租赁式自行车人机系统分析与设计

安 芳，吴晓莉

(1.河海大学 机电工程学院，江苏 常州 213022)(2. 河海大学 工业设计研究所，江苏 常州 213022)

租赁式自行车人机系统分析与设计

安 芳1,2，吴晓莉1,2

(1.河海大学 机电工程学院，江苏 常州 213022)(2. 河海大学 工业设计研究所，江苏 常州 213022)

以城市租赁式自行车为研究对象，运用人机工程学原理，结合测量学、触觉通道、视觉通道、人机界面等方面的知识对其加以分析，尤其对租赁式自行车的尺寸、停车器的尺寸以及界面进行了详细分析，并对自行车的外观尺寸进行了合理化设计，从用户的心理需求对自行车的颜色进行了改良设计，使租赁式自行车更加容易被人识别，此外通过人机界面分析对自行车的把手、脚踏进行了改进，增加了使用者的舒适度。

人机系统分析；租赁自行车尺寸；操作界面设计；停车器设计

近年来，随着租赁式自行车在城市设施中的逐渐普及，其使用率有持续增长的趋势。租赁式自行车应该具有通用性、适用性和安全性等特点，能满足不同人群的使用需求，因而对其进行人机系统设计具有重要意义。在国内外自行车设计研究应用中，欧洲的第三代自行车系统[1]在自行车技术与资源利用方面已经做得非常成熟，并在不断探索新的运营模式和应用技术。韩慧敏[2]通过分析大里昂都市区自行车服务的推广方针，指出了租赁式自行车对城市的重要性，城市应为一切自行车出行创造条件才是发展之道。在国内，随着城市化进程的不断加快，城市规模的不断扩大，居民出行距离也随之增加，但是由于目前我国城市的公共交通系统普遍不完善，公共交通服务水平普遍不高，造成下车步行时间过长、等候时间过长、换乘不便等问题。自行车作为一种节能、环保、经济实用的健康低碳交通工具，尤其适合短距离出行。张丽珺[3]等研究了公共自行车交通的发展，对公共自行车的设计提供了资源。郑安斌[4]等提出了基于人体运动仿真的自行车结构，为自行车设计的人体分析提供了依据。

目前租赁式自行车的设计大多是针对租赁系统的，对自行车的人机尺寸、人机交互、色彩等方面的分析很少。本文针对目前租赁式自行车的人机系统，从测量学、触觉通道的应用、视觉通道的应用、人机界面等方面，结合人体模板进行人机系统设计分析，指出其不合理的设计之处，并提出合理改良方案，让其在城市建设和人们生活中发挥更好的作用。

1 租赁式自行车人机系统分析

本文的人机系统分析主要是针对租赁式自行车和停车器来进行，并结合人机工程学、尺寸测量等方面的知识加以分析。租赁式自行车应满足不同年龄、不同性别的人群的身体尺寸要求。现以常州租赁式自行车为代表(如图1 所示)，通过观察分析和实测法，结合图2中的数据类别，对租赁式自行车的人机系统进行合理性分析。

图1 常州租赁式自行车

图2 自行车重要数据提取

1.1租赁式自行车尺寸分析

由于各个年龄段对公共自行车使用情况的不同，需通过实际测量并结合图表数据的方法进行分析。首先是自行车车架侧面的主要尺寸，查询国家标准的人机数据，涉及到的人体尺寸数据[5]见表1。

表1 主要人体功能尺寸 mm

自行车的设计要适应不同性别的人群，根据人机工程学有关知识，可取女性第5百分位的数据进行分析，主要分析对象是车把的高度、坐高、坐垫到车把的距离等。

a.推行时的尺寸。

由人机尺寸[6]可知，推行时，自行车车把距地面高度A的最小高度应小于女性第5百分位立姿肘高加上鞋高修正量36mm，经科学研究，发现人体最舒适的高度为低于肘部76mm，故最小高度为

Amin=899+36-76=859(mm)

最高尺寸不能超过立姿肩高加上鞋高修正量，故最大尺寸为

Amax=1 195-36=1 159(mm)

b.坐在车座上的尺寸。

人体坐上车座时，车座距地面的高度F的尺寸应小于女性第5百分位小腿加足高加大腿长加鞋高修正量，即

Fmax=342+402+36=780(mm)

同时，下车的时候，应使女性第5百分位顺利跨过斜梁，即斜梁的长度应大于女性小腿加足高加鞋高修正量，即

D>342+36=378(mm)

c.骑行状态下的尺寸。

人在骑行时，考虑女性第5百分位应能够踩到踏板最低点，坐垫到脚蹬最低点应满足小腿加足高与大腿长的尺寸，并考虑鞋底厚和裤厚的修正量

D+J=378+200+36=614(mm)

脚蹬长为标准件，测得J=200mm，即D<614mm较为合理。

综合b、c所述，378mm

d.坐垫到把手尺寸[7-8]。

坐垫到车把的距离B，要考虑P95 百分位男子的胸厚与衣厚，且P5百分位的女性能够抓得到，即

Bmin=245+18=263(mm)

Bmax=上臂长+前臂长=455(mm)

把手的宽度L(如图3所示)，考虑到人体两肘之间宽度，应选取378mm

图3 车把形态图

图4 人手结构

1.2自行车人机界面分析

人体触觉感受器能引起的感觉是非常准确的，其生理意义是能辨别物体的大小、形状、硬度、光滑程度以及表面机理等机械性质的触感。自行车的人机界面也需要触觉通道的传导，如车把与手掌、脚踏板与脚掌、鞍座与臀部[9]，这些因素同样影响着用户在骑行时的舒适性与安全性。

由车把与手掌的界面分析可知，指球肌、大鱼际肌、小鱼际肌是肌肉丰满的部位，是手掌上的天然减振器。而掌心肌肉少，神经末梢丰富，所以在设计车把的时候应避免手掌与之完全贴合。在抓握车把时，手掌抓握直径d在30～40mm 较为合理。在车把上加装塑料套或海绵套，不仅能起到减振的作用，同时还可增加摩擦并减轻金属铁架的冰冷触感。

由脚踏板与脚掌的界面分析可知，脚蹬踏板(如图5所示)属于双曲柄机构，用户在使用时作圆周运动，踏板一般设计成矩形，宽度与脚掌等宽为佳，因而I=P95 男子足宽+鞋厚修正量=105+15=120(mm)，根据人的坐深与胸厚的差，可知J为200mm较为合理，根据表1得知坐姿腿间距K为360mm是满足P5的女性。同时，踏板表面要有防滑齿纹，以增加骑行的安全性。

由鞍座与臀部的界面分析可知，自行车鞍座在骑行时的最大问题就是舒适性，它受到尺寸、材质等因素的影响。根据坐面宽度与产生的力的关系(如图6所示)，50%的人群骨盆的坐骨结节间距为200～220mm，适当加上设计余量(40～60mm)以提高舒适性，则鞍座后宽X为240～280mm较为合理；鞍座长度则要考虑坐姿时会阴离臀部的距离(160～190mm)，加上功能修正，Y=210～240mm。

图5 脚蹬踏板

2 停车器人机系统分析

2.1停车器尺寸分析

停车器的使用方式一般是刷卡使用，故其高度尺寸应按照男性第95百分位来设计。由人机尺寸分析可知，停车器的最小高度应满足男性P95指尖高加上鞋高修正量尺寸，即停车器的最小高度尺寸Hmin>705+36=741(mm)。

图6 坐面宽度与产生的力的关系

现有停车器高度为820mm，满足男性P95指尖高尺寸。人在刷卡使用的时候，其视野范围如图7所示，根据人机尺寸中视觉机能的有关数据可知，人眼的最佳转动角度为上下各30°，由测量数据可知，刷卡区在视野范围之内。

图7 停车器尺寸图

2.2停车器人机界面分析

停车器操作界面如图8所示，其主要包括智能显示屏、刷卡区。刷卡区采用文字与图案相结合的方式表明使用方式和刷卡区域，由人机工程学知识可知，图案是表达信息最直接、最清晰的方式，文字次之，该界面采用文字加图示的方式，表达得更为明白；显示屏采用数字显示，占用面积较小，照明面积也小，容易读出数值，差错少，易与计算机联用。由人机界面分析可知，人眼最容易辨别的位置为左上，显示区放于整体界面的左侧，符合人机工程学要求[9-10]。

图8 停车器界面

3 设计改进

3.1租赁式自行车改良设计与对比分析

通过以上人机尺寸及人机界面分析，对比发现公共自行车租赁设备的不足之处并针对其加以分析改进，使之更为合理，更符合人们的使用需求。通过上文分析得到的人机分析尺寸与实际测量尺寸之间的对比，将自行车做以下改进：车把到地面的距离A为859～1 159mm，车把距车座水平距离B为263～455mm，斜梁长度D为378～614mm，车座距地面距离F应小于780mm，手把直径d为30～40mm，手把间距L为378～489mm，车把到刹车柄距离M为50～95mm，踏板宽度I为120mm，鞍座后宽X为240～280mm，鞍座长度Y为210～240mm，踏板长度H为130mm，两踏板间距离K为360mm，改进后的尺寸如图9所示。

图9 改良后的自行车架、鞍座、脚蹬踏板尺寸

3.2停车器操作界面改进与对比分析

由人机界面分析可知，常州目前停车器操作界面只有一个分区，即刷卡区，且其朝向里侧，这样人们在使用的时候要进到停车区，给使用者带来了不必要的麻烦。根据人机界面分析对其进行改良，将刷卡区的方向改成朝向行人道。此外，现有操作界面上没有使用说明，为使操作者能更方便快捷地使用该设备，应加上使用说明。改良前后的设备如图10，11所示。

图10 目前界面图

4 结束语

租赁式自行车作为一种新兴的代步工具，在城市建设和环境保护方面起着越来越重要的作用，故其在设计方面的要求也越来越多，本着方便、绿色的原则，租赁式自行车会越来越受到人们的青睐。由于每个城市租赁式自行车在外观上有很大的差异，文章中所涉及的测量数据可能会与实际租赁式自行车的尺寸有偏差，因而本文更倾向于理论数据分析方法的研究。租赁式自行车的人机尺寸分析是对已有租赁式自行车尺寸的分析，对租赁式自行车的制造有一定指导的作用；但同时也有一定的局限性，需要对人体尺寸非常了解，因而后续工作将尽可能和相关部门联合，进行人体尺寸数据库的整理，以进一步完善租赁式自行车。

图11 改良界面图

[1] 王志高，孔喆，谢建华，等.欧洲第三代公共自行车系统案例及启示[J]．城市交通，2009，7(4)：7-12.

[2] 韩慧敏，张宇，乔伟，等．里昂公共自行车系统[J]．城市交通，2009，7(4)：13-20.

[3] 张丽珺．公共自行车交通发展研究[D]．西安：长安大学，2011.

[4] 郑安斌，金健，朱成竹，等．基于人体运动仿真的自行车结构化[J]．机械制造，2012，50(6)：14-16.

[5] 丁玉兰．人机工程学[M]. 2 版．北京：北京理工大学出版社，2000.

[6] 阮宝湘．工业设计人机工程学[M]. 北京：机械工业出版社，2010.

[7] 王继成．产品设计中的人机工程学[M]. 北京：化学工业出版社，2004.

[8] Crownishield R D，Brand R A．A physiologically based crietefion of muscle force prediction in locomotion[J]．Journal of Biomembranes，1981(11)：793-801.

[9] 景国勋，张迪．基于人机工程学的工业设备人机界面安全分析[J]．中原工学院学报，2014，23(1)：53-56，61.

[10] 吴晓莉，刘君清，黄迎亚，等．轮椅人机系统设计与分析[J]．中国制造业信息化，2012，41(12)：28-30,34.

AnalysisofHuman-machineEngineeringinLeaseTypeBicycle

AN Fang, WU Xiaoli

(Hohai University, Jiangsu Changzhou, 213022, China)

Taking the bicycle rental type as the research object, it analyzes the lease type bicycle by combining the principles of ergonomics, human body template, geodesy, the visual and tactile channels, human-machine interface. It redesigns the lease type bicycle and wagon end stopper which made their appearance and size more reasonable. This also improves the color of the lease type bicycle to meet the psychological need of users, and makes the bicycle more recognizable. It increases comfort level by improving the human-machine interface of bicycle handle and pedal.

Man-machine System Analysis; Rental Bike Man-machine Size; Operation Interface Design; Wagon End Stopper Design

10.3969/j.issn.2095-509X.2014.07.003

2014-03-11

教育部人文社科基金资助项目(12YJC760092)；中央高校基本科研业务费( 2013B10214)；河海大学教育教学研究课题(xzx/13A001-07)

安芳(1994—)，女，河北石家庄人，河海大学机电工程学院本科生，主要研究方向为产品设计与人机界面。

TB18；TB472

A

2095-509X(2014)07-0010-05