人机工程学课程论文—自行车骑姿分析与改进设计

1、课程论文人机工程学自行车骑姿分析与改进设计指导教师提交日期答辩日期年 月学院名称专业及班级3334445556667710101概述2与自行车骑姿相关的因素分析2.1车把与鞍座之间的相对位置2.2鞍座与脚踏之间的相对位置2.3鞍座24中轴3现行骑姿人机特性分析31蹬踏运动3.2休闲车骑姿4自行车骑姿的改进设讣4.1鞍座4.2中轴与鞍座之间的相对位置4.3把手与鞍座之间的相对位置44设计il算方法5设il实例6结朿语91概述自行车骑姿是山骑乘者与自行车的把手、鞍座以及脚踏板的相对位置来决定的。骑 乘者的手、臀部、脚在车上的相对位置决定了骑行的舒适程度和骑行的效率。从人机工 程学观点出发，要提高自

2、行车骑行时的舒适性，应该合理定位把手、鞍座以及脚踏板三 者之间的位置，让骑行者在骑行过程中身体各部位尽可能处于自然状态。车架是自行车的骨架，在很大程度上决定了自行车的结构和性能，进而决定了自行 车的骑姿和骑行舒适性。现在的车架设计多采用经验法，即以现有的车型为参考来确定 车架的关键参数，在此基础上进行形态创新。这样设计出来的车架延续了以往的骑姿, 未能真正做到设计以人为本。本文从人体尺寸.动作范W以及运动生理等方面出发，改进设计影响骑姿的三大部 件之间的相对位置。改进后的骑姿在身体各部分之间进行合理的功能分配，脚踩踏板驱 动自行车前行，臀部和腰支撑上体的体重，手操纵把手控制前行方向。在此基础上

3、进行 的车架设计能提高骑行的舒适度。2与自行车骑姿相关的因素分析正确的骑姿可以提高骑行效率，使骑行不易产生不适和疲劳，同时还能降低危险发 生的儿率。骑姿设计是自行车设计工作中的一项重要内容。与自行车骑姿相关的因素主 要有:2.1车把与鞍座之间的相对位置车把与鞍座之间的相对位置决定了骑乘者上半身的姿势。车把过低会使骑行者的上 肢承受很大的静压，时间稍长手臂和手掌易发生疲劳，同时过低的上身也会圧迫腹部, 但力容易传递到车。提高车把高度可使背部弯曲度变浅，可以避免对腹部的压迫，但力 不易传递到前轮。从生物力学角度来看，当人体脊柱处于非自然弯曲状态时，会引起椎 间盘压力改变，致使腰部疼痛。所以&好的骑

4、姿应使骑乘者脊柱接近正常形态。在腰部 增加适当的靠背可以改善臀部受力，维持脊柱的正常形态，并有利于腿部蹬力的发挥。2.2鞍座与脚踏之间的相对位置鞍座与脚踏之间的相对位置直接影响蹬踏方式，山鞍座相对中轴轴心的位置和曲柄长度决定。鞍座相对中轴轴心的位置是决定下肢肌肉群的肌力能否有效利用的一个关键,即是影响踏力和踏速能否获得最佳配合的关键。鞍座的位置山鞍座的高度和坐管倾角共同决定。鞍座的高度与胯高关系紧密。大的坐管倾角使骑乘者巫心黑前，有利于高速骑行，但不能长时间骑行。曲柄长度决定了大腿骨的运动角度和有关肌肉群的收缩程度。过长的曲柄将引起肌肉的过度伸长和过度缩短。曲柄过短将使宝贵的肌肉收缩力不能被充

5、分利用。此外，曲柄的长度还直接影响合理的踏速。现在有两种比较流行的确定曲柄长度的方法，一种是从般骨的顶端到地面距离的1& 5%为所需曲柄的长度，还有一种是取为身高的l/lOo2.3鞍座当人坐在坐垫上时，与坐垫接触最紧密的是坐骨结节。坐骨结节处是人体最能承受压力的部位，在这两个点周围约250mn?范圉承受人体约70%的重量，其受力悄况如图1。车座后端宽度过小就会使坐骨结节处于鞍座边缘或紧贴边缘的位置，导致身体重量落到会阴上。适当加宽车座后端，有助于增大坐骨结节与坐垫的接触面积，充分发挥坐骨结节承载能力，使压力远离控制会阴血液的血管和神经。500400坐节珂交叉18坐姿200I正常坐姿-J 0C0

6、 100 200 300 400座面宽度（mm）图1坐姿下的坐面力分析2.4中轴中轴是传动机构，同时承受骑车者的部分体重。中轴高度应根据自行车的使用环境来决定，高中轴自行车适用于凹凸不平的路面，低中轴自行车在失控时具有更大的稳定性。3现行骑姿人机特性分析3.1蹬踏运动假定蹬踏力F竖直向下，如图2所示，当踏板处于最高位置A和最低位置C时，蹬 踏力F通过中轴轴心，此时力臂d为零，力矩M=FXd也为零，F不做功，无法驱动自行 车前行。位置A和C分别为上死点和下死点。从A点到C点，蹬踏力F可分为F1 （与曲柄垂直）与F2 （沿曲柄轴线）两个分力。分力F2通过中轴轴心，力矩等于零，只有F1做功。此时，力

7、矩M=FlXdo因此，要获得 更大的力矩，就应该增大F1。山此可知，要提高骑行效率，脚的用力方向应尽量与曲柄 垂直。在实际骑行过程中，蹬踏力的方向不断改变，蹬踏上死点和下死点的位置不一定在图3休闲车骑姿最高点和最低点处，它们主要山鞍座和脚蹬之间的位置决定。图2蹬踏运功的受力分析3.2休闲车骗姿图3为休闲车常见骑姿。在这种骑姿下骑行者上体稍向前倾，前倾的骑姿改变脊柱 的自然弯曲为后凸，时间一长容易引起背部酸疼。手臂除了控制行进方向外，还要承受 部分体a,静态受力加速了手臂及肩关节的疲劳。落在鞍座上的体重山会阴和臀部共同 虫担，为了防止骑乘者从鞍座上滑下，鞍座通常向后仰一定角度，这导致会阴与鞍座之

8、 间的摩擦加剧，危害骑乘者的健康。山人机工程学可知，人在垂直平面内颜色辨别界限在标准视线以上30和标准视线以下40 ,站立时人的自然视线低于标准视线KT ,坐着时低于标准视线15 O所以在这种骑姿下骑乘者脖子需后仰2030以看清道路。4自行车骑姿的改进设计山人机工程学知，在肢体活动的最大角度范W内存在一个舒适的调节范是指人 体处于某种姿势时对应的关节处于舒适的调节范围。舒适调节范围对人机界面的工效设 计影响其大。在自行车骑姿设计时应以人体尺寸为基础，以蹬踏的用力阶段关节处于舒 适的活动范W为出发点，来确定影响骑姿的三个部件之间的相对位置，以提高骑行的舒 适性。具体的设计参数为图4中的N、H、T

9、。4.1截座座面稍向后倾，可防止骑乘者从鞍座上滑下，同时使得人体与腰黑的接触面积增大, 骑乘者的上体体重由鞍座和腰黑来承担，减小对手臂的压力，体重山鞍座和腰黑来承担, 减小对手臂的压力，让骑乘者感觉更安稳。丄作椅座面倾角一般小于3 .实际计算时可 取2。O鼎背与座面的夹角小于90会让骑乘者腹部受圧，太大会让人处于松弛状态, 容易酿成交通事故，综合考虑可取靠背与座面的夹角为98 O这个角度既可以使上体略向后倾，人体重量山鞍座和黑背共同来支撑，同时可保持脊柱的正常自然形态和良好的 视野。4.2中轴与鞍座之间的相对位置中轴与鞍座之间的相对位置山图4中的H和T来确定。其中A为坐骨结节与鞍座的接触点，B

10、为把手抓握的中心点。根据大腿、小腿的尺寸以及让各关节在蹬踏的工作阶段 处于舒适角度范W内可以计算出中轴与鞍座之间的相对位置。4.3把手与鞍座之间的相对位置把手与鞍座之间的相对位置山图4中的M和X来确定。根据上肢的尺寸和舒适的手 臂姿势可以计算出把手与鞍座之间的相对位置范4.4设计计算方法假定座面的后倾角为2 ,靠背与座面的夹角为98。如图5所示，首先假设手、 脚和躯干都是刚性结构。为中轴轴心，。/为曲柄的轴线。厶为曲柄长度，厶为大腿 长度，厶为为胫骨点爲加修正量再加上脚蹬片度的一半。q为躯干轴线与大腿轴线间的 夹角，2为大腿轴线与小腿轴线间的夹角，4为大腿轴线002之间的夹角，&为qQ与 垂直

11、线之间的夹角，躯干轴线与水平线之间的夹角为2=180。-2。-98。= 80。在骑自行车的时候，骑乘者的上体儿乎处于静止状态，大腿在一定的角度范ffl内摆动，脚绕中轴轴心做圆周运动，并带动小腿运动。山此, 下肢可简化成山OQp O/、AB. BO2组成的四杆机构，其中002固定。tL图5蹬踏用力的主要阶段图6处于上死点的下肢示意图图7 2取得最大值时的下肢在图8中厶为坐姿肩高，厶为上臂长，厶为前臂功能长，可山肘高减去受功能高得到。M取得最小值时，当上臂与下臂在一条直线上时，N取得最小值。将=400代入式（7）求得再把q代入式（8）可讣算得N丽:sin 偲 +10) = Mmin+厶 cos 已

12、厶I +厶(7)min =65 + 厶 sin q - (厶 + 厶)COS(q +10。)(8)N取得最大值时，当上臂与下臂在一条直线上时，M取得最大值。将N脑%=400代入式（9）求得再把q代入式（10）可计算得M加込檢+ 10。）=朋昭+65厶+厶5(9)M 肿 =(厶4 + Is) sin(Q +10)-厶 cos q(10)115设计实例以50%男性的人体测量数据为例来计算调整后的鞍座、中轴、把手之间的相对位置。取厶=170?、厶=465、Ly = 482/wzk 厶=598”、L=33mm L, = 283zz/ o将厶、Emin = 60代入式（1 ）,可得厶血=582?加O将厶

13、、厶、厶、2max=130O代入式（2）,可得厶EH =688加加。= 582皿代入式（3）,可得Gmax =代。max厶max = 688代入式（3 ）,可得&3血=66。O将仇nu/76。代入式（4）,可得九=19。将&3加=660代入式（4）,可得嘔=29。将抵=19、An询=582代入式（5）,可得7=189：代入式（6）,可得刃丽=485 将&nux =29。、=688m代入式（5）,可得7； =334；代入式（6）,可得/加 =537。maxmaxmax将厶、厶、A、M丽=400加加代入式（7）,可得0 = 48。，再将厶、S 厶、q代入式（8）,可得 N丽=338。将厶、S 厶、

14、= 4QQmm代入式（9）,可得6=55% 再将厶、厶、厶、Q代入式(10),可得A/=435o得计算结果为：M取值范围为400-435劝；N取值范圉为338400”力八H取值 范围为485 - 537m/n ； T取值范围为189 334劝.通过验证，当N、H、7在以上各自的取值范圉内取值时，各关节都在与自行车 骑乘相关的人体关节舒适角度范W内。6结束语本文结合与骑姿相关的因素，分析讨论了现有骑姿人机特性，给di7M新确定了中 轴、鞍座、把手之间的相对位置的方法。调整后的骑姿在骑行过程中各关节处于舒适的角度范围内；鞍座设il可防止骑乘者从鞍座上滑下，上体的体重由鞍座和靠背来支撑,减少对会阴的压力以及手的负担，手操纵行驶方向，脚踩踏板驱动