自行车鞍座的人机工程设计.doc
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1、自行车鞍座的人机工程设计前 言3第一章 绪论41.1课题研究背景41.2国内外研究现状41.3课题研究的内容61.4课题的意义61.5论文结构61.6本章小结7第二章 自行车鞍座的人机工程设计82.1人机工程学82.2人机工程学的定义82.3人机工程学的内容92.4人机工程在自行车鞍座设计中的应用102.4.1自行车鞍座对舒服性的阻碍102.4.2鞍座的人机工程分析112.4.3现有鞍座的人机特点分析122.4.4人机工程学指导下的鞍座设计142.5本章小结16第三章 自行车鞍座逆向设计173.1逆向工程学173.2逆向工程学的定义173.3逆向工程学的进展173.4逆向工程学的作用183.5
2、自行车鞍座设计中逆向工程的运用183.5.1三坐标测量仪183.5.2点云图的生成193.6 imageware软件的逆向建模223.6.1 imageare软件的简介223.6.2鞍座点云图的导入imageware软件223.6.3点云的多边形化233.6.4云多边形化参数的设定243.6.5点云噪点的分析243.6.6点云噪点的删除253.6.7曲面构造分析253.6.8曲面SurfA、SurfB、SurfC、SurfD和SurfE的构造263.7本章小结33第四章 UG软件对鞍座表面局部造型344.1导入UG6.0中进行鞍座表面的设计344.1.1将鞍座模型导入到UG NX6.0软件中3
3、44.1.2基准平面的建立344.1.3鞍座上表面草图的构造354.1.4改进后的鞍座模型354.2本章小结36第五章 总结与展望375.1工作总结375.2展望37参考文献:39致谢40前 言随着人类社会的向前进展,绿色无碳生活慢慢的阻碍着全世界人们的衣、食、住、行。人们在竞相购买舒服,环保,高档轿车的同时,自行车以其专门的魅力吸引着越来越多的消费者的青睐。同时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。尽管人们能够在专门短的时刻里设计出各种创新型的自行车,然而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,因此人机工程学的思想就此应运
4、而生。自行车作为现代人一辈子活和休闲的一种一般工具,它给人们带来了专门多的交通方便和欢乐。然而在现代社会中各种自行车的设计仍旧存在着专门多的缺陷比如自行车鞍座的舒服性,把手设计的合理性等。这些因素都严峻的阻碍到消费者的审美心理,波及到自行车以后的进展前景。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进展,更绿色的爱护我们的环境。在现代制造业高速进展的年代,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进展水平,专门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立即登上历史的舞台,并能专门好的改变自行
5、车的进展史,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进展,人们不管在物质依旧精神上都得到了专门大的满足和提高。尽管在相当一段长的时刻里自行车曾一度被人们遗忘,然而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进展,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欢乐和方便,理所因此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。因此人机工程的思想就显得专门重要。而鞍座作为构成
6、自行车的重要组成部件,其设计的合理性,舒服性及美观性就会严峻的阻碍着购买者的购买欲望,阻碍骑行者骑行时的安全和躯体的各项组织结构。中国以“自行车王国”著称于世,自行车曾经在专门长一段时刻内成为中国老百姓要紧交通工具。尽管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,然而我国生产的自行车仍旧存在着专门多的问题1。比如:长时刻骑自行车的人会感受到腰酸背疼,腹部坠胀,阴部胀疼和显现腱鞘炎等症状。针对以上各种情形,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要紧是从人因工程入手。
7、随着运算机技术的进展,普遍采纳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,因此与国外对自行车的鞍座和把手的改进和设计依旧存在着一定的差距,许多国内的自行车生产商尽管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,然而他们却专门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截了当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,研究所等单位差不多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
8、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,和谐自行车整体,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、躯体运动学等理论、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
9、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势进行了分析,总结出阻碍骑姿的要紧因素:车架形状与车架大小、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、躯体运动学的理论对现有一般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
10、进行了分析,同时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,成功的幸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服性,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制造了有利的条件,为自行车向人性化进展提供了方向10。德国健康中心Deuts
11、che 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担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。其中人体测量学要紧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
12、剖学的知识要紧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差不多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服的骑行状态。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服性,结构性的分析。此后采纳三坐标测量仪对已有的存在缺陷的自行车
13、鞍座进行测量,进而取得其点云数据,从而为接下来的imageware软件建模提供差不多的鞍座点云数据。在此基础上利用UG软件同时结合着差不多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。专门好的推动了自行车设计的向前进展,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阻碍范畴。1.5论文结构全文共分为五章,各章要紧研究内容安排如下: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、
14、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,要紧包括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,要紧是依照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。因此自行车作为人们平常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服性的满足,差不多决定了自行车是否能够连续进展的一个重要标准。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
15、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,是近十几年进展起来的一门边缘性应用学科。该学科的研究目的在于设计和改进人机环境系统,使系统获得较高的效率和效益,同时保证人的安全、健康和舒服。使设计的机器和环境系统适合人的生理和心理等特点,达到在生产中提高效率、安全、健康和舒服的目的。2.2人机工程学的定义人机工程学是一门研究人-机-环境三者之间相互关系的学科,该学科在进展的过程中有机的融合了生理学、心理学、医学、卫生学、人体测量学、劳动科学、系统工程学、社会
16、学和治理学等学科的知识和成果,形成了自身的理论体系、研究方法、标准和规范,研究和应用范畴广泛并具有综合性。该学科的研究目的在于设计和改进人-机-环境系统,使系统获得较高的效率和效益,同时保证人的安全、健康和舒服。由于该学科在各国的进展过程也不同,实际应用的侧重点不同,因此其定义也不尽相同。国际人类工效学学会(International Ergonomics Association,简称IEA)将该学科定义为:研究人在某种工作环境中的解剖学、生理学和心理学等方面的因素;研究人和机器及环境的相互作用;研究在工作中、生活中和休假时如何样统一考虑工作效率、人的健康、安全和舒服等问题。中国企业治理百科全
17、书将其定义为:研究人和机器、环境的相互作用及其合理结合,使设计的机器和环境系统适合人的生理、心理等特点达到在生产中提高效率、安全、健康和舒服的目的。2.3人机工程学的内容人机工程学的研究包括理论研究和应用研究两个方面,由于各国工业基础及学科进展程度不同,学科研究的主体方向及侧重点也不同,但全然研究方向差不多上通过揭示人-机-环境之间相互关系到的规律,以达到确保人-机-环境系统总体的最优化。其要紧内容包括以下几个方面:(1)研究人的生理与心理特性。人的心理、心理特性和能力限度,是人-机-环境系统优化的基础。对其进行研究要紧是对人-机-环境系统进行设计和改善,以及制定有关标准提供科学依据,使设计的
18、工作系统及机器、作业、环境都更好地适应于人,制造高效、安全、健康和舒服的工作条件。(2)研究人机系统总体设计。人机系统的效能取决于它的总体设计。系统设计的差不多问题是人与机器之间的分工以及人与机器之间如何有效地进行信息交流等问题。(3)研究人机界面设计。在人机系统中,人与机相互作用的过程,确实是利用人机界面上的显示器与操纵器,实现人与机的信息交换的过程。研究人机界面的组成并使其优化匹配,产品就会在功能、质量、可靠性、造型及外观等方面得到改进和提高,也会增加产品的技术含量和附加值。(4)研究工作场所设计和改善。工作场所设计的合理性,对人的工作效率有直截了当阻碍。(5)研究工作环境及其改善。任何人
19、机系统都处于一定的环境之中,因此人机系统的功能不能不受环境因素阻碍,人与机相比,受阻碍的程度更大。(6)研究作业方法及其改善。作业是人机关系的要紧表现形式,也是人机系统的工作过程,只有通过作业才能产生系统的成果。(7)研究系统的安全性和可靠性。人机系统已向高度周密、复杂和快速化进展。人机工程要研究人为失误的特点和规律,人的可靠性和安全性,找出导致人为失误的各种因素,以改进人-机-环境系统,通过主观和客观因素的相互补充和和谐,克服不安全因素,搞好系统安全治理工作。(8)研究组织与治理的效率。人-机-环境系统的研究应与组织、治理、文化和社会相适应。2.4人机工程在自行车鞍座设计中的应用鞍座作为自行
20、车的关键部件之一,其设计的好坏直截了当阻碍着骑行者骑行的舒服性,更严峻的是经常骑行设计不合理的鞍座坐垫会给骑行者臀部的会阴区的各种组织和血管产生压迫,阻碍人体各项机能的正常工作。因此自行车鞍座的设计差不多显得刻不容缓。为了解决上述自行车不合理鞍座产生的阻碍,人机工程的自行车鞍座设计为我们提供了一个专门好的解决方法。有利的推动了自行车的快速进展,使自行车更受消费者的青睐。2.4.1自行车鞍座对舒服性的阻碍自行车虽已有两百多年的历史,但其设计方面仍存在专门多问题,骑乘者埋怨最多的莫过于骑行舒服性问题。而鞍座是支撑自行车骑乘者体重的要紧零部件,其设计对骑乘者的健康和骑行舒服性有着专门大的阻碍。由于骑
21、车时会阴部长时刻受到挤压,致使前列腺或阴部充血肿胀而发生炎症12。依照图2-1所示人体臀部组织在自行车鞍座上的分布简图可知,当骑乘者位于鞍座上时,鞍座会压迫到位于坐骨结节和耻骨联合部之间的坐骨生殖区,该处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。 图2-1人体臀部组织在鞍座上的分布在骑行过程中,骑乘者的大部分体重会压迫到这些血管和神经,造成会阴区的疼痛和麻木。同时会阴区深层中含有泌尿组织、血管及生殖动脉和传导神经,骑行中骑乘者体重的压迫也会造成生殖区域的缺血和麻木,严峻时还会导致生殖系统功能障碍。这也确实是骑自行车引起会阴胀痛、臀部疼痛,长时刻骑行后还会感到阴部发麻,甚至会引起尿痛
22、、尿频、睾丸疼痛等症状的要紧缘故。另外,据一家外国机构的调查研究统计,骑自行车的男士中,90%以上的人的睾丸存在畸形;50%的被调查人群会感到阴囊不适或存在勃起障碍13。2.4.2鞍座的人机工程分析(1)坐姿时的脊柱形状处于坐姿状态时,人的躯体要紧由脊柱、骨盆、腿和脚支撑。不同坐姿下的脊柱形状不同。在良好的自然坐姿状态下,各椎间盘上压力分布适当且肌肉组织承担平均的静负荷。而处于非自然坐姿下,椎间盘压力分布不正常,容易产生腰部疼痛和疲劳等不适。从坐姿生理学角度来讲,鞍座的尺寸和结构设计应能使骑乘者处于或接近自然坐姿,保证正常的脊柱形状和腰弧曲线以降低疲劳减少腰部疼痛等不适。(2)坐姿体压分布当人
23、处于坐姿状态时,人的躯体重量要紧由坐垫和靠背承担,因此坐姿体压分布包括坐垫上的体压分布和靠背上的体压分布两部分。坐姿状态下,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担压力的臀部的两块坐骨结节,约25cm2的部位支撑着75%的人体重量,时刻久了便会感到疲劳,造成臀部疼痛。图2-2所示为坐姿时坐垫上的压力分布图14。可见在坐姿状态下,其坐骨结节处压力最大,向四周逐步减少,到大腿部位时压力降至最低,即为鞍座设计的压力不平均分布原则。靠背上的体压分布同样也不平均,就带靠背的自行车鞍座而言,压力要紧集中在腰椎部位,由此向外逐步降低。图2-2坐姿时坐垫上的体压分布(3)股骨受力分析 坐姿时坐骨
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