董俊華， 趙文崇

DONG Jun-hua1, ZHAO Wen-chong2

（1. 佛山職業(yè)技術學院，佛山 528000；2. 深圳中興新通訊設備有限公司，深圳 518114）

0 引言

電動自行車的設計與研發(fā)是一件復雜的工作。國內(nèi)電動自行車的設計與開發(fā)，從零組件的設計、原型制作(Prototyping)、至零組件的組裝及產(chǎn)品測試，都需要投入大量的工時與成本。再者，自行車的設計過程中，須在方案設計好之后，評估不同的設計方案；而在設計定案之前，也常須評估最終選擇的設計方案，以尋求性能、結構、操作、視覺等方面的合理性。根據(jù)設計案大小或評估項目的不同，以往這些評估是通過產(chǎn)品精描圖面(Rendering)、或產(chǎn)品原型（Prototype）來進行[1,2]。實際上，設計師或廠商在電動自行車產(chǎn)品的開發(fā)設計與外型構思時，對自行車的相關尺寸，如車架、把手、與座墊等，該如何配合人體的尺寸，以符合最適合的騎乘姿勢，難以有效掌握[3～5]。因此，如何根據(jù)符合消費者的需求及人體工程學的車型建議，利用計算機輔助設計技術，實現(xiàn)基于人體工程學的電動車設計，是一個值得探討的問題。

1 基于人體工程學的電動自行車設計

一個新電動自行車型系統(tǒng)，設計師必須以操作性為出發(fā)點，考慮操作上的舒適性、便利性、高效性、安全性等人體工程學工程要件。人體工程學在電動自行車設計發(fā)展上，主要表現(xiàn)在于車體組合設計的部分，大致可歸納以下三點：

1）人體特征的差異：由于人體尺寸、型態(tài)和運動狀態(tài)及生理及心理等因素，應用于自行車操作上的設計需加以考慮。

2）人體工程學規(guī)范在設計實踐的應用：運用人體工程學原理，可以幫助操作者處理多項情報輸入時，能產(chǎn)生適切反應的準則。

3）人體工程學與營銷決策的關系：通過不同需求的使用者選擇自行車的定位，了解使用者對安全和舒適的需求，建立適當?shù)氖袌鰠^(qū)隔規(guī)范。

自行車操作姿勢可分成上下半身兩部分進行探討：

1）上半身操作姿勢（操作控制以手為宜）：由需要功力的不足與補充到上半身肌肉群的肌力作用，反應握把對手反作用力的作用，得到合適的握把位置；可看出適當?shù)牟僮魑恢门c姿勢才能使肌肉有效的控制上半身肌肉作用，適當?shù)目刂迫砑∪馐湛s。

2）下半身操作姿勢（動力做功以腿為宜）：由需要功力與轉(zhuǎn)速的關系與下半身座墊姿勢位置，可看出踏板軸運轉(zhuǎn)，在合適的操作姿勢下，可使肌肉產(chǎn)生有效的力矩，并產(chǎn)生所需的轉(zhuǎn)速。

由上可知，人體上、下半身操作姿勢與車子的踏板處座墊處握把處的相對位置產(chǎn)生直接互相的關系，其中主要影響因素是由使用者與車子三個接觸點位置所決定：座墊部份、踏板部份和握把部份。涉及人使用自行車的要素主要為踏板、坐墊、把手有關的構件包括做管長度及角度、姿勢及尺寸、把手、座勢等。

應用計算機于人體工程學的輔助設計上，對安全性的考慮與評估有很大的幫助。身體各關節(jié)在自行車操作上，在合適的角度范圍中操作使用才能獲得最合適的操作姿勢，發(fā)揮最大的輸出功能。過大或過小的關節(jié)操作角度都會影響用戶在操作的型態(tài)，如果能借助計算機輔助來尋求出合適的關聯(lián)性，方便設計師在設計自行車時評估的準則。

2 基于人體工程學的電動自行車CAD設計

計算機輔助設計(Computer-Aided Design，簡稱CAI)顧名思義就是利用計算機精確與快速方便的特性，協(xié)助設計師從事設計工作的一種工具。計算機輔助設計應用在設計工作上，已有一段時間，發(fā)展至今則衍生許多不同功能的工具，且從原本的二維空間圖形轉(zhuǎn)變?yōu)槿S空間的圖形表現(xiàn)。這種可視化的改變，有助于提升工業(yè)設計與產(chǎn)品開發(fā)工作的溝通。整個計算機輔助工業(yè)設計的發(fā)展歷程，主要包括：平面繪圖、立體線架構、曲面設計、產(chǎn)品仿真和實體模型等。各種網(wǎng)絡化技術的應用與發(fā)展應運而生，以往所謂的計算機輔助設計也逐漸結合了網(wǎng)絡科技，特別是運用虛擬現(xiàn)實的設計表現(xiàn)方式更為一項新的發(fā)展趨勢。自行車產(chǎn)品設計與消費型態(tài)伴隨網(wǎng)絡化時代的來臨而有所改變，加上計算機科技與因特網(wǎng)的快速發(fā)展，將會使自行車這類產(chǎn)品更為系統(tǒng)化、自動化，并可降低自行車設計與消費選擇上的人為謬誤。

本研究將通過自行車與使用者的相關研究，調(diào)查訪談自行車業(yè)的設計與制造的流程，歸納整理出其關聯(lián)性，并借助計算機視算的能力，嘗試結合桌上型虛擬現(xiàn)實，以虛擬原型建構電動自行車設計信息系統(tǒng)。其所運用的方法為：

1）以數(shù)據(jù)庫軟件(Access)為主建立數(shù)據(jù)表單，其中包括了相關人體計測值、自行車相關構件的尺寸、騎乘角度的量測等。

2）運用計算機繪圖軟件(Solidworks、3D Max)建構自行車構件，并與所完成網(wǎng)絡系統(tǒng)整合，借助所建立的因特網(wǎng)使用接口，輸出先前討論的設計需求窗體數(shù)據(jù)與虛擬原型的顯示型式。

3）以網(wǎng)頁編寫軟件(Frontpage)為首頁與網(wǎng)站的建立工具，其核心程序包含兩個主要部分，其一為人體騎乘自行車仿真程序，用Visual Basic語言編寫；另一部份為數(shù)據(jù)庫提取，與各數(shù)據(jù)相互間的對應關系的確立，此部份以活動服務器程序(Active Server Pages；ASP)為撰寫軟件。

本研究為針對自行車產(chǎn)品設計為主題，設計師設計需求因子為基礎，開發(fā)電動自行車設計架構數(shù)據(jù)庫，以計算機虛擬現(xiàn)實的方式仿真產(chǎn)品型態(tài)，提供設計師或用戶能以因特網(wǎng)方式查詢電動自行車設計所需之相關數(shù)據(jù)，并且提供在線立即的設計分析模擬與建議。包括以下五項主要步驟：

1）電動自行車設計需求調(diào)查與整理

本研究以電動自行車工業(yè)研發(fā)中心為訪談與調(diào)查對象，整理歸納出設計師在設計自行車時的設計需求與產(chǎn)業(yè)信息，并與電動自行車設計師作訪談，進一步了解電動自行車設計開發(fā)的流程，以作為系統(tǒng)開發(fā)的參考。

2）電動自行車數(shù)據(jù)庫的建構

在數(shù)據(jù)庫方面包括自行車構件、人體工程學測量值、騎乘角度量測量等三部份數(shù)據(jù)表單。

3）虛擬原型架構

根據(jù)自行車構件尺寸，以計算機繪圖軟件(如：Solidworks、3D Max)建構各型車架、把手、車輪等構件，再轉(zhuǎn)為因特網(wǎng)通用的虛擬原型格式，以利系統(tǒng)的提取。

4）網(wǎng)絡系統(tǒng)模式

本系統(tǒng)的發(fā)展以因特網(wǎng)為基礎，通過Internet網(wǎng)絡來整合嵌入式仿真程序(Active X)，并以活動服務器網(wǎng)頁(ASP)結合網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫來提取產(chǎn)品構件，借助此架構發(fā)展網(wǎng)絡信息系統(tǒng)，使其成為設計師與用戶可通過網(wǎng)絡使用的系統(tǒng)。

5）系統(tǒng)輸出

在系統(tǒng)輸出部份除了騎乘仿真程序外，還應該包括文字窗體、虛擬原型的繪制圖等。

該方案的實現(xiàn)流程如圖1所示：

圖1 設計方案的實現(xiàn)流程

3 結束語

本研究針對自行車的設計開發(fā)，試圖結合虛擬現(xiàn)實的技術以建立一個以網(wǎng)絡為基礎的先進設計信息系統(tǒng)。本研究應用虛擬原型的特性于網(wǎng)絡信息系統(tǒng)上，以對設計方案進行交互式的評估，根據(jù)符合消費者的需求及人體工程學的車型建議，利用計算機輔助設計技術，實現(xiàn)基于人體工程學的電動車設計。

[1] 王培榮.電動自行車的人機工程分析研究[D].山東大學,2009.

[2] Nelson, George,Design Problems[M],Whitney,1975.

[3] Tovey,Michael,“Styling and Design: Intuition and Analysis in Industrial Design,” [J],Design Studies,Vol.18,pp.5-31,1997.

[4] Tseng,Mitchell M., Jiao, Jianxin, and Su,Chuan-Jun,“A Framework of Virtual Design for Product Customization,[C]”IEEE,IScide pp.7-14,1997.

[5] Ulrich,Karl T., and Eppinger,Steven D., Product design and development[M],McGraw-Hill,1995.