运动自行车车架量身定做方法的研究.pdf

北京工业大学_硕士学位论文_运动自行车车架量身定做方法的研W 摘要摘要自行车运动是以自行车为工具比赛骑行速度的体育运动。任何体育运动都会 涉及到竞争，自行车运动也一样，其比赛的重要目标之一是实现速度的最快。自 行车运动的成绩是在人-车环境的共同作用下取得的。要想取得理想的比赛成 绩，就要使人在自行车上能够最大限度的发挥出自己的体能和骑行技巧，当然，超水平发挥会更好。在自行车运动的发展过程中，有很多研究都是单独围绕车的设计，或人的骑 行技巧，耐力训练，潜能训练，力量训练，蹬踏训练，营养补给等方面，却忽略 了“人车共同作用”这个重要的方面。正确的自行车的设计应该能够使人在骑行 时拥有良好的骑姿，避免身体各部位的损伤，并且能够使力有效的传输到车上，转化为有效功。在自行车运动发展比较早的欧美国家，运动自行车的设计正在向这方面发 展。我们称之为量身定做服务，即针对不同的人，设计不同尺寸的车，实现人车 的完美结合。然而，在中国，这种技术和服务才刚刚开始，很多的运动自行车设 计商在设计时，都是购买使用国外的设计方法。但是，由于东西方人的人体特征 之间的差异，比如身体各部分比例，肌肉状况等，设计出来的自行车在实际中总 是存在这样或那样的问题。本文的研究内容就是为了填补中国的这项技术空白而进行的。首先，文章通 过对现有的数据挖掘方法进行分析之后，选定了自组织数据挖掘作为主要的数据 学习方法。其次，通过分析自行车运动中出现的各种人体损伤和自行车运动的特点，总 结出了自行车的关键尺寸和影响自行车尺寸设计的人体尺寸。在此基础上，收集 了 210名运动员的身体尺寸信息及其自行车的尺寸信息。并利用自组织数据挖掘 算法对数据样本进行学习，得出它们之间的定量关系。然后，对比利用本文的公式计算出来的车架参数和其他两个提供量身定做服 务商的提供的车架参数以及Trek批量生产的车架数据，对本文的关于车架参数 的公式进行验证并提出其优越性。最后，基于人机工程学的基本理论，在CATI A人机工程学分析模块里建立 自行车模型和人体模型,模拟人在不同的情况下骑车的动作,并对动作进行分析，然后根据分析结果修正人体尺寸和自行车鞍座高度之间的关系式。关键词运动自行车；量身定做；自组织数据挖掘；人机工程学；人机仿真系统AbstractAbstractCycling is a sport that aims to achieve high velocity by riding on bike.Like any other sports,cycling is a competition too,one important goal is to win.The result of cycling is achieved under the co-operation of Human-B汰e-Environment.I f the riders want to win the competition or achieve the ideal result,his/her bike should be so suitable that rider can exert all her physical strength and riding skills.Of course,it will be better if the bike can help riders perform out of his/her capacity.During the development of cycling,most of researchers either focused on bicycle design,or focused on riding skills,endurance training,potential training,strength training,pedaling training,and nutrition supplies and so on.However,they ignored the co-operation of Human and Bicycle.The excellent bicycle should be able to provide rider a good riding posture,which can not only avoid causing injuries of riders body,but also transfer rider,s power to the bicycle power effectively.I n those western countries where cycling has a long history,the development of bicycle design is mainly in such area-we call it Customization Design Service,which means designing bicycle separately for every single rider to achieve the perfect combination of people and bike.I n China,this technology and service is just beginning.Most of the designers are using such method that developed by foreign designers.However,there are many differences between western and eastern people,such as the different body ratios and different muscle situations,which may cause problem when they use foreign methods.I n this paper,the study aims to fill out the technology gap between China and other western countries.First of all,this article choose self-organizing data mining as the data mining method by compare and analyze several data mining methods.Secondly,by analyzing the different injuries which caused by cycling and the characteristics of cycling,this article sum up the key dimensions of bike and key dimensions of people which have impact on bicycle sizes.Then collecting a sample which includes 211 riders5 body sizes and their bicycle sizes,find the quantitative relationships between them by taking advantage of self-organizing data mining.Thirdly,this article compares the bicycle frame that designed by Self-Organizing Data Mining with results of two other methods and Treks bike frame,analyzes the difference,and proves the validity and advantage of this articles result.ill北京工业大学硕士学位论文Finally,this article creates model of rider and bike separately and puts rider on the bike in CATI A.By modeling the different riding posture,this article analyzes body postures when crank in different positions according to the Ergonomics theory.Also corrects the relationship between saddle height and body sizes that achieved by Self-Organizing Data Mining.Key Words sports bicycle,customization design,self-organizing data mining,ergonomics,human-machine simulation systemIV独创性声明本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。关于论文使用授权的说明,本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。（保密的论文在解密后应遵守此规定）第1章绪论第1章绪论1.1 课题研究背景及课题来源自行车运动是以自行车为工具比赛骑行速度的体育运动，最早起源于欧洲。据记载，最早的自行车比赛是1868年在法国圣克劳德公园内举行的。1892年由 比利时、加拿大、丹麦、英国、法国、德国、荷兰、美国的一些自行车运动爱好 者发起，组织了国际自行车运动协会，这是国际自行车联盟的前身。1895年组 织了首届世界职业自行车锦标赛。在1896年第一届奥运会上，自行车被正式列 为比赛项目。1900年4月14日国际自行车联盟成立，总部设在日内瓦。现在，国际自行车联盟总部设在艾格勒（AI GL）10自行车运动诞生100多年来，发 展十分迅速。目前已经成了一项风靡全球的运动。进入20世纪90年代以来，随着计算机辅助设计和制造技术的日益发展，运 动自行车的设计和制造技术也得到了极大地提高。从最初的手工制图设计，到计 算机二维制图设计，发展到现在的三维设计，并可以在投产之前进行力学，人机 工程学，空气动力学等各方面的仿真模拟。同时，运动自行车的材料也在不断发 展，在将来的一段时间内，工程合成塑料、热塑性材料（重量和弹性与碳纤维相 仿，具有复原性能好、可塑性强、耐撞击、吸震性强等特性）、AERMET100超 强合金钢、模压高级符合材料（用环氧树脂、玻璃纤维等材料制成，可制造车架 用管材）、不锈钢、铁合金、镁合金、铳合金、碳纤维、玻璃纤维合成材料（特 点：耐气候、抗损伤、抗拉强度高）等一系列科技含量较高的新型材料将大量用 于自行车车架、前叉件等部件的制造。钛合金、镁合金、碳纤维等材料目前已经 成为中高档运动自行车的主要选材。同时，为了提高比赛成绩，各国运动员们或者业余爱好者们也在技术上和身 体素质上进行了各种各样的训练和改进。然而，由于比赛是在人-车-场地的共同 作用下完成的，比赛的成绩好坏并不仅仅依靠运动员的技巧、耐力、爆发力等自 身素质，更多的需要依靠运动员在比赛中使用的自行车，好的自行车一定是最适 合运动员的，可以保证运动员发挥应有的水平，甚至使其超水平的发挥，并且增 大了比赛过程中的安全系数，降低疲劳损伤口。不好的自行车不但对运动员的成 绩有影响，而且可能对运动员造成运动损伤，运动损伤一旦发生，将会破坏运动 员训练的系统性，影响训练和比赛成绩的提高，给运动员带来心理和生理上的巨 大痛苦许云冰研究了自行车鞍座对人体健康的影响，他指出长时间坐在设计不合理 自行车鞍座上，人体的会阴部位会被压迫，从而抑制血液流动，最终会破坏骑行-1-北京工业大学工学硕士学位论文者的泌尿生殖系统，对于男性来说容易造成泌尿生理疾病（阳痿），对于女性，则容易引起感染和疾病。Dingerkus等针对德国840名自行车运动员的调查，其结果发现他们中有90%的选手出现了过度使用综合症，涉及到运动员的手、腕 关节、颈部、背部下方、膝和臀部与鞍座接触区域等。在另一项研究中发现，35%的选手有手指麻木或刺痛，20%的选手是在与鞍座接触的臀部区域出现麻木。引起这些损伤的主要因素包括过量的训练、不正确的鞍座位置，不合理的鞍 座设计、鞋码错误、地形崎岖不平以及车把设计不合理，车架设计不合理等何工由此可见，设计一台合理的自行车，对于保护运动员的身体，提高比赛成绩 都是至关重要的。但是目前市场上的运动自行车都是按照型号来生产和设计的，而型号是针对特定人群的某个百分位的身体数据设计的，往往不能符合运动员的 使用要求，也就避免不了上述问题的产生。因此，在设计自行车时，必须要考虑 使用者的情况，包括使用用途，使用者的骑行习惯，使用者的年龄，使用者的性 别，使用者的身高，体重，腿长等因素，并用这些因素来指导车架及其零配件的 设计，这就称之为量身定做。本课题就是基于以上的考虑，是由北京工业大学CAD/CAM中心和北京航 轮运动器材有限公司合作的，目的是为了实现运动自行车的量身定做服务。北京 航轮是一家以生产中高档运动自行车为主的企业。公司是航天部门下属一个合资 企业，在钛合金生产领域有独特的技术优势，其产品主要有钛合金山地车、公路 赛车、铁人三项赛车、郊游车，以及车把、把立管、副把、座管等钛合金自行车 零件。其产品在国内的自行车运动领域享有很高的口碑，并远销欧美各国。1.2 国内外的发展现状1.2.1 国外的发展现状自从19世纪自行车运动诞生以来，运动自行车的设计和生产的发展十分迅 速。在20世纪70年代，出现了一批具有一定规模的运动自行车的设计和生产厂 商。由于起初的自行车运动主要在欧美国家流行，这些国家的设计和制造水平也 比较高，知名的运动自行车品牌有：Look,Specialized,Trek,Colnago,Bianchi,Seven Litespeed,Moots Cycles,Titus Cycles。从 20 世纪 80 年代起，由 于自行车运动风靡全球，各大厂商纷纷推出了各种各样的个性化设计，其中最突 出的一项服务就是车架的个性化设计。Trek,Coinage,Bianchi,Seven,Lightspeed,Titus Cycles都推出了车架的个性化设计服务。综合这些服务，其核 心在于收集运动员的身体的各部分的数据，结合运动学和人因工程学的原理，在 力学思想的指导下，设计出高效、安全、舒适的自行车车架。Seven公司在1997年推出了个性化定制和客户访谈系统（Custom Kit TM-2-第1章绪论and Client I nterview System)。该系统是一套非常科学的客户化运动自行车车 架定制的服务系统。随后又推出比较成熟的Seven Fit Methodology TM技术。该 技术能够设计出比先前的技术更好的更能符合运动员要求的自行车，并且能够加 强零售商、运动员，车架设计者和制造商之间的合作。在1998年，Seven又重 新定义了个性化设计并推出5元素的个性化设计方案(Five Elements of Customization TM)o在之后的几年里，Seven逐渐形成了比较成熟的个性化服务 的技术，到2004年年底，Seven已经成功地为10,000名运动员设计出符合他们 自己使用习惯的自行车。Seven Fit Methodology TM技术简称为SFM技术。其主要优点有：第一丰富的经验：有超过18,000个成功的案例；第二综合性强：有100个关于个人信息的问题和完善的客户化访问系统；第三技术支持：Seven有丰富经验的技术专家指导整个制造过程；第四团队工作：技术专家和零售商合作，使得产品更加符合定制者的需求；第五 Sevens Five Elements of Customization TMCl01：和尺寸以及舒适度相关 的几何形状设计；和把手，性能，效果相关的几何形状设计；管材选择；特征和 建议；未来的骑行计划；第六数据驱动的车架设计。其中，100,个关于个人信息的问题全面的囊括了个人的骑行习惯，骑行历史 等，甚至能够改正定制者的不良的骑行习惯。这样，设计出的车能够较好的符合 定制者的需求。然而，由于这是一项非常耗费人力和财力物力的服务，由于需要定制者回答 很多的问题，对定制者来说，光是回答这些问题就需要花费很长的时间，消耗很 大精力，而且还要随时准备回答设计人员的问题，即使这样，由于答案存在很大 的主观性，也不能保证百分之百的买到适合自己的车。对于设计人员来说，光是 阅读并整理这些问题，从而理出定制者的真正需求，也是一件很难的事。在这种 情况下，设计并制造一辆自行车大致要经历以下过程：顾客基本数据调查一顾 客骑行爱好调查-顾客原有自行车的参数了解一初步设计(AUTOCAD,或 者其他的可视化设计软件)一顾客评价一模型初现一顾客评价一制造-成品，其周期很长。如图回所示。-3-北京工业大学工学硕士学位论文VOTOornpewCMtomraiQmh bM4*1i=G（Xi，X2）匕=6（3，%4）匕/2=G（Xm，aJ（2-4）在第一层用输入、输出数据拟合得到各部分实现，再用上一层的输入，作出 下一层的部分实现。见式（2-5）：Z2=gL，jJ（2-5）每一层保留一部分好的部分实现，舍去一部分坏的部分实现。这样一层一层 的选下去，直到找出近似程度满意的部分实现为止，最后就以这个最优的部分实 现作为完全实现。这样每一层的部分实现就相当于进化论里产生的新品种，将其 淘汰掉一部分，再产生下一层的新品种，经过一层（代）一层（代）的选择，最 后得到优良品种。在实际计算中，每次只是计算部分实现，所以数据量和计算量 的问题得到了解决口支-14-第2章自组织数据挖掘算法及其优势2.3.2 GMDH算法具体步骤GMDH算法的具体步骤是：第一步将含有N个数据样本的样本集分为训练集(Training Set)A和检测 集B(Testing Set)o若建立预测模型，则将样本集分为训练集A,检测集B和预 测集C。第二步建立输出(因)变量和输入(自)变量之间的一般关系，作为参考 函数一般选用K-G多项式。如对于三输入单输出的系统，可取二次K-G多项式 为参考函数，见式(2-6)./&1，2，工3)=%+“刘+。2%2+43工3+44工：+QiXl+%X1 x2+X1 工3+a9 X2 X3(2-6)并以它的子项作为建模中的m个初始模型：Vi=aof 刈=%工，0=9%2%3这里加=10,出于简单考虑，我们画出了m=5时的GMDH的实现过程流程图，如图2-1至图2-6所示。输入受敏 输出变盘黑OV，Oo 四 yv，o当 o四传递函数图2-1建模之初的网络Fig.2-1 Network at start of modeling第一层图2-2经第一层创建模型后的网络Fig.2-2 Network at the first layer-15-北京工业大学工学硕士学位论文第一层 第二层 被选中的局部模M被淘认的局部模型图2-3第一层局部模型的筛选Fig.2-3 Network after selection of best models 被选中的局部模型 被滞法的局部模型图2-4经第二层创建模型后的网络Fig.2-4 Network after creation of all models of the 2nd layer第三步从具有外补充性质的选择准则中选出一个作为外准则，用于模型的 筛选。每一层的模型由外准则评价，被选到的模型保留，作为下一层的输入；未 被选到的模型被淘汰，见图2-3。第四步产生第一层的局部（中间）模型，如图2-3所示。式（2-7）是第一 层的局部模型。（2-7）式中k1,2,10在训练集A上估计的参数。根据外准则，在检测集B上在对模型进行筛 选，选出W*G=1，3,4,7,9）作为下一层的输入变量。-16-第2章自组织数据挖掘算法及其优势第五步重复第四步可以产生更多层次的局部模型，并最终得到最优复杂度 模型，如图2-4至图2-6国所示。第一层 第二屋 被选中的局部模型被海汰的局部模型图2-5第二层局部模型的筛选Fig.2-5 Network after selection of best models图2-6选出最优复杂度模型后的网络Fig.2-6 Network after the optimal model selected2.3.3 GMDH算法的分类根据局部模型产生的方法不同，GMDH又可以分为：组合算法和多层算法 两种主要算法画12叫叫(1)多层算法多层算法是GMDH算法中最常用的算法，它对局部模型产 生一个多层的网络结构。其过程如下：北京工业大学工学硕士学位论文设丁=/(为，工2,)是高阶的K-G多项式，将模型/中的每个加法单元中的非 系数部分看做一个新的自变量，则函数/可以化为线性模型，见式(2-8)。y=Au1,小，m)=5+口2%+am(2-8)将这加个新自变量作为第一层输入，这一层的局部模型见式(2-9)o(1)(1)(1)X=Voi+Vul+V212(2)(2)(2)Z=Voi+Vn Ui+v2i U3(2-9)yMi-Vol+V11 Um-1+Vn U局部模型的形式对于不同的问题可以使用不同的描述形式，在这里采用的是 常使用的多项式。MlC：是第一层产生的所有局部模型的个数。v；，=i,2,.，Mi；/=0,1,2表示系数。通过外准则从Mi个局部变量中选出不；个模 型作为第二层的输入。第二层将产生个局部模型，见式(2-10)。z=4+v?乂十记力Z2=?+v，X+v!?W (2-10)假设有尸2个模型选出作为第三层，则将会有M3=C$,个局部模型产生，见式(2-11)0K1=Vo3+V13Z1+V23Z2T/上(2)上(2)-2=3+3 Z1+V23 Z3,(2-11)G=vM)+vW*t+vM)Zr重复上述过程，定义外准则的阈值满足加之77,F2.方；=1,则在第/层 上有一个最优复杂度模型被选择出来。(2)组合算法组合算法也叫单层算法，是一个单层的网络结构。组合算法 18-第2章自组织数据挖掘算法及其优势根据所用的选择准则从输入变量的所有可能组合的模型中选出最好的模型，它是 一个完全模型归纳算法，不错过任何一个可能的模型。假设式（2-8）中，加=3,则模型形式见式（2-12）。y=a0+axUi+a2u2+a3U3（2-12）组合算法要产生4,小，为所有组合的Mi个局部模型，见式（2/3）。1,-上乂=。0+41y2=a0+a Ui、，（3、上y3=a.+&uj,工（4）匕=4。+%U3（5）（5）（5）y5=a0+1|+。3（6）（6）（6）y6=aQ+a u2+a3 u3（7）（7）（7）（7）y7=a0+a Ui+a2 u2+a3%（2-13）在检测集B上，根据外准则从中选择最优的模型。用个变量，其所有可能的局部模型为Ml=2一1，随着输入变量的增多，局部模型的个数也呈指数增长。2.4 GMDH算法的优势2.4.1 模型选择的客观性GMDH处理的对象是由若干输入变量、一个或多个输出变量构成的变量间 关系待定的一个封闭系统。通过各输入变量互相结合产生一个庞大待选模型集，用外准则从中筛选出若干最优模型，强强结合再产生大量的新一代模型，不断重 复这样一个产生和选择的过程，直至新产生的一代模型都比上一代更加优秀，则 最后一代中最优的一个模型被选中成为最终模型口支用GMDH方法选出的模型 可能是线性的，也可能是非线性的，这取决于真实系统及采集到的数据的状况，而不因我们的主观意志而定。随着模型被筛选出来，模型中相关的变量也同时被 选择出来。在数据挖掘中，建模者提供系统的样本数据，选择外准则，而GMDH依靠 算法内部的相互作用，自组织根据样本数据选择模型结构及其应该包含的变量。-19-北京工业大学工学硕士学位论文这样，建模的结果和建模者对研究对象模型的主观想象无关，保证了模型选择的 客观性。2.4.2 选择准则的优势传统的数据挖掘模型的建模是在整个样本集（预测样本除外，下同）上进行 的，而GMDH的建模是在两个样本集上进行：训练样本集A和检测样本集&数据分组和外准则的运用贯穿于GMDH算法整个建模过程中。它将整个样本集 分为训练集和检测集：每一层所生成的局部函数的结构以及系数是在训练样本集 上估计的；每一层局部函数相互竞争，淘汰或者生存下来是由在检测样本集B 上计算出的选择准则来决定的。外准则是建立在外部信息上的准则。外部信息就是指在模型建立和参数估计 中未被使用的信息和数据。模型建立和参数估计通常在训练样本集上完成，因而 不能再用训练样本集上的信息来进行模型评价，只有使用附加的外部信息，才能 从一个给定的数据样本中选出最优模型。这意味着要在新颖的信息上（如检测样 本集）评价模型的质量，外部准则是必不可少的R叫作为GMDH算法最重要的特点外准则的使用，能够保证最终选择的模型是 最优复杂度模型。最优复杂度模型是指模型必须具备合适的结构和复杂度，从而 具有足够的能力来拟合训练样本，但同时也必须充分地控制结构和复杂度来成功 的推广（即预测能力），即在建模中尚未使用的数据（测试数据）上也有出色的 表现。但是模型的近似能力与预测能力之间存在着矛盾。常常有许多模型，它们在 训练样本上具有相似的拟合精度。但在预测样本上，预测能力却不如那些简单的，拟合精度不是最好的模型。W.Occam的剃刀原理（如果不是绝对必要的话，就 不要假设其存在）表明：复杂的模型并非一定优于简单的模型。根据这个原理，一方面我们有必要选择简单的模型而不是复杂的模型，但另一方面我们也不得不 在训练样本的拟合精度和复杂度之间进行平衡。为什么模型的拟合能力和预测能力之间总是不能同时达到最强呢？这就是 所谓的“过拟合”现象。模型拟合过度，以牺牲预测能力来提高拟合能力。好的 模型即使对建模数据有一定的拟合误差，但对于未在建模过程中出现（但具有统 一规律性）的样本有做出正确反应的能力，即模型具有推广能力。实际上，当模 型复杂到一定程度时，模型不仅反映了系统的真实信息，还反映了建模数据的细 节特征（噪声）；此时，若过分追求高拟合精度，那么模型的推广能力就变差，即出现过拟合现象；此后，模型越复杂，其拟合精度越高，推广能力越差，模型 越不能反映数据中隐含的系统的规律性。因此，噪声对模型的影响越小，模型就-20-第2章自组织数据挖掘算法及其优势越能反应系统的规律性，对新数据的推广能力也就越好。因此，牺牲一定的拟合 精度以减小噪声对模型的影响，在噪声影响和拟合误差之间达到平衡的模型，既 具有一定得拟合精度，又有较好的推广能力。GMDH算法过程中，随着模型中变量数量的增加或模型多项式的阶次的增 大，模型的复杂度不断增加，在训练样本集上最小拟合方差5；的值在持续的减 小。唯一地使用这个信息并不可能判断模型什么时候过度拟合数据，这样最优模 型就不可能获得。但是，当应用一个外准则时，情况就变了。如在检测集上计算 最小拟合方差（外准则的一种），随着模型的复杂度不断增加，在持续的 减小。但当模型复杂度到一定程度时，不再减小。由此可以获得全局最 小值，该最小值对应的模型，就是最优复杂度模型如图2-7所示。最小拟合方差逐渐减小图2-7 GMDH在0点处获得最优复杂度模型 Fig.2-7 GMDH achieved the best model of at 0 point外准则的优势就在于避免了模型的过拟合，从而得到了最优复杂度模型。外准则的类型有很多，主要有正则化准则、稳定性准则、预测准则和相关准2.5 本章小结本章通过分析现有的数据挖掘技术“他组织数据挖掘”的局限性和自组织数 据挖掘的优势，选择自组织数据作为本文的主要研究方法。接着对自组织数据挖 掘的基本思想，算法体系以及自组织数据挖掘的核心算法GMDH算法从数学 思想、具体步骤和算法分类三个方面作了详细的论述。最后，从模型选择的客观 性和选择准则的优势两个方面详细的论述了自组织GMDH算法的优势，为本文对 自行车车架尺寸和人体尺寸之间关系的研究奠定了理论基础。-21-第3要正边即车关键尺寸与人体尺寸之圆关系的研究第3章 运动自行车关键尺寸与人体尺寸之间关 系的研究在最近的几十年的自行车运动中，越来越多人把注意力放在运动员训练方法 和技巧上，并且在训练技巧和营养领域已经有了很大的进展，运动员的体力已经 基本达到了极限，要想进一步提高自行车运动的成绩，关键的就是优化运动员骑 行时的姿势，这已经成为当前提高运动员成绩最重要的切入口。研究骑行姿势最 终的目的是找到一个最有效的，最符合空气动力学的，最符合人机工程学的姿势。然而，骑行姿势是运动员在自行车上骑行时所表现出来的。因此，研究的内 容必然涉及自行车和人体两部分。首先从自行车入手。3.1 运动自行车的关键尺寸对于自行车来说，和人体接触的部分有鞍座、把手和脚踏板三个部分，与之 相关的人体的运动部分有：大腿，小腿，腰（骨盆），背，前臂，胳膊，脚踝，肩八个部分，如图3/所示。图3-1“自行车-运动员”人机系统 Fig.3-1 旧ike-Rider5 System在对文献资料的学习中发现，由于自行车车架及其他零部件的尺寸设计的不 合理对运动员造成的人身伤害涉及很广。第一个就是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 骑行者上半身的姿势。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【36】。提-23-北京工业大学工学硕士学位论文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 375759。从生物力学角度来看，当人体脊柱出于非自然弯曲状态时，会引起椎 间盘压力改变，致使腰部疼痛。所以理想的骑姿是使脊柱接近正常形态的姿势，但是在大多数比赛中，速度是竞技的最终目标，因此，需要在速度和舒适度中间 找一个契合点。其次是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，也是影响运动员的踏力和踏速能否 获得最佳配合的关键口明鞍座的位置由鞍座的高度和坐管的倾角共同决定，高度 则与运动员胯高的关系紧密。大的坐管倾角使骑乘者重心靠前，有利于高速骑行,但是由于这样增加了上管的长度，运动员不得不趴在车上骑行，即上半身倾角偏 大，如果长时间骑行，会增加运动员腰肌劳损，颈椎疾病，甚至手腕麻木等损伤。过高的鞍座则会引起运动员泌尿系统和生殖系统疾病。曲柄长度决定了大腿骨的运动角度和有关肌肉的收缩程度。过长的曲柄将引 起肌肉的过渡伸长和过渡缩短。曲柄过短将使宝贵的肌肉收缩力不能被充分利 用。还有鞍座本身的设计。当人坐在鞍座上时,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250加72范围承受 人体约70%的重量，其受力情况如图3-2所示。在公路比赛中，运动员多采用 0-3 0的小角度骑行姿势，如图3-3所示。这样可以有效地减小身体对空气的阻 力，加快骑行的速度。为了减少大腿与鞍座的摩擦，加快运动员来回往复的蹬踏，提高速度，座面的设计都比较窄，且材料都比较硬。图3-4所示的是人体坐骨骨节 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，承担着 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 十分有害的四画画。-24-第3章运动自行车关键尺寸与人体尺寸之间关系的研究500ann 生骨结节300正常坐姿200100.交叉履坐姿0 100 200 300 400座面交度(mm)图3-2不同坐姿下的坐面力分析2 图3-3公路比赛运动员骑行姿势卬】Fig.3-2 The force analysis in different sit postures Fig.3-3 Riding posture of racing cycle白色=高压力区域/灰色J氐压力区域a)坐骨与鞍座接触视图 b)压力分布图a)Side view of hucklebone and saddle b)The pressure distribution图3 4小角度骑行姿势压力分布图R”Fig.3-4 The pressure distribution on saddle根据以上的关于自行车关键部位和人体之间关系的分析，归纳出自行车的关 键尺寸有8个。以公路自行车(Road Bike)为例,如图3-5和3-6所示，分别是 公路自行车的车架和整车图。(1)坐管长度1(Center-Center Length)坐管长度(如图3-5所示的A-A,)是沿着坐管量，从五通管中心到坐管和上管的交点的中心之间的长度，简称为 C-C。由于坐管与首管是相连的，坐管对于自行车来说非常重要。如果坐管过于 短，首管也会很短，导致车把的位置也过于低，最直接的后果是将过量的压力压 在运动员的后背和颈部，骑行的时间一长，对运动员的颈椎和腰部背部都会造成 疲劳损伤口叫鉴于此，在允许的情况下(速度，舒适度等满足时)，可以选择较 大的车架。当然，有些车架是倾斜的或者紧凑型的，坐管会被人为的缩短，在这 个时候要以上管(Top Tube)作为选择的标准。(2)坐管长度2(Center-to-Top Length)沿着做管量，从五通管中心到坐-25-北京工业大学工学硕士学位论文管的上表面的长度就是坐管长度2,简称为C-T(如图3-5所示的A)。这个尺寸 和C-C的作用一样，只是测量方法不一样。有一些自行车设计和生产的厂家比 如Colnago就是以此作为标准的，作用与C-C相同。图3-5公路自行车车架Fig.3-5 Frame of Road Racing bike图3/公路自行车整车图 Fig.3-6 Road Racing bike(3)上管长度(TopTube Length)上管长度是从坐管和上管的交点的中心 到首管和上管的交点的中心之间的水平距离，简称为T-T,也称为上管的有效长 度(如图3-5所示的D).在自行车车架的几何参数中，没有任何一个参数对于自行车舒适性所起的作 用大于上管的作用的。如果你打算只是考虑一个车架的几何参数，那么非上管莫 属。-26-第3章运动自行车关键尺寸与人体尺寸之间关系的研究(4)把立长度(Stem Length)把立长度是指把立的有效长度。不考虑不同 的把立倾斜角度。(5)鞍座的高度(BB-SaddlePosition)鞍座高度是沿着坐管量，从五通管 的中心到鞍座的上表面最低处的距离。对于不同高度的夹板和踏板，以及不同厚 度的鞍座，BB-Saddle的位置可能会有2cm的不同。(6)鞍座最前端到把立的水平距离(Saddle-Handlebar)这个距离包括把 立的长度和鞍座的偏移。从鞍座的最前端开始量，到把手的内边缘的水平长度，简称S-H。这个距离是用来保证运动员身体的重心的稳定性。过短的S-H会导致 重心靠前，无法保证骑行中的安全。而过长的S-H又会阻碍运动员有效地发挥身 体的爆发力和持久力，在骑行过程中容易疲劳，降低运动员的骑行速度3】。(7)鞍座偏移量(Saddle Setback)这个尺寸是指鞍座最前端到五通管中 心的