本文针对当前大健康需求,开展了基于人体生物力学的健身蝴蝶机设计与应用研究,为健身蝴蝶机机架结构自主创新设计提供具有普遍意义的理论参考。全文工作与成果概括如下:1.根据国标中的人体数据库,建立了具有骨骼、关节、骨骼肌及韧带等软组织的人体生物力学模型;以某型号蝴蝶机为载体,依据人机工程相关理论,重新设计了机架结构,并建立了3D实体模型;借助人体生物力学软件Any Body建立了人—蝴蝶机系统耦合模型,并进行了运动仿真。2.根据人体生物力学理论,探究了夹胸动作逆动力学仿真的最佳肌肉募集策略,提高了仿真实验的准确性与合理性;在Crownishield R.D等人提出的肌肉激活度计算方法基础上,提出以人体胸大肌肌肉应力平方和最大作为人体夹胸动作锻炼效果的评价指标。3.将蝴蝶机椅座、力臂和靠背的相对位置作为机架结构设计变量,采用均匀实验法进行实验方案设计,借助所建立的人—蝴蝶机系统模型进行仿真试验,得到一系列不同设计变量组合方案下的特定人体生理参数的胸大肌肌肉应力平方和数值。应用回归分析的方法,建立蝴蝶机结构参数与胸大肌应力平方和之间的数学模型,以肌肉应力平方和最大作为目标函数,优化机架结构参数,得到了使特定锻炼者具有最佳锻炼效果的椅座、力臂和靠背的相对位置。4.依据国标中人体数据,选定了一系列不同身高参数的锻炼者,按照前述方法,进行仿真实验,得到了使不同身高锻炼者具有最佳锻炼效果的机架结构参数,并采用回归分析方法,建立了人体身高参数与最佳蝴蝶机机架结构参数之间的预测方程。5.以特定受试者为例,依据所建立的预测方程制作样机,并利用肌电实验对该蝴蝶机的设计合理性进行了验证分析,归纳总结出健身蝴蝶机的设计方法与流程。本文为蝴蝶机及其他健身器械的自主创新设计提供了一定的理论参考,具有较好的实用价值。