第五章 自行車下肢騎乘最佳化實例
5.1 自行車下肢騎乘最佳化案例
車架型式以捷安特ESCAPE R3車型，以青年族群與青少年族群之人體靜態 尺寸表做為輸入不同大腿及小腿長度，進行自行車下肢騎乘最佳化設計。
5.1.1 自行車下肢騎乘最佳化青少年族群案例
1.輸入人體下肢與自行車幾何尺寸參數如表5-1。
表5-1 青少年族群案例設計參數尺寸表
名稱 設計參數
中管長 L1=465(mm) 座墊高 L3=35(mm) 髖關節點至踏板(X) L4=40(mm) 髖關節點至踏板(Y) L5=55(mm) 大腿長 L6=440(mm) 小腿長 L7=423(mm) 中管角度 θ1=72°
2.透過給定的設計變數、約束條件和目標函數，並經過ug_optimize類指令最佳化 運算器求解，可得目標值與疊代次數關係如圖5-4。
力矩(N．mm)
疊代次數(number)
圖 5-4 青少年族群案例疊代函數圖形
3.目標函數最大收斂值與設計變數如表5-2。
表 5-2 青少年族群案例目標函數值 曲柄長度
(mm)
座管長度 (mm)
曲柄長度 範圍(mm)
座管長度 範圍(mm)
最大力矩 (KN*mm)
原始值 170 100 140
280
30 200
1400
最佳化值 250.6 160.52 3238
5.1.2 自行車下肢騎乘最佳化青年族群案例
1.輸入人體下肢與自行車幾何尺寸參數如表5-3。
表 5-3 青年族群案例設計參數尺寸表
名稱 設計參數
中管長 L1=465(mm) 座墊高 L3=35(mm) 髖關節點至踏板(X) L4=40(mm) 髖關節點至踏板(Y) L5=55(mm) 大腿長 L6=473(mm) 小腿長 L7=420(mm) 中管角度 θ1=72°
2. 透過給定的設計變數、約束條件和目標函數，並經過ug_optimize類指令最佳 化運算器求解，可得目標值與疊代次數關係如圖5-5。
力矩(N．mm)
圖5-5 青年族群案例疊代函數圖形 疊代次數(number)
3.目標函數最大收斂值與設計變數如表5-4。
表 5-4 青年族群案例目標函數值 曲柄長度
(mm)
座管長度 (mm)
曲柄長度 範圍(mm)
座管長度 範圍(mm)
最大力矩 (KN*mm)
原始值 175 100 140
280
30 200
1400
最佳化值 265.2 158.3 4270
第六章 結果與討論
本文以自行車設計為研究對象，探討在騎乘自行車時人體下肢的作用力的大 小，使用UG軟體為CAD系統，並應用該平台的第二次開發工具UG/KF語言，進 行自行車下肢騎乘最佳化設計，讓自行車騎乘者達到省力的效果。由於現在的自 行車幾何尺寸的設計，過度依賴設計人員的經驗，或直接將產品設計出，並未從 人的角度去考量自行車騎乘者舒適性的問題，造成自行車騎乘者身理的不適。為 了解決此類問題，本研究開發了自行車下肢騎乘最佳化功能，並獲得初步的研究 成果，如下所示:
(1) 傳統的自行車設計，通常必須透過測量人體身高或腿長的方法去設計座墊與 踏板的距離，但因不同人的身高與腿長不一定成比例，容易造成設計產品設 計結構的不準確，透過UG/KF的最佳化計算，幫助設計人員能快速得知最合 適的車架尺寸。
(2) 一般自行車以曲柄的長度作為影響騎乘者下肢省力的依據、並未考量座墊與
踏板的距離，本文透過自行車的座管與坐墊長度的調整，設計出適當的座墊 與踏板距離，以達到騎乘者舒適的目標。
(3) 透過CAD系統與EXCEL表格文件的直接連結，讓UG/KF可讀取大腿軸向力與 膝關節角度、小腿軸向力與踝關節角度變化關係，進而計算出騎乘的最大力 矩，來有確切實驗數據則可以直接輸入EXCEL表格中。
參考文獻
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