U Uranie 18, Praha 7, CR
+420 725 719 563
petr.hedrlin@3epraha.cz

Konfigurace antropometrického modelu pro ergonomii jízdních kol

CAD/CAM pro výzkum, inkubátory a start-upy

Konfigurace antropometrického modelu pro ergonomii jízdních kol

V příspěvku vás chceme seznámit se studií modelu SOLIDWORKS, pro rychlé virtuální testování konceptů jízdních kol. Práce byla provedena v rámci projektu BriefBike, programu Innovate-UK, jehož cílem bylo vyvinout zcela novou třídu skládacích kol, které se bez námahy složí do pouzdra na kolečkách . Model byl primárně určen pro ergonomické studie, ale lze jej použít také pro aerodynamickou optimalizaci pomocí CFD.

Ačkoli jsou antropometrické lidské modely komerčně dostupné, jejich konfigurace pro použití na kole je náročná. Studie proto zahrnovala nejprve parametrické definování kontaktních bodů a poté přizpůsobení modelu  geometrii jízdního kola.

Parametricky definované kontaktní body

V první části bylo nutné definovat tzv. kontaktní body pro studii. Kontaktní body tvoří prvky SOLIDWORKS, které obsahují pouze referenční geometrii, jako jsou body, roviny a osy. Ačkoli náčrty v sestavě lze často snáze použít, znamenalo by to, že polohu nelze animovat ani upravit. Proto byly k umístění těchto prvků obsahujících referenční geometrii použity vazby vzdálenosti a úhlu.

Ve studii byly pro model určeny následující referenční geometrie.

  • Roviny určující šířku každého pedálu od středové osy.
  • Část, která obsahuje tři osy představující osu středového složení a dvě osy pedálu.
  • Části zahrnující tloušťku pedálu s osou a rovinou představující horní povrch pedálu.
  • Část zahrnující sedadlo s rovinami představujícími úhel sedlové trubky a horní povrch sedla.
  • Část zahrnující osu, která představuje řídítka.
  • Orientace rukojetí řídítek vyžaduje dvě samostatná otočení pro otáčení dozadu a dolů (Euler rotace). 

Kinematická definice lidského modelu

Lidský model lze považovat za 19 tuhých těles, a proto má 114 stupňů volnosti (DoF) před přidáním kloubů a dalších omezení. Tělesa tvoří ruce, dolní část paže, horní část paže, klíční kosti, hlava, krk, hrudník, břicho, pánev, horní část končetiny, dolní část končetiny a chodidla.

Tyto části těla jsou spojeny jedním ze dvou typů kloubů. Klouby typu Spherical odstraní tři DoF,(posuny) klouby typu Revolute odstraní pět DoF (posuny a rotace).

Následně pak byly vytvořeny kinematické řetězce pro spojení antropometrického modelu těla a geometrie kola.

Kinematický řetěz pro nohy a kliky

První kinematický řetězec, který byl ve studii použit, byl složen ze čtyř těl: klika, pedál / noha, dolní část nohy a horní část nohy. To dává 24 DoF snížených o sférické klouby v bocích a kotnících a rotační klouby v koleni, ose pedálu a klikové ose.

Zjednodušený model kinematického řetězu s klikou. Všimněte si, že když je noha zcela narovnána, distanční vazba v koleni již nebrání zbývající rotaci nohy.

Kinematický řetězec pro tělo a hlavu

Pánev je nejprve připevněna k sedlu, přičemž jeho přední náklon definuje úhlová vazba. Řetězec se potom skládá z břicha, hrudníku, klíční kosti, krku a hlavy. Bylo by možné nastavit vazby úhlu mezi každou komponentou a upevnit je do série vzhledem k pánvi. To by však ztěžovalo ovládání celkového úhlu náklonu.

Je proto užitečné zavést další komponentu, která obsahuje pouze rovinu představující tento úhel náklonu, a osu, která je spojena s pánví nastavující osu otáčení. Tuto rovinu úhlu náklonu lze poté zafixovat pomocí úhlové vazby, což je jediný parametr potřebný pro tyto části těla. 

Kinematický řetěz pro ruce

Kinematický řetězec paže je považován za pouhé tři volné prvky, s 18 DoF přes horní rameno, dolní rameno a ruku. Klíční kosti a rukojeti řídítek jsou považovány pevné. Volné prvky jsou omezeny sférickými klouby na rameni a zápěstí a rotačními klouby v lokti a v místech, kde ruka svírá tyče. 

Spojení modelu a geometrie kola

Odborné rady ohledně nastavení modelu poskytl Mike Veal, autor průvodce DIY Dynamic Bike Fitting . Byly použity následující klíčové body:

  • Pánev byla omezena tak, že kloub byl v rovině úhlu sedlovky.
  • Úhly sedla 73 ° jsou obecně ideální pro uložení na kole, přičemž strmější úhly se používají jednoduše k zajištění vůle pro velká kola. Pozice časových letadel však vyžadují mnohem strmější úhly, které mohou být účinně až 84 °.
  • Úhel linie mezi kyčelními a ramenními klouby je obvykle mezi 45 ° a 55 ° od vodorovné roviny. 45 ° až 50 ° je obvyklé pro silniční kolo a 50 ° až 55 ° je typické pro uvolněnější svislou polohu. Holandská kola mohou být od 65 ° do 90 °.
  • Úhel nohou člověka vzhledem k podlaze je docela osobní, ale typická hodnota je 15 °.
  • Ve spodní části zdvihu pedálu není noha nikdy tak rovná, jak se zdá. Úhel mezi horní a dolní končetinou typicky nikdy nepřesahuje 140 °. Mnoho literatury naznačuje, že 150 ° je ideální úhel, ale je to obecně proto, že statické měření bylo provedeno s nohou rovnoběžnou s podlahou. Když šlapete a noha zaujme přirozený úhel, skutečný úhel nohy je nižší.

Závěrem

Tento parametrický model umožňuje, aby antropometrické modely představující různé percentily populace byly přizpůsobeny návrhům jízdních kol v rámci správné ergonomie. Při testování je třeba upravit pouze klíčové parametry. Model tak umožní mnohem rychlejší vývoj inovativních jízdních kol vhodných pro širokou škálu různých lidí.

Celý článek o studii v originále najdete ZDE.

 

Napsat komentář

Vaše e-mailová adresa nebude zveřejněna. Vyžadované informace jsou označeny *