膝關節健身器材創新設計研究

序論：好文章的創作是一個不斷探索和完善的過程，我們為您推薦一篇膝關節健身器材創新設計研究范例，希望它們能助您一臂之力，提升您的閱讀品質，帶來更深刻的閱讀感受。

膝關節是人體最大且最復雜、損傷機會最多的關節，近年來，老齡人群中的跌倒問題持續升溫，專家分析，膝關節老化是跌倒的主要原因。膝關節老化常常伴隨著膝骨性關節炎的發生，炎癥造成的病痛將導致老年人活動受限，從而形成了老年人生理機能衰退的惡性循環。而膝關節的合理鍛煉可以有效緩解膝關節疼痛，而市場上現有產品對鍛煉膝關節沒有功能針對性，也沒有考慮到運動時膝關節的磨損狀況，如果可以結合運動學、工業設計方法學、人機工學、設計一款針對膝關節鍛煉、并提供多種運動方式的健身器材，可以有效保護膝關節和延緩膝關節老化，將會減輕很多家庭在醫療費用上的支出，是社會的一大福音。

一、市場調研

（一）問卷調查：300份網上調研問卷顯示，大概有90%以上40歲以上的人有膝蓋疼的癥狀，膝關節疼80%的原因是關節型退變和受寒受潮引起的，85%的人都不了解鍛煉膝蓋的正確方式。并且如果有一款膝關節健身器材可以預防膝關節病變和緩解膝關節疼痛，90%的人愿意購買。

（二）膝關節病因調研：醫學資料顯示：膝關節疼痛的基本原因是膝關節疾病多為慢性勞損、積累性勞動性損傷，而產生風濕性膝、關節炎、外傷性膝關節炎，如果在20-40歲時可以把膝關節鍛煉得很強壯，中年之后膝關節大多沒有問題，如果年輕時候沒有運動，那么進入中年之后應該采取非負重運動，再慢慢過渡到負重運動，那樣膝關節不易受到損害，如果膝關節已經出現疾病，康復治療是一種保守治療的方法。想辦法消除關節的炎癥緩解疼痛和腫脹，給軟骨增加營養促進其代謝和自我修復，最重要的鍛煉肌肉使肌肉更加有力量，保護膝關節、讓關節更穩定，減少軟骨的進一步磨損[1]。

（三）市場上現有膝關節健身產品調研：市場上的膝關節保健產品大致分為動學輔具和理學輔具兩大類，而科學研究顯示：理學輔具（艾灸儀、關節按摩儀）等職能對膝蓋疼痛起緩解作用，沒有實質性的增強膝關節活動的能力。而運動學的方式是最為安全有效的，可以通過鍛煉肌肉增強膝關節穩定性。現有國內對膝關節有益的健身器材常以訓練功能多少來分為單功能和綜合型多功能兩大類，常用的有劃船器、健身車、健步機、跑步機、橢圓機，這些健身器材受眾人群大都是針對于熱愛健身的年輕人士，大多操作都是針對上下肢的運動，并且在設計上沒有考慮到鍛煉方式對膝關節的磨損。結構和交互界面都相對復雜，安全性欠缺、只能做單一的動作。例如（如圖1）所示，這是一款家用的磁控健身車。專為中老年人設計，它的優點是可為零肌力或者弱肌力的高齡用戶提供上肢或者下肢的肌力和協調性訓練，全面提高心肺功能[2]。與常用的健身車相比，磁控阻力車對人們的傷害較小，因為它可以通過磁控輪來控制阻力，從而達到調節運動強度的目的。目前我國市場上針對老年人群體生理心理需要的健身器材仍在起步階段，特別是針對于膝關節的老年人健身器材少之又少，我國健身器材制造商蓬勃發展，但在設計方面，尤其是針對特殊群體的產品設計需要更多依賴發達國家的經驗，急需真正符合國人的體質、關節狀態、精神需求、運動習慣的設計。

二、設計定位

（一）研究方法及設計依據：用戶調研：為了獲取到膝關節應當如何正確地保護和鍛煉的科學依據，對醫院進行了為期一個月的實地調研，以黑龍江哈爾濱211解放軍醫院為例，在醫院對正在使用健身車鍛煉大腿肌肉的病人采訪（如圖2）所示，醫生表示這種蹬單車的姿勢可以鍛煉腿部前方的股四頭肌和后側的腿后肌，股四頭肌是保護膝關節的重要肌肉。有意識地加強大腿股四頭肌的鍛煉，可使肌肉運動協調和肌力增強，有助于減輕關節癥狀，保持和增加關節活動的范圍及提高日常活動能力[2]。另外一款康復膝蓋的儀器（如圖3）所示，是患者坐在股四頭肌訓練椅上，腘窩貼近椅子的邊緣，軀干保持正直，雙手扶在兩邊的扶手上，調節內側阻力桿的加壓墊置于小腿的中下1/3處，固定患腿，在外側阻力桿上增減適當的重量，患者用力伸膝到最大限度，然后再緩慢放下，如此反復進行，這樣的操作方式也是鍛煉股四頭肌，強化股四頭肌可增加肌肉和耐力，有助于更好地穩定膝關節和吸收震蕩。

（二）動作設定：經過查詢骨科以及醫科學資料顯示，對膝關節保健有好處的運動，首選是盡量做無負重的運動，例如游泳（水中的浮力可以減輕負重），以及坐位或者臥位式蹬自行車，坐姿前抬腿等，此類運動對膝關節磨損較小，還有靠墻靜蹲，腿部伸展、屈伸、等運動，這些運動可以強化膝關節周圍的肌肉群，從而使膝關節更加穩定，并且由于膝關節是一個屈伸關節，只有在屈伸運動時，循環才是良好的，所以不能保持一個姿勢穩定，所以選取了“騎自行車”以及“腿部屈伸”運動兩個運動姿勢。膝關節保健動作歸納圖以及虛線框選圖所示。

（三）人群定位：中老年人、愛好健身的人士。

（四）造型定位：造型定位盡量采用親切柔和的曲線形態，結構支撐桿等方面為直線形態。研究方法：5W1H法以及缺點列舉法：提出問題以及需求，然后進行歸納、分析，明確設計目的和設計方向，列出現有對膝關節鍛煉有利的健身器材的操縱方式，運用設計方法中的組合法進行結合嘗試，最后考慮到結構合理性、易操作性、宜人性等幾個方面，選取了“蹬自行車”和“屈伸腿”兩種運動方式。草圖繪制：將各種對膝關節有利的運動姿勢以及相關產品畫出來，通過合理的結構設計來實現這些動作（最少兩個），外觀造型以圓潤，柔和的曲線線條為主。三維建模以及工程圖制作：依次進行三維建模、渲染模型，工程圖制作，大體模型制作），三維建模的依據主要是結合產品形態設計、結構設計，還有人體尺寸設計進行產品犀牛建模，犀牛建模需要遵守以下幾點原則：（1）要有準確的外形輪廓：在這個階段要強調準確性，沒有準確的外形輪廓就不可能有正確的產品效果。（2）分清細節層次：在滿足結構要求的前提下，應盡量減少模型的復雜程度。（3）靈活選用建模方法：由于在犀牛建模系統中提供了多種建模方法，這些方法都有各自的優缺點及適用范圍。膝關節健身器材的尺寸按照人體尺寸標準來建模，產品建模以及尺寸數據所示。

三、膝關節健身器材的創新設計

（一）造型與色彩

1.造型設計：此款膝關節健身器材屬于家居類運動產品，它是集實用性和審美性為一體的，對其造型設計的研究就有別于純粹的美學藝術的研究，不能過分追求造型的修飾性，在造型設計上選取了簡單的幾何形體的切割、組合。設計幾何學在家居用品設計中十分常見，其存在使家居產品在保證功能的同時，追求造型的簡潔和美感，減少了用料和加工時間，從而達到低碳理念的要求，是一種極簡的造型語言[3]。整體造型設計簡潔大方，圓潤柔和具有親切感。

2.色彩設計：此款健身器材的設計主要采用的灰白經典色搭配，可以適應不同的家居環境，選取了飽和度較低的色彩是因為飽和度高的色彩往往會給老年人的心理和生理產生一定的影響，比如心跳加快等情況、這屬于不自然情緒的范疇[2]。飽和度低的色彩設計給人們一種安詳舒適的感覺，更加貼近產品與人之間的距離。整體造型與色彩設計所示。

（二）結構和功能

1.結構：此款膝關節的健身器材由磁力健身車和磁控劃船器組成的，原理上可以通過前端的一個磁力輪實現，轉換方式為同軸轉動，當健身器為健身車狀態時，右側用螺栓固定，把螺栓擰開，人坐在座椅上可以坐蹬自行車的運動，當轉換為劃船器狀態時，把螺栓擰開，即可旋轉放下滑軌和座椅，人坐在座位上，依靠腿部發力使座椅通過滑軌裝置滑動，做腿部伸縮運動。為同軸轉動結構。

2.功能以及使用方式：此款膝關節的健身器材由磁力健身車和磁阻劃船器組成的，在功能方面使用該健身器材時，使用者可以坐在座位上，兩手把著前方的感應桿，雙腿放在腳踏板上，開始做360度旋轉運動，此種方式可以鍛煉大腿的股四頭肌以及、臀大肌、大腿后肌、小腿上的比目魚肌和腓腸肌等眾多肌肉群。穩定膝關節，當處于劃船器狀態時，人坐在座椅上，手握劃船桿，兩腿放在前方腳蹬上，通過滑軌滑動坐面開始做劃船運動，這個姿勢即為腿部伸展運動，可以刺激分泌潤滑液，伸展拉長的腿筋及髕股關節，有利減少膝損傷的機會。前方的界面可顯示人的心率數值，還可以針對不同人的體質調整健身車的阻力，對人們的膝蓋磨損度較小，使用方式所示。

3.材質：由于該膝關節健身器材圓潤的造型，考慮到生產性，主要材質應為ABS材質，加工工藝為注塑成型。滑軌以及座椅的支撐架不銹鋼材質，因為不銹鋼材質具有良好的承重能力，并且重量輕，可以方便人們移動，抗腐蝕。使用壽命長。座面材質為紡織材料，因為紡織布料摩擦力較大，坐上去較穩固不易滑倒，并且透氣性好。

4.人機尺寸設計：各種機械，設備、設施和工具等設計對象在適合于人的使用方面，首先涉及的問題是如何適合于形態和功能范圍的限度[5]，此款健身器材要涉及的人機尺寸主要涉及到“坐姿眼高”、“臀部寬度”、“膝蓋高度”、“腿彎高度”、“臀部至腿彎長度”等。其中“膝蓋高度”、“腿部至腳后跟長度”、“臀部寬度”由于涉及到間距問題，應該取第95百分位，“腿彎高度”、“手臂平伸手握距離”應選取第5百分位，這樣能適應絕大部分的人。查閱人體尺寸百分位數據得出產品的詳細尺寸所示。總結此款膝關節健身器材的設計充分考慮到膝關節的構造，結合創意設計學和人體工程學，通過同軸轉動的結構提供兩種鍛煉膝關節的正確方式，分別為“坐姿蹬車”、“坐姿劃船”。人們通過這兩個姿勢的鍛煉可以使膝關節的周圍的肌肉強勁、穩定和保護膝關節。緩解現代社會人們因膝關節退變、膝關節疼痛而造成的行動不便、活動受限等問題。整體設計結構簡單合理、便于操作。具有實踐意義。

參考文獻

[1]李寬俊.淺談膝關節疼痛的康復治療[J].世界最新醫學信息文摘，2017，17（94）：176，180.

[2]楊愛慧.老化預防與老年健身產品設計體系構建研究[J].設計.2017（19）：13-15.

[3]翁習生.走出運動誤區，科學保護膝關節[N].人民日報，2006-10-11（012）.

[4]侯南菁.設計幾何學在產品造型設計中的應用[J].設計.2018（07）：44-45.

[5]石元伍.基于人因工程學的老年人戶外太空漫步機設計[J].設計.2017（23）：110-111.

[6]丁玉蘭，人機工程學[M]．第四版，北京：北京理工大學出版社，2010.

作者:張莉 劉卓瑛 單位:哈爾濱理工大學