基于騎行安全性提升的剎車輔助裝置設計研究

曾曦 鄂哲恒

摘要：為提高自行車騎行剎車過程中的安全性，滿足騎行愛好者多樣化的騎行需求，照顧特殊群體的騎行便利性，提升用戶使用體驗。運用人機工程學指導自行車剎車輔助裝置設計，從人機工程學角度進行分析自行車剎車過程中安全操作實現(xiàn)要素與方法，基于此分析完成自行車剎車輔助裝置設計方案。設計出自行車剎車輔助裝置，提供了一種新型的剎車方式。自行車剎車輔助裝置減少了剎車難度，提升了騎行安全性和舒適性，使產(chǎn)品具有重要的應用價值且更好地立足市場。

關鍵詞：自行車剎車騎行安全輔助裝置人機工程學用戶體驗

中圖分類號：TP391.9

文獻標識碼：A

文章編號：1003-0069（ 2021） 07-0136-03

Abstract： To improve the safety of bicycle riding and braking， meet the diversifiedriding needs Of cyclists， take care of the riding convenience of special groups，and improve user experienceUsing ergonomics to guide the design of bicyclebrake assist devices， from the perspective of ergonomics， the factors and mefnodsfor achieving safe operation during bicycle braking were analyzed Based on thisanalysis， the design Of the brake assist device was completed.The design of thebrake assist device provides a new type of braking method .The brake assist devicereduces the difficulty of braking， irnproves riding safety and comfort， so that theproduct has important application value and is better based on the market

Keywords： Bicycle brake Auxiliary device Ergonomics User experience

前言

自行車剎車是騎行過程中的安全保障裝置，無論是自行車騎行愛好者、普通的自行車用戶還是少數(shù)使用自行車的特殊群體，在騎行過程中剎車這個動作都或多或少會對騎行穩(wěn)定性和舒適性造成影響，尤其是在特殊情況和特殊天氣下影響尤為明顯?，F(xiàn)有的自行車剎車方式?jīng)]有充分考慮到用戶的多場景下使用和特殊的用戶使用體驗。同時我國現(xiàn)有對于自行車騎行安全的相關研究主要是在自行車騎行者與騎行環(huán)境之間的安全因素分析、非機動車與機動車之間沖突分析以及自行車騎行者本人對于風險的感知方面分析的研究，但對于自行車使用者騎行過程中使用自行車的安全性研究并不多。本文通過剎車與自行車把手和側面副把手的聯(lián)動設計，降低了剎車過程的難度，提高了剎車過程的穩(wěn)定性，讓用戶在使用過程中擁有更良好的體驗。

一、現(xiàn)有自行車剎車方式分析

（一）現(xiàn)有自行車騎行過程中的剎車方式

如圖l所示，自行車的剎車裝置在騎行途中可以起到緊急制動并保護騎行者的作用，通常會采用手柄式的剎車形式，即這種剎車方式需要使用者騎行途中伸出手指去握持剎車把手以控制剎車。現(xiàn)有的自行車剎車使用方式較為單一，且使用上并不人性化，在騎行者使用時存在以下幾種使用情況：第一種為手掌抓握自行車把手的同時分出單跟手指頭勾住剎車，以方便在需要的時候能及時勾動剎車;第二種為手掌抓握自行車把手的同時分出多根手指頭，或四根手指全部勾住剎車，大拇指虎口扣住自行車把手在需要的時候能快速勾動剎車;第三種為手掌抓握自行車把手，遇到需要減速制動的情況時再分出手指進行剎車;第四種為手掌抓握自行車副把手，在需要剎車的時候變換手掌姿勢，改為抓握把手勾住剎車。

（二）現(xiàn)有自行車剎車方式安全性分析

對于現(xiàn)有自行車剎車方式的安全性分析主要是通過線上的問卷收集調研以及線下的實地考察兩個方向來進行。首先通過線上的問卷收集調研了解用戶在使用現(xiàn)有的自行車剎車方式存在的問題，以及線下的用戶深入訪談，提取出其中有特點的問題，并對其進行用戶畫像的整理和繪制，如圖2所示。

通過用戶調研，以及實地考察分析后發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的自行車剎車的使用方式并不安全，在騎行途中分出手指控制剎車的使用方式有時候會影響身體平衡，降低騎行穩(wěn)定性。尤其是在特殊情況下，如特殊天氣、特殊場景以及特殊用戶群體中。（1）特殊天氣：使用者在雨天中騎行中.需要分出一只手來打傘，而另一只手抓握自行車把手的同時還需要勾住剎車，會極大地增加操控難度;（2）特殊場景：使用者如攜帶需要手持的物品時，則需要分出一只手來攜帶物品，這種情況下單手操作如果不能有力地控制自行車龍頭，會極大地降低騎行的穩(wěn)定性;（3）特殊用戶群體：①少數(shù)手部有殘疾的用戶，他們不得不單手騎行，此時，傳統(tǒng)剎車動作就越發(fā)危險。②部分小朋友由于手不夠大，同時抓握把手和剎車對于他們來說顯得格外困難。

自行車的剎車應該是保護騎行者安全的裝置，但是由于其設計上不合理的地方，導致在某些方面并不能很好地保護騎行者的安全，自行車剎車的這一動作本身就會對騎行的穩(wěn)定造成影響，尤其是在緊急情況下的剎車，如圖3。

二、人機工程學研究

人機工程學原則在研究用戶騎行過程中剎車動作的安全性、舒適性以及效率上是十分重要的，其作用在于為設計提供更合理科學的參數(shù)，使得產(chǎn)品設計的參數(shù)更具有合理性。自行車剎車設計中的人機工程學設計原則有以下幾點：（l）安全性原則：產(chǎn)品結構穩(wěn)定，使用安全;（2）可調節(jié)性原則：產(chǎn)品大小高低可調節(jié)適應多種身高的用戶使用和多種環(huán)境下的使用;（3）舒適性原則：使用前不影響騎行舒適性，使用中不影響騎行穩(wěn)定性。

在人機工程學中提到了不正確的作業(yè)姿勢不但極易引發(fā)疲勞，而且對作業(yè)效率會造成影響，同時單調的作業(yè)姿勢對于作業(yè)人員來說會產(chǎn)生生理和心理上的疲勞，由于總是使用同樣的身體部位會造成局部肌肉疲勞影響作業(yè)效率。那么從自行車騎行的角度上來說，不正確的騎行姿勢會讓騎行者更容易疲勞且影響騎行者緊急情況下的應急反應，同時，騎行過程中的騎行動作也需要適時的調節(jié)以緩解騎行的疲憊。

對于現(xiàn)有自行車剎車方式的人機工程學研究，其側重點應該放在不同騎行狀態(tài)下的剎車方式上，通過分析不同狀態(tài)下的①剎車速度;②正常騎行的穩(wěn)定性;③騎行的舒適性;④剎車動作對于當前騎行狀態(tài)穩(wěn)定性的影響程度;這幾個維度來進行分析。

由表l中不同騎行狀態(tài)下的剎車方式人機工程學分析表可以得出不同騎行姿勢下的剎車在不同評價指標上的表現(xiàn)情況，通過橫向與縱向的比對分析，可以得出最符合人機工程學的剎車方式，在后續(xù)研究中應考慮如何兼顧騎行舒適性與剎車安全性、效率性。

（一）不同騎行方式剎車效率與安全性分析

在表l中分析了多種騎行姿勢下的剎車后，可以看出現(xiàn)有的剎車方式存在一個矛盾點，多個手指勾住剎車和單個手指勾住剎車，這兩種騎行的方式能夠快速剎車，且騎行姿勢在剎車過程中對當前騎行的穩(wěn)定性影響程度較小，因為騎行者身體的騎行姿勢沒有大幅度變化。但該動作在正常騎行過程中并不穩(wěn)定，因為騎行者對于自行車把手的掌控程度不夠，這使得騎行過程的安全性降低;而手握自行車把手和手握自行車副把手，這兩種騎行方式雖然在正常騎行過程中顯得更加穩(wěn)定，但是其并不能進行快速的剎車，且在剎車過程中由于其快速的姿勢切換會對當前的騎行姿勢穩(wěn)定性造成影響，并且由于剎車前需要姿勢變換從而導致的剎車延遲，這也使得剎車過程的安全性被降低。

從人機工程學角度來說，人體軀干水平向前后的運動較左右方向運動快，且旋轉運動比直線運動靈活;順時針方向操作動作比逆時針操作要快，且習慣;向身體方向的運動較離開身體方向運動要快;在后續(xù)的研究中應考慮如何在確保騎行過程中剎車動作安全的前提下，提升剎車的效率，通過分析圖4中的手部動作最大頻率與動作一次最少平均時間，結合騎行姿勢剎車的穩(wěn)定性，來進行更加合理安全的剎車裝置設計。

（二）不同騎行方式剎車人機舒適性分析

在騎行過程中，不同騎行姿勢的舒適性是有區(qū)別的，抓握自行車把手和副把手的騎行姿勢是最為舒適的騎行方式，尤其是抓握副把手是很多自行車騎行愛好者常用的騎行方式，可以有效降低風阻，緩解騎行疲勞;而勾住剎車的騎行方式由于手部姿勢的不合理，導致騎行過程中把控自行車龍頭變得更加困難，單純依靠大拇指和虎口部位抓握增大了手部肌肉的負擔，導致騎行的舒適性降低。

從人機工程學角度來說，自行車的剎車設計上應該思考騎行過程中的手部姿勢舒適性、以及剎車過程中的手部姿勢變化的舒適性，在后續(xù)的研究中應考慮在確保滿足騎行過程中手握把手舒適性的同時，降低剎車的難度提升剎車動作的舒適性。

三、自行車剎車輔助裝置設計方案

（一）自行車剎車輔助裝置設計思維與設計定位

1.設計思維：結合前文對現(xiàn)有的自行車騎行過程中的剎車方式、剎車安全性以及剎車舒適性的分析后，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有自行車的剎車方式單一，且在騎行過程中剎車過程并不安全。通過人機工程學研究后總結出了兩條設計方向：①確保滿足騎行過程中手握把手舒適性的同時，降低剎車的難度提升剎車動作的舒適性;②考慮如何在確保騎行過程中剎車動作安全的前提下，提升剎車的效率。

通過對不同騎行狀態(tài)下的剎車方式人機工程學分析表和手部動作最大頻率與動作一次最少平均時間數(shù)據(jù)圖綜合分析后發(fā)現(xiàn)：①手握自行車把手和自行車副把手騎行的姿勢是最舒適的;②人體軀干在做旋轉運動時比直線運動靈活，且向身體方向的運動比離開身體方向的運動要快。那么在設計中將其進行結合就能獲得符合人機工程學標準的剎車方式。

在設計中為保證騎行的舒適性選擇了抓握自行車把手和抓握副把手的騎行姿勢，同時為了降低剎車的難度以及提升剎車動作的舒適性，在設計中考慮將自行車把手和自行車副把手與自行車剎車桿進行聯(lián)動，讓使用者在剎車時不需要變動姿勢，更加舒適方便的剎車。

2.設計定位：結合前文的實地調研分析、用戶畫像整理、以及人機工程學研究后設計定位主要從：適用人群定位、使用方式定位、使用場景定位、材質定位，這四個方面進行展開。

①適用人群定位，根據(jù)用戶調研以及用戶畫像整理分析后設計適用人群主要為：1.自行車騎行愛好者;2.特殊騎行群體，主要為正常使用剎車不便者（如：小孩，手部殘疾人群）。

②使用方式定位，根據(jù)對傳統(tǒng)剎車方式安全性和剎車人機工程學研究分析后設計使用方式為：1.轉動自行車把手聯(lián)動剎車;2.轉動自行車副把手聯(lián)動剎車。

③使用場景定位：1.騎行愛好者騎行過程中使用自行車副把手，不用變換騎行姿勢剎車;2.特殊天氣或特殊場景需要另一只手持物品時，單手操控自行車不需要分出手指控制剎車。

④材質定位：在材質的選取上主要考慮兩個方面，一方面是產(chǎn)品材質本身的強度是否能滿足使用，另一方面是產(chǎn)品材質帶給使用者的感官體驗。在用戶手部接觸的地方材質為橡膠防滑握把，和鋁合金副把，保證抓握舒適性和材料硬性，裝置鏈接件同樣采用鋁合金，內部的轉軸采用不銹鋼材質，保證裝置轉動不會生銹受阻。

（二）自行車把手聯(lián)動剎車輔助裝置方案

自行車把手聯(lián)動剎車方案是將傳統(tǒng)的自行車剎車把手進行升級改造，將手扶握把上的承重鋼管結構外部套設能向著使用者方向30度旋轉的把手，同時轉動握把與聯(lián)動裝置之間設有連接件，在轉動手扶握把的同時其連接結構會帶動聯(lián)動裝置，以達到牽引自行車剎車桿進行剎車的目的，圖6詳細展示了剎車前后對比效果，同時在剎車完畢之后內部的彈簧牽引結構會引導其復位，從而達到一個完整的剎車流程。

傳統(tǒng)的自行車剎車方式在剎車過程中會影響到騎行過程的平衡性且手指把控剎車的騎行并不舒適，而轉動自行車把手聯(lián)動剎車的方式在整個剎車流程中由于手部沒有離開自行車的握把，整個剎車的動作既穩(wěn)定又舒適。且從人機工程學角度來說，轉動自行車把手的剎車方式顯得更加地科學高效，只需要自行車把手開始旋轉就可以開始剎車，當把手向內側旋轉到30度就可以達到完全扣死自行車剎車的效果。相比與之前需要伸出手指去抓握自行車剎車桿的剎車方式來說，轉動自行車把手剎車的方式顯得更加輕松自然，而且在緊急情況下的下意識轉動自行車把手剎車的效率會更高，尤其是在上文提到的特殊情況下，轉動把手的剎車方式能保證騎行過程中的穩(wěn)定性，即使是使用者單手騎行，如圖7。

（三）自行車副把手聯(lián)動剎車輔助裝置方案

自行車的副把手常見于山地自行車，一般多為自行車騎行愛好者和專業(yè)自行車騎行者使用，自行車把手外側安裝副把所增加的一個把位在長距離騎行中尤其重要，因為小輪折疊車采用與山地車的直把，在騎行中無法像彎把公路車一樣通過變換不同的把位來改變身體姿勢、調整和移動重心，長時間保持同一個姿勢騎行，極容易使得腰、背、肩、臂等身體各部位很快疲勞，安裝自行車副把后，騎行者便可以在騎行途中隨時變換把位，及時調整騎行姿勢而減緩疲勞。

自行車副把手聯(lián)動自行車剎車的方案，是將傳統(tǒng)的自行車副把手進行升級改造，在自行車把手承重鋼管外套設可以轉動的副把手，同時自行車副把手與聯(lián)動裝置之間設有連接件，在向后掰動自行車副把手的同時其連接結構會帶動聯(lián)動裝置，以達到牽引自行車剎車桿進行剎車的目的，圖8為自行車副把手與連接件結構爆炸圖。

傳統(tǒng)的自行車在騎行過程中使用副把手時，如果遇到需要剎車的情況時，使用者需要首先轉換騎行姿勢再抓握自行車把手剎車才能達到減速的目的，而向后掰動自行車副把手聯(lián)動剎車的方式在整個剎車的流程中由于騎行姿勢并沒有進行變換，剎車動作變得更加簡單，且整個剎車方式更加舒適高效。從人機工程學角度來說，自行車副把手的意義就是當人在長時間騎行時可以更換姿勢進行更加舒適的騎行，但使用過程中如果還需要頻繁更換姿勢進行剎車，無疑是增加騎行者的負擔，所以在保證舒適性的前提下，增加自行車副把手聯(lián)動剎車的功能，可以讓自行車副把手在使用上更加人性化，如圖9。

（三）設計改進方向

本設計為自行車剎車輔助裝置，設計初始雛形為一個外設的輔助裝置，目前還只是一個初步階段的設計，后續(xù)還有待改進。設計存在的一些問題主要是（l）目前的設計為套設在自行車外部的輔助裝置，與自行車的車體并不能做到整體統(tǒng)一，因此設計中裸露在外的聯(lián)動裝置的結構易損壞;（2）目前自行車騎行過程中的剎車還存在一個安全隱患需要解決，就算是自行車前后剎車的剎車順序，在緊急情況下使用者可能會錯誤使用前后剎車導致其剎車不穩(wěn)定影響騎行狀態(tài)，甚至造成意外。后續(xù)主要改進的方向有以下幾個點：

（1）將剎車的聯(lián)動裝置和自行車的整車設計進行結合，讓設計變得更為整體。主要是把其中的聯(lián)動裝置設計到自行車的剎車內部結構中，由之前的轉動把手牽引聯(lián)動裝置帶動剎車改進為直接牽引自行車內部剎車線達到剎車的目的，整個聯(lián)動裝置不外露，保證了裝置的使用穩(wěn)定性，同時讓自行車整體設計變得更加美觀簡潔。

（2）在設計中加入剎車判定裝置進行剎車情況的緊急性判定，主要是在剎車線程上進行改進設計。不同程度情況下的剎車對應不同的剎車方案，在非緊急情況下小幅度擰剎車時為聯(lián)動后剎，而在緊急情沉大幅度擰轉剎車時為前后剎同時聯(lián)動，避免用戶在緊急情況下錯誤使用剎車導致鎖死前剎失去平衡。

結論

自行車剎車作為騎行安全保障的裝置，在不需要剎車的情況下應不影響使用者騎行的舒適性與穩(wěn)定性，現(xiàn)有的自行車剎車并沒有很好地考慮到這點。且產(chǎn)品的設計上要考慮到用戶使用過程中的生理和心理因素，不要孤立地去設計產(chǎn)品從而導致產(chǎn)品的使用與設計的預想背道而馳，要充分考慮用戶使用的過程，全方位的把控設計，真正做到人性化的設計。

剎車聯(lián)動裝置的設計減少了騎行者剎車的難度增加了剎車的效率與舒適性，同時把手聯(lián)動剎車與副把手聯(lián)動剎車的兩種剎車方式讓使用者在騎行過程中有了更多的可能性。設計上不僅考慮到了用戶的正常騎行情況下的使用需求，還為特殊情況下的騎行使用提供了可能，讓剎車桿從單一的使用裝置到融入系統(tǒng)的聯(lián)動使用中，使其有更好的應用價值。.

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