自行车鞍座的人机工程设计Word下载.docx

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而鞍座作为构成自行车的重要组成部件，其设计的合理性，舒服性及美观性就会严峻的阻碍着购买者的购买欲望，阻碍骑行者骑行时的安全和躯体的各项组织结构。

中国以“自行车王国”著称于世，自行车曾经在专门长一段时刻内成为中国老百姓要紧交通工具。

尽管现在我国自行车产量，出口量均占世界总量60%以上，国内消费量也居世界第一，然而我国生产的自行车仍旧存在着专门多的问题[1]。

比如：

长时刻骑自行车的人会感受到腰酸背疼，腹部坠胀，阴部胀疼和显现腱鞘炎等症状。

针对以上各种情形，课题从人机工程的角度对自行车的鞍座进行分析，同时提出了自己的改进方法和设计理念。

1.2国内外研究现状

目前，自行车的鞍座和把手的改进和设计要紧是从人因工程入手。

随着运算机技术的进展，普遍采纳的改进和设计理念是利用人体工效学和人体解剖学的知识同时结合着反求工程进行曲面建模。

由于我国的工业工程起步较晚，因此与国外对自行车的鞍座和把手的改进和设计依旧存在着一定的差距，许多国内的自行车生产商尽管意识到人因工程这一方面的知识对自行车设计和改进的重要性，然而他们却专门少将自行车的改进和设计落实到实处，仅仅只是从自行车的外观入手或者直截了当购买国外的自行车设计方案，并不考虑外国人的人体测量数据和中国人是不同的，单纯的进行傻瓜式的生产。

针对中国自行车行业存在的这些问题，我国的部分高校，研究所等单位差不多开始运用人因工程学的知识进行自行车的改进和设计。

2004年，宁波大学尹玲从人机工程学的角度分析了造成机不适于人的因素，对部分零部件进行改进，和谐自行车整体，同时为自行车生产商提供了有意义的参考数据[3]。

2005年，黄海波、丁玉兰以人机工程学、医学、力学和美学等学科的理论为依据，对鞍座进行了全方位综合研究，得出较为科学的自行车鞍座设计方法，并在此思想基础上设计了自行车鞍座的创新方案[4]。

2006年，四川大学李霞通过对鞍座的人机工程学和相关理论的研究，设计出了多种创新式的自行车鞍座[5]。

2006年，四川大学张巾爽运用人体测量学、躯体运动学等理论、成果，参照相应的国家标准，提出设计思想设计方法，研究设计出符合人机系统适配理念的自行车座位及把手设计，为设计者进行人机系统适配设计提供有效的辅助工具[6]。

2006年，昆明理工大学林霜结合人机工程学的理论及人机分析软件-MannequinPRO人机仿真系统软件。

对人骑行自行车的姿势进行了分析，总结出阻碍骑姿的要紧因素:

车架形状与车架大小、车把与鞍座之间的相对位置和鞍座与脚踏之间的相对位置等。

然后，从人机学和医学等角度分析现有自行车设计中所存在的不合理部位，如自行车鞍座的高度、宽度和座面倾角等；

车把的高度、宽度、把套形状、把手弯度和闸把的位置，并进一步提出了自己的改进意见[7]。

2007年，西安交通大学张海青从人因工程学角度，运用人体测量学、躯体运动学的理论对现有一般自行车的鞍座和把手存在的的一些不符合人体工效学要求的缺陷进行了分析，同时提出了自己的改进意见[1]。

美国的SPiderflex公司运用人机工程学设计出Spider自行车鞍座，从而真正解决了鞍座设计缺陷导致人体的生理压力以及心理压力[8]。

美国MOONSADDLE公司设计的月牙型人机工程鞍座，成功的幸免坐骨生殖区的压迫[9]。

新西兰的工业设计工程大学在自行车的效用方面作了研究，提出了自行车设计中必须考虑鞍座的舒服性，必须对骑行者骑行时进行动态测量，必须对手指存在原则的效用性进行分析。

该研究对自行车的鞍座改进设计提供了丰富的理论和数据依据，为制造商生产顾客需求的自行车和富有吸引力的自行车制造了有利的条件，为自行车向人性化进展提供了方向[10]。

德国健康中心—DeutscheSPorthoeheschule和比利时的妇科医学部门—centerHoSpitalieruniversitaireBurgmann在2003年联合研究两种自行车（带洞和无洞）鞍座对女性阴部一定压力。

其对鞍座本身和单位面积所承担的压力等进行了客观受力分析，同时运用Easystat3.4软件对数据进行分析。

最终得出结论建议女性骑带洞的鞍座[11]。

1.3课题研究的内容

针对自行车的鞍座进行人因工程学的分析，并结合着人体测量学和解剖学的知识对鞍座进行改进和设计。

其中人体测量学要紧是运用各地区人群臀部组织的各种数据统计进行鞍座的整体轮廓的设计和鞍座座面的局部造型进而达到满足95%的人群使用。

解剖学的知识要紧是分析与鞍座相接触的各类人体组织形状，从而实现鞍座设计更加的符合人体组织的结构。

利用三坐标测量仪对存在着缺陷的自行车鞍座进行测量并获得点云数据，应用imageware软件进行建模实现鞍座的逆向工程设计。

UG软件的鞍座局部造型则是利用差不多改进和设计好的各项鞍座的数据进行模型的构造，从而最终获得基于人因工程的自行车鞍座。

1.4课题的意义

通过运用人体测量学，人体解剖学的知识对自行车的鞍座结构进行分析，进而实现更好的让骑行者的手掌，手臂和臀部组织处于一种舒服的骑行状态。

同时从人机工程和基础工业工程的角度对自行车的鞍座进行舒服性，结构性的分析。

此后采纳三坐标测量仪对已有的存在缺陷的自行车鞍座进行测量，进而取得其点云数据，从而为接下来的imageware软件建模提供差不多的鞍座点云数据。

在此基础上利用UG软件同时结合着差不多设计好的自行车鞍座的参数进行分析和局部造型，最终获得基于人因工程的自行车鞍座。

专门好的推动了自行车设计的向前进展，也为以后的自行车设计者提供了全新的设计理念，进一步扩大了人机工程学的阻碍范畴。

1.5论文结构

全文共分为五章，各章要紧研究内容安排如下：

第一章是绪论，介绍了论文研究背景、国内外研究现状并对研究现状进行了分析，指出了现有研究与国外的差距，指出自行车人机工程研究的必要性，提出了论文的研究内容和研究意义。

第二章是自行车鞍座的人机工程设计，包括人机工程学、自行车鞍座的人机工程设计。

第三章是自行车鞍座逆向设计，要紧包括Mistral070705DEA三坐标测量仪的使用、imagewre软件的逆向建模。

第四章是UG软件对鞍座表面局部造型，要紧是依照在人机工程学下设计的自行车鞍座尺寸进行造型。

第五章是总结和展望。

包括工作总结和展望。

1.6本章小结

随着人们生活质量水平的提高，人们除了在追求产品的功能满足之外，越来越注重对产品的人性化的设计。

因此自行车作为人们平常生活中工作和休闲的一种工具，其是否能够更好的适应人们对其舒服性的满足，差不多决定了自行车是否能够连续进展的一个重要标准。

本章通过对自行车的国内外的研究现状等的介绍，指出了现有自行车设计存在的一些缺陷。

并提出了对自行车的关键部件-鞍座的人机工程的设计思路以及设计过程中涵盖的各项技术。

第二章自行车鞍座的人机工程设计

2.1人机工程学

人机工程学是研究人——机——环境三者之间相互关系的学科，是近十几年进展起来的一门边缘性应用学科。

该学科的研究目的在于设计和改进人——机——环境系统，使系统获得较高的效率和效益，同时保证人的安全、健康和舒服。

使设计的机器和环境系统适合人的生理和心理等特点，达到在生产中提高效率、安全、健康和舒服的目的。

2.2人机工程学的定义

人机工程学是一门研究人-机-环境三者之间相互关系的学科，该学科在进展的过程中有机的融合了生理学、心理学、医学、卫生学、人体测量学、劳动科学、系统工程学、社会学和治理学等学科的知识和成果，形成了自身的理论体系、研究方法、标准和规范，研究和应用范畴广泛并具有综合性。

该学科的研究目的在于设计和改进人-机-环境系统，使系统获得较高的效率和效益，同时保证人的安全、健康和舒服。

由于该学科在各国的进展过程也不同，实际应用的侧重点不同，因此其定义也不尽相同。

国际人类工效学学会（InternationalErgonomicsAssociation,简称IEA）将该学科定义为：

研究人在某种工作环境中的解剖学、生理学和心理学等方面的因素；

研究人和机器及环境的相互作用；

研究在工作中、生活中和休假时如何样统一考虑工作效率、人的健康、安全和舒服等问题。

《中国企业治理百科全书》将其定义为：

研究人和机器、环境的相互作用及其合理结合，使设计的机器和环境系统适合人的生理、心理等特点达到在生产中提高效率、安全、健康和舒服的目的。

2.3人机工程学的内容

人机工程学的研究包括理论研究和应用研究两个方面，由于各国工业基础及学科进展程度不同，学科研究的主体方向及侧重点也不同，但全然研究方向差不多上通过揭示人-机-环境之间相互关系到的规律，以达到确保人-机-环境系统总体的最优化。

其要紧内容包括以下几个方面：

（1）研究人的生理与心理特性。

人的心理、心理特性和能力限度，是人-机-环境系统优化的基础。

对其进行研究要紧是对人-机-环境系统进行设计和改善，以及制定有关标准提供科学依据，使设计的工作系统及机器、作业、环境都更好地适应于人，制造高效、安全、健康和舒服的工作条件。

（2）研究人机系统总体设计。

人机系统的效能取决于它的总体设计。

系统设计的差不多问题是人与机器之间的分工以及人与机器之间如何有效地进行信息交流等问题。

（3）研究人机界面设计。

在人机系统中，人与机相互作用的过程，确实是利用人机界面上的显示器与操纵器，实现人与机的信息交换的过程。

研究人机界面的组成并使其优化匹配，产品就会在功能、质量、可靠性、造型及外观等方面得到改进和提高，也会增加产品的技术含量和附加值。

（4）研究工作场所设计和改善。

工作场所设计的合理性，对人的工作效率有直截了当阻碍。

（5）研究工作环境及其改善。

任何人机系统都处于一定的环境之中，因此人机系统的功能不能不受环境因素阻碍，人与机相比，受阻碍的程度更大。

（6）研究作业方法及其改善。

作业是人机关系的要紧表现形式，也是人机系统的工作过程，只有通过作业才能产生系统的成果。

（7）研究系统的安全性和可靠性。

人机系统已向高度周密、复杂和快速化进展。

人机工程要研究人为失误的特点和规律，人的可靠性和安全性，找出导致人为失误的各种因素，以改进人-机-环境系统，通过主观和客观因素的相互补充和和谐，克服不安全因素，搞好系统安全治理工作。

（8）研究组织与治理的效率。

人-机-环境系统的研究应与组织、治理、文化和社会相适应。

2.4人机工程在自行车鞍座设计中的应用

鞍座作为自行车的关键部件之一，其设计的好坏直截了当阻碍着骑行者骑行的舒服性，更严峻的是经常骑行设计不合理的鞍座坐垫会给骑行者臀部的会阴区的各种组织和血管产生压迫，阻碍人体各项机能的正常工作。

因此自行车鞍座的设计差不多显得刻不容缓。

为了解决上述自行车不合理鞍座产生的阻碍，人机工程的自行车鞍座设计为我们提供了一个专门好的解决方法。

有利的推动了自行车的快速进展，使自行车更受消费者的青睐。

2.4.1自行车鞍座对舒服性的阻碍

自行车虽已有两百多年的历史，但其设计方面仍存在专门多问题，骑乘者埋怨最多的莫过于骑行舒服性问题。

而鞍座是支撑自行车骑乘者体重的要紧零部件，其设计对骑乘者的健康和骑行舒服性有着专门大的阻碍。

由于骑车时会阴部长时刻受到挤压，致使前列腺或阴部充血肿胀而发生炎症[12]。

依照图2-1所示人体臀部组织在自行车鞍座上的分布简图可知，当骑乘者位于鞍座上时，鞍座会压迫到位于坐骨结节和耻骨联合部之间的坐骨生殖区，该处的组织里含有丰富的血管、软组织和大量的神经及神经末梢。

图2-1人体臀部组织在鞍座上的分布

在骑行过程中，骑乘者的大部分体重会压迫到这些血管和神经，造成会阴区的疼痛和麻木。

同时会阴区深层中含有泌尿组织、血管及生殖动脉和传导神经，骑行中骑乘者体重的压迫也会造成生殖区域的缺血和麻木，严峻时还会导致生殖系统功能障碍。

这也确实是骑自行车引起会阴胀痛、臀部疼痛，长时刻骑行后还会感到阴部发麻，甚至会引起尿痛、尿频、睾丸疼痛等症状的要紧缘故。

另外，据一家外国机构的调查研究统计，骑自行车的男士中，90%以上的人的睾丸存在畸形；

50%的被调查人群会感到阴囊不适或存在勃起障碍[13]。

2.4.2鞍座的人机工程分析

（1）坐姿时的脊柱形状

处于坐姿状态时，人的躯体要紧由脊柱、骨盆、腿和脚支撑。

不同坐姿下的脊柱形状不同。

在良好的自然坐姿状态下，各椎间盘上压力分布适当且肌肉组织承担平均的静负荷。

而处于非自然坐姿下，椎间盘压力分布不正常，容易产生腰部疼痛和疲劳等不适。

从坐姿生理学角度来讲，鞍座的尺寸和结构设计应能使骑乘者处于或接近自然坐姿，保证正常的脊柱形状和腰弧曲线以降低疲劳减少腰部疼痛等不适。

（2）坐姿体压分布

当人处于坐姿状态时，人的躯体重量要紧由坐垫和靠背承担，因此坐姿体压分布包括坐垫上的体压分布和靠背上的体压分布两部分。

坐姿状态下，由人体组织的解剖学特性可知，与鞍座紧密接触的是最能承担压力的臀部的两块坐骨结节，约25cm2的部位支撑着75%的人体重量，时刻久了便会感到疲劳，造成臀部疼痛。

图2-2所示为坐姿时坐垫上的压力分布图[14]。

可见在坐姿状态下，其坐骨结节处压力最大，向四周逐步减少，到大腿部位时压力降至最低，即为鞍座设计的压力不平均分布原则。

靠背上的体压分布同样也不平均，就带靠背的自行车鞍座而言，压力要紧集中在腰椎部位，由此向外逐步降低。

图2-2坐姿时坐垫上的体压分布

（3）股骨受力分析

坐姿时坐骨结节承担大部分的躯体重量，当座面接近水平状态时，位于坐骨结节外侧的股骨处于正常的位置（如图2-3）而可不能受到过分压迫使人觉得舒服；

而当座面呈斗型（凹式三角形）时，会使股骨因受到压迫而向上转动（如图2-4）并承担载荷，且还会使髋部肌肉受压从而引起不舒服感。

图2-3股骨正常位置图2-4股骨受压迫位置

2.4.3现有鞍座的人机特点分析

在自行车的进展演变过程中，鞍座的设计也有了专门大的改进，在设计过程中越来越重视安全和舒服性，由过去的硬质材料鞍座进展为座面采纳较为柔软的材料制成的鞍座，并通过凹陷、凿孔等方法来减少对骑乘者生殖区的压迫。

（1）镂空型鞍座

如图2-5所示，鞍座中间的镂空有效的地减少了鞍座对骑乘者会阴区的压迫，但镂空的设计使得骑乘者的重量要紧集中在坐骨结节处且镂空边缘的尖角会给与其接触的部位造成不适。

图2-6所示为局部凹陷的鞍座设计，与中间开孔的鞍座相比，孔边缘的幸免巧妙地减轻了对骑乘者会阴部的压力。

鞍座设计者将最大限度的减少对骑乘者坐骨生殖区和会阴区软组织、血管和神经的压迫作为鞍座设计准则，除通过凿孔、凹陷等方法来实现这一准则外，还通过改变鞍座形状来实践该设计准则，故显现了一些外观造型专门的鞍座设计，如月牙型鞍座、直杆型鞍座以及造型专门的分离型自行车鞍座。

图2-5镂空型鞍座图2-6局部凹陷的自行车鞍座

（2）月牙型自行车鞍座

图2-7为美国MOONSADDLE公司[15]所设计的月牙型鞍座，该鞍座成功地幸免了对骑乘者坐骨生殖区器官和组织的压迫。

因其缺乏前部必要支撑，骑乘者会感受到缺乏安全性，同时月牙型的造型会给上下车带来不便且会阻碍骑乘者的腿部运动。

图2-7月牙型自行车鞍座

（3）直杆型自行车鞍座

直杆型自行车鞍座[16]（图2-8）仅仅由一个横向的直杆构成，没有了一般自行车鞍座前部的窄小部分，幸免了对人体坐骨生殖区的压迫和摩擦，可不能对会阴区的血管和神经造成压迫。

但由此带来的问题是骑乘者会前倾躯体以保持躯体的稳固性，从而会加重上肢负担而加速疲劳。

同时因其形状设计大大减少了骑乘者臀部与鞍座的接触面积，因而在骑行过程中骑乘者的坐骨结节和臀大肌所承担的压力会大大增加，这将加速了臀部肌肉的疲劳和疼痛。

图2-8直杆型自行车鞍座

（4）分离型自行车鞍座

图2-9所示是由河北双燕鞍座厂推出的一款造型新颖、专门的自行车鞍座，由于它由左右两部分构成，故称其为“分离型鞍座”。

其舒服性特点同镂空型以及月牙型鞍座相似。

图2-9分离型自行车鞍座

2.4.4人机工程学指导下的鞍座设计

鞍座的人机工程学设计一直是围绕着如何减少对骑乘者坐骨生殖区和会阴区的摩擦和压迫进行的，除此之外还应考虑以下因素：

①保证骑乘者在鞍座上处于或接近自然坐姿；

②保证股骨于正常位置受力；

③保证骑乘蹬踏运动的灵活性；

④保证骑乘过程中的坐姿稳固性；

⑤寻求最佳的鞍座尺寸、结构和坐垫材料。

（1）鞍座结构设计

鞍座座面的设计采纳局部凹陷的结构以减少对骑乘者坐骨生殖区造成的压迫，同时在鞍座上表面在人体会阴区部位的鞍座接触面设计为网状结构，增加会阴区的舒服度和透气性。

（2）鞍座尺寸设计

鞍座尺寸设计参数要紧包括座面宽度、鞍座长度、座面倾角。

鞍座尺寸设计的依据要紧是人体的生理结构尺寸。

鞍座后端的宽度保证了骑乘者位于鞍座上时坐骨结节间距，过小会导致坐骨结节处软组织受到挤压，过大又会阻碍到鞍座的平稳性。

依照人体测量学，50%的人群骨盆的坐骨结节间距约为200~220mm，在设计时还需加上适当的设计余量（40~60mm），以提高鞍座的舒服性，因此可确定一般休闲自行车的鞍座后端宽度为240~280mm为宜。

由于女性的髋骨要宽于男性，在鞍座设计时，女式自行车的鞍座宽度要比男性的宽一些。

鞍座长度由坐深以及腿部蹬踏运动的灵活性确定。

鞍座过长，不仅会阻碍腿部蹬踏运动的灵活性，还会对人体生殖区造成压迫，过短又会降低坐姿稳固性，加速骑乘疲劳。

据人体解剖学中人体结构尺寸可知，鞍座后端的长度应由坐姿状态下坐骨结节离臀部后缘的距离（100~120mm）确定，鞍座总长度则由坐姿时会阴处离臀部后缘的距离（170~190mm）再加上适当余量确定，由实验测量得出，一般休闲自行车鞍座的设计余量取50mm左右为宜，因此可确定鞍座长度的尺寸范畴为220~240mm。

同时依照其人体臀部会阴区及坐骨区的尺寸大小在鞍座的上表面进行了局部的造型，其自行车鞍座的实体图如图2-10，自行车鞍座设计草图如图2-11。

图2-10自行车鞍座实体图

图2-11自行车鞍座设计图

（3）材料选取

坐垫材料是阻碍鞍座舒服性的重要因素之一，同时也是骑行过程中的减震元件之一。

选择坐垫材料的要紧因素是其变形程度和大小，过硬的坐垫材料会增加对骑乘者坐骨结节的压力，导致臀部疼痛；

过软的坐垫又会使坐骨结节陷入鞍座中，对神经和血管造成压迫，易造成与坐垫接触部位的组织和神经的缺血和麻木。

在鞍座设计中，一样应采纳硬质座面包覆软硬适中的坐垫材料，同时还应考虑到其透气性、防水性等特点。

柔软度适中的坐垫，在保证骑乘者保持正常的腰弧曲线和合理的体压分布时，还可减少骑行路面不平坦时所产生的震动冲击，起到一定的减震避震作用，进一步增强骑行舒服性。

鞍座可采纳透气性较好的皮革材料以利于散热。

2.5本章小结

人机工程学随着时代的进展应运而生，它不仅为现代产品的开发提供了一个专门好的设计思路，同时能够更好的实现产品人性化的设计，深层的表达了工业工程“以人为本”的思想。

在本章的知识环节中，要紧介绍了关于人机工程学方面的知识，要紧包括人体测量学和人体解剖学等。

其重点讲解了现有自行车鞍座存在着哪些缺陷，及从人机工程的角度动身提出了自行车鞍座改进和设计的方案，并最终获得了改进和设计后的自行车鞍座模型。

第三章自行车鞍座逆向设计

3.1逆向工程学

逆向工程是相关于现在的正向工程而言，正向工程确实是先设计图纸，然后按图纸加工出产品实物，而逆向工程是以目前已有的实物通过三维激光超数及逆向软件处理，还原为电脑模型，同时能够修改和改进。

3.2逆向工程学的定义

逆向工程学是指从实物上采集大量的三维坐标点，并由此建立该物体的几何模型，进而开发出同类产品的先进技术。

逆向工程与一样的设计制造过程相反，是先有实物后有模型。

仿形加工确实是一种典型的逆向工程应用。

该项技术与快速成型技术相结合，能够实现产品的快速三维拷贝，并通过CAD重新建模修改或快速成型工艺参数的调整，还能够实现零件或模型的变异复原。

3.3逆向工程学的进展

1980年开始，欧美国家许多学校及工业界开始注意逆向工程领域。

1990年初期，各国学术界团队大量投入逆向工程的研究并发表成果。

逆向软件的演进大约可区分为三个时期：

2000年前，在逆向工程上，只能运用CATIA等CAD/CAM高阶曲面系统。

市场后来进展出两套主流产品约在2003年前技术成熟，广为业界引用。

到2007年后，进展出不同以往的逆向工程数学逻辑运算，速度快。

1998年，NEWPOWER启动了逆向工程的一些项目，要求是把客户的现有源代码转变成设计，假如需要的话，进一步转化成产品需求规约。

这恰恰与类似于V模型的标准开发过程模型相逆。

如此一来，客户就能够容易地爱护他们的产品（需求，设计，源代码等等），而不需要想往常那样，每次改动产品都需要直截了当修改源代码。

截止2011年，逆向工程的应用已从单纯的技巧性手工操作，进展到采纳先进的运算机及测量设备，进行设计、分析、制造等活动，如猎取修模后的模具形状、分析实物模型、基于现有产品的创新设计、快速仿形制造等。

3.4逆向工程学的作用

逆向工程被广泛地应用到新产品开发和产品改型设计、产品仿制、质量分析检测等领域，它的作用要紧表达在以下几个方面：

1、缩短产品的设计、开发周期，加快产品的更新换代速度；

2、降低企业开发新产品的成本与风险；

3、加快产品的造型和系列化的设计；

4、适合单件、小批量的零件制造，专门是模具的制造，可分为直截了当制模与间接制模法。

直截了当制模法：

基于RP技术的快速直截了当制模法是将模具CAD的结果由RP系统直截了当制造成型。

该法既不需用RP系统制作样件，也不依靠传统的模具制造工艺，对金属模具制造而言尤为快捷，是一种极具开发前景的制模方法；

间接制模法：

间接制模法是利用RP技术制造产品零件原型，以原型作为母模、模芯或制模工具（研磨模），再与传统的制模工艺相结合，制造出所需模