基于人体运动仿真的自行车结构优化
基于人体运动仿真的自行车结构优化
□郑安宾
□金
健
□
上海
朱成竹
200072
上海大学机电工程与自动化学院
摘
要：为了使自行车具有良好的骑行性能、动力输出性能，自行车设计过程需要根据人体的身体特征对自行车结构
进行优化。采用一种新颖的人机建模仿真软件———The Anybody Modeling System ，建立了自行车-人体下肢耦合模型并进行动力学仿真，分析了自行车结构尺寸对人体骑行状态的影响，并对自行车结构的相关因素进行正交试验。针对特定人体尺寸，以人体骑行舒适性为客观评价指标，给出了自行车的结构优化参数。
关键词：人机系统建模仿真中图分类号：TH122；U484
自行车
耦合模型
正交试验
文章编号：1000－4998(2012) 06－0014－03
·8.33N m 转矩，作为运动时人体下肢承受的工作负载，选择
表1
自行车结构及工况参数参数曲柄长度/%鞍座水平位置/%鞍座竖直位置/%
齿数比K 曲柄中轴中点
初始值
文献标识码：A
在自行车骑行过程中，人和车是两个同样重要的因素，不合适的自行车会使人在骑行中姿势不舒适，容易造成人体疲劳，因此自行车的结构必须符合人的身体特征。随着科技不断发展，人们对自行车结构优化的研究也越来越多。Gonzalea H ［1］建立下肢-自行车模型，研究座高对骑行姿势的影响；杨随先［2］对把手、鞍座和脚踏三者的位置关系进行了研究，给出了重新确定中轴、鞍座、把手之间相对位置的方法；卜研［3］建立了骑手和山地自行车耦合模型，通过对手、车座、踏板三者之间位置的优化分析，得到了针对特定骑手的自行车优化设计。在这些研究中人体模型仅仅简单模拟人体姿态，很少能依据人体的尺寸对自行车的结构进行优化设计，并且大部分研究只单独针对自行车的一个或两个参数进行研究，没有把影响自行车结构的各个参数进行综合的分析评价。
本文以The Anybody Modeling System 软件［4］建立人体骨骼肌肉与自行车耦合模型仿真平台，依据在骑行过程中人体的“感受”，对自行车结构因素提出合理的优化设计。
10-113747/14(0，0，0)
90r/min作为初始踏
蹬频率，研究对象身高为173cm 。
自行
车模型的结构参数分比）如表1所示。
）
（占研究对象身高百（表中负值表示位于曲柄中轴中点的左边
2模型仿真
在自行车骑行中，车架曲柄长度、鞍座的位置这些
因素会影响人体的骑车姿势，在不同的骑行姿势下人体骑行舒适度也不同。因此，利用Anybody 软件对自行车-人体下肢耦合模型进行逆动力学仿真，分析自行车结构参数对人体下肢肌肉运动状态的影响。笔者以肌肉活性和肌肉应力平方和作为评价肌肉运动状态的指标，其中肌肉活性［5］没有量纲，用百分比来表示，描述肌肉在某个运动过程中的受力占其承受能力的百分比；肌肉应力平方和［6］是目前研究中广泛采用的评价
0.03肌肉应力平方和/M P a 2
曲柄长度8%
曲柄长度10%曲柄长度11%
1人机耦合系统建模
要建立自行车-人体下肢运动耦合模型，需要分别
建立运动自行车模型和人体下肢模型，然后通过刚性
节点把模型耦合起来，如图1所示。
全局坐标系X
Y
X
0.0250.020.0150.010.005
50▲图2
100
200250
曲柄转动角度/（°）
150
轴方向水平向右（指向前轮），Y 方向水平向上，Z 轴垂直于
▲图1自行车-人体下肢运动耦合模型收稿日期：2011年12月
XY 平面向外。在自
行车曲柄上加载
300350
三种曲柄长度下肌肉应力平方和
2012／6
机械制造50卷第574期
鞍座水平位置的变化区间为（-21%，-13%）、竖直位置的变化区间为（28%，36%），鞍座的位置在水平和
肌肉应力平方和/M P a 2
0.060.050.040.030.02
0.01-13%
-15%
-17%
-19%水平位置
-21%
▲图3
竖直两个方向同时进行变化，得到每种状态下肌肉最大应力平方和情况，如图3所示。在车座的水平位置和竖直位置变化区间内，下肢肌肉的应力平方和随着鞍座数值位置的升高和水平位置的后移而减小。
3
34%
36%
正交试验
通过仿真分析可知，自行车各结构参数对人体肌
28%
30%
32%
肉工作状况的影响是分主次的，为了得到针对不同人体尺寸的自行车最优结构参数，下面通过正交试验对自行车结构的鞍座水平位置（P ）、竖直位置（H ）和曲柄长度（L ）进行研究。
竖直位置
下肢肌肉应力平方和与鞍座位置关系图
肌肉疲劳的方法。3.1正交试验及结果
正交试验以下肢肌肉的应力平方和最小和肌肉活
2.1不同曲柄长度对人体运动状态的影响
曲柄长度分别取身高尺寸的8%、10%、11%时，下肢肌肉应力平方和变化趋势如图2。
在一个转动周期内肌肉应力平方和最大值分别为
性最小作为优化目标，设计因素为P 、H 、L 。选择L 25（56）正交表，进行25次试验，试验结果如表2。
表中第5列Error 没有安排因素，是空列，由于试验中不可避免出现误差，故该列极差R 往往不为零，其值反映了误差的大小，可作为试验误差的估计值。
0.0255、0.0136、0.0101MPa 2, 随着曲柄长度的增大出
现单向性减小。这是由于曲柄长度增大，使得作用力矩增大，因而肌肉发力相对变小，可以减小疲劳。
3.2结果分析
基于极值法得到的K 值和R 值如表3。表中各因
表2
正交试验结果
2.2不同鞍座位置对人体运动状态的影响
因素实验号
P 1/%-9-9-9-9-9-10-10-10-10-10-11-11-11
H 2/%[***********]39343537
L 3/%9.09.510.010.511.010.010.511.09.09.511.09.09.5
Error [1**********]34
最大应力平方和/MPa2最大肌肉因素活性试验号
P 1/%-11-11-13-13-13-13-13-14-14-14-14-14
H 2/%[***********]373839
L 3/%10.010.59.510.010.511.09.010.511.09.09.510
Error [1**********]2
最大应力平方
和/MPa2最大肌肉活性
[**************]13
0.02990.02210.01640.01600.01570.02460.01860.01520.01820.01680.02210.02090.0155
0.8650.8000.7400.6890.6360.8070.7570.7100.6860.6360.7660.7480.701表3
[***********]232425
0.01270.01290.02250.01750.01320.01210.01600.01800.01360.01290.01060.0109
0.6580.6130.7530.7110.6740.6370.6130.7220.6880.6650.6310.590
K 值和极值R
P
K 1
最大肌肉活性
P
K 1
最大应力平方和
H 0.023420.018540.014640.013920.014460.00950
L 0.019580.017500.016420.015760.015740.00384
Error 0.017220.017300.016840.017140.016480.00082
K 2K 3K 4K 5R
H 0.78260.74080.69800.66020.61760.1650
L 0.71540.70420.70120.69100.68740.0280
Error 0.70600.70320.69660.69960.69380.0122
0.020020.018680.016820.016260.013200.00682
0.74600.71920.69720.67760.65920.0868
K 2K 3
K 4K 5R
机械制造50卷第574期
2012／6
一种多功能救援担架的设计与研究
□
陈
冉1
□
武汉
郭子逸2
430070
武汉
1. 武汉理工大学交通学院
2. 武汉理工大学能源与动力工程学院
摘
430070
要:设计了一种能适应多种灾难环境下，集多功能于一体的救援设备。通过对杆件长度可变四杆机构、齿轮齿条
机构、棘轮机构、自锁机构及导轮换向机构的整体联动，可将其转化成普通救援担架、防风雨担架、单人背式担架、快速反应轮椅、运输手推车、轻便救生船、攀爬越障梯等多种在灾难现场实行救援、逃生的装置。
关键词:多功能
救援
机构转换
担架
文献标识码：A
文章编号：1000－4998(2012) 06－0016－03
中图分类号：TH789
我国是一个灾害多发的国家，每一次的灾难都给人们带来了难以估量的损失，无论是1998年的特大洪水还是2008年的汶川大地震及南方雪灾，以及历年发生的各大车祸，都给人们的身心带来了极大的损害。为了避免悲剧的发生以及减少人员伤亡，及时有效的救援工作显得尤为重要。为了提高救援工作效率，使用结
收稿日期：2012年2月
构简单、功能齐全的救援装置便成为迫切所需。
基于上述问题，本文介绍一种多功能救援担架，它能满足救援过程中多种功能需求，以普通救援担架为载体，通过机构转换，集普通救援担架、防风雨担架、单人背式担架、快速反应轮椅、运输手推车、轻便救生船、攀爬越障梯等，七大救援逃生功能于一体的多功能救援装备。
设计做到以人为本，从而达到日常生活中保证人体舒适性和在自行车比赛中提高比赛成绩的目的。
葺葺葺葺葺葺葺葺葺葺葺葺葺葺葺葺葺葺葺葺葺葺葺葺葺葺葺葺葺葺葺葺葺葺葺葺葺葺葺葺葺葺葺葺葺葺葺
素的R 值均大于Error 列的R 值，说明这三个因素对设计指标的影响都很重要。三个因素对肌肉最大应力平方和的影响大小水平为：H ＞P ＞L ，即鞍座竖直位置对肌肉应力平方和的影响最大，鞍座水平位置影响次之，曲柄长度的影响最小。因素H 以H 4为佳，因素P 以P 5为佳，因素L 以L 5为佳，所以得到最优组合为H 4P 5L 5，即：鞍座竖直位置38%，水平位置-14%，曲柄长度
［2］［3］［1］
参考文献
Gonzalea H,Hull M L. Multivariable Optimization of Cycling Biomechanics ［J ］.Journal of Biomechanics,1989,22（12）:1151-1161.
旷红梅, 杨随先. 基于人机工程学的自行车骑姿改进设计［J ］. 设计与研究,2007,34（3）:8-11.
10.5%。同理，得到三个因素对肌肉最大活性的影响大
小为H ＞P ＞L ，最优组合为H 5P 5L 5，即：鞍座竖直位置
BU Yan,Huang Tian,Xiang Zhongxia.Optimal Design of Mountain Bicycle Based on Biomechanics ［J ］.Transactions of Tianjin University,2010,16:45-49.
39%，水平位置-14%，曲柄长度10.5%。
对应两种评价指标得到的最优值并不相同，最大肌肉活性仅指某块肌肉的活性达到最大值，它并不一定是整个运动过程中起主要作用的肌肉。而肌肉应力平方和综合考虑了多块肌肉的情况，能够更全面地反应下肢肌肉的整体运动状态，因此选择使最大肌肉应力平方和最小的组合（即H 4P 5L 5）作为最终优化结果。
［4］
Lelai Zhou,Shaoping Bai,Michael R.Hansen, et al. Modeling of Human Arm Energy Expenditure for Predicting Energy Optimal Trajectories ［J ］.Modeling Identification and Control, 2011,31（3）:91-101.
［5］Crownishield R D, Brand R A. A Physiologically Based
4结论
自行车的性能会对人体的骑行状态产生重要影
［6］
Crieterion of Muscle Force Prediction in Locomotion ［J ］. Journal of Biomechanics,1981,14（11）：793-801.
John Rasmussen,Soren Torholm,Mark de Zee.Computational Analysis of the Influence of Seat Pan Inclination and Friction on Muscle Activity and Spinal Joint Forces ［J ］. International Journal of Industrial Ergonomics,2009，39：52-57.
（编辑
葺丁
罡）
响，尤其在自行车运动比赛中，不合理的结构设计会造成骑手骑行姿势的不正确，使骑手容易产生疲劳，直接影响比赛成绩，因此自行车的结构必须要符合骑手的个性化特征。本文基于人机建模仿真软件，利用正交试验对自行车鞍座、曲柄长度参数进行了优化，使自行车
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机械制造50卷第574期