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老年人健身产品创新设计研究

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摘要:基于人机工程学设计的一款健身产品,用于改善老年人下肢肌肉萎缩、流失的情况,使老年人步态稳健,降低由于平衡能力的不足引起摔倒的概率。通过用户调研了解目前用户对于增加下肢肌肉力量的需求,并对调查结果进行分析,对不同的健身器材以及使用方式进行实验对比。通过调研以及实验得出结论被试者更倾向选择被动的简易锻炼方式进行健身,相比传统的抗阻训练产品电刺激训练方式更适合体能相对较弱的老年人,得出设计思路,明确设计方向。结合人机工程学设计出一款适合老年人的健身产品。

关键词:电刺激训练;肌肉含量;人机工程学;健身产品

随着年龄的增长,人体各项生理机能都会衰老,肌肉萎缩和退行性生理变化尤为明显。主要表现为骨骼肌体积、肌纤维数量和横截面积减少,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会导致疼痛,肢体僵硬和运动功能下降,肌肉的退行性变化会影响人的代谢功能,严重影响老年人的生活质量[2]。权威研究表明,在导致老年人跌倒的因素中,下肢的肌肉力量占据绝对重要的位置[3],腿部肌肉的无力是导致跌倒的最危险的因素。因此,延缓肌肉萎缩、增加肌肉含量是预防老年人摔倒有效方法。目前能够增强老年人下肢肌肉力量的产品根据使用目的一般分为两大类:一种为医疗康复产品,主要用于加速疏通人体经络,增强肢体力量训练,帮助中风偏瘫的老年人恢复自理,这种产品多数以脚踏车的形式呈现,用户通过脚蹬的方式进行锻炼;第二种则是休闲健身产品,作为体育锻炼的辅助产品,以例如漫步机、蹬力器、健骑机、压腿杠等产品形式呈现。有些老年用户并不明白使用方式,盲目使用健身产品时会出现肌肉拉伤、关节损伤、磕碰等伤害的发生。因此,作为老年人的健身产品,使用过程中的安全性是产品必须具备的要素,此外,经常使用脚踏车进行锻炼会造成膝关节运动性损伤,严重的可能会出现膝关节积液,造成膝关节功能的障碍。所以,从老年人的需求出发,设计出适合老年人的健身产品是十分重要的。本文运用问卷调研与人机工程学的方法,对老年人的健身方式以及使用的健身产品进行了调研分析,设计出能够增强下肢肌肉力量并符合人体尺寸的老年人健身产品。

一、用户研究

(一)调查对象

去养老院进行实地调研,调查对象为60—75岁的老年人,30名男性,30女性,一共是60名,平均年龄为68岁,对有无坚持健身习惯,行走时步态的稳定情况,选择健身的产品,一次健身可持续的时间,健身器材的舒适性与安全性等各方面性能改进需求等5个方面进行了调查调研。

(二)调研结果

对60名调研对象进行调查结果如下:60名调查对象中,40%的人走路时抬腿动作出现障碍,身体呈现拖拉的姿态,步伐距离缩短、频率变慢、速度降低、动作不充分等状况;13%的调查对象每天坚持健身半个小时以上;83.5%的人认为应对现有锻炼腿部肌肉器材的材料进行重新设计,应避免锻炼时与金属材质的健身器材发生无意识的碰撞进而出现安全问题;77.5%的人认为目前的主动进行抗阻训练的健身产品不适合体能较弱的老年群体;90%经常锻炼身体的调查对象选择的健身产品是社区内的公共健身设备,如漫步机、健骑机等简单器械。上述的调查数据显示,经常参加下肢肌肉锻炼的老年人行动更自如,步态更稳健;大多数老年人选择锻炼身体的器材来自于小区或公园的健身器材,但这些器材是对所有群众开放使用的,在结构和功能上并不一定完全适合老年人使用,现有健身产品的坚硬金属材质会给老年用户带来一种不安全感,在使用时需要掌握使用方法及使用姿势等,这些问题会使更多的体能较弱的老年人不愿意选择现有的健身产品,主动选择抗阻训练。

二、老年人需求分析

对老年人健身产品所具有的特性进行分析,本文从安全、使用、心理等方面需求进行分析,归纳总结出需求分析,如表1。通过对老年人的安全需求、使用需求、心理需求及其他需求的分析调研,查阅相关文献得知,传统抗阻训练,利用健身器械产生的重力加速度,长时间抗阻逐渐地增加训练强度来提高下肢肌肉力量[4],抗阻训练是对负荷的时间积累效果,这种增加肌肉力量的效果不明显,而且在肌肉工作时输出功率相对较低。随着年龄的增长,老年人的下肢肌肉流失萎缩,能够负重的重量越来越小,不能够再像年轻人一样采取传统的抗阻训练的方法训练,不正确地使用市面上常见的健身器械有导致骨折或关节磨损的情况发生,所以要寻找一种新的训练方式。通过查阅文献得知电刺激力量训练是一种新兴训练方法,在提高运动员的身体素质方面得到广泛使用。它是一种脉冲电流,通过电刺激产生特定的频率,波形和强度,模拟大脑中发生的神经冲动,并根据人类意识产生肌肉的规则等长舒张或等长收缩,以实现改善肌肉萎缩的训练方法。与主动抗阻训练进行对比,被动式电刺激力量训练的效果、安全性、舒适性、以及使用的可持续性需要进一步实验进行论证。

三、对比实验及分析

(一)实验方案

1.实验对象:调查对象为60-70岁的老年人,5名男性,5名女性,一共10名,平均年龄为64.5岁。2.实验过程:被试者分别以四种不同的方式进行下肢肌肉的训练。四种训练方式分别为:(1)骑单车20分钟;(2)采用电刺激力量法训练20分钟;(3)采用椭圆仪训练20分钟;(4)采用坐式大腿伸展器健身20分钟。每次训练间隔10分钟。图2坐式大腿伸展器训练测试图图3椭圆仪训练测试图图4健身单车训练测试图图5健身单车训练测试图图1流程图3.主观评价:被试者在每组实验结束后分别对四种训练方式的训练效果、舒适性、安全性进行主观评价。主观评价分为1-10共10个等级,“1”表示各项指标非常不满意;“10”表示各项指标非常满意。4.实验设备:健身自行车、坐式大腿伸展器MB30、椭圆仪、电刺激力量训练装置,实验过程如图2为坐式大腿伸展器训练测试图,图3为椭圆仪训练测试图,图4为健身单车训练测试图,图5为电刺激力量训练测试图。

(二)实验结果

通过本次实验得出4种健身产品的主观评价评分平均值分别为:

(三)研究方法

将每种锻炼方式主观评价得分相加得出平均值,其中将主观评价得分按不同分类相加得出平均值。其中代表4种健身产品的安全性主观评价评分的平均值;、、、代表4种健身产品的效果主观评价评分的平均值;、、、代表4种健身产品的舒适性主观评价评分的平均值;、、、代表4种健身产品的可持续使用时间的主观评价评分的平均值。根据以上数据绘制出柱状图。其中如图6所示是安全性柱状对比图;如图7所示是健身效果柱状对比图;如图8所示是舒适性柱状对比图;如图9所示是可持续性柱状对比图。

(四)实验结论

由柱状图对比可以清晰地得出结论:采取被动的电刺激锻炼方式的安全性较强;电刺激力量训练的效果也是非常可观的;电刺激训练的舒适性优于传统的抗阻训练;电刺激训练方式的主要优点在于仅作用于需要增肌的局部、外周,而不会造成全身疲劳,解决了高强度肌肉力量训练中负荷与身体恢复之间的矛盾,消除了其他人体系统的疲劳,并能最大限度地发挥肌肉活跃性。与抗阻训练方法相比,电刺激训练方法可以较长时间保持肌肉收缩和舒张。力量损失缓慢、消耗能量较少,使用人员在感到疲劳之后仍然能够坚持训练。本实验注重用户体验,为老年人的健身产品的设计提供了理论依据。

四、老年人健身产品的创新设计

(一)技术基础:肌肉电刺激(ElectricalMuscleStimulation,以下简称EMS)的原理。就是模仿人体大脑生物电信号激发肌肉的运动,EMS设备向人体输送微小的电流信号,微小的电流信号频率在40Hz到2500Hz范围,通过电流的方式为肌肉群负重相当于在每个肌肉群上挂了不同重量的沙袋。传统的健身方式要刺激到深层的肌肉群至少需要一个小时,而EMS这种健身方法在微小电流的作用下,同时刺激浅层肌肉群和深层肌肉群,最大优势在于高效、短时。EMS为使用者提供了一种无负荷的健身方式,这样就可以避免传统健身方法对膝关节造成的损伤或由于使用方式不当造成肌体损伤。最早是1786年意大利医生和动物学家LuigiGalvani在青蛙实验中发现的,后来被用来防止航天员在长期无重力情况下发生肌肉萎缩以及运动员的日常训练。人体将这些微小的电流信号自动识别为人体生物电信号刺激肌肉收缩舒张运动,以达到增强肌肉的目的。选择现有成熟技术避免出现新的技术问题,技术路线图如图10所示。

(二)产品设计定位

1.产品的使用环境:正常工作环境、家庭环境,并且便于携带;可实现在任意场合使用,不受时间空间限制,可随时随地进行锻炼,简化整个锻炼过程。2.功能定位:(1)整体采用柔性材料,使产品与下肢皮肤紧密贴合,打开装置即将电信号传递给下肢肌肉,对肌肉进行训练,在使用产品的同时还可以跟同伴聊天以及读书看报等,提高训练过程中的趣味性和时间的利用率。(2)应用低频电流引起肌肉收缩或松弛,电波刺激神经系统模拟大脑信号刺激肌肉运动。(3)根据用户实际情况选择适合自己的训练频率强度达到提高下肢肌肉力量的效果。(4)可充电设计,方便外出携带;体积小占用空间较小。(5)电刺激训练过程中变换频率一方面是为了避免枯燥,另一方面是因为长时间保持同一频率会使神经肌肉系统产生适应。(6)使用时间随训练阶段递增即为了遵循渐进性原则。

(三)产品的功能原理设计

此款健身产品整体由硅胶片、电机盒、磁扣、导电银网、水凝贴片组成。用户只需要把本产品贴于下肢小腿皮肤处。人为操控打开启动装置并选择合适的使用频率,产品系统将电信号传导到磁扣处并经过导电银网以及水凝胶片传递到小腿肌肉处,肌肉或肌腱接受到外源刺激后,促进肌纤维进行反复的收缩和舒张状态,达到增加肌肉力量的目的,同时还会增加神经肌肉协调能力、姿势控制的稳定能力,促使肌肉恢复活跃度,从而达到延缓肌肉萎缩的目的。产品的运行原理图如图11所示。

(四)产品外观设计的深入分析

本产品的定位具有便于携带、使用较为柔软材料等特点,结合产品的用途为刺激下肢的肌肉群以达到增肌的效果以及作用部位,深入分析了人体小腿的形状特点,不同的人的下肢尺寸略有差异,胖瘦不同的人、性别不同的人下肢尺寸也有差异。因此要设计成大小可调节以适应不同用户的需求,本产品的外型定位于人体的小腿的轮廓形状,最外层具有可调节大小的魔术贴设计,采用“一片式”结构,可以与用户的下肢皮肤紧密贴合。准确地将电信号传递给肌肉引起收缩或舒张运动。使整个产品包裹在小腿肌肉处,实现肌肉的训练目的。

(五)人机尺寸分析

在设计时考虑人机工程学的因素。通过查阅资料,国家标准GB1000—1988《中国成年人人体尺寸》中男性的最大年龄为60岁,女性的最大年龄为55岁,缺乏60岁以上的老年人尺寸标准,因此,GB1000-1988标准中的尺寸不能作为设计参考[5]。通过查阅文献中北京地区老年人的人体测量,对65岁以上的老年尺寸进行了总结,得出相应数据,我国男性小腿加足高长度第15百分位为369mm,第50百分位为408mm,第95百分位为442mm;女性小腿加足高长度第5百分位为306mm,第50百分位为377mm,第95百分位为412mm[6]。根据以上数据,通过函数公式计算并取平均值,其计算结果为:男性小腿加足高平均长度为404mm,女性小腿加足高的平均长度为360mm,所以要设计满足不同老年用户的健身产品的长度定位为382mm,经查阅资料得知,人体小腿维度为身高的17%-21%,上宽度的尺寸数值为350mm,下宽尺寸为180mm可以根据个人的小腿维度进行调节。老年人健身产品三维建模图如图12,老年人健身产品细节图如图13所示。

总结

本文通过查阅大量文献,针对当下老年人所面临的普遍问题,利用用户研究和实验的方法来研究老年人普遍面临的问题,开展设计并对产品的人机尺寸进行的分析,对老年人使用健身产品时产生的问题进行用户调研和实验分析,基于人机工程学的原理设计出一种老年人用于增强下肢肌肉力量的健身产品,能够降低老年人出行时走路不稳进而摔倒的概率。本设计改善了传统抗阻训练的体能要求高,需要掌握使用时的基本的运动学知识,锻炼后恢复时间久等缺点,符合老年用户的健身需求。符合人机工程学以人为中心的要求与理念。由此可以看出,人机工程正在用其强大的理论基础影响人们的工作、学习和生活,只有通过认真的思考和研究,才能设计出更好的产品,更受用户的欢迎的,不断改善和提高人们的生活质量。

作者:金信琴 张蒙 单位:哈尔滨理工大学机械动力工程学院

老年人健身产品创新设计研究责任编辑:张雨    阅读:人次