骑健身车时人体垂向生物力学响应特性分析

阚世超

骑健身车时人体垂向生物力学响应特性分析

阚世超

（山东理工大学 体育学院，山东 淄博 255000）

为揭示骑健身车时人体生物力学响应特性，建立了人体-健身车耦合系统动力学模型。根据踩踏骑行力学原理，结合试验将踩踏力等效为作用于车身上的垂向力，以此作为模型输入对人体头颈、上躯干、内脏及下躯干垂向响应进行数值模拟。仿真可知，在骑健身车过程中，脚踏垂向力幅值依次取250 N、300 N及350 N时，人体各器官垂向位移和加速度均依次增大。

健身车；人体；脚踏力；生物力学

1 引言

随着人们生活水平提升和生活观念的转变，人们对健身车除了安全需求之外，对其动感化和舒适性提出了更高的要求[1-2]。为了更好提升健身效果，人们从人体-健身车系统的不同角度开展了相关研究[3]。典型研究如MOHAMMADI- ABDAR等人[4]分析了康复健身车使用者的运动生物力学和生理特性的变化规律。MESTRE等人[5]对虚拟现实与锻炼效果的相关性进行了详细研究。RACHITA等人[6]通过试验测量了骑健身车者的脚踏力、臀部压力及下肢的肌肉活动。国内学者也开展了相关研究，例如蔡睿等人[7]建立了健身车力学模型，分析了不同骑行状态下的特征和规律。文献[8]也建立了人-车模型，侧重分析骑车过程中髋关节、膝关节及踝关节等关节的运动学和动力学特征。刘智等人[9]分析了健身车结构尺寸特征。张铮璿等人[10]研究了健身车转速与阻力对踩踏力量与下肢肌电的影响。现有文献为研究人体-健身车耦合系统提供了参考，但对广受欢迎的动感型健身车、人们健身过程中的人体垂向生物力学响应及影响机制尚未探明。

2 研究对象及其特点

商业化的动感型健身车主要包括车身、车座以及车底弹簧-阻尼装置。其中，前部车底处与健身车安装底座铰接。

实现人体-健身车耦合系统动感化的具体原理如下：健身者在骑行过程中，下肢骨骼肌收缩所产生的作用由肌腱传递到骨头上，从而令下肢发力，通过踝关节转动，从脚部施加于脚踏板，以实现骑车运动。骑行中，踝关节根据实际骑行状况调节蹬踏力的施力角度。在往复骑车过程中，人体会对车身施加向下的交变力，通过车身传递到车底使弹簧产生变形，使车身绕车安装底座铰接点发生旋转运动。与此同时，一个与等大反向的交变力也会反作用人体，致使车座弹簧形变，进一步加强了耦合系统的垂向运动，使得动感性增强。

3 研究方法

3.1 人体-健身车耦合系统动力学建模

基于人体-健身车耦合系统的动感化原理，建立了6自由度人体-健身车耦合系统动力学模型。

4，3，2及1分别为人头颈、上躯干、内脏及下躯干的质量，4，3，2及1分别为相应的刚度，4，3，2及1分别为相应的阻尼；s，s分别为车座的质量、刚度；d为车底弹簧-阻尼装置所承担的车身有效质量且d=b·2/1，其中，b为健身车的车身质量，2为车底底弹簧-阻尼装置与车底前支撑铰接点之间的水平距离，1为车身质心与车底前支撑铰接点之间的水平距离；d和d分别为车底弹簧-阻尼装置的刚度和阻尼，且d= 20·cos2，d=20·cos2，其中，为弹簧-阻尼器与垂向的夹角，0为车底单只弹簧的刚度，0为车底单只阻尼器的阻尼系数；为人体发出的垂向作用力。

利用牛顿第二定律，可得耦合系统的振动微分方程为：

3.2 激励建模

为了便于理论分析，脚踏力用数学表述式简记为：

式（1）中：0为脚踏垂向力的最大值；为脚踏力的施加频率；为骑行时间。

4 结果分析与讨论

通过数值仿真，可得=1.00 Hz时不同幅值下，即0=250 N、300 N以及350 N情况下的人体的垂向生物力学响应。

三种不同幅值下，人体器官垂向位移响应，如图1所示。人体各器官垂向响应的最大值及均方根值如表1所示。

（a）人体头颈垂向位移响应曲线

（b）人体上躯干垂向位移响应曲线

（c）人体内脏垂向位移响应曲线

（d）人体下躯干垂向位移响应曲线

图1 不同0下人体器官垂向位移响应曲线

表1 不同下人体器官垂向响应的最大值及均方根值

脚踏垂向力幅值F0/N评价指标人体器官 头颈上躯干内脏下躯干 250位移最大值/mm26.525.825.324.5 加速度最大值/（m/s2）2.142.071.991.87 加速度均方根/（m/s2）1.631.551.491.39 300位移最大值/mm31.831.030.329.4 加速度最大值/（m/s2）2.572.482.392.24 加速度均方根/（m/s2）1.951.861.781.67 350位移最大值/mm37.036.135.434.3 加速度最大值/（m/s2）2.992.902.792.62 加速度均方根/（m/s2）2.282.172.081.95

由图1可知，健身者在骑行健身车过程中，人体各器官上下往复运动的中心并不在先前的静平衡点。结果表明，脚踏垂向力改变了人体的往复运动中心。对比图1（a）和图1（d）可知，人体头颈垂向位移响应幅值略大于人体下躯干垂向位移响应幅值，这说明人体对从下肢传递的位移起了放大作用。由图1（a）可知，在0=250 N、300 N及350 N情况下，稳态时人体头颈垂向位移响应幅值依次增大，但最小值几乎不变。结果表明，脚踏垂向力幅值越大，人体垂向运动位移越大，健身者获得的动感越强。

由表1可知，骑行健身车过程中，在同一脚踏垂向力幅值情况下，人体下躯干、内脏、上躯干及头颈的垂向最大位移、加速度最大值和垂向加速度均方根值均依次增大；对于人体某一器官，随着脚踏垂向力幅值0的增大，其垂向最大位移、加速度最大值和垂向加速度均方根值也均增大。结果表明，骑行健身车时，随着脚踏垂向力幅值0的增大，动感增强，但振动舒适性变差。

5 结论

本文创立了人体-健身车耦合系统模型，为分析骑行健身车过程中人体垂向生物力学响应提供了工具。采用的建模及分析方法，也可为体育运动中人体生物力学响应特性分析及自行车竞技研究等提供有益理论参考。

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G804.6

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.24.020

2095－6835（2019）24－0051－02

阚世超（1989—），女，硕士研究生，讲师，研究方向为人体生物力学研究与体育训练。

〔编辑：严丽琴〕