基于人体工程学的CAD电动自行车设计

董俊华， 赵文崇

DONG Jun-hua1, ZHAO Wen-chong2

（1. 佛山职业技术学院，佛山 528000；2. 深圳中兴新通讯设备有限公司，深圳 518114）

0 引言

电动自行车的设计与研发是一件复杂的工作。国内电动自行车的设计与开发，从零组件的设计、原型制作(Prototyping)、至零组件的组装及产品测试，都需要投入大量的工时与成本。再者，自行车的设计过程中，须在方案设计好之后，评估不同的设计方案；而在设计定案之前，也常须评估最终选择的设计方案，以寻求性能、结构、操作、视觉等方面的合理性。根据设计案大小或评估项目的不同，以往这些评估是通过产品精描图面(Rendering)、或产品原型（Prototype）来进行[1,2]。实际上，设计师或厂商在电动自行车产品的开发设计与外型构思时，对自行车的相关尺寸，如车架、把手、与座垫等，该如何配合人体的尺寸，以符合最适合的骑乘姿势，难以有效掌握[3～5]。因此，如何根据符合消费者的需求及人体工程学的车型建议，利用计算机辅助设计技术，实现基于人体工程学的电动车设计，是一个值得探讨的问题。

1 基于人体工程学的电动自行车设计

一个新电动自行车型系统，设计师必须以操作性为出发点，考虑操作上的舒适性、便利性、高效性、安全性等人体工程学工程要件。人体工程学在电动自行车设计发展上，主要表现在于车体组合设计的部分，大致可归纳以下三点：

1）人体特征的差异：由于人体尺寸、型态和运动状态及生理及心理等因素，应用于自行车操作上的设计需加以考虑。

2）人体工程学规范在设计实践的应用：运用人体工程学原理，可以帮助操作者处理多项情报输入时，能产生适切反应的准则。

3）人体工程学与营销决策的关系：通过不同需求的使用者选择自行车的定位，了解使用者对安全和舒适的需求，建立适当的市场区隔规范。

自行车操作姿势可分成上下半身两部分进行探讨：

1）上半身操作姿势（操作控制以手为宜）：由需要功力的不足与补充到上半身肌肉群的肌力作用，反应握把对手反作用力的作用，得到合适的握把位置；可看出适当的操作位置与姿势才能使肌肉有效的控制上半身肌肉作用，适当的控制全身肌肉收缩。

2）下半身操作姿势（动力做功以腿为宜）：由需要功力与转速的关系与下半身座垫姿势位置，可看出踏板轴运转，在合适的操作姿势下，可使肌肉产生有效的力矩，并产生所需的转速。

由上可知，人体上、下半身操作姿势与车子的踏板处座垫处握把处的相对位置产生直接互相的关系，其中主要影响因素是由使用者与车子三个接触点位置所决定：座垫部份、踏板部份和握把部份。涉及人使用自行车的要素主要为踏板、坐垫、把手有关的构件包括做管长度及角度、姿势及尺寸、把手、座势等。

应用计算机于人体工程学的辅助设计上，对安全性的考虑与评估有很大的帮助。身体各关节在自行车操作上，在合适的角度范围中操作使用才能获得最合适的操作姿势，发挥最大的输出功能。过大或过小的关节操作角度都会影响用户在操作的型态，如果能借助计算机辅助来寻求出合适的关联性，方便设计师在设计自行车时评估的准则。

2 基于人体工程学的电动自行车CAD设计

计算机辅助设计(Computer-Aided Design，简称CAI)顾名思义就是利用计算机精确与快速方便的特性，协助设计师从事设计工作的一种工具。计算机辅助设计应用在设计工作上，已有一段时间，发展至今则衍生许多不同功能的工具，且从原本的二维空间图形转变为三维空间的图形表现。这种可视化的改变，有助于提升工业设计与产品开发工作的沟通。整个计算机辅助工业设计的发展历程，主要包括：平面绘图、立体线架构、曲面设计、产品仿真和实体模型等。各种网络化技术的应用与发展应运而生，以往所谓的计算机辅助设计也逐渐结合了网络科技，特别是运用虚拟现实的设计表现方式更为一项新的发展趋势。自行车产品设计与消费型态伴随网络化时代的来临而有所改变，加上计算机科技与因特网的快速发展，将会使自行车这类产品更为系统化、自动化，并可降低自行车设计与消费选择上的人为谬误。

本研究将通过自行车与使用者的相关研究，调查访谈自行车业的设计与制造的流程，归纳整理出其关联性，并借助计算机视算的能力，尝试结合桌上型虚拟现实，以虚拟原型建构电动自行车设计信息系统。其所运用的方法为：

1）以数据库软件(Access)为主建立数据表单，其中包括了相关人体计测值、自行车相关构件的尺寸、骑乘角度的量测等。

2）运用计算机绘图软件(Solidworks、3D Max)建构自行车构件，并与所完成网络系统整合，借助所建立的因特网使用接口，输出先前讨论的设计需求窗体数据与虚拟原型的显示型式。

3）以网页编写软件(Frontpage)为首页与网站的建立工具，其核心程序包含两个主要部分，其一为人体骑乘自行车仿真程序，用Visual Basic语言编写；另一部份为数据库提取，与各数据相互间的对应关系的确立，此部份以活动服务器程序(Active Server Pages；ASP)为撰写软件。

本研究为针对自行车产品设计为主题，设计师设计需求因子为基础，开发电动自行车设计架构数据库，以计算机虚拟现实的方式仿真产品型态，提供设计师或用户能以因特网方式查询电动自行车设计所需之相关数据，并且提供在线立即的设计分析模拟与建议。包括以下五项主要步骤：

1）电动自行车设计需求调查与整理

本研究以电动自行车工业研发中心为访谈与调查对象，整理归纳出设计师在设计自行车时的设计需求与产业信息，并与电动自行车设计师作访谈，进一步了解电动自行车设计开发的流程，以作为系统开发的参考。

2）电动自行车数据库的建构

在数据库方面包括自行车构件、人体工程学测量值、骑乘角度量测量等三部份数据表单。

3）虚拟原型架构

根据自行车构件尺寸，以计算机绘图软件(如：Solidworks、3D Max)建构各型车架、把手、车轮等构件，再转为因特网通用的虚拟原型格式，以利系统的提取。

4）网络系统模式

本系统的发展以因特网为基础，通过Internet网络来整合嵌入式仿真程序(Active X)，并以活动服务器网页(ASP)结合网络数据库来提取产品构件，借助此架构发展网络信息系统，使其成为设计师与用户可通过网络使用的系统。

5）系统输出

在系统输出部份除了骑乘仿真程序外，还应该包括文字窗体、虚拟原型的绘制图等。

该方案的实现流程如图1所示：

图1 设计方案的实现流程

3 结束语

本研究针对自行车的设计开发，试图结合虚拟现实的技术以建立一个以网络为基础的先进设计信息系统。本研究应用虚拟原型的特性于网络信息系统上，以对设计方案进行交互式的评估，根据符合消费者的需求及人体工程学的车型建议，利用计算机辅助设计技术，实现基于人体工程学的电动车设计。

[1] 王培荣.电动自行车的人机工程分析研究[D].山东大学,2009.

[2] Nelson, George,Design Problems[M],Whitney,1975.

[3] Tovey,Michael,“Styling and Design: Intuition and Analysis in Industrial Design,” [J],Design Studies,Vol.18,pp.5-31,1997.

[4] Tseng,Mitchell M., Jiao, Jianxin, and Su,Chuan-Jun,“A Framework of Virtual Design for Product Customization,[C]”IEEE,IScide pp.7-14,1997.

[5] Ulrich,Karl T., and Eppinger,Steven D., Product design and development[M],McGraw-Hill,1995.