基于骑行安全性提升的刹车辅助装置设计研究

曾曦 鄂哲恒

摘要：为提高自行车骑行刹车过程中的安全性，满足骑行爱好者多样化的骑行需求，照顾特殊群体的骑行便利性，提升用户使用体验。运用人机工程学指导自行车刹车辅助装置设计，从人机工程学角度进行分析自行车刹车过程中安全操作实现要素与方法，基于此分析完成自行车刹车辅助装置设计方案。设计出自行车刹车辅助装置，提供了一种新型的刹车方式。自行车刹车辅助装置减少了刹车难度，提升了骑行安全性和舒适性，使产品具有重要的应用价值且更好地立足市场。

关键词：自行车刹车骑行安全辅助装置人机工程学用户体验

中图分类号：TP391.9

文献标识码：A

文章编号：1003-0069（ 2021） 07-0136-03

Abstract： To improve the safety of bicycle riding and braking， meet the diversifiedriding needs Of cyclists， take care of the riding convenience of special groups，and improve user experienceUsing ergonomics to guide the design of bicyclebrake assist devices， from the perspective of ergonomics， the factors and mefnodsfor achieving safe operation during bicycle braking were analyzed Based on thisanalysis， the design Of the brake assist device was completed.The design of thebrake assist device provides a new type of braking method .The brake assist devicereduces the difficulty of braking， irnproves riding safety and comfort， so that theproduct has important application value and is better based on the market

Keywords： Bicycle brake Auxiliary device Ergonomics User experience

前言

自行車刹车是骑行过程中的安全保障装置，无论是自行车骑行爱好者、普通的自行车用户还是少数使用自行车的特殊群体，在骑行过程中刹车这个动作都或多或少会对骑行稳定性和舒适性造成影响，尤其是在特殊情况和特殊天气下影响尤为明显。现有的自行车刹车方式没有充分考虑到用户的多场景下使用和特殊的用户使用体验。同时我国现有对于自行车骑行安全的相关研究主要是在自行车骑行者与骑行环境之间的安全因素分析、非机动车与机动车之间冲突分析以及自行车骑行者本人对于风险的感知方面分析的研究，但对于自行车使用者骑行过程中使用自行车的安全性研究并不多。本文通过刹车与自行车把手和侧面副把手的联动设计，降低了刹车过程的难度，提高了刹车过程的稳定性，让用户在使用过程中拥有更良好的体验。

一、现有自行车刹车方式分析

（一）现有自行车骑行过程中的刹车方式

如图l所示，自行车的刹车装置在骑行途中可以起到紧急制动并保护骑行者的作用，通常会采用手柄式的刹车形式，即这种刹车方式需要使用者骑行途中伸出手指去握持刹车把手以控制刹车。现有的自行车刹车使用方式较为单一，且使用上并不人性化，在骑行者使用时存在以下几种使用情况：第一种为手掌抓握自行车把手的同时分出单跟手指头勾住刹车，以方便在需要的时候能及时勾动刹车;第二种为手掌抓握自行车把手的同时分出多根手指头，或四根手指全部勾住刹车，大拇指虎口扣住自行车把手在需要的时候能快速勾动刹车;第三种为手掌抓握自行车把手，遇到需要减速制动的情况时再分出手指进行刹车;第四种为手掌抓握自行车副把手，在需要刹车的时候变换手掌姿势，改为抓握把手勾住刹车。

（二）现有自行车刹车方式安全性分析

对于现有自行车刹车方式的安全性分析主要是通过线上的问卷收集调研以及线下的实地考察两个方向来进行。首先通过线上的问卷收集调研了解用户在使用现有的自行车刹车方式存在的问题，以及线下的用户深入访谈，提取出其中有特点的问题，并对其进行用户画像的整理和绘制，如图2所示。

通过用户调研，以及实地考察分析后发现，现有的自行车刹车的使用方式并不安全，在骑行途中分出手指控制刹车的使用方式有时候会影响身体平衡，降低骑行稳定性。尤其是在特殊情况下，如特殊天气、特殊场景以及特殊用户群体中。（1）特殊天气：使用者在雨天中骑行中.需要分出一只手来打伞，而另一只手抓握自行车把手的同时还需要勾住刹车，会极大地增加操控难度;（2）特殊场景：使用者如携带需要手持的物品时，则需要分出一只手来携带物品，这种情况下单手操作如果不能有力地控制自行车龙头，会极大地降低骑行的稳定性;（3）特殊用户群体：①少数手部有残疾的用户，他们不得不单手骑行，此时，传统刹车动作就越发危险。②部分小朋友由于手不够大，同时抓握把手和刹车对于他们来说显得格外困难。

自行车的刹车应该是保护骑行者安全的装置，但是由于其设计上不合理的地方，导致在某些方面并不能很好地保护骑行者的安全，自行车刹车的这一动作本身就会对骑行的稳定造成影响，尤其是在紧急情况下的刹车，如图3。

二、人机工程学研究

人机工程学原则在研究用户骑行过程中刹车动作的安全性、舒适性以及效率上是十分重要的，其作用在于为设计提供更合理科学的参数，使得产品设计的参数更具有合理性。自行车刹车设计中的人机工程学设计原则有以下几点：（l）安全性原则：产品结构稳定，使用安全;（2）可调节性原则：产品大小高低可调节适应多种身高的用户使用和多种环境下的使用;（3）舒适性原则：使用前不影响骑行舒适性，使用中不影响骑行稳定性。

在人机工程学中提到了不正确的作业姿势不但极易引发疲劳，而且对作业效率会造成影响，同时单调的作业姿势对于作业人员来说会产生生理和心理上的疲劳，由于总是使用同样的身体部位会造成局部肌肉疲劳影响作业效率。那么从自行车骑行的角度上来说，不正确的骑行姿势会让骑行者更容易疲劳且影响骑行者紧急情况下的应急反应，同时，骑行过程中的骑行动作也需要适时的调节以缓解骑行的疲惫。

对于现有自行车刹车方式的人机工程学研究，其侧重点应该放在不同骑行状态下的刹车方式上，通过分析不同状态下的①刹车速度;②正常骑行的稳定性;③骑行的舒适性;④刹车动作对于当前骑行状态稳定性的影响程度;这几个维度来进行分析。

由表l中不同骑行状态下的刹车方式人机工程学分析表可以得出不同骑行姿势下的刹车在不同评价指标上的表现情况，通过横向与纵向的比对分析，可以得出最符合人机工程学的刹车方式，在后续研究中应考虑如何兼顾骑行舒适性与刹车安全性、效率性。

（一）不同骑行方式刹车效率与安全性分析

在表l中分析了多种骑行姿势下的刹车后，可以看出现有的刹车方式存在一个矛盾点，多個手指勾住刹车和单个手指勾住刹车，这两种骑行的方式能够快速刹车，且骑行姿势在刹车过程中对当前骑行的稳定性影响程度较小，因为骑行者身体的骑行姿势没有大幅度变化。但该动作在正常骑行过程中并不稳定，因为骑行者对于自行车把手的掌控程度不够，这使得骑行过程的安全性降低;而手握自行车把手和手握自行车副把手，这两种骑行方式虽然在正常骑行过程中显得更加稳定，但是其并不能进行快速的刹车，且在刹车过程中由于其快速的姿势切换会对当前的骑行姿势稳定性造成影响，并且由于刹车前需要姿势变换从而导致的刹车延迟，这也使得刹车过程的安全性被降低。

从人机工程学角度来说，人体躯干水平向前后的运动较左右方向运动快，且旋转运动比直线运动灵活;顺时针方向操作动作比逆时针操作要快，且习惯;向身体方向的运动较离开身体方向运动要快;在后续的研究中应考虑如何在确保骑行过程中刹车动作安全的前提下，提升刹车的效率，通过分析图4中的手部动作最大频率与动作一次最少平均时间，结合骑行姿势刹车的稳定性，来进行更加合理安全的刹车装置设计。

（二）不同骑行方式刹车人机舒适性分析

在骑行过程中，不同骑行姿势的舒适性是有区别的，抓握自行车把手和副把手的骑行姿势是最为舒适的骑行方式，尤其是抓握副把手是很多自行车骑行爱好者常用的骑行方式，可以有效降低风阻，缓解骑行疲劳;而勾住刹车的骑行方式由于手部姿势的不合理，导致骑行过程中把控自行车龙头变得更加困难，单纯依靠大拇指和虎口部位抓握增大了手部肌肉的负担，导致骑行的舒适性降低。

从人机工程学角度来说，自行车的刹车设计上应该思考骑行过程中的手部姿势舒适性、以及刹车过程中的手部姿势变化的舒适性，在后续的研究中应考虑在确保满足骑行过程中手握把手舒适性的同时，降低刹车的难度提升刹车动作的舒适性。

三、自行车刹车辅助装置设计方案

（一）自行车刹车辅助装置设计思维与设计定位

1.设计思维：结合前文对现有的自行车骑行过程中的刹车方式、刹车安全性以及刹车舒适性的分析后，发现现有自行车的刹车方式单一，且在骑行过程中刹车过程并不安全。通过人机工程学研究后总结出了两条设计方向：①确保满足骑行过程中手握把手舒适性的同时，降低刹车的难度提升刹车动作的舒适性;②考虑如何在确保骑行过程中刹车动作安全的前提下，提升刹车的效率。

通过对不同骑行状态下的刹车方式人机工程学分析表和手部动作最大频率与动作一次最少平均时间数据图综合分析后发现：①手握自行车把手和自行车副把手骑行的姿势是最舒适的;②人体躯干在做旋转运动时比直线运动灵活，且向身体方向的运动比离开身体方向的运动要快。那么在设计中将其进行结合就能获得符合人机工程学标准的刹车方式。

在设计中为保证骑行的舒适性选择了抓握自行车把手和抓握副把手的骑行姿势，同时为了降低刹车的难度以及提升刹车动作的舒适性，在设计中考虑将自行车把手和自行车副把手与自行车刹车杆进行联动，让使用者在刹车时不需要变动姿势，更加舒适方便的刹车。

2.设计定位：结合前文的实地调研分析、用户画像整理、以及人机工程学研究后设计定位主要从：适用人群定位、使用方式定位、使用场景定位、材质定位，这四个方面进行展开。

①适用人群定位，根据用户调研以及用户画像整理分析后设计适用人群主要为：1.自行车骑行爱好者;2.特殊骑行群体，主要为正常使用刹车不便者（如：小孩，手部残疾人群）。

②使用方式定位，根据对传统刹车方式安全性和刹车人机工程学研究分析后设计使用方式为：1.转动自行车把手联动刹车;2.转动自行车副把手联动刹车。

③使用场景定位：1.骑行爱好者骑行过程中使用自行车副把手，不用变换骑行姿势刹车;2.特殊天气或特殊场景需要另一只手持物品时，单手操控自行车不需要分出手指控制刹车。

④材质定位：在材质的选取上主要考虑两个方面，一方面是产品材质本身的强度是否能满足使用，另一方面是产品材质带给使用者的感官体验。在用户手部接触的地方材质为橡胶防滑握把，和铝合金副把，保证抓握舒适性和材料硬性，装置链接件同样采用铝合金，内部的转轴采用不锈钢材质，保证装置转动不会生锈受阻。

（二）自行车把手联动刹车辅助装置方案

自行车把手联动刹车方案是将传统的自行车刹车把手进行升级改造，将手扶握把上的承重钢管结构外部套设能向着使用者方向30度旋转的把手，同时转动握把与联动装置之间设有连接件，在转动手扶握把的同时其连接结构会带动联动装置，以达到牵引自行车刹车杆进行刹车的目的，图6详细展示了刹车前后对比效果，同时在刹车完毕之后内部的弹簧牵引结构会引导其复位，从而达到一个完整的刹车流程。

传统的自行车刹车方式在刹车过程中会影响到骑行过程的平衡性且手指把控刹车的骑行并不舒适，而转动自行车把手联动刹车的方式在整个刹车流程中由于手部没有离开自行车的握把，整个刹车的动作既稳定又舒适。且从人机工程学角度来说，转动自行车把手的刹车方式显得更加地科学高效，只需要自行车把手开始旋转就可以开始刹车，当把手向内侧旋转到30度就可以达到完全扣死自行车刹车的效果。相比与之前需要伸出手指去抓握自行车刹车杆的刹车方式来说，转动自行车把手刹车的方式显得更加轻松自然，而且在紧急情况下的下意识转动自行车把手刹车的效率会更高，尤其是在上文提到的特殊情况下，转动把手的刹车方式能保证骑行过程中的稳定性，即使是使用者单手骑行，如图7。

（三）自行车副把手联动刹车辅助装置方案

自行车的副把手常见于山地自行车，一般多为自行车骑行爱好者和专业自行车骑行者使用，自行车把手外侧安装副把所增加的一个把位在长距离骑行中尤其重要，因为小轮折叠车采用与山地车的直把，在骑行中无法像弯把公路车一样通过变换不同的把位来改变身体姿势、调整和移动重心，长时间保持同一个姿势骑行，极容易使得腰、背、肩、臂等身体各部位很快疲劳，安装自行车副把后，骑行者便可以在骑行途中随时变换把位，及时调整骑行姿势而减缓疲劳。

自行车副把手联动自行车刹车的方案，是将传统的自行车副把手进行升级改造，在自行车把手承重钢管外套设可以转动的副把手，同时自行车副把手与联动装置之间设有连接件，在向后掰动自行车副把手的同时其连接结构会带动联动装置，以达到牵引自行车刹车杆进行刹车的目的，图8为自行车副把手与连接件结构爆炸图。

传统的自行车在骑行过程中使用副把手时，如果遇到需要刹车的情况时，使用者需要首先转换骑行姿势再抓握自行车把手刹车才能达到减速的目的，而向后掰动自行车副把手联动刹车的方式在整个刹车的流程中由于骑行姿势并没有进行变换，刹车动作变得更加简单，且整个刹车方式更加舒适高效。从人机工程学角度来说，自行车副把手的意义就是当人在长时间骑行时可以更换姿势进行更加舒适的骑行，但使用过程中如果还需要频繁更换姿势进行刹车，无疑是增加騎行者的负担，所以在保证舒适性的前提下，增加自行车副把手联动刹车的功能，可以让自行车副把手在使用上更加人性化，如图9。

（三）设计改进方向

本设计为自行车刹车辅助装置，设计初始雏形为一个外设的辅助装置，目前还只是一个初步阶段的设计，后续还有待改进。设计存在的一些问题主要是（l）目前的设计为套设在自行车外部的辅助装置，与自行车的车体并不能做到整体统一，因此设计中裸露在外的联动装置的结构易损坏;（2）目前自行车骑行过程中的刹车还存在一个安全隐患需要解决，就算是自行车前后刹车的刹车顺序，在紧急情况下使用者可能会错误使用前后刹车导致其刹车不稳定影响骑行状态，甚至造成意外。后续主要改进的方向有以下几个点：

（1）将刹车的联动装置和自行车的整车设计进行结合，让设计变得更为整体。主要是把其中的联动装置设计到自行车的刹车内部结构中，由之前的转动把手牵引联动装置带动刹车改进为直接牵引自行车内部刹车线达到刹车的目的，整个联动装置不外露，保证了装置的使用稳定性，同时让自行车整体设计变得更加美观简洁。

（2）在设计中加入刹车判定装置进行刹车情况的紧急性判定，主要是在刹车线程上进行改进设计。不同程度情况下的刹车对应不同的刹车方案，在非紧急情况下小幅度拧刹车时为联动后刹，而在紧急情沉大幅度拧转刹车时为前后刹同时联动，避免用户在紧急情况下错误使用刹车导致锁死前刹失去平衡。

结论

自行车刹车作为骑行安全保障的装置，在不需要刹车的情况下应不影响使用者骑行的舒适性与稳定性，现有的自行车刹车并没有很好地考虑到这点。且产品的设计上要考虑到用户使用过程中的生理和心理因素，不要孤立地去设计产品从而导致产品的使用与设计的预想背道而驰，要充分考虑用户使用的过程，全方位的把控设计，真正做到人性化的设计。

刹车联动装置的设计减少了骑行者刹车的难度增加了刹车的效率与舒适性，同时把手联动刹车与副把手联动刹车的两种刹车方式让使用者在骑行过程中有了更多的可能性。设计上不仅考虑到了用户的正常骑行情况下的使用需求，还为特殊情况下的骑行使用提供了可能，让刹车杆从单一的使用装置到融入系统的联动使用中，使其有更好的应用价值。.

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