體測量機(jī)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)人體柔韌素質(zhì)精確測量的關(guān)鍵機(jī)構(gòu)。如圖12所示，轉(zhuǎn)體測量機(jī)構(gòu)包括肩部夾具、連接圈、刻度盤、圓周導(dǎo)軌和指針。連接圈分別與肩部夾具、圓周導(dǎo)軌、指針固定連接。肩部夾具用于夾在被測量者雙肩上，可以設(shè)計(jì)為倒U型，當(dāng)被測量者腰部及腰部以上軀干轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，與肩部夾具固定連接的連接圈帶動(dòng)圓周導(dǎo)軌在刻度盤上做圓周轉(zhuǎn)動(dòng)。指針的尖端指示刻度盤表面的刻度?？潭缺P的正前方為0°，依次向左右增加，到正后方為180°，精確到1°。連接圈和刻度盤為圓形結(jié)構(gòu)，且連接圈和刻度盤的中心點(diǎn)在同一豎直線上。第一連接塊和第二連接塊分別與刻度盤的外側(cè)固定連接。當(dāng)被測量者進(jìn)行軀干轉(zhuǎn)體測量的時(shí)候，夾在被測量者肩部的肩部夾具將腰部及以上軀干的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)移到連接圈，再通過固定在連接圈上的指針來直接讀取刻度盤的度數(shù)，得到測量結(jié)果。如圖12所示，圓周導(dǎo)軌至少包含3個(gè)圓周導(dǎo)軌滑塊（見圖13）。

圓周導(dǎo)軌滑塊的結(jié)構(gòu)如圖13所示，圓周導(dǎo)軌滑塊有3個(gè)面，以上側(cè)面為例，包含軸承、銷和軸承座。軸承座與上側(cè)面使用螺釘固定連接，銷穿過軸承中心。上側(cè)面與軸承對(duì)應(yīng)的位置有空槽，軸承圍繞銷可在上側(cè)面滾動(dòng)。圓周導(dǎo)軌滑塊的上側(cè)面的軸承接觸刻度盤的上表面，下側(cè)面的軸承接觸刻度盤的下表面，右側(cè)面的軸承接觸刻度盤內(nèi)側(cè)表面，進(jìn)行圓周運(yùn)動(dòng)。

為節(jié)約成本考慮，在該測量儀中，部分部件可以考慮采用塑料材質(zhì)，如肩部夾具、指針、圓周導(dǎo)軌等，其他部件可以考慮采用鋼質(zhì)或鐵質(zhì)材料，能夠進(jìn)行相關(guān)的連接即可。

4 ?結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一種新型軀干轉(zhuǎn)體測量儀，畫出裝配圖和零件圖。在設(shè)計(jì)過程中充分考慮人機(jī)工程學(xué)的原理，對(duì)被測量者的動(dòng)作規(guī)范性要求不高，只需被測量者坐于座椅上，用固定帶固定下肢，然后使用肩部夾具夾住肩部，轉(zhuǎn)動(dòng)腰部及以上軀干，通過指針在刻度盤上的滑動(dòng)位置即可獲得軀干轉(zhuǎn)體測量值，測試方法較簡單、安全，測量結(jié)果較為準(zhǔn)確，能精確測量軀干轉(zhuǎn)體的活動(dòng)范圍。

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