膝关节是人体最大且最复杂、损伤机会最多的关节，近年来，老龄人群中的跌倒问题持续升温，专家分析，膝关节老化是跌倒的主要原因。膝关节老化常常伴随着膝骨性关节炎的发生，炎症造成的病痛将导致老年人活动受限，从而形成了老年人生理机能衰退的恶性循环。而膝关节的合理锻炼可以有效缓解膝关节疼痛，而市场上现有产品对锻炼膝关节没有功能针对性，也没有考虑到运动时膝关节的磨损状况，如果可以结合运动学、工业设计方法学、人机工学、设计一款针对膝关节锻炼、并提供多种运动方式的健身器材，可以有效保护膝关节和延缓膝关节老化，将会减轻很多家庭在医疗费用上的支出，是社会的一大福音。

一、市场调研

（一）问卷调查：300份网上调研问卷显示，大概有90%以上40岁以上的人有膝盖疼的症状，膝关节疼80%的原因是关节型退变和受寒受潮引起的，85%的人都不了解锻炼膝盖的正确方式。并且如果有一款膝关节健身器材可以预防膝关节病变和缓解膝关节疼痛，90%的人愿意购买。

（二）膝关节病因调研：医学资料显示：膝关节疼痛的基本原因是膝关节疾病多为慢性劳损、积累性劳动性损伤，而产生风湿性膝、关节炎、外伤性膝关节炎，如果在20-40岁时可以把膝关节锻炼得很强壮，中年之后膝关节大多没有问题，如果年轻时候没有运动，那么进入中年之后应该采取非负重运动，再慢慢过渡到负重运动，那样膝关节不易受到损害，如果膝关节已经出现疾病，康复治疗是一种保守治疗的方法。想办法消除关节的炎症缓解疼痛和肿胀，给软骨增加营养促进其代谢和自我修复，最重要的锻炼肌肉使肌肉更加有力量，保护膝关节、让关节更稳定，减少软骨的进一步磨损[1]。

（三）市场上现有膝关节健身产品调研：市场上的膝关节保健产品大致分为动学辅具和理学辅具两大类，而科学研究显示：理学辅具（艾灸仪、关节按摩仪）等职能对膝盖疼痛起缓解作用，没有实质性的增强膝关节活动的能力。而运动学的方式是最为安全有效的，可以通过锻炼肌肉增强膝关节稳定性。现有国内对膝关节有益的健身器材常以训练功能多少来分为单功能和综合型多功能两大类，常用的有划船器、健身车、健步机、跑步机、椭圆机，这些健身器材受众人群大都是针对于热爱健身的年轻人士，大多操作都是针对上下肢的运动，并且在设计上没有考虑到锻炼方式对膝关节的磨损。结构和交互界面都相对复杂，安全性欠缺、只能做单一的动作。例如（如图1）所示，这是一款家用的磁控健身车。专为中老年人设计，它的优点是可为零肌力或者弱肌力的高龄用户提供上肢或者下肢的肌力和协调性训练，全面提高心肺功能[2]。与常用的健身车相比，磁控阻力车对人们的伤害较小，因为它可以通过磁控轮来控制阻力，从而达到调节运动强度的目的。目前我国市场上针对老年人群体生理心理需要的健身器材仍在起步阶段，特别是针对于膝关节的老年人健身器材少之又少，我国健身器材制造商蓬勃发展，但在设计方面，尤其是针对特殊群体的产品设计需要更多依赖发达国家的经验，急需真正符合国人的体质、关节状态、精神需求、运动习惯的设计。

二、设计定位

（一）研究方法及设计依据：用户调研：为了获取到膝关节应当如何正确地保护和锻炼的科学依据，对医院进行了为期一个月的实地调研，以黑龙江哈尔滨211解放军医院为例，在医院对正在使用健身车锻炼大腿肌肉的病人采访（如图2）所示，医生表示这种蹬单车的姿势可以锻炼腿部前方的股四头肌和后侧的腿后肌，股四头肌是保护膝关节的重要肌肉。有意识地加强大腿股四头肌的锻炼，可使肌肉运动协调和肌力增强，有助于减轻关节症状，保持和增加关节活动的范围及提高日常活动能力[2]。另外一款康复膝盖的仪器（如图3）所示，是患者坐在股四头肌训练椅上，腘窝贴近椅子的边缘，躯干保持正直，双手扶在两边的扶手上，调节内侧阻力杆的加压垫置于小腿的中下1/3处，固定患腿，在外侧阻力杆上增减适当的重量，患者用力伸膝到最大限度，然后再缓慢放下，如此反复进行，这样的操作方式也是锻炼股四头肌，强化股四头肌可增加肌肉和耐力，有助于更好地稳定膝关节和吸收震荡。

（二）动作设定：经过查询骨科以及医科学资料显示，对膝关节保健有好处的运动，首选是尽量做无负重的运动，例如游泳（水中的浮力可以减轻负重），以及坐位或者卧位式蹬自行车，坐姿前抬腿等，此类运动对膝关节磨损较小，还有靠墙静蹲，腿部伸展、屈伸、等运动，这些运动可以强化膝关节周围的肌肉群，从而使膝关节更加稳定，并且由于膝关节是一个屈伸关节，只有在屈伸运动时，循环才是良好的，所以不能保持一个姿势稳定，所以选取了“骑自行车”以及“腿部屈伸”运动两个运动姿势。膝关节保健动作归纳图以及虚线框选图所示。

（三）人群定位：中老年人、爱好健身的人士。

（四）造型定位：造型定位尽量采用亲切柔和的曲线形态，结构支撑杆等方面为直线形态。研究方法：5W1H法以及缺点列举法：提出问题以及需求，然后进行归纳、分析，明确设计目的和设计方向，列出现有对膝关节锻炼有利的健身器材的操纵方式，运用设计方法中的组合法进行结合尝试，最后考虑到结构合理性、易操作性、宜人性等几个方面，选取了“蹬自行车”和“屈伸腿”两种运动方式。草图绘制：将各种对膝关节有利的运动姿势以及相关产品画出来，通过合理的结构设计来实现这些动作（最少两个），外观造型以圆润，柔和的曲线线条为主。三维建模以及工程图制作：依次进行三维建模、渲染模型，工程图制作，大体模型制作），三维建模的依据主要是结合产品形态设计、结构设计，还有人体尺寸设计进行产品犀牛建模，犀牛建模需要遵守以下几点原则：（1）要有准确的外形轮廓：在这个阶段要强调准确性，没有准确的外形轮廓就不可能有正确的产品效果。（2）分清细节层次：在满足结构要求的前提下，应尽量减少模型的复杂程度。（3）灵活选用建模方法：由于在犀牛建模系统中提供了多种建模方法，这些方法都有各自的优缺点及适用范围。膝关节健身器材的尺寸按照人体尺寸标准来建模，产品建模以及尺寸数据所示。

三、膝关节健身器材的创新设计

（一）造型与色彩

1.造型设计：此款膝关节健身器材属于家居类运动产品，它是集实用性和审美性为一体的，对其造型设计的研究就有别于纯粹的美学艺术的研究，不能过分追求造型的修饰性，在造型设计上选取了简单的几何形体的切割、组合。设计几何学在家居用品设计中十分常见，其存在使家居产品在保证功能的同时，追求造型的简洁和美感，减少了用料和加工时间，从而达到低碳理念的要求，是一种极简的造型语言[3]。整体造型设计简洁大方，圆润柔和具有亲切感。

2.色彩设计：此款健身器材的设计主要采用的灰白经典色搭配，可以适应不同的家居环境，选取了饱和度较低的色彩是因为饱和度高的色彩往往会给老年人的心理和生理产生一定的影响，比如心跳加快等情况、这属于不自然情绪的范畴[2]。饱和度低的色彩设计给人们一种安详舒适的感觉，更加贴近产品与人之间的距离。整体造型与色彩设计所示。

（二）结构和功能

1.结构：此款膝关节的健身器材由磁力健身车和磁控划船器组成的，原理上可以通过前端的一个磁力轮实现，转换方式为同轴转动，当健身器为健身车状态时，右侧用螺栓固定，把螺栓拧开，人坐在座椅上可以坐蹬自行车的运动，当转换为划船器状态时，把螺栓拧开，即可旋转放下滑轨和座椅，人坐在座位上，依靠腿部发力使座椅通过滑轨装置滑动，做腿部伸缩运动。为同轴转动结构。

2.功能以及使用方式：此款膝关节的健身器材由磁力健身车和磁阻划船器组成的，在功能方面使用该健身器材时，使用者可以坐在座位上，两手把着前方的感应杆，双腿放在脚踏板上，开始做360度旋转运动，此种方式可以锻炼大腿的股四头肌以及、臀大肌、大腿后肌、小腿上的比目鱼肌和腓肠肌等众多肌肉群。稳定膝关节，当处于划船器状态时，人坐在座椅上，手握划船杆，两腿放在前方脚蹬上，通过滑轨滑动坐面开始做划船运动，这个姿势即为腿部伸展运动，可以刺激分泌润滑液，伸展拉长的腿筋及髌股关节，有利减少膝损伤的机会。前方的界面可显示人的心率数值，还可以针对不同人的体质调整健身车的阻力，对人们的膝盖磨损度较小，使用方式所示。

3.材质：由于该膝关节健身器材圆润的造型，考虑到生产性，主要材质应为ABS材质，加工工艺为注塑成型。滑轨以及座椅的支撑架不锈钢材质，因为不锈钢材质具有良好的承重能力，并且重量轻，可以方便人们移动，抗腐蚀。使用寿命长。座面材质为纺织材料，因为纺织布料摩擦力较大，坐上去较稳固不易滑倒，并且透气性好。

4.人机尺寸设计：各种机械，设备、设施和工具等设计对象在适合于人的使用方面，首先涉及的问题是如何适合于形态和功能范围的限度[5]，此款健身器材要涉及的人机尺寸主要涉及到“坐姿眼高”、“臀部宽度”、“膝盖高度”、“腿弯高度”、“臀部至腿弯长度”等。其中“膝盖高度”、“腿部至脚后跟长度”、“臀部宽度”由于涉及到间距问题，应该取第95百分位，“腿弯高度”、“手臂平伸手握距离”应选取第5百分位，这样能适应绝大部分的人。查阅人体尺寸百分位数据得出产品的详细尺寸所示。总结此款膝关节健身器材的设计充分考虑到膝关节的构造，结合创意设计学和人体工程学，通过同轴转动的结构提供两种锻炼膝关节的正确方式，分别为“坐姿蹬车”、“坐姿划船”。人们通过这两个姿势的锻炼可以使膝关节的周围的肌肉强劲、稳定和保护膝关节。缓解现代社会人们因膝关节退变、膝关节疼痛而造成的行动不便、活动受限等问题。整体设计结构简单合理、便于操作。具有实践意义。

参考文献

[1]李宽俊.浅谈膝关节疼痛的康复治疗[J].世界最新医学信息文摘，2017，17（94）：176，180.

[2]杨爱慧.老化预防与老年健身产品设计体系构建研究[J].设计.2017（19）：13-15.

[3]翁习生.走出运动误区，科学保护膝关节[N].人民日报，2006-10-11（012）.

[4]侯南菁.设计几何学在产品造型设计中的应用[J].设计.2018（07）：44-45.

[5]石元伍.基于人因工程学的老年人户外太空漫步机设计[J].设计.2017（23）：110-111.

[6]丁玉兰，人机工程学[M]．第四版，北京：北京理工大学出版社，2010.

作者:张莉 刘卓瑛 单位:哈尔滨理工大学