人机工程分析例子

人机工程分析例子原作者：海海1。人体骨骼分析骨盆下口形状不规则。在骨盆下口的前方，介于两侧坐骨下支及两侧耻骨下支之间，有一深切迹，男性者其呈锐角（约50-60度），称为耻骨下角，女性者呈钝角（约80-85度），称为耻骨弓。耻骨角的大小对座面的宽度值有一定的影响。2.现有鞍座所存在的问题除坐骨结节外，耻骨联合部也分担一部分上肢的重量；而在进化过程中人体并没有让跨部承受重量的设计，所以在人体坐在车座上的时候是坐骨生殖区靠在平坦的座面上，这样就会压迫到坐骨生殖区的组织和脂肪；坐骨生殖区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，当人体在骑行的时候，人体上肢的一部分重量会压迫到这些血管和神经，造成人体会阴区的疼痛和麻木(箭头所指的白色区域)；而且会阴区深层中含有泌尿组织和血管及生殖动脉和传导神经，这样也会造成生殖区域的麻木和缺血，严重的会导致生殖系统障碍。所以普通车座对人体的坐骨生殖区的血液循环和性能力都有一定的影响。正常人坐位时，着力支点是两侧臀部坚硬粗大的坐骨结节，尾骨基本悬空，并不承重。两坐骨结节的之间平均距离约为9厘米。自行车座垫前窄后宽，前面宽度为几厘米，后面的宽度在20厘米以上。正常情况下骑车，臀部以坐骨结节着力。但当道路不平，受到颠簸上下时，臀部难免向前滑动，使坐骨结节落空在两侧，尾骨成为承重支点，受到很大的重力，与坚硬的坐垫相撞，可发生折断或与骶骨分离。如骑车人因发育差异尾骨较长，发生的可能性更大。女性骨盆比男性宽大，怀孕、月经期间体内激素变化，韧带松弛，发生骨质疏松较男性为早，程度较重，容易发生，更值得引起注意。33.人体在自行车鞍座上时和在坐位时的区别经过长期进化，人体对坐姿经过了很好的设计和适应，所以人体在坐位时，坐骨结节和大腿后侧的肌肉和脂肪以及大腿骨承担了大部分的人体上肢重量，较不容易疲劳。坐骨结节的骨头表面是由相互垂直的横隔构成的，所以它抵抗压力的能力很强。而且人体在生命中有很长一段时间内是采取坐位的，坐骨结节的骨骨头表面会有一层茧膜，这样在传递刺激的时候比较弱，延长了人体骨神经疲劳的时间。人在采取坐位的时候，臀部和大腿的肌肉和脂肪会保护神经和血管丰富的坐骨生殖区不受或者很少受到压迫。而这些肌肉和脂肪中并不包含重要的血管或者神经，所以人体在采取坐位时，不会引起坐骨生殖区的疲劳和不适。但是人体骑在自行车上则完全不一样。在骑乘自行车时，骨盆底部的骨支撑了身体大部分的重量，其余的重量由腿和手臂来分担。车座比椅子要窄的多，而且呈三角形。在骑行的时候人体跨坐在车座上，与坐姿不同，坐骨生殖区由于缺少了大腿及其脂肪的保护，直接面对车座的前端，耻骨会承担人上体的一部分重量。耻骨的构造与坐骨结节不同，他是由片状的隔膜构成的，传递刺激比坐骨结节要敏感很多。同时还会压迫到坐骨生殖区的软组织和脂肪。而正是这个部位有通向生殖区域的神经和动脉。这些动脉是给生殖器官供血的血液通道。当你坐在一个椅子上的时候，这些动脉没有受到压迫而不会阻碍血液流动。但当你坐在一个车座上的时候，软组织和脂肪特别是软组织受到压迫，那么软组织中血管的血液流动会减少66%，即使坐在一个比较宽的车座上，血液流动也会减少25%。受压后，动脉并不会马上恢复弹性。这样久而久之就会造成各种不适，譬如：会阴部麻木、疼痛或性机能不良等症状。4.人们在选择鞍座时的误区有的骑乘者喜欢挑选柔软宽大的自行车座，认为宽大柔软的自行车座能够减震和增加臀部的受力面积从而达到减小压强的目的。固然，柔软宽大的自行车座能够达到上述一部分目的，但是效果并不如人们期望的那样。因为人们在骑乘时，最主要的受力点是坐骨结节和坐骨生殖区，这与车座的宽大与否并没有太大的直接关系，如果坐骨结节所承受的力大于会阴区的力，车座两侧会下陷，而车座是平的，所以多余的垫料就会填充到耻骨角的区域，加大了车座对于会阴区的挤压，从而更加不舒适；同时，人们骑乘宽大柔软的车座时由于车座后部宽大会影响蹬踏，这样人们在骑乘过程中由于宽大车座的阻碍身体重心会不自主的前移，使坐骨结节脱离车座后面宽大的区域而使会阴区被压迫在一个比较窄小的范围内，处于一个不舒适的位置。所以宽大柔软的车座并不是一个比较好的解决方案。另外，由于女性的臀部坐骨结节在生理结构上通常要比男性的宽，所以人们认为女性骑乘的自行车座要比男性的宽不少。但是从数据的角度来说，女性的坐骨结节是要比男性的坐骨结节宽一些，但并没有人们想象中的那么大，也就是说，现在市场上一些品牌的女性自行车座为了宣扬其针对女性的特点，刻意将车座的后部设计的比较宽大，其实并不是十分的合理。道理也和上面所说的大体一致，由于女性生理结构的原因所以臀部的脂肪比较多，如果将鞍座设计的比较宽大的话会与腿部特别是大腿后侧靠近臀部的肌肉脂肪摩擦，导致不舒适。5.自行车骑行受力分析5.1小角度0-30度这一角度的骑乘者主要是一些运动员。骑乘者上躯体与地面的的倾斜角小于30度，这样做可以有效的减小身体对空气的阻力，加快骑行的速度。但是速度是以牺牲运动员的骑乘舒适为代价的。下图是人体坐骨结节在运动型车座上的位置结构图：在这里我们可以看到坐骨生殖区几乎都坐于车座上，承担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。在车座的设计上，座面狭长，弧率很小，有的甚至接近于零度；减少了大腿与鞍座的摩擦，以利于运动员来回往复的蹬踏，提高速度。而且座面较硬，使坐骨结节不至于产生较大的相对位移和摩擦，提高了蹬踏的效率。5.2中角度30-60度对于骑乘角度在30-60度之间的骑乘者来说，由于其对速度的要求不高，所以其骑乘的舒适程度要比0-30度之间的运动员要优越许多。在设计上，这一角度鞍座比公路赛车的鞍座宽大、柔软，鞍座与坐骨生殖区的接触面积明显减少，而且对坐骨生殖区的压迫明显减轻，弧率较大（一般大于0.2），这样意味着后座与前鼻之间的宽度变大，受力面积增大，坐起来更舒适和柔软。在垫料选择上，一般选择较硬的海绵作为垫料，外面覆以皮革，使之成为一个整体。5.3大角度60-90度身体与水平面的夹角呈60-90度就骑乘者的舒适程度来说是一个比较好的角度，因为这时身体基本上直立，人体上肢重心的位置很靠近上躯体，这样人体在骑乘时身体上肢的重量基本上都移到了坐骨结节的位置，坐骨生殖区与鞍座的接触面积进一步减小，承受的压力也大幅度的减轻；坐骨结节承受了身体上肢绝大多部分重量，坐骨生殖区承受的压力较小。在设计上，鞍座的弧率相对较大，后支撑点的位置与前鼻的宽度也较大。6.1镂空型自行车座这种车座的主要特点是在车座的中间镂空了一个近菱形的形状，他的原理是尽量避免不必要的神经和血管的压迫。如左图所示：车座的中间被镂空以后，会阴区的泌尿组织和生殖系统的组织和血管就被架空，这样就直接减少了对神经和血管的压迫，生殖供血动脉和耻骨联合受不到压迫，就减少了对生殖系统的负面影响。这种车座有效的减少了对会阴区组织和血管的压迫，适合于在城市中骑行，但是还存在一些问题。车座中间被镂空以后，镂空的边缘必然会出现尖角，而人在骑乘时会有一部分的上肢重量压负在那里，同样会感觉不舒适。在曲面上加工凹槽，给制作加工带来困难。而且没有了中间的支撑点，人上肢的重量都会集中在坐骨结节上，这样坐骨结节所承受的压力就会特别大，同样会引起坐骨结节神经痛。6.2直竿形自行鞍座这是一家美国公司所设计的直竿形自行鞍座座，它突破了原始自行车鞍座的造型，整个车座只是由一个横向的直杆构成，没有传统自行车座的突出窄小部分。这样就避免了传统自行车座对人体坐骨生殖区的压迫和摩擦，也就不会压迫到会阴区的神经和血管，不会造成对生殖系统的负面影响。[56]但是，从力学的角度来分析，由于车座是桶型的，这样就会大大减少臀部与车座之间的受力面积，坐骨结节和相应的臀大肌所承受的压力会很大，加速骨质和肌肉软组织的疼痛和疲劳。同时，用户为了坐稳身体，重心必然要前倾加重上肢的负担，加速上肢的疲劳。型号有25.4cm、26.8cm、和27.2cm三种，支撑杆直径是8cm，垫子的直径为15cm，总长大约35cm。6.3分离型鞍座这是一款设计比较独特的自行车鞍座[64]，其突破了原始的自行车鞍座造型，直接只有两块垫料支撑臀部的坐骨结节；座面与水平面的夹角为20—40度，用来支撑臀部的重量；它去掉了传统自行车鞍座的前鼻，避免了鞍座对人体会阴区的挤压和摩擦，不会使人体的敏感组织受到影响。值得注意的是，垫料前倾，从力学的角度来分析，坐骨结节的重量会有一部分分担给前臂和蹬踏时的大腿，所以也就缓解了鞍座对坐骨结节的压力。但是，骑乘者坐在上面容易向下滑动，个人认为其比较适用于比赛时配备。6.4月牙型人机工程鞍座这是美国MOONSADDLE公司[67]所设计的一款月牙型人机工程鞍座以及它的人机工程骨骼分析图。图一是人体骨骼在普通鞍座上的位置，受压黄色橡胶球说明耻骨联合部受到了很大的挤压，坐骨生殖区的神经和软组织也很大程度上受到了损害；图二和图三表明了人体在月牙型人机工程鞍座上的情况，从图示可以看到橡胶球几乎没有变形，从而说明其鞍座在避免坐骨生殖区的压迫上是设计的十分成功的。鞍座在安装时有一个与水平面20-30度的夹角，这种调整可以使臀部适应鞍座最佳的座面。从单纯的避免人体器官和组织的角度来考虑，其有一定的道理和可实施性；但是从另一个骑乘舒适的角度来说，由于没有了前部必要的支撑，骑乘者会有缺乏支撑点的感觉，即使这种支撑对于人体来说可能是没有什么作用，或者用处不大；再一个就是它的大腿导向我认为设计的并不是很合理，前弯的造型限制了腿部的左右运动，而且上下车也不是很方便。