基于人機(jī)工程學(xué)的自行車(chē)騎姿改進(jìn)設(shè)計(jì)

1、基于人機(jī)工程學(xué)的自行車(chē)騎姿改進(jìn)設(shè)計(jì)自行車(chē)騎姿是由騎乘者與自行車(chē)的把手、鞍座以及腳踏板的相對(duì)位置來(lái)決定的。騎乘者的手、愕部、腳在車(chē)上的相對(duì)位置決定了騎行的舒適程度和騎行的效率。從人機(jī)工程學(xué)觀點(diǎn)出發(fā)，要提高自行車(chē)騎行時(shí)的舒適性，應(yīng)該合理定位把手、鞍座以及腳踏板三者之間的位置，讓騎行者在騎行過(guò)程中身體各部位盡可能處于自然狀態(tài)。一.與自行車(chē)騎姿相關(guān)的因素分析正確的騎姿可以提高騎行效率，使騎行不易產(chǎn)生不適和疲勞，同時(shí)還能降低危險(xiǎn)發(fā)生的幾率。與自行車(chē)騎姿相關(guān)的因素主要有：(1)車(chē)把與鞍座之間的相對(duì)位置£二fHS二坐骨結(jié)節(jié)交叉途.性資正窄里姿1W200300-UJ0座面寬度(mm)圖1坐姿下的座面

2、力分析車(chē)把與鞍座之間的相對(duì)位置決定了騎乘者上半身的姿勢(shì)。車(chē)把過(guò)低會(huì)使騎行者的上肢承受很大的靜壓，時(shí)間稍長(zhǎng)手臂和手掌易發(fā)生疲勞，同時(shí)過(guò)低的上身也會(huì)壓迫腹部，但力容易傳遞到車(chē)。提高車(chē)把高度可使背部彎曲度變淺，可以避免對(duì)腹部的壓迫，但力不易傳遞到前輪。所以良好的騎姿可使騎乘者脊柱接近正常形態(tài)。在腰部增加適當(dāng)?shù)目勘晨梢愿纳沏挡渴芰?，維持脊柱的正常形態(tài)，并有利于腿部蹬力的發(fā)揮。(2)鞍座與腳踏之間的相對(duì)位置鞍座與腳踏之間的相對(duì)位置直接影響蹬踏方式，由鞍座相對(duì)中軸軸心的位置和曲柄長(zhǎng)度決定。鞍座相對(duì)中軸軸心的位置是決定下肢肌肉群的肌力能否有效利用的一個(gè)關(guān)鍵，即是影響踏力和踏速能否獲得最佳配合的關(guān)鍵。鞍座的位

3、置由鞍座的高度和坐管傾角共同決定。鞍座的高度與胯高關(guān)系緊密。大的坐管傾角使騎乘者重心靠前，有利于高速騎行，但不能長(zhǎng)時(shí)間騎行。曲柄長(zhǎng)度決定了大腿骨的運(yùn)動(dòng)角度和有關(guān)肌肉群的收縮程度。過(guò)長(zhǎng)的曲柄將引起肌肉的過(guò)度伸長(zhǎng)和過(guò)度縮短。曲柄過(guò)短將使寶貴的肌肉收縮力不能被充分利用。(3)鞍座當(dāng)人坐在坐墊上時(shí)，與坐墊接觸最緊密的是坐骨結(jié)節(jié)。坐骨結(jié)節(jié)處是人體最能承受壓力的部位，在這兩個(gè)點(diǎn)周?chē)s250mm2范圍承受人體約70%的重量，其受力情況如圖1。車(chē)座后端寬度過(guò)小就會(huì)使坐骨結(jié)節(jié)處于鞍座邊緣或緊貼邊緣的位置，導(dǎo)致身體重量落到會(huì)陰上。適當(dāng)加寬車(chē)座后端，有助于增大坐骨結(jié)節(jié)與坐墊的接觸面積，充分發(fā)揮坐骨結(jié)節(jié)承載能力，使壓

4、力遠(yuǎn)離控制會(huì)陰血液的血管和神經(jīng)。二.現(xiàn)行騎姿人機(jī)特性分析(1)蹬踏運(yùn)動(dòng)假定蹬踏力F豎直向下，如圖2所示，當(dāng)踏板處于最高位置A和最低位置C時(shí)，蹬踏力F通過(guò)中軸軸心，此時(shí)力臂d為零，力矩M=Fxd也為零，F(xiàn)不做功，無(wú)法驅(qū)動(dòng)自行車(chē)前行。位置A和C分別為上死點(diǎn)和下死點(diǎn)。從A點(diǎn)到C點(diǎn)，蹬踏力F可分為F1(與曲柄垂直)與F2(沿曲柄軸線)兩個(gè)分力。分力F2通過(guò)中軸軸心，只有F1做功。此時(shí)，力矩M=F1><d。因此，要獲得更大的力矩，就應(yīng)該增大F1。由此可知，要提高騎行效率，腳的用力方向應(yīng)盡量與曲柄垂直。c圖工履珞運(yùn)動(dòng)的受力分析圖3怵闌車(chē)膻姿(2)休閑車(chē)騎姿圖3為休閑車(chē)常見(jiàn)騎姿。在這種騎姿下騎行

5、者上體稍向前傾,前傾的騎姿改變脊柱的自然彎曲為后凸，時(shí)間一長(zhǎng)容易引起背部酸疼。手臂除了控制行進(jìn)方向外，還要承受部分體重，靜態(tài)受力加速了手臂及肩關(guān)節(jié)的疲勞。落在鞍座上的體重由會(huì)陰和愕部共同承擔(dān)，為了防止騎乘者從鞍座上滑下，鞍座通常向后仰一定角度，這導(dǎo)致會(huì)陰與鞍座之間的摩擦加劇，危害騎乘者的健康。由人機(jī)工程學(xué)可知，人在垂直平面內(nèi)界限在標(biāo)準(zhǔn)視線以上30和標(biāo)準(zhǔn)視線以下40°,站立時(shí)人的自然視線低于標(biāo)準(zhǔn)視線10°,坐著時(shí)低于標(biāo)準(zhǔn)視線15。所以在這種騎姿下騎乘者脖子需后仰2030°以看清道路。三.自行車(chē)騎姿的改進(jìn)設(shè)計(jì)由人機(jī)工程學(xué)知，在肢體活動(dòng)的最大角度范圍內(nèi)存在一個(gè)舒適的調(diào)節(jié)

6、范圍，是指人體處于某種姿勢(shì)時(shí)對(duì)應(yīng)的關(guān)節(jié)處于舒適的調(diào)節(jié)范圍。舒適調(diào)節(jié)范圍對(duì)人機(jī)界面的工效設(shè)計(jì)影響甚大。在自行車(chē)騎姿設(shè)A,3圖4設(shè)計(jì)參數(shù)體尺寸為基礎(chǔ)，以蹬踏關(guān)節(jié)處于舒適的活動(dòng)點(diǎn)，來(lái)確定影響騎姿的間的相對(duì)位置，以提高計(jì)時(shí)應(yīng)以人的用力階段范圍為出發(fā)三個(gè)部件之騎行的舒適性。具體的設(shè)計(jì)參數(shù)為圖4中的M、N、H、To(1)鞍座座面稍向后傾，可防止騎乘者從鞍座上滑下，同時(shí)使得人體與腰靠的接觸面積增大，騎乘者的上體體重由鞍座和腰靠來(lái)承擔(dān)，減小對(duì)手臂的壓力，體重由鞍座和腰靠來(lái)承擔(dān)，減小對(duì)手臂的壓力，讓騎乘者感覺(jué)更安穩(wěn)。工作椅座面傾角一般小于3°,實(shí)際計(jì)算時(shí)可取2o靠背與座面的夾角小于90會(huì)讓騎乘者腹部受

7、壓，太大會(huì)讓人處于松弛狀態(tài)，容易釀成交通事故，綜合考慮可取靠背與座面的夾角為98°。這個(gè)角度既可以使上體略向后傾，人體重量由鞍座和靠背共同來(lái)支撐，同時(shí)可保持脊柱的正常自然形態(tài)和良好的視野。(2)中軸與鞍座之間的相對(duì)位置中軸與鞍座之間的相對(duì)位置由圖4中的H和T來(lái)確定。其中A為坐骨結(jié)節(jié)與鞍座的接觸點(diǎn)，B為把手抓握的中心點(diǎn)。根據(jù)大腿、小腿的尺寸以及讓各關(guān)節(jié)在蹬踏的工作階段處于舒適角度范圍內(nèi)可以計(jì)算出中軸與鞍座之間的相對(duì)位置。(3)把手與鞍座之間的相對(duì)位置把手與鞍座之間的相對(duì)位置由圖4中的M和N來(lái)確定。根據(jù)上肢的尺寸和舒適的手臂姿勢(shì)可以計(jì)算出把手與鞍座之間的相對(duì)位置范圍。(4)設(shè)計(jì)計(jì)算方法假

8、定座面的后傾角為2,靠背與座面的夾角為98°。如圖5所示，首先假設(shè)手、腳和軀干都是剛性結(jié)構(gòu)。01為中軸軸心，O1A為曲柄的軸線。L0為曲柄長(zhǎng)度，L1為大腿長(zhǎng)度，L2為為脛骨點(diǎn)高加修正量再加上腳蹬厚度的一半。01為軀干軸線與大腿軸線間的夾角，02為大腿軸線與小腿軸線間的夾角，0夾角，0為O1O2與垂直線之間的夾角,角為04=180-2-98=80。在騎自行車(chē)的時(shí)候，騎乘者的上體幾乎處于靜止?fàn)顟B(tài)，大腿在一定的角度范圍內(nèi)擺動(dòng)，腳繞中軸軸心做圓周運(yùn)動(dòng)，并帶動(dòng)小腿運(yùn)動(dòng)。由此，下肢可簡(jiǎn)化成由0102、O1A、AB、BO2組成的四桿機(jī)構(gòu)，其中O1O2固定。3為大腿軸線O1O2之間的軀干軸線與水平線

9、之間的夾主要階段下肢示意圖在從上死點(diǎn)到下死點(diǎn)的過(guò)程中，當(dāng)腳處于上死點(diǎn)時(shí)，如圖6所示，01取得最小值，02取得最小值；當(dāng)曲柄與O1O2共線時(shí)，0取得最大值；當(dāng)腳處于下死點(diǎn)時(shí)，01取得最大值。與自行車(chē)騎乘相關(guān)的人體關(guān)節(jié)舒適角度為：肩關(guān)節(jié)3590°、肘關(guān)節(jié)95180°、膝關(guān)節(jié)60130°。如圖6死點(diǎn)時(shí)，膝關(guān)節(jié)取得最小值，即02min=60°,可求得L最小值。Lmin2=L12+（L0+L2）2-2L1（L0+L2）COS02min如圖7曲柄與O1O2共線時(shí)，膝關(guān)節(jié)取得最大值即82max=130°,可求得L最大值（Lmax+L。）2=Li2+L22-2

10、LiL2COS02max在圖6的4O1BO2中，當(dāng)L取Lmin時(shí)，03取得最大值93max；當(dāng)L取Lmax時(shí)，03取得最小值03mincose3=Li2+L2-(L0+L2)2/2LiL當(dāng)踏板處于死點(diǎn)時(shí)，大腿與上體之間的夾角為最小值，取為95可避免壓迫腹部，由上式求得的03的最大值和最小值帶入下式可求得9min和9max9=270-04-01min-03進(jìn)而確定T和HT=sin0xLH=cos0xL-65(65為大腿厚度一半)4設(shè)計(jì)實(shí)例以50%男性的人體測(cè)量數(shù)據(jù)為例來(lái)計(jì)算調(diào)整后的鞍座、中軸、把手之間的相對(duì)位置。按設(shè)計(jì)計(jì)算方法計(jì)算，得計(jì)算結(jié)果為：M取值范圍為400435mm;N取值范圍為338400mm;H取值范圍為485537mm;T取值范圍為189334mm。通過(guò)驗(yàn)證，當(dāng)M、N、H、T在以上各自的取值范圍內(nèi)取值時(shí)，各關(guān)節(jié)都在與自行車(chē)騎乘相關(guān)的人體關(guān)節(jié)舒適角度范圍內(nèi)。5結(jié)束語(yǔ)本文結(jié)合與騎姿相關(guān)的因素，分析討論了現(xiàn)有騎姿人機(jī)特性，給出了重新確定了中軸、鞍座、把手之間的相對(duì)位置的方法。調(diào)整后的騎姿在騎行過(guò)程中各關(guān)節(jié)處于舒適的角度范圍內(nèi)；鞍座設(shè)計(jì)可防止騎乘者從鞍座上滑下，上體的體重由鞍座和靠背來(lái)支撐，減少對(duì)會(huì)陰的壓力以及手的負(fù)擔(dān)，手操縱行駛方向，腳踩踏板驅(qū)動(dòng)自行車(chē)，各部分分工明確；挺直上身、獲