基于人机工程学的自行车骑姿改进设计自行车骑姿是由骑乘者与自行车的把手、鞍座以及脚踏板的相对位置来决定的。

骑乘者的手、臀部、脚在车上的相对位置决定了骑行的舒适程度和骑行的效率。

从人机工程学观点出发，要提高自行车骑行时的舒适性，应该合理定位把手、鞍座以及脚踏板三者之间的位置，让骑行者在骑行过程中身体各部位尽可能处于自然状态。

一．与自行车骑姿相关的因素分析
正确的骑姿可以提高骑行效率，使骑行不易产生不适和疲劳，同时还能降低危险发生的几率。

与自行车骑姿相关的因素主要有：（1）车把与鞍座之间的相对位置
车把与鞍座之间的相对位置决定了骑乘者上半
身的姿势。

车把过低会使骑行者的上肢承受很大的静
压，时间稍长手臂和手掌易发生疲劳，同时过低的上
身也会压迫腹部，但力容易传递到车。

提高车把高度
可使背部弯曲度变浅，可以避免对腹部的压迫，但力
不易传递到前轮。

所以良好的骑姿可使骑乘者脊柱接近正常形态。

在腰部增加适当的靠背可以改善臀部受力，维持脊柱的正常形态，并有利于腿部蹬力的发挥。

（2）鞍座与脚踏之间的相对位置
鞍座与脚踏之间的相对位置直接影响蹬踏方式，由鞍座相对中轴轴心的位置和曲柄长度决定。

鞍座相对中轴轴心的位置是决定下肢肌
肉群的肌力能否有效利用的一个关键，即是影响踏力和踏速能否获得最佳配合的关键。

鞍座的位置由鞍座的高度和坐管倾角共同决定。

鞍座的高度与胯高关系紧密。

大的坐管倾角使骑乘者重心靠前，有利于高速骑行，但不能长时间骑行。

曲柄长度决定了大腿骨的运动角度和有关肌肉群的收缩程度。

过长的曲柄将引起肌肉的过度伸长和过度缩短。

曲柄过短将使宝贵的肌肉收缩力不能被充分利用。

（3）鞍座
当人坐在坐垫上时，与坐垫接触最紧密的是坐骨结节。

坐骨结节处是人体最能承受压力的部位，在这两个点周围约250mm2范围承受人体约70%的重量，其受力情况如图1。

车座后端宽度过小就会使坐骨结节处于鞍座边缘或紧贴边缘的位置，导致身体重量落到会阴上。

适当加宽车座后端，有助于增大坐骨结节与坐垫的接触面积，充分发挥坐骨结节承载能力，使压力远离控制会阴血液的血管和神经。

二．现行骑姿人机特性分析
（1）蹬踏运动
假定蹬踏力F竖直向下，如图2所示，当踏板处于最高位置A 和最低位置C 时，蹬踏力F通过中轴轴心，此时力臂d 为零，力矩
M=F×d 也为零，F不做功，无法驱动自行车前行。

位置A和C分别为上死点和下死点。

从A点到C点，蹬踏力F可分为F1（与曲柄垂直）与F2（沿曲柄轴线）两个分力。

分力F2通过中轴轴心，只有F1做功。

此时，力矩M=F1×d。

因此，要获得更大的力矩，就应该增大F1。

由此可知，
要提高骑行效率，脚的用力方向应尽量与曲柄垂直。

（2）休闲车骑姿
图3为休闲车常见骑姿。

在
这种骑姿下骑行者上体稍向前
倾，前倾的骑姿改变脊柱的自然
弯曲为后凸，时间一长容易引起
背部酸疼。

手臂除了控制行进方向外，还要承受部分体重，静态受力加速了手臂及肩关节的疲劳。

落在鞍座上的体重由会阴和臀部共同承担，为了防止骑乘者从鞍座上滑下，鞍座通常向后仰一定角度，这导致会阴与鞍座之间的摩擦加剧，危害骑乘者的健康。

由人机工程学可知，人在垂直平面内界限在标准视线以上30°和标准视线以下40°，站立时人的自然视线低于标准视线10°，坐着时低于标准视线15°。

所以在这种骑姿下骑乘者脖子需后仰20°～30°以看清道路。

三．自行车骑姿的改进设计
由人机工程学知，在肢体活动的最大角度范围内存在一个舒适的调节范围，是指人体处于某种姿势时对应的关节处于舒适的调节范围。

舒适调节范围对人机界面的工效设计影响甚大。

在自行车骑姿设
计时应以人体尺寸为基础，以蹬踏的用力阶段关节处于舒适的活动范围为出发点，来确定影响骑姿的三个部件之间的相对位置，以提高
骑行的舒适性。

具体的设计参数为图4中的M、N、H、T。

（1）鞍座
座面稍向后倾，可防止骑乘者从鞍座上滑下，同时使得人体与腰靠的接触面积增大，骑乘者的上体体重由鞍座和腰靠来承担，减小对手臂的压力，体重由鞍座和腰靠来承担，减小对手臂的压力，让骑乘者感觉更安稳。

工作椅座面倾角一般小于3°，实际计算时可取2°。

靠背与座面的夹角小于90°会让骑乘者腹部受压，太大会让人处于松弛状态，容易酿成交通事故，综合考虑可取靠背与座面的夹角为98°。

这个角度既可以使上体略向后倾，人体重量由鞍座和靠背共同来支撑，同时可保持脊柱的正常自然形态和良好的视野。

（2）中轴与鞍座之间的相对位置
中轴与鞍座之间的相对位置由图4中的H和T来确定。

其中A 为坐骨结节与鞍座的接触点，B为把手抓握的中心点。

根据大腿、小腿的尺寸以及让各关节在蹬踏的工作阶段处于舒适角度范围内可以
计算出中轴与鞍座之间的相对位置。

（3）把手与鞍座之间的相对位置
把手与鞍座之间的相对位置由图4中的M和N来确定。

根据上肢的尺寸和舒适的手臂姿势可以计算出把手与鞍座之间的相对位置
范围。

（4）设计计算方法
假定座面的后倾角为2°，靠背与座面的夹角为98°。

如图5所示，首先假设手、脚和躯干都是刚性结构。

O1为中轴轴心，O1A为
曲柄的轴线。

L0为曲柄长度，L1为大腿长度，L2为为胫骨点高加修正量再加上脚蹬厚度的一半。

θ1为躯干轴线与大腿轴线间的夹角，θ2为大腿轴线与小腿轴线间的夹角，θ3为大腿轴线O1O2之间的夹角，θ为O1O2与垂直线之间的夹角，躯干轴线与水平线之间的夹
角为θ4=180°－2°－98°＝80°。

在骑自行车的时候，骑乘者的上体几
乎处于静止状态，大腿在一定的角度
范围内摆动，脚绕中轴轴心做圆周运
动，并带动小腿运动。

由此，下肢可
简化成由O1O2、O1A、AB、BO2组
成的四杆机构，其中O1O2固定。

在从上死点到下死点的过程中，当脚处于上死点时，如图6 所示，θ1取得最小值，θ2取得最小值；当曲柄与O1O2共线时，θ取得最大值；当脚处于下死点时，θ1取得最大值。

与自行车骑乘相关的人体关节舒适角度为：肩关节35°～90°、肘关节95°～180°、膝关节60°～130°。

如图6死点时，膝关节取得最小值，即θ2min=60°，可求得L最小值。

L min2=L12+(L0+L2)2-2L1(L0+L2)COSθ2min
如图7曲柄与O1O2共线时，膝关节取得最大值即θ2max=130°，可求得L最大值
（L max+L0）2=L12+L22-2L1L2COSθ2max
在图6的△O1BO2中，当L取L min时，θ3取得最大值θ3max；当L取L max时，θ3取得最小值θ3min
cosθ3=[L12+L2-（L0+L2）2]/2L1L
当踏板处于死点时，大腿与上体之间的夹角为最小值，取为95°可避免压迫腹部，由上式求得的θ3的最大值和最小值带入下式可求得θmin和θmax
θ=270°-θ4-θ1min-θ3
进而确定T和H
T=sinθ×L
H=cosθ×L-65（65为大腿厚度一半）
4设计实例
以50%男性的人体测量数据为例来计算调整后的鞍座、中轴、把手之间的相对位置。

按设计计算方法计算，得计算结果为：M取值范围为400～435mm；N取值范围为338～400mm；H取值范围为485～537mm;T取值范围为189～334mm。

通过验证，当M、N、H、T在以上各自的取值范围内取值时，各关节都在与自行车骑乘相关的人体关节舒适角度范围内。

5结束语
本文结合与骑姿相关的因素，分析讨论了现有骑姿人机特性，给出了重新确定了中轴、鞍座、把手之间的相对位置的方法。

调整后的骑姿在骑行过程中各关节处于舒适的角度范围内；鞍座设计可防止骑乘者从鞍座上滑下，上体的体重由鞍座和靠背来支撑，减少对会阴的
压力以及手的负担，手操纵行驶方向，脚踩踏板驱动自行车，各部分分工明确；挺直上身、获得良好的视野;中轴前移有助于腿部力量的发挥，同时便于骑乘者利用脚蹬地反力起步前行。

参考文献
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