自行车鞍座的人机工程设计_毕业设计说明书 精品
自行车鞍座的人机工程设计_毕业设计说明书1 精品
目录前言 (3)第一章绪论 (4)1.1课题研究背景 (4)1.2国内外研究现状 (4)1.3课题研究的内容 (6)1.4课题的意义 (6)1.5论文结构 (6)1.6本章小结 (7)第二章自行车鞍座的人机工程设计 (8)2.1人机工程学 (8)2.2人机工程学的定义 (8)2.3人机工程学的内容 (9)2.4人机工程在自行车鞍座设计中的应用 (10)2.4.1自行车鞍座对舒适性的影响 (10)2.4.2鞍座的人机工程分析 (11)2.4.3现有鞍座的人机特点分析 (12)2.4.4人机工程学指导下的鞍座设计 (14)2.5本章小结 (16)第三章自行车鞍座逆向设计 (17)3.1逆向工程学 (17)3.2逆向工程学的定义 (17)3.3逆向工程学的发展 (17)3.4逆向工程学的作用 (18)3.5自行车鞍座设计中逆向工程的运用 (18)3.5.1三坐标测量仪 (18)3.5.2点云图的生成 (19)3.6 imageware软件的逆向建模 (22)3.6.1 imageare软件的简介 (22)3.6.2鞍座点云图的导入imageware软件 (22)3.6.3点云的多边形化 (23)3.6.4云多边形化参数的设定 (24)3.6.5点云噪点的分析 (24)3.6.6点云噪点的删除 (25)3.6.7曲面构造分析 (25)3.6.8曲面SurfA、SurfB、SurfC、SurfD和SurfE的构造 (26)3.7本章小结 (33)第四章 UG软件对鞍座表面局部造型 (34)4.1导入UG6.0中进行鞍座表面的设计 (34)4.1.1将鞍座模型导入到UG NX6.0软件中 (34)4.1.2基准平面的建立 (34)4.1.3鞍座上表面草图的构造 (35)4.1.4改进后的鞍座模型 (35)4.2本章小结 (36)第五章总结与展望 (37)5.1工作总结 (37)5.2展望 (37)参考文献： (39)致谢 (40)前言随着人类社会的向前发展，绿色无碳生活慢慢的影响着全世界人们的衣、食、住、行。
自行车鞍座的人机工学设计
自行车鞍座的人机工学设计2005年第3期工程图学学报JOURNALOFENG眦EIUNGGRAPHICS2005自行车鞍座的人机工学设计黄海波,丁玉兰(同济大学机械工程学院,上海200092)摘要:鞍座的舒适性一直是困扰人们骑乘自行车的一个难题.分析了现有鞍座存在的问题,从不同座姿分析了鞍座对人体的受力;从国内外现有自行车鞍座分析了人机工学鞍座的特点,找出了其不足之处;以人机工学,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,得出了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.关键词:工业设计;鞍座设计分析;人机工程学;保健中图分类号:TH12文献标识码:A文章编号:1003-0158(2005)03-0106—05鞍座是用来支撑身体的自行车部件,其设计直接影响骑乘舒适程度.虽然自行车已经有上百年的历史,但是,自行车鞍座的的设计方面仍存在很多的问题,特别是鞍座的舒适性问题.因此,对自行车鞍座进行系统研究有重要的理论和现实意义.中国是世界闻名的”自行车王国”.自行车是广大工薪阶层最常使用的交通工具.骑车外出,不但可以锻炼身体,而且经济方便.但是在方便的同时,有些自行车”骑士”常常感到会阴部胀痛,腹部坠胀,长时间骑车后还会感到阴部发麻,如不及时休息,治疗,症状会逐渐加重,引起尿痛,尿频,睾丸疼痛等症状.这是由于骑车时会阴部长期受到挤压,致使前列腺充血,肿胀,发生慢性炎症的缘故【lJ.另据一家外国研究机构的统计,在他们调查的人群中,有90%骑自行车的男士睾丸存在畸形.有一半的被调查人群会感到阴囊不适或存在勃起障碍【2I.另据我国的男性学医学报告,骑行自行车在我国前列腺炎的发病诱因中占很大比重.因此,怎样解决鞍座一人体构成的人机系统问题,提高鞍座的舒适程度,是一项非常紧迫和必要的课题.1现有鞍座存在的问题图1是人体骨盆在普通鞍座上的位置.当人骑在鞍座上时坐骨生殖区(位于坐骨结节和耻骨联合部之间,分布有大量的血管,神经和软组织)靠在平坦的座面上,鞍座会压迫到坐骨生殖区的组织和脂肪(见图1(a));坐骨生殖区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,在骑行时,上躯体的部分重量压迫到这些血管和神经,造成人体会阴区的疼痛和麻木(见图1(b));而且会阴区深层中含有泌尿组织,血管及生殖动脉和传导神经,如图2所示,这样也会造成生殖区域的麻木和缺血,严重的会导致生殖系统障碍.收稿日期:2004-03-28作者简介:黄海波(1978-),男,山东临沂人,博士研究生,主要研究领域为人一机一环境工程学及产品人机关系.第3期黄海波等:自行车鞍座的人机工学设计?lO7?(b)图1现有鞍座存在问题示意图图2人体在鞍座上时臀部组织的分布简图2自行车骑行受力分析下面作者以骑乘者上躯体与水平面夹角作为分类依据来分别说明人体在骑行时的受力情况:小角度,30度公路赛车运动员多采用这种骑乘姿势,见图3(a】.骑乘者上躯体与地面的的倾斜角小于30度,可以有效的减小身体对空气的阻力,加快骑行的速度.座面狭长,减少了大腿与鞍座的摩擦,有利于运动员来回往复的蹬踏,提高速度.座面较硬,使坐骨结节不至于产生较大的相对位移和摩擦,提高了蹬踏效率,由于没有较好的缓冲,降低了运动员的骑乘舒适度.图3(b)和3(c)是人体坐骨结节在运动型鞍座上的位置结构图:可以看到坐骨生殖区几乎都坐在鞍座上,承担上躯体的大部分重量,形成了对坐骨生殖区的压迫,这对运动员的坐骨生殖区是十分有害的.30度(c)图3小角度30度压力分布图(白色=高压力区域/灰色=低压力区域)中角度30”-60度对于骑乘角度在30”--60度(见图4(a))之间的骑乘者来说,其骑乘的舒适程度要比0～30度之间的运动员要优越许多.这种鞍座比公路赛车的鞍座宽大,柔软,由于身体前倾的角度减小,鞍座与坐骨生殖区的接触面积明显减少(见图4(b)),坐骨结节分担了坐骨生殖工程图学学报2005丘区的一部分压力,对坐骨生殖区的压迫明显减轻,见图4(c),这样臀部与鞍座之间的接触面积变大,坐起来更加舒适和柔软.(c)图4适中角度30----,60度压力分布图(白色=高压力区域/灰色=低压力区域)大角度60,-,90度身体与水平面的夹角呈60～90度就骑乘者来说是较舒适的角度,因为这时身体基本上直立(见图5(a)),人体在骑乘时上躯体的重量基本上都移到了坐骨结节的位置,坐骨生殖区与鞍座的接触面积进一步减小(见图5(b)),承受的压力也大幅度的减轻;坐骨结节承受了上躯体绝大部分重量,坐骨生殖区承受的压力较小(图5(c)).从上面的分析可以看出,自行车鞍座的舒适程度与骑姿角度有很大的关系.简而言之,即是否挤压坐骨生殖区以及挤压的程度如何.(b)(c)图5大角度60~90度压力分布图(白色=高压力区】或/ 灰色=低压力区域)3国内外现有鞍座的人机工学分析直竿形自行车鞍座直竿形自行车鞍座(见图6)只由一个横向的直杆构成,没有传统自行车鞍座的突出窄小部分,避免了传统自行车鞍座对人体坐骨生殖区的挤压和摩擦,不会压迫到会阴区的神经和血管,避免了对生殖系统的负面影响L3J.但是,从力学的角度来分析,由于鞍座是桶型的,会大大减少臀部与鞍座之间的受力面积,坐骨结节和相应的臀大肌所承受的压力会很大,加速骨质和肌肉软组织的疼痛和疲劳.同时, 骑乘者为了坐稳身体,重心前倾加重上肢的负担,加速了上肢的疲劳.图6直竿形自行车鞍座月牙型人机工程鞍座美国公司【所设计的月牙型人机工程鞍座见图7(a). 图7(b)是人体骨骼在普通鞍座上的位置,受压橡胶球说明坐骨生殖区的神经和软组织受到了挤第3期黄海波等:自行车鞍座的人机工学设计压;图7(c)和图7(d)表示人体在月牙型人机工程鞍座上的情况,说明鞍座在避免坐骨生殖区的压迫上是设计的十分成功的.从单纯的避免人体器官和组织压迫的角度来考虑,其有一定的道理和可实施性;但是从另一个骑乘舒适的角度来说, 由于没有了前部必要的支撑,骑乘者会有缺乏支撑部的感觉;它的大腿导向设计的并不是很合理,前弯的造型限制了腿部的左右运动,而且上下车也不是很方便.(c)(d)图7月牙型人机工程鞍座从上面的实例可以看出,鞍座设计者将最大程度的减少人体软组织和器官挤压和摩擦为主要设计准则,即减少对坐骨生殖区的挤压和摩擦,通过凹陷,凿孔,改变鞍座的形状等方法来实现这一主要准则,同时考虑舒适和安全.4自行车鞍座的创新设计通过对上述各种现有自行车鞍座和人机工程鞍座的分析和研究,可以看出国外人机工程鞍座的设计一直是围绕怎样减少对人体坐骨生殖区的挤压和摩擦为主要目的;围绕前面所论述的人体相关部位的结构和尺寸以及骑行受力分析和设计要求,作者对鞍座设计要素进行了分析,提出了新的鞍座设计方案.鞍座设计要素分析尺寸决定鞍座宽度的因素主要是人体的生理结构,如坐骨结节的距离,骨盆的大小等等. 其中起关键作用的是坐骨结节间的距离.这段距离基本上决定了鞍座后部的宽度,它的宽度保证人体坐骨结节在鞍座上时的距离位置:过小容易使结节间软组织受到挤压,过大容易影响鞍座的平衡.坐骨结节一般9～12cm[~】.因为女性的髋骨要宽于男性,在设计时鞍座宽度要比男性的宽一些.弧度弧度是指从鞍座后部过渡到鞍座鼻部弧线的弯曲程度.由鞍座的宽度,长度,以及骑乘者大腿内侧的脂肪厚度,髋臼窝的深浅和鞍座的用途等决定.垫料垫料是自行车鞍座舒适与否的一个重要因素.它决定了鞍座的变形程度.如果垫料过软,坐骨结节就会陷入到鞍座中,导致人体组织的麻木和缺血;如果垫料太硬,将会导致人体组织的疼痛.所以,垫料的柔软程度和大小是设计中一个非常重要的因素.另外,包覆材料的透气性,防水性,防变形性等也是应该考虑的因素.5实例分析下面作者以上述理论作为指导,以休闲型自行车鞍座为例进行了计算机仿真建模设计实践, 以验证作者的指导思想.外观造型在设计的过程中,作者主要考虑鞍座怎样避免和减少对人体坐骨生殖区的影响. 鞍座的中部嵌入了比两侧更加柔软的垫料;从正视图看,这一区域下陷,很好的减轻了对坐骨生殖区的挤压.外观造型和具体设计理论原则见图8说明.图8休闲型自行车鞍座方位图人体解剖学分析鞍座中间凹陷,减少了对坐骨生殖区的压迫,开有4个圆孔,有利于散热;鞍座前部比后部稍低,减轻了对耻骨联合部的压迫;鞍座头部比一般自行车鞍座短窄,减轻了对大腿内侧的摩擦;前后连接的弧度比一般自行车鞍座要小一些,使鞍座增加了表面受力面积,减工程图学学报轻了对臀部的挤压,如图9所示.图9休闲型自行车鞍座人体解剖学分析6结束语作者通过对鞍座的人机工学设计,借鉴相关理论【5】,指出自行车鞍座对人体的影响主要集中在坐骨生殖区,即坐骨结节与尺骨联合部之间的三角形区域.因此,怎样避免和减少鞍座对坐骨生殖区的压迫是鞍座人机工学设计的一个重要内容.通过总结分析,作者得出鞍座的设计原则:①人体的生理结构决定了鞍座的宽度尺寸;②弧度的大小由鞍座的宽度,长度和鞍座的用途等等决定;③垫料是鞍座直接与人体接触的元素,决定了鞍座的变形程度,是自行车鞍座舒适与否的一个重要因素.作者以人机工程学,医学,力学,美学等学科相关理论为指导,得出了自行车鞍座设计的指导思想,设计了新型的自行车鞍座.此设计思想从人机工学角度上研究是合理的,其应用效果有待于通过实际验证,进一步进行深入研究.参考文献[1】马文飞.骑车族防”自行车病”六措施.健康报,1998-2-9(4).[2】[ED/OL].[3】?[ED/OL].【4】【ED/OL】.【5]丁玉兰.人机工程学(第2版)【M】.北京:北京理工大学出版社,～151.ErgonomicDesignofBicycleSaddleHUANGHai—bo,DINGYu—lan(MechanicalDepartment,Ton~iUniversity,Shanghai200092,China)Abstract:. Geometricfeaturesofexistingsaddlesproducedhomeandabroadareanalyzedfromtheviewpointof ,combinedwithmedicalscience,mechanicsand.Keywords:industrialdesign;saddleanalysis;ergonomics;healthcare。
自行车设计中人机工程学案例分析
变速自行车设计中人机工程学案例分析一、人一自行车系统组成自行车的功能是供人骑行，就发挥自行车的功能作用而言，把人看作自行车的组成部分是完全合理的。
因此，人在骑车时组成了人一车系统，该人一车系统中的人一车界面关系可由图1-1来进行分析。
1．人与支撑部件关系图1-1 人-车界面关系支撑部件主要有车架、前叉、鞍座和车把等，是自行车的构架。
自行车设计国家标准规定：车吧前叉轴线与通过轮心得地面垂直线的交叉点到地面的距离不小于轮半径的15%，不大于轮半径的60%。
车把部分：这是关系到操纵和制动性能的主要部件。
列入山地车，车吧的宽度以中青年男子的肩宽480mm，手掌宽度100mm为参照，设计时考虑手掌中央与车吧把套的中央为接触点，这样可以使整车受力平衡，具备安全可靠的操纵车把和刹车制动的有利条件。
2．人与动力接受部件关系动力接受部件主要是脚蹬和曲柄。
动力是靠骑车人的双脚踩在脚蹬上，下肢运动的力使曲柄转动而产生的。
为了使人省力和有舒适感，必须在骑自行车人的体格和体力与自行车元件的尺寸关系上下功夫，即研究人体下肢肌肉的收缩运动与曲柄转动之间的能量转换问题。
脚踏部分：脚踏分为水平脚踏和自锁脚踏以及脚带脚踏。
水平脚踏即我们平日所见的脚踏，脚踏和脚是分开的。
自锁脚踏需使用专用配套自锁鞋，如果是长时间骑行会感觉轻松很多，因为一只脚踩下去的同时另一只脚还可以网上提，一般来说可以胜利25%。
根据自行车国家标准：1脚蹬面朝上放置时，自行车向一倾斜25°，脚蹬上的零件不触及对面。
2脚蹬中心与泥板转到任意角度的间隔距离必须大于或等于89mm。
支撑部分将其他零部件固定在相互间正确的位置上，保证自行车的整体性，实现自行车的功能。
从人机关系来看，鞍座、车把和车架等的位置和大小，以及它们间的相互关系，与骑车人的位置和肌肉的动作有着性的设计参数。
鞍座部分：人处于坐姿状态时，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受压力的臀部的两块坐骨结节，时间久了便会感到疲劳，造成臀部疼痛。
自行车鞍座的人机工程设计
自行车鞍座的人机工程设计自行车鞍座是自行车中最重要的组成部分之一。
一个好的鞍座能够为骑车者带来更舒适的体验，同时更好地保护他们的健康。
因此，鞍座人机工程设计显得尤为重要。
为此，本文将从设计、材料、外形、舒适性等几个方面，探讨如何设计符合人体工程学的鞍座。
一、设计在设计鞍座时，必须考虑到骑车者的身体形状以及习惯用法。
这意味着需要设计出不同的鞍座来满足不同骑车者的需求。
例如，女性骑车者需要更宽的鞍座来适应她们的骨盆形态。
而男性骑车者在骑行时会出现龟头麻木的现象，因此设计鞍座时需要考虑到这一点，尽量减少这种不适。
同时，在设计时还要考虑到不同骑车者的骑行习惯。
长距离骑行者需要一个更宽、更长的鞍座来分散体重，减少对臀部的压力。
而短距离骑行者则更适合选择硬一些的鞍座，骑行时可以更容易地侧着骑。
二、材料鞍座的材料也很关键。
一般来说，鞍座的制作材料是皮革、合成材料或泡沫塑料。
这些材料都有各自的特性，需要根据鞍座的使用场景选择合适的材料。
例如，皮革鞍座更适合长时间骑行，因为它们非常耐磨、耐用，而且对于身体的保护效果也非常好。
合成材料和泡沫塑料制成的鞍座则更适合短距离骑行，因为它们更轻便、更易于清洗。
三、外形借助现代技术，设计师们可以创建出各种精美的鞍座外形。
但是对于鞍座来说，外形并不是决定性因素。
更重要的是鞍座的尺寸和形状。
一个好的鞍座应该具有符合人体工程学的外形。
通常来说，鞍座应该有弯曲的底面，这可以让它更好地适应身体的曲线。
此外，鞍座还应该有空心的凹槽，这将减轻对人体骨架的压力，让骑车者更舒适的骑行。
当然，这些都要有针对不同的人来进行设计，并在加工生产过程中做出相应的尺寸和形状调整。
四、舒适性理想的鞍座应该具有良好的舒适性。
对于骑车者来说，舒适性主要体现在以下几个方面：1.鞍座的软硬度：硬度适中的鞍座能够让骑车者在骑行时更舒适。
2.鞍座的宽度：宽度适当的鞍座能够更好地承受骑车者的体重、减轻对臀部的负担。
3.鞍座的触感：触感舒适的鞍座能够让骑车者的肌肉更放松，更容易骑行出更远的路程。
人机工程学在自行车设计中的应用
•据有关资料分析：当人呈水平状态，小腿与水平的大腿基本垂直，而另一小腿能自然垂直于地面、 此时的曲柄应转到呈60°时用脚掌蹬力最舒适位置。
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曲柄过长，会导致转弯时膝关节碰到车 把，骑行发生困难，影响骑行者的输出 性能。 根据自行车国家标准：1、脚蹬面朝上 放置时，自行车向一倾斜25°，脚蹬上 的零部件不触及地面。2、脚蹬中心与 泥板转到任意角度时的间隔距离必须大 于或等于89mm。选取曲柄为 165mm~170mm时为最适合，使骑行 者即省力又舒适。
3、材料选取
坐垫材料是影响鞍座舒适性的重要因素之一，同时也是骑行 过程中减震元件之一。一般采用硬质座面包覆软硬适中的坐 垫材料，同时还考虑到其透气性、防水性等特征。柔软度适 中的坐垫材料，还可减少骑行路面不平整时所产生的震动冲 击，起到一定的减震避震作用，进一步增强骑行舒适性。鞍 座的面料可采用透气性较好的皮革材料以利于散热。
一、前叉部分 一、前叉部分
• 自行车设计国家标准规定：车把前叉轴线与通过轮心的地面垂直线的交点到地面的距离不小于轮半 径的15%，不大于轮半径的60%。
二、车把部分
• 这是关系到操纵和制动性能的主要部件。例如山地车，车把的宽度以中青年男子的肩宽480mm，手 掌宽度100mm为参照，设计时考虑手掌中央与车把把套的中央为接触点，这样可使整车受力平衡， 具备安全可靠的操纵车把和刹车制动的有利条件。
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自行车
是人类发明的最成功的一种人力机械， 是由许多简单机械组成的复杂机械。
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自行车的功能是供人骑乘，人与自行车相互运动，驱动车辆前进，构成了‘人-车’系统。
人机工程学在自行车主要部件中的应用： 人机工程学在自行车主要部件中的应用：
二、车把部分 一、前叉部分结构设计
自行车鞍座的人机工程学分析
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自行车鞍座的人机工程学分析
6. 其他形式鞍座人机分析
（1）镂空型自行车座 这种车座的主要特点是在车座的中间镂空了一个近菱形的形状，尽量避
免对一些神经和血管的不必要的压迫。车座的中间被镂空以后，会阴区的泌 尿组织和生殖系统的组织和血管就被架空，这样就直接减少了对神经和血管 的压迫，减少了对生殖系统的负面影响。
这种车座有效减少了对会阴区组织和血管的压迫，适合于在城市中骑行， 但是还存在一些问题。车座中间被镂空以后，镂空的边缘必然会出现尖角， 而人在骑乘时会有一部分的上肢重量压负在那里，同样会感觉不舒适。
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6. 其他形式鞍座人机分析
（2）直竿形自行车鞍座 直竿形自行车鞍座，突破了原始自行车鞍座的造型，整个车座只是由一 个横向的直杆构成，没有传统自行车座的突出窄小部分。这样就避免了传统 自行车座对人体坐骨生殖区的压迫和摩擦，也就不会压迫到会阴区的神经和 血管，不会造成对生殖系统的负面影响。但是，从力学的角度来分析，由于 车座是桶形的，这样就会大大减少臀部与车座之间的受力面积，坐骨结节和 相应的臀大肌所承受的压力会很大，会加速骨质和肌肉软组织的疼痛和疲劳。 另外一个比较致命的问题是这样坐着时，几乎无法蹬踏。
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4.鞍座认识的误区
（1）柔软宽大的鞍座效果并不如人们期望的那样好 因为人们在骑乘时，如果坐骨结节所承受的力大于会阴区的力，车座两
侧会下陷，同时由于车座是平的，多余的垫料就会填充到耻骨角的区域，加 大了车座对于会阴区的挤压，从而让骑乘者更加不舒适；同时，人们骑乘宽 大柔软的车座时由于车座后部宽大会影响蹬踏，这样人们在骑乘过程中由于 宽大车座的阻碍身体重心会不自主地前移，使坐骨结节脱离车座后面宽大的 区域而使会阴区被压迫在一个比较窄小的范围内，产生不舒适感。
五种附和人机工程学的案例
五种附和人机工程学的案例一、人机工程学椅子当你听到符合人体工程学的椅子，你不可避免地认为应该多为“上班族”考虑下，他们在工作中，如果椅子的不舒适会造成多方面的病痛，为了满足这一需要，Ohio--based Bio Fit工程产品最近推出他们的Armor Seat工效学讲座，提供一款符合人机工程学的椅子。
二、人机工程学分离型鞍座这是一款设计比较独特的自行车鞍座，其突破了原始的自行车鞍座造型，直接只有两块垫料支撑臀部的坐骨结节，座面与水平面的夹角为20--40度，用来支撑臀部的重量，它去掉了传统自行车鞍座的前鼻，避免了鞍座对人体会阴区的挤压和摩擦，不会使人体的敏感组织受到影响。
值得注意的是，垫料前倾，从力学的角度来分析，坐骨结节的重量会有一部分分担给前臂和蹬踏时的大腿，所以也就缓解了鞍座对坐骨结节的压力。
三、人机工程学鼠标对于手掌来说，其最自然的形态就是半握拳状态。
而鼠标的造型设计，实际上就是要尽量贴合这个形态。
分解开来，它包括三个概念。
1、要使赢标外壳紧密贴紧人手掌的两个主要肌群--拇指肌群和小指肌群。
使它们能够够贴紧而又不受压迫。
受压迫会导致手掌处于疲劳状态，而贴不紧又有握不住的感觉。
2、要使鼠标外壳紧贴掌弓而又不压迫它。
也就是鼠标外壳要贴紧手掌中间的那条“沟”。
如果它不能贴紧，那么手心就会有悬空”的感觉，而如果压迫了它，因为下面是手主要动脉和神经的必经之地，时间长了以后会导致手缺氧。
3、鼠标的最高点应该位于手心而不是后部的掌浅动脉弓，否则会造成手掌产生压迫感。
对干手指，手指的自然形态应该是五个手指都不悬空，而且处干呈150度左右的自然伸展状态。
而对于鼠标设计来说，手指部分的一个特别要求，就是当手指自然伸展时，第三指节的指肚应该正好处于鼠标按键的微动开关上，这样才能获得最佳的按键手感。
人—自行车人机工程设计案例分析
人—自行车系统设计案例分析工业设计F1002 赵土豆201048262500一、人—自行车系统组成自行车的功能是供人骑行，人在骑行过程中人和自行车可以看成一个人机系统，且人是最主要的因素，该人机系统中人—自行车的界面关系分析如下。
人—车界面关系鞍座轮胎人车把脚蹬——曲柄1.人与支撑部件的关系支撑部件主要有车架,前叉,鞍座和车把等,是自行车的构架。
支撑部分将其他零部件固定在相互间正确的位置上,保证自行车的整体性,实现自行车的功能。
从人机关系来看,鞍座,车把和车架等的位置和大小,以及他们间的相互关系,与骑车人的位置和肌肉的动作有着密切的联系.人坐的位置怎样更合适,车架多高使人脚蹬起来用力才方便,如何保证人的上身有正确的姿势,手握车把的距离多长才合适等,都决定于人体特性的设计参数.2.人与动力接收部件的关系动力接收部件主要是脚蹬和曲柄.动力是靠骑车人的双脚踩在脚蹬上,下肢运动的力使曲柄转动产生的.为了使人省力和有舒适感,必须在骑自行车人的体格和体力与自行车元件的尺寸关系上下功夫,研究人体下肢肌肉的收缩运动与曲柄转动之间的能量转换关系.3.人与传动部件关系传动部件主要是滚珠,链条和链轮.人的作用力是通过链条和链轮传动而带动后轮转动,从而使自行车前移.传动部分的设计关键是要有较高的传动效率和可靠性,且有易操纵的变速机构.保证较高的传动效率,才能使人用一定的肌力而获得较大的输出功率.4.人与工作部件的关系工作部件就是车轮,即车圈,轮胎等.绝大部分轮胎是充气的,少数是实心的.车轮一方面把骑车人的肌肉力量,有效地转化为同地面接触而向前运动的力;另一方面将骑车人的握力转换为与接地部分所产生的刹车阻力.在设计自行车的各部分尺寸,车闸及变速器等时,应该着眼于骑车人-动力-传动-工作的连贯性,才可能设计出同骑车人手的大小或握力相适应的闸把,刹车力适当的车闸,才不会发生刹车阻力不够的现象.二、影响自行车性能的人体因素影响自行车性能的人体因素：人的体格因素、下肢肌力、输出功率、脚踏速度、平衡机能、人的手和握力、人的疲劳等。
自行车鞍座设计的人机工程学及测评方法
包装工程 PACKAGING ENGINEERING Vol. 33 No.6 2012-03
自行车鞍座设计的人机工程学分析及测评方法研究
张 磊 1， 张芳燕 1， 刘洋铭 2
（1. 天津理工大学， 天津 300191； 2. 北京工业大学， 北京 100086） 摘要： 阐述了自行车鞍座设计的合理性对骑行者的健康有着重要的影响。并从人机工程学角度出发， 结合生物力 学的相关原理， 对人体坐骨生殖区的结构、 体压分布以及鞍座材料性能等内容进行了分析， 并给出了相关的设计与 评价方法， 为自行车鞍座的设计与研发提供了一定的依据和规范。 关键词： 自行车鞍座； 人机工程； 易用性设计； 测评方法 中图分类号： TB472 文献标识码： A 文章编号： 1001-3563 （2012） 06-01nomic Analysis and Evaluation Methods of Bicycle Saddle Design
ZHANG Lei 1， ZHANG Fang-yan1， LIU Yang-ming2
（1. Tianjin University of Technology，Tianjin 300191，China；2. Beijing University of Technology，Beijing 100086， China） Abstract： It introduced reasonable bicycle saddle design had an important impact on health of the rider. It analyzed the structure of the genital area, pressure distribution and material performance of the bicycle saddle from view of the ergonomic, combined with the relevant principles of biomechanics, discussed the methods of design and evaluation, and provided some basis to design and research of the bicycle saddle. Key words： bicycle saddle； ergonomic； easy-to-use design； evaluation methods
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自行车鞍座的人机工程设计目录前言 (3)第一章绪论 (4)1.1课题研究背景 (4)1.2国内外研究现状 (4)1.3课题研究的内容 (6)1.4课题的意义 (6)1.5论文结构 (6)1.6本章小结 (7)第二章自行车鞍座的人机工程设计 (8)2.1人机工程学 (8)2.2人机工程学的定义 (8)2.3人机工程学的内容 (9)2.4人机工程在自行车鞍座设计中的应用 (10)2.4.1自行车鞍座对舒适性的影响 (10)2.4.2鞍座的人机工程分析 (11)2.4.3现有鞍座的人机特点分析 (12)2.4.4人机工程学指导下的鞍座设计 (14)2.5本章小结 (16)第三章自行车鞍座逆向设计 (17)3.1逆向工程学 (17)3.2逆向工程学的定义 (17)3.3逆向工程学的发展 (17)3.4逆向工程学的作用 (18)3.5自行车鞍座设计中逆向工程的运用 (18)3.5.1三坐标测量仪 (18)3.5.2点云图的生成 (19)3.6 imageware软件的逆向建模 (22)3.6.1 imageare软件的简介 (22)3.6.2鞍座点云图的导入imageware软件 (22)3.6.3点云的多边形化 (23)3.6.4云多边形化参数的设定 (24)3.6.5点云噪点的分析 (24)3.6.6点云噪点的删除 (25)3.6.7曲面构造分析 (25)3.6.8曲面SurfA、SurfB、SurfC、SurfD和SurfE的构造 (26)3.7本章小结 (33)第四章 UG软件对鞍座表面局部造型 (34)4.1导入UG6.0中进行鞍座表面的设计 (34)4.1.1将鞍座模型导入到UG NX6.0软件中 (34)4.1.2基准平面的建立 (34)4.1.3鞍座上表面草图的构造 (35)4.1.4改进后的鞍座模型 (35)4.2本章小结 (36)第五章总结与展望 (37)5.1工作总结 (37)5.2展望 (37)参考文献： (39)致谢 (40)前言随着人类社会的向前发展，绿色无碳生活慢慢的影响着全世界人们的衣、食、住、行。
人们在竞相购买舒适，环保，高档轿车的同时，自行车以其独特的魅力吸引着越来越多的消费者的青睐。
并且受到全世界各国的重视，纷纷增设自行车道来提高人们的生活质量和幸福指数。
虽然人们能够在很短的时间里设计出各种创新型的自行车，但是人们对产品的需求并不只满足于其功能上的用途。
人们越来越注重自行车人性化的设计，所以人机工程学的思想就此应运而生。
自行车作为现代人生活和休闲的一种普通工具，它给人们带来了很多的交通方便和快乐。
但是在现代社会中各种自行车的设计仍然存在着很多的缺陷比如自行车鞍座的舒适性，把手设计的合理性等。
这些因素都严重的影响到消费者的审美心理，波及到自行车以后的发展前景。
正因为如此基于人机工程的自行车改进和设计才显得更有必要性，才能更好的推动自行车的发展，更绿色的保护我们的环境。
在现代制造业高速发展的年代，自行车作为制造业中的一个代表，其从某种程度上反映了一个时代的科学技术发展水平，尤其是在人机工程学方面的运用，更将自行车的设计推向了人性化的过程。
更加人性化的自行车设计即将登上历史的舞台，并能很好的改变自行车的发展史，更快更好的推动整个制造业产品人性化的生产。
第一章绪论1.1课题研究背景随着人类社会的发展，人们不管在物质还是精神上都得到了很大的满足和提高。
虽然在相当一段长的时间里自行车曾一度被人们遗忘，但是随着人们不断追求精神生活的丰富，自行车备受人们的青睐，进而推动了自行车的飞速发展，全世界都掀起了一种骑行自行车的狂潮。
既然自行车给人们带来了这么多的快乐和方便，理所当然其改进和设计就显得越来越有必要。
在过去，人们对自行车的改进和设计只是仅存在于外观的设计和更多的力学构造分析，而忽略了人性化的设计。
相反，在现在人们越来越注重人性化的产品设计。
所以人机工程的思想就显得尤其重要。
而鞍座作为构成自行车的重要组成部件，其设计的合理性，舒适性及美观性就会严重的影响着购买者的购买欲望，影响骑行者骑行时的安全和身体的各项组织结构。
中国以“自行车王国”著称于世，自行车曾经在很长一段时间内成为中国老百姓主要交通工具。
虽然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，但是我国生产的自行车仍然存在着很多的问题[1]。
比如：长时间骑自行车的人会感觉到腰酸背疼，腹部坠胀，阴部胀疼和出现腱鞘炎等症状。
针对以上各种情况，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主要是从人因工程入手。
随着计算机技术的发展，普遍采用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，所以与国外对自行车的鞍座和把手的改进和设计还是存在着一定的差距，不少国内的自行车生产商虽然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，但是他们却很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接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，研究所等单位已经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，协调自行车整体，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、身体运动学等理论、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态进行了分析，总结出影响骑姿的主要因素:车架形态与车架大小、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、身体运动学的理论对现有普通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，并且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，成功的避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适性，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创造了有利的条件，为自行车向人性化发展提供了方向[10]。
德国健康中心—Deutsche SPorthoeheschule和比利时的妇科医学部门—center HoSpitalier universitaire Burgmann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受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。
其中人体测量学主要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。
解剖学的知识主要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已经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适的骑行状态。
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适性，结构性的分析。
此后采用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软件建模提供基本的鞍座点云数据。
在此基础上利用UG软件同时结合着已经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。
很好的推动了自行车设计的向前发展，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影响范围。
1.5论文结构全文共分为五章，各章主要研究内容安排如下：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，主要包括Mistral070705 DEA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，主要是根据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。
当然自行车作为人们平时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适性的满足，已经决定了自行车是否能够持续发展的一个重要标准。
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，是近十几年发展起来的一门边缘性应用学科。