桨柄设计对模拟龙舟划船过程中肌肉活动、主观不适感及表现的影响

《Applied Ergonomics》：Effects of paddle handle design on muscle activity, subjective discomfort, and performance during simulated dragon boat paddling

本研究通过表面肌电信号和主观评估，系统比较了四种商业龙船桨手柄对上肢肌肉活动、手部疼痛分布及划桨性能的影响。结果表明手柄横截面尺寸和几何连续性显著影响肌肉激活水平与疼痛分布，其中大尺寸连续型手柄能有效降低肌肉负荷和局部不适。摘要采用多维度评估方法，为龙船桨手柄的人机工学优化提供了实验依据。

　　

朱慧娟|周美玉|吴宝霞|王毅|蔡伟林

中国华东科技大学艺术、设计与传媒学院

摘要

在长时间且重复性的龙舟训练中，不合适的桨柄设计可能会影响上肢肌肉的活动和用户的主观体验。本研究旨在评估四种市售龙舟桨柄对上肢肌肉活动、主观感知以及在受控测力器条件下的划桨任务表现的影响。二十名受过训练的龙舟运动员在标准化划桨任务中进行实验，同时记录上肢表面肌电图。还收集了主观舒适度评分、手掌疼痛评估和任务表现指标。结果显示，不同桨柄在上肢肌肉活动水平和手掌疼痛分布方面存在统计学上的显著差异。特别是，具有较大横向接触尺寸和更高几何连续性的桨柄在减少上肢肌肉活动和缓解局部不适方面表现出优势。这些发现支持了一种多维度评估方法，该方法结合了生理和感知测量，为龙舟桨柄及其他手持工具的人体工程学优化提供了实验依据。

引言

在以水上划桨为特点的运动中，运动员需要连续且快速地进行推拉动作，同时保持稳定的功率输出。作为运动员与设备之间的主要物理接口，桨柄的几何形状对上肢运动模式、手部稳定性和整体划桨舒适度起着重要作用。例如，Ertel等人（2025年）系统研究了不同桨柄几何形状和个性化人体工程学定制对运动表现、关节运动学和主观感知的影响，进一步突显了桨柄设计在人体工程学研究中的关键作用。龙舟比赛是一项高强度运动，结合了力量产生、节奏协调和团队合作（Gao, 2019年）。在训练和比赛中，运动员需要进行高频、重复性的划桨动作（Ho等人，2013年）。这种高强度和重复性的互动不仅要求高效的力输出，还带来了与长时间握持舒适度和肌肉骨骼适应相关的生理和人体工程学挑战（Ho等人，2009年）。然而，与主要关注流体动力学系统（Gomory等人，2011年）、竞争策略（Shen, 2021年）或训练方法（Yin和Wang, 2019年）的现有文献相比，关于龙舟划桨中桨柄几何形状与人体肌肉骨骼系统之间的人体工程学兼容性的系统研究仍然较少。

现有的人体工程学研究一致表明，握持部件的设计对手持设备的功能表现和用户体验起着重要作用（Dianat等人，2017年）。关键的相关因素包括几何参数（如长度、直径和曲率半径）（Kong和Lowe, 2005年）、表面材料以及手与桨柄接触界面的贴合度（Cupar等人，2021年）已被证明会影响肌肉活动、感知疲劳和操作稳定性（Popp等人，2016年）。在工业环境中的研究，如螺丝刀（Kong等人，2008年）、订书工具（Sengupta和Latta, 2012年）和电动手工具（Khan等人，2023年）表明，不合适的桨柄形状可能导致前臂屈肌（包括尺侧腕屈肌和桡侧腕屈肌）的激活增加（Rossi等人，2015年），从而增加慢性疲劳和累积性肌肉骨骼疾病的风险（Yoo, 2013年）。在运动器材领域，桨柄几何形状与人体生物力学之间的人体工程学兼容性也被证明会影响肌肉活动水平、感知舒适度和操作性能（Bochnia等人，2024年）。例如，Ertel等人（2023年）系统评估了划桨桨柄几何形状对上肢运动学、神经肌肉活动、舒适度和表现的综合影响，为运动人体工程学中的桨柄设计提供了综合性视角。然而，这些发现尚未充分应用于龙舟桨柄的评估，尤其是在结合生理信号和用户体验数据的全面评估方面。

从运动生物力学的角度来看，龙舟划桨时的力量产生主要依赖于肩部、肘部和腕关节的协调运动（He, 2018年）。特别是前臂肌肉（如尺侧腕屈肌和桡侧腕屈肌）以及上臂屈肌和伸肌（包括二头肌和三头肌）在握持桨柄、稳定桨柄和产生推进力方面起着重要作用（Liang, 2023年）。运动生理学研究表明，在高强度和高度重复性的划桨任务中，局部肌肉疲劳会逐渐累积，通常伴随着功率输出效率的降低和感知不适的增加（Borgonovo-Santos等人，2021年；Jardsakul等人，2024年）。从人体工程学的角度来看，运动员的舒适度感知不仅受肌肉疲劳的影响，还受手与桨柄接触压力、手掌接触的均匀性、局部疼痛分布以及它们对划桨节奏的干扰等因素的影响（Bisht和Khan, 2019年）。这些相互关联的因素构成了一个在划桨训练设备设计中经常被简化或处理不足的耦合系统。

近年来，人因工程学和人体工程学研究越来越强调以用户体验为导向的评估，超越了仅关注与表现相关指标的局限，考虑了用户在复杂操作环境中的整体体验，包括他们的生理状态和主观感知（Norros, 2014年）。在这种视角下，生理数据、舒适度问卷、疼痛分布评估和行为表现指标的多源整合成为全面评估交互式工具人体工程学质量的有希望的方法。然而，在龙舟划桨的背景下，尚未有研究系统地整合这些多维数据来源以提供对桨柄设计的全面评估。

尽管有这一新兴趋势，但之前没有研究系统地将这种多源评估框架应用于龙舟桨柄的评估。为填补这一空白，本研究采用了一种多维度评估方法，结合了表面肌电图（EMG）、舒适度评分、手部区域疼痛分布映射和划桨表现指标来评估四种不同的桨柄形状。实验是在受控测力器条件下进行的，由受过训练的龙舟运动员执行标准化划桨任务，从而提高了数据一致性和实验重复性。本研究的主要目标是：（1）比较不同桨柄设计对上肢肌肉活动的差异；（2）量化不同桨柄条件下舒适度和局部疼痛分布的主观差异；（3）研究生理活动指标与主观体验评分之间的关系，以阐明桨柄形状对人与设备交互影响的人体工程学机制。本研究旨在提供实证证据，以支持龙舟桨柄的结构优化，并为水上运动器材的人体工程学评估提供一个以用户体验为导向的框架。

部分摘录

参与者

鉴于龙舟测力器划桨的技术特殊性以及划桨技术的专业技能要求，本研究招募了受过训练的龙舟运动员。共有二十名健康的男性龙舟运动员（10名左桨手和10名右桨手）自愿参与。所有参与者都是右撇子，至少有一年的定期龙舟训练经验，并且至少参加过三次正式比赛。没有人报告有任何当前的健康问题。

神经肌肉募集

图6显示了在不同桨柄条件下，左桨手和右桨手在划桨驱动阶段和恢复阶段时，握桨侧上肢肌肉的平均肌肉活动水平（%MVC）。所有变量的正态性测试结果见附表A.1。总体而言，所有肌肉在驱动阶段的肌肉活动水平始终高于恢复阶段。桨柄形状对...

讨论

现有研究主要关注工具几何形状对舒适度和使用相关表现的影响，这些研究主要集中在工业手工具和传统运动器材上，强调了产品形状、表面摩擦力和力传递路径等物理属性的重要性（Chen和Chang, 2009；Savescu等人, 2018）。基于这些研究，本研究对四种龙舟桨柄进行了多维度评估...

结论

本研究系统地评估了四种市售龙舟桨柄在多个维度上的人与人交互特性，包括上肢肌肉活动、主观舒适度感知、手部疼痛分布和任务表现。结果表明，某些桨柄设计与上肢肌肉活动水平和手掌疼痛分布存在统计学上的显著差异。此外，主观舒适度...

CRediT作者贡献声明

朱慧娟：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，验证，软件，资源，项目管理，方法论，调查，数据分析，概念化。周美玉：撰写 – 审稿与编辑，监督，项目管理，方法论，调查，数据管理，概念化。吴宝霞：验证，监督，资源，调查，数据管理，概念化。王毅：监督，软件，方法论，调查，

资金来源的格式说明

本研究未获得公共、商业或非营利部门的任何特定资助。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

作者感谢华东科技大学的龙舟团队的支持。作者还要感谢所有参与实验的龙舟运动员和教练。特别感谢提供实验设施的教职员工，以及在校研究生在数据收集过程中提供的宝贵帮助。