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摘要

适当的自行车配件对自行车的性能、效率、舒适性和伤害的预防是非常重要的。这一点对于那些没有多少骑行经验平衡性差，没有如成人一样足够力量的孩子来说更加重要。自行车配件的设计既包含了自行车尺寸和自行车人体尺寸的设计本论文以一系列自行车为例，对一系列7-14岁的儿童和青少年使用的自行车进行了工效学评价和重新设计。这项研究是受一个希望通过引入新的人因工程设计自行车而获得竞争优势希腊当地强大的自行车制造商委托的。采用虚拟建模技术和主成分方法分析，选择具有代表性的案例和各种尺寸的自行车来得到启示。根据研究结果的重新设计并改进出了一款适合特定群体的自行车，而且正式定义了一个的自行车大小选择方法。重新设计出的自行车现在在希腊的许多商业网点正在进行生产和销售。

1.简介

自行车全世界是最常见和人类使用最广泛的动力车辆，现在骑自行车不仅仅被认为是一种高效、健康的大众化的交通工具，同时也被认为是一种娱乐和体育活动。自行车在过去50年的发展里，产生了各种各样的自行车设计，像运动/道路自行车，山地自行车，小轮车自行车，标准的“实用性”（往返）自行车和最近的混合动力自行车（Wilson，2004）。上面提到的所有的自行车类型都是由基本菱形框架自行车经过特定的变化得来的，每一个设计，都是为了得到自行车的某一项具体的功能。这些需求和限制通常与自行车效率，功率，安全性和舒适性及其对预定自行车的相对需求程度相关联。业内普遍认为，自行车骑行效率和舒适性不仅取决于自行车的设计也取决于自行车的调试。(Silberman et al.,2005; De Vey Mestdagh, 1998). 自行车调试包含选择适当大小的框架和随后的各种其他尺寸调整，比如根据自行车人体测量尺寸调整座椅高度或前后位置，以便得到骑行自行车的最佳姿态。根据制造商的说法，自行车的大小主要是由车架的尺寸定义的，而车架的尺寸通常是指相应的轮径或座椅管所指长度。

绝对自行车调试对事故的预防也很重要(Baker, 2000). 一些最常见的健康问题和与自行车相关的烦恼都可以归因于自行车调配的失误和错误的骑车姿势(Mellion, 1991; Schwellnus and Derman, 2005). 这些问题通常发生在人体的三个区域, 即颈部、下背部和下肢通常是膝盖部位(De Vey Mestdagh, 1998).

例如不同的车把位置，脊柱弯曲，会影响所施加在背面或者颈部的负载，从而这些领域会产生一些问题 (Kolehmainenet a1.,1989). 至于儿童自行车，适当的自行车调试对安全和伤害预防的重要性最高(Nemours Foundation, 2006).相对于那些由于没有自行车骑行经验而容易发生意外的年轻孩子，安全是非常重要的。此外，所有年龄段的儿童由于肌肉骨骼系统没有发育完全这意味着他们骑自行车的不舒适更明显可能会使骑行受伤造成更严重的也有可能是永久性的后果。除了安全和伤害预防，自行车骑行的舒适在儿童自行车的设计中也同样是一个主要问题，不只因为儿童他们占据了一个现有的重要自行车产业市场份额，也因为他们是未来的潜在客户。可以合理地说，如果在骑行过程中感觉不舒适，这个人将不会再经常的使用这款自行车 (Christiaans and Bremner, 1998). 因为骑自行车的习惯通常是在幼年，从童年到青春期, 很明显，一般来说相应的自行车应提供最大限度的便利和舒适，以鼓励使用者们使用和骑行自行车。

由于在孩子之间身体尺寸差异很大，即使是同年龄的孩子也会有差异，所以自行车制造商会提供各种系列各种规格的自行车。这些自行车的设计涉及不同尺寸的框架的定义以及相应的座椅和车把尺寸调整范围的定义。为了能够充分适应大多数潜在用户的使用，自行车的设计应该考虑儿童人体测量尺寸的分布这些数据。由自行车制造商根据假设的儿童身体尺寸来定义儿童自行车的框架尺寸以及可允许的调整范围等各种成分的现象并不少见， 设计师们检查这些自行车发现，这些假设大多是基于之前其他非希腊的自行车制造商的经验和数据。而这种做法，显然没有考虑到在希腊儿童的身体尺寸巨大的个体差异。

在本研究中，由一个希腊最大的自行车制造商基于希腊儿童人体测量数据提出了一系列儿童自行车的人体工程学的设计的评价。这份评价包含相对于特定的人群的自行车框架的几何形状和尺寸的控制，以及对于鞍座和车把允许的调整范围的控制。这项研究的目标是研究目前的这些为研究人群所设计的自行车从而得到启示，如果有必要也会重新设计一款自行车，使之有可能达到最佳的调试方案，从而提高骑自行车的安全性和舒适性。

2. 方法

遵循人类因素提出的基本准则和人类工效学学会（HFES）对产品设计的人体测量数据的应用（HFES 300委员会，2004）的研究涉及三个基本步骤：

1.问题的陈述，包括目标群体的界定、任务分析、关键的设计参数和相关的人体尺寸的识别。

2.目标人群的人体测量数据和典型案例的选择收集和分析。

3.对所选病例的调查研究及相应结果的分析。

在自行车设计中应考虑的约束可以分为四类，即间隙，到达，强度和姿态约束。间隙约束是保证自行车的设计和尺寸允许的肢体姿态和自由运动的调整，特别是对于那些目标人群中拥有最大的人体测量尺寸的成员；另一方面，到达约束定义基本的自行车的尺寸时用最小的人体尺寸来定义用户可接受的最低限度； 强度约束主要与使用特定的组件时需要一定量的力量有关，如刹车或踏板使用时需要用的力。所需的力的量取决于组件本身的设计特点，但也取决于它们在自行车设计中所处的相对位置。

姿态约束是用来定义的自行车的主干部位和其相关部位之间的角度(DeVey Mestdagh,1998)。就力量的产生，能量的效率还骑自行车的舒适性和伤害预防方面而言，骑自行车的姿势是一个非常重要的参数，因此一直是许多项研究的主题。大多数自行车调配的研究都着眼于是自行车竞技比赛（赛车或越野自行车）中的姿势和功率最大化，能源效率和受伤防护，这可能是由于自行车比赛会长期骑自行车的关系(Berry et al., 2000; Dal Monte et a1.,1987; Hull and Gonzalez,1988; Too, 1990; Yoshihuku and Herzog, 1990)。而对于姿势和骑车人的舒适或安全感之间的关系的研究较少，而这可能原本是每天骑自行车和通勤自行车设计的主要问题(Christiaans and Bremner,1998)。 舒适性是一个相当主观的概念，但它通常被定义为没有疼痛和任何其他类似的麻烦，但它通常被认为与车座的设计和调整有关(Bressel and Larson, 2003;Groenendijk et a1.,1992)。

所有上述研究都是在研究或考虑着成人，但是很明显成人骑自行车，是不同于儿童或者青少年的。在当克斯等人的研究中，重点是专们为相对年幼的儿童自行车和评估他们的设计和尺寸是否符合荷兰的儿童和相关的安全规定(Donkers et al.,1993). 根据他们的发现，设计师应该把自行车的尺寸和儿童的身材相联系，而不是孩子的年龄。这些发现都是根据当克斯等人的研究结果，以及相关的成人研究结果(Baker, 2000;Christiaans and Bremner, 1998; De Vey Mestdagh, 1998) 还有国际规定(Bikefitting.com, 2006; White, 2006)的自行车骑行的参考姿势(Fig. l a and b). 已被采用的骑行相关姿势的主要指导方针是：

1.儿童应略向前倾，与垂直轴约成15°角。这种倾向会增加上半身呼吸量，因为它在没有超过手臂和手腕的负载的前提下，把一部分的肩膀的承重向的手臂转移，并降低了下半背部区域的负荷。

2.膝关节角度（大腿和小腿之间的夹角）当踏板在最下的死角时不应超过150°左右，并且在踏板处于最高处时不应该小于65°。这个约束可以防止膝盖由于过度的拉伸或者弯曲而受伤。

3.手臂应在肘部轻微弯曲，即上下臂之间的角度应为20°左右，以减轻由于可能产生的振动而对肩膀的影响。此外，车把应稍宽于肩膀的宽度以便于更好的转向。

上述指南定义了一个相对的正确的姿势，这与那些为了获取良好的速度和耐力而使用低头弯曲的姿态参加比赛的自行车竞赛弯腰姿势相比更加有利于舒适。即使，儿童的骑姿会与成人的姿势不同，但该研究本着安全性和舒适性的目的，选择了参考城市交通流量强度高的地区的通勤自行车的骑行控制姿势。

上述姿势的伸长程度可以由一个骑行者根据具体的自行车设计以及他自身的身体尺寸来获得。在图一c中是本研究中将要介绍的关键的自行车尺寸，这些尺寸是：

1.鞍与车把水平距离A, 这取决于框架顶部管的长度, 马鞍的后座和车把杆的长度 (如果存在)。

2.鞍蹬之间的距离, 当踏板在最上点时(尺寸 B) 当踏板在最下点时(尺寸 C)这是旋转的死点(通常也称为鞍高度)，这取决于鞍高度的调整和曲柄的长度。

3.车把的高度调整尺寸D,

4.鞍距离地面的垂直高度尺寸E，这是由鞍高度的调整和车框架的高度以及车轮的高度来定义的

由于人体测量尺寸有很大范围的变化，自行车的尺寸也应有一个最大程度的可变范围。在大多数的自行车制造商都遵从的自行车设计标准中，自行车有两个主要的调节机制，即鞍座高度调整和车把的高度调整。这些机制的可调节范围与车框架的固定尺寸直接决定了一个特定的自行车B,C,D,E四个尺寸的范围。鞍座和车把的可调节范围间接影响鞍与车把距离A，但它主要与车架的上管长度有关。大多数自行车也可以通过前后调节机制来调整鞍的水平位置，但是可调节的范围是很小的。因此，很明显，除了框架的尺寸，鞍座和车把的调整机制的范围也是评价一个自行车是否适合特定的用户群体的非常重要的一个因素。

我们认定的基本人体尺寸是（见图1a）：

1.大腿长度t，小腿长度l还有足高f 都与自行车的尺寸B和C相关

2.胸部高度c，腹部高度ab 都与自行车的尺寸A和D相关

3.上臂长a，小臂长fa 还有手长h也都与自行车的尺寸A和D相关

4.内接长度或“内部”的腿的长度，它的定义是地面与耻骨联合之间的距离，与自行车尺寸E相关。

正由于上面所提到的某些自行车尺寸与具体的自行车的人体尺寸有关，进而影响了骑行姿势。鞍与车把的距离A和车把的高度调整D与人体躯干的尺寸即胸部和腹部高度高度，以及上肢的尺寸，即手臂的长度，前臂的长度和手的长度有关，因为这些方面的结合无形中决定了为了握住自行车车把所需要弯曲的角度。同样，鞍踏板的距离，B和C，鞍高度调节范围加上下肢尺寸（大腿长度、小腿长度和脚的高度),无形中决定了在踏板旋转时的膝关节角度范围。鞍座的高度以及腿腿的长度的也决定了人是否能够轻松地从鞍座下到地面。

本研究中调查的用户组包括儿童和青少年。人体尺寸大小的差异性在他们之间很大; 因此，不能只有一辆自行车和一系列拥有不同框架尺寸以及相应调节范围的自行车接受测试。由制造商建议，我们对于适合特定的用户群的三种大小的自行车，即20，24和26号进行测量。上述大小的自行车的不同数字对应的是车轮的直径英寸。

3.人体测量数据的分析

此次自行车调查的目标人群为范围从7岁儿童到14岁青少年。所需的共1247个人体测量数据提取自希腊2003到2005年之间测定的人体数据数据库。这项研究的第一步是对现有自行车的自行车的适合程度进行评价。为了做到这一点，目标人群根据他们的年龄和每一辆自行车的大小被分为三组。制造商们常见的说法是16英寸的自行车适合5到7岁的儿童，20英寸的自行车适合7到十岁的儿童，24英寸的自行车适合10到12岁的儿童，而26英寸的自行车适合12岁以上的儿童。然而，初步的人体测量数据分析表明，同龄的孩子之间身体尺寸变化很大，因此年龄不是孩子人体尺寸特别精确的指标。另一方面，高度似乎对于孩子的“大小”提供了一个更好的指示，虽然高度和其他人体尺寸之间没有绝对的相关性。

在以往的研究中，马鞍的高度，即从踏板旋转的低端的极限到马鞍的距离 (图1c中的尺寸C), 在力量，效率和膝损伤的预防方面已经被确定为一个最重要的变量(Christiaans and Bremner, 1998; De Vey Mestdagh, 1998; Silberman et al., 2005)。最常见的用于确定最佳的鞍高度的方法是Guimard LeMond方法 (De Vey Mestdagh, 1998).。根据该方法，最佳鞍座高度是自行车的内接长度乘以一个常数，这个长度是 Guimard-LeMond 因数,，等于0.883.。采用这种方法对样本中每个自行车都单独的计算其最佳的鞍高度并与它所允许的鞍高度的最大限制和最小限制进行比较, 从而提供了一个更适合每个自行车的大小的鞍座高度范围。在表2中是对于特定的高度组的样品最适合的鞍座高度值 (根据Guimard-LeMond法计算)。对于每一个高度组的最大，最小和平均最佳鞍高度进行了评价以及与每一个自行车的鞍高度调整范围进行比较，以对应的水平线为代表。

可以观察到20英寸和24英寸的自行车分别最适合身高120-140厘米，140-170厘米的儿童，而高一点的（＞160厘米）儿童或青少年的似乎更适合26英寸的自行车。也可以观察到在自行车的马鞍高度调整范围是拥有很大的调节范围的，这在某种程度上可以涵盖个人喜好和骑自行车的风格。基于这些观察结果，根据他们的高度建立了三个新的孩子亚群。样本的分类，是根据高度以及相关自行车的尺寸，每一组的样本尺寸 (n) 以及一些对于研究人体测量尺寸很重要数据包括测量样本群体数的5%，50%和95%与其相应的标准差（秒）总结在表1。

4.代表性个案研究的选择

这项研究的下一步是寻找每个子群中的人体测量尺寸范围研究的代表性研究案例。为了确定有趣的案例研究的代表，要求一个表示人体尺寸分布

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