董俊華， 趙文崇

DONG Jun-hua1, ZHAO Wen-chong2

（1. 佛山職業(yè)技術(shù)學(xué)院，佛山 528000；2. 深圳中興新通訊設(shè)備有限公司，深圳 518114）

0 引言

電動(dòng)自行車的設(shè)計(jì)與研發(fā)是一件復(fù)雜的工作。國內(nèi)電動(dòng)自行車的設(shè)計(jì)與開發(fā)，從零組件的設(shè)計(jì)、原型制作(Prototyping)、至零組件的組裝及產(chǎn)品測(cè)試，都需要投入大量的工時(shí)與成本。再者，自行車的設(shè)計(jì)過程中，須在方案設(shè)計(jì)好之后，評(píng)估不同的設(shè)計(jì)方案；而在設(shè)計(jì)定案之前，也常須評(píng)估最終選擇的設(shè)計(jì)方案，以尋求性能、結(jié)構(gòu)、操作、視覺等方面的合理性。根據(jù)設(shè)計(jì)案大小或評(píng)估項(xiàng)目的不同，以往這些評(píng)估是通過產(chǎn)品精描圖面(Rendering)、或產(chǎn)品原型（Prototype）來進(jìn)行[1,2]。實(shí)際上，設(shè)計(jì)師或廠商在電動(dòng)自行車產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計(jì)與外型構(gòu)思時(shí)，對(duì)自行車的相關(guān)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(shì)，難以有效掌握[3～5]。因此，如何根據(jù)符合消費(fèi)者的需求及人體工程學(xué)的車型建議，利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)基于人體工程學(xué)的電動(dòng)車設(shè)計(jì)，是一個(gè)值得探討的問題。

1 基于人體工程學(xué)的電動(dòng)自行車設(shè)計(jì)

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

1）人體特征的差異：由于人體尺寸、型態(tài)和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及生理及心理等因素，應(yīng)用于自行車操作上的設(shè)計(jì)需加以考慮。

2）人體工程學(xué)規(guī)范在設(shè)計(jì)實(shí)踐的應(yīng)用：運(yùn)用人體工程學(xué)原理，可以幫助操作者處理多項(xiàng)情報(bào)輸入時(shí)，能產(chǎn)生適切反應(yīng)的準(zhǔn)則。

3）人體工程學(xué)與營(yíng)銷決策的關(guān)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(duì)安全和舒適的需求，建立適當(dāng)?shù)氖袌?chǎng)區(qū)隔規(guī)范。

自行車操作姿勢(shì)可分成上下半身兩部分進(jìn)行探討：

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

2）下半身操作姿勢(shì)（動(dòng)力做功以腿為宜）：由需要功力與轉(zhuǎn)速的關(guān)系與下半身座墊姿勢(shì)位置，可看出踏板軸運(yùn)轉(zhuǎn)，在合適的操作姿勢(shì)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(shì)與車子的踏板處座墊處握把處的相對(duì)位置產(chǎn)生直接互相的關(guān)系，其中主要影響因素是由使用者與車子三個(gè)接觸點(diǎn)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(guān)的構(gòu)件包括做管長(zhǎng)度及角度、姿勢(shì)及尺寸、把手、座勢(shì)等。

應(yīng)用計(jì)算機(jī)于人體工程學(xué)的輔助設(shè)計(jì)上，對(duì)安全性的考慮與評(píng)估有很大的幫助。身體各關(guān)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(shì)，發(fā)揮最大的輸出功能。過大或過小的關(guān)節(jié)操作角度都會(huì)影響用戶在操作的型態(tài)，如果能借助計(jì)算機(jī)輔助來尋求出合適的關(guān)聯(lián)性，方便設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)自行車時(shí)評(píng)估的準(zhǔn)則。

2 基于人體工程學(xué)的電動(dòng)自行車CAD設(shè)計(jì)

計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(Computer-Aided Design，簡(jiǎn)稱CAI)顧名思義就是利用計(jì)算機(jī)精確與快速方便的特性，協(xié)助設(shè)計(jì)師從事設(shè)計(jì)工作的一種工具。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)應(yīng)用在設(shè)計(jì)工作上，已有一段時(shí)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(shè)計(jì)與產(chǎn)品開發(fā)工作的溝通。整個(gè)計(jì)算機(jī)輔助工業(yè)設(shè)計(jì)的發(fā)展歷程，主要包括：平面繪圖、立體線架構(gòu)、曲面設(shè)計(jì)、產(chǎn)品仿真和實(shí)體模型等。各種網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展應(yīng)運(yùn)而生，以往所謂的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)也逐漸結(jié)合了網(wǎng)絡(luò)科技，特別是運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)的設(shè)計(jì)表現(xiàn)方式更為一項(xiàng)新的發(fā)展趨勢(shì)。自行車產(chǎn)品設(shè)計(jì)與消費(fèi)型態(tài)伴隨網(wǎng)絡(luò)化時(shí)代的來臨而有所改變，加上計(jì)算機(jī)科技與因特網(wǎng)的快速發(fā)展，將會(huì)使自行車這類產(chǎn)品更為系統(tǒng)化、自動(dòng)化，并可降低自行車設(shè)計(jì)與消費(fèi)選擇上的人為謬誤。

本研究將通過自行車與使用者的相關(guān)研究，調(diào)查訪談自行車業(yè)的設(shè)計(jì)與制造的流程，歸納整理出其關(guān)聯(lián)性，并借助計(jì)算機(jī)視算的能力，嘗試結(jié)合桌上型虛擬現(xiàn)實(shí)，以虛擬原型建構(gòu)電動(dòng)自行車設(shè)計(jì)信息系統(tǒng)。其所運(yùn)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(guān)人體計(jì)測(cè)值、自行車相關(guān)構(gòu)件的尺寸、騎乘角度的量測(cè)等。

2）運(yùn)用計(jì)算機(jī)繪圖軟件(Solidworks、3D Max)建構(gòu)自行車構(gòu)件，并與所完成網(wǎng)絡(luò)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(shè)計(jì)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(gè)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(duì)應(yīng)關(guān)系的確立，此部份以活動(dòng)服務(wù)器程序(Active Server Pages；ASP)為撰寫軟件。

本研究為針對(duì)自行車產(chǎn)品設(shè)計(jì)為主題，設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)需求因子為基礎(chǔ)，開發(fā)電動(dòng)自行車設(shè)計(jì)架構(gòu)數(shù)據(jù)庫，以計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)的方式仿真產(chǎn)品型態(tài)，提供設(shè)計(jì)師或用戶能以因特網(wǎng)方式查詢電動(dòng)自行車設(shè)計(jì)所需之相關(guān)數(shù)據(jù)，并且提供在線立即的設(shè)計(jì)分析模擬與建議。包括以下五項(xiàng)主要步驟：

1）電動(dòng)自行車設(shè)計(jì)需求調(diào)查與整理

本研究以電動(dòng)自行車工業(yè)研發(fā)中心為訪談與調(diào)查對(duì)象，整理歸納出設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)自行車時(shí)的設(shè)計(jì)需求與產(chǎn)業(yè)信息，并與電動(dòng)自行車設(shè)計(jì)師作訪談，進(jìn)一步了解電動(dòng)自行車設(shè)計(jì)開發(fā)的流程，以作為系統(tǒng)開發(fā)的參考。

2）電動(dòng)自行車數(shù)據(jù)庫的建構(gòu)

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

3）虛擬原型架構(gòu)

根據(jù)自行車構(gòu)件尺寸，以計(jì)算機(jī)繪圖軟件(如：Solidworks、3D Max)建構(gòu)各型車架、把手、車輪等構(gòu)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(luò)系統(tǒng)模式

本系統(tǒng)的發(fā)展以因特網(wǎng)為基礎(chǔ)，通過Internet網(wǎng)絡(luò)來整合嵌入式仿真程序(Active X)，并以活動(dòng)服務(wù)器網(wǎng)頁(ASP)結(jié)合網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫來提取產(chǎn)品構(gòu)件，借助此架構(gòu)發(fā)展網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)，使其成為設(shè)計(jì)師與用戶可通過網(wǎng)絡(luò)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(yīng)該包括文字窗體、虛擬原型的繪制圖等。

該方案的實(shí)現(xiàn)流程如圖1所示：

圖1 設(shè)計(jì)方案的實(shí)現(xiàn)流程

3 結(jié)束語

本研究針對(duì)自行車的設(shè)計(jì)開發(fā)，試圖結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)的技術(shù)以建立一個(gè)以網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的先進(jìn)設(shè)計(jì)信息系統(tǒng)。本研究應(yīng)用虛擬原型的特性于網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)上，以對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行交互式的評(píng)估，根據(jù)符合消費(fèi)者的需求及人體工程學(xué)的車型建議，利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)基于人體工程學(xué)的電動(dòng)車設(shè)計(jì)。

[1] 王培榮.電動(dòng)自行車的人機(jī)工程分析研究[D].山東大學(xué),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.