产品设计与人机学

第六章产品设计与人机学第一节产品设计中人机设计方法产品设计阶段需要进行的人体工程设计：1.准备阶段（1）考虑产品与人及环境的全部联系，全面分析人在系统中的具体作用；（2）明确人与产品的关系，确定人与产品关系中各部分的特性及人体工程要求设计的内容；（3）根据人与产品的功能特性，确定人与产品功能的分配。2.详细设计阶段（1）从人的生理、心理特性考虑产品的结构形状；（2）从人体尺寸、人的能力限度考虑确定产品的零部件尺寸；（3）从人的信息传递能力考虑信息显示与信息处理；（4）根据技术设计确定的构形和零部件尺寸选定最佳方案，制作模型，进行实验；（5）从操作者的身高，人体活动范围，操作方便程度等方面进行评价，并预测还可能出现的问题，进一步确定人机关系可行程度，提出改进意见。第二节手工具及其使用方式“工欲善其事，必先利其器”应用人机学的方法，综合工程技术、解剖学、生理学、心理学、人体力学等多种学科的知识，研究和改进工具，是值得关注的课题。一、手工具设计的人机学因素1.手工具与人手解剖手工具的人机学因素很大程度上取决于人手的解剖。1.1手指和手部的活动手指的伸屈、抓握，手部的偏屈、转动都是由肌肉力量带动的。而肌纤维只能产生拉动的力量，而不可能产生压力。以手指为例，手指的屈拢，必然是肌肉从掌心这一边拉动的结果；而为使手指伸开，只能是肌肉从手背一边拉动的结果。图6-1a是从手掌面一侧看到的肌肉，因此位于表层的肌肉多为“屈肌”。图6-1b是从手背一侧看到的肌肉，因此其表层多为“伸肌”。牵动手指伸屈的肌肉在图6-2中可看到。图6-1手部和前臂的肌肉图6-2牵动手指伸屈的肌肉（桡侧面）下图分别是掌面浅层、背面浅层的手部肌肉和手掌浅层的动脉。图6-3手部肌肉和动脉手部以腕关节为中心的各方向的偏转活动，也同样是靠肌肉的拉动实现的。由此可知：第一，手部的活动并非单靠近旁的肌肉所能实现，而是由从手部连通到前臂、上臂、肘关节的多束肌肉、肌腱群牵动才能得以实现的；第二，这些肌肉重叠交错，如果手臂扭曲、手腕偏屈，使各肌肉束互相干扰，将影响这些肌肉顺利发挥其正常功能。腕部是一个多自由度的关节，骨关节的结构形态复杂；很多条肌肉、肌腱，动静脉血管、神经都经过这里，穿越骨关节间复杂狭窄的缝隙通往手部，见图6-3所示。因此，如果腕关节处于比较大的偏屈、偏转状态，其间的肌肉、肌腱、血管、神经就会受到压迫，影响手部、手指话动，严重的就会导致损伤和疾患，如腱鞘炎、腕道综合症等。1.2手腕状态和腕管手完成动作的一般速度是50~8000mm\s。1.手在垂直面上的运动速度比水平面的运动速度快，准确性高。2.从上往下比从下往上的速度快。3.水平方向的前后运动比左右方向的运动速度快，旋转运动较直线运动快。4.手朝向身体比离开身体方向的运动快，但手离开身体方面的准确性高。5.手从下往上和离开身体方向的运动速度最慢。6.一般手的运动速度与准确度成正比，最大速度与动作的负荷成反比。7.顺时针方向的操作动作，比逆时针方向动作快。8.单手操作比双手操作的精确度高而且速度快。2.手的运动速度与习惯手操纵力的大小，与人体的姿势、着力部位、用力方向等有直接关系。手操纵力主要包括以下方面：1.坐姿操作的操纵力手臂操纵力的一般规律是右手操纵力大于左手操纵力；在前后方向和左右方向上，都是向着身体方向的操纵力大于背离身体方向的操纵力；在上下方向上，向下的操纵力一般大于向上的操纵力。3.手臂的操纵力2.立姿操作的操纵力立姿操作时，手臂的最大拉力产生在肩的下方180°和肩上方0°的方向上。最大推力产生在肩上方0°的方向上。3.握力在两臂自然下垂、手掌内向执握握力器的条件下测试，一般男子优势手的握力约为自身体重的47%-58%；女子约为自身体重的40%-48%。但年轻人的瞬时最大握力常高于这个水平。若手掌朝上测试，握力值增大一些；手掌朝下测试，握力值减小一些。人体在所有的施力状态下，力量的大小都有持续的时间有关。随着施力持续时间加长，力量逐渐减小。例如某些类型的肌力持续到4min时，就会衰减到最大值的1／4左右；且肌力衰减到最大值1／2所经历的持续时间，对多数人是基本相同的。4.坐姿的脚蹬力在有靠背的座椅上，由于靠背的支撑，可以发挥较大的脚蹬操纵力。脚蹬操纵力的大小与施力点位置、施力方向有关，由于靠背对接近水平的施力方向能提供最有利的支撑，所以能够达到最大的脚蹬操纵力。但工作时把脚举得过高，腿部肌肉将难以长久坚持；因此实际与铅垂线约成70°的方向才是最适宜的脚蹬方向。此时大腿并不完全水平，而是前端膝部略有上抬，大小腿在膝部的夹角在140°－150°之间。4.手工具的一般人机学要求①手工具的大小、形状、表面状况应与人手的尺寸和解剖条件适应。②使用时能保持手腕顺直，避免掌心受压过大，尽量由手部的大小鱼际肌、虎口等部位分担压力。③避免手指反复的弯曲扳动操作，避免或减少肌肉的“静态施力”。使用手工具时的姿势、体位应自然、舒适，符合手和手臂的施力特性。④工具使用中不能让同一束肌肉既进行精确控制，又出很大的力量，即负担准确控制的肌肉，和负担出力较大的肌肉应该互相分开。⑤注意照顾女性、左手优势者等群体的特性和需要。5.手工具设计建议①握持部分不应出现尖角和边缘。②手柄的表面质地应能增强表面摩擦力。③手柄不设沉沟槽，因其不可能与所有使用者的手指形状都匹配。④使用时，手持工具手腕可以伸直，以减轻手腕疲劳。⑤在使用时，由手臂提起产品，并从身边不好提的位置上转换至合适位置的适宜重量不应超过2.3KG。如果过重，前臂肌肉与肩膀就容易疲劳和损伤。要求作用点位置精确的手持式工具，其重量不应超过0.4KG。二、几种手工具1.钢丝钳等双握把工具1.1改进铜丝钳形制，使操作时腕部顺直图6-4钢丝钳：传统设计与改进设计传统尖嘴钳或钢丝钳的钳口和钳把采用对称的形制，使用时手腕常处于尺侧偏状态。若改进设计为非对称形制，则使用时手腕可保持顺直状态。尺侧偏泰恰尔（Tichauer）在一项研究报告里指出，对40名电子装配线上的见习工人分两组，分别使用两种不同的钳子，进行对比，结果如图6-5所示。结果表明，使用传统钢丝钳一组的工人中，数周后出现腱鞘炎症状者，就多于使用改良钢丝钳的工人。尤其到第10周时，使用传统钢丝钳的工人中出现腱鞘炎症状者增长速度加快，到第12周，比例达到60%；而另一组工人无此现象，足以说明使用手工具中保持手腕顺直状态的意义。钳子、剪刀这类双握把工具，欲求捏握的舒适便利和增大捏握力，应使抓握空间的大小与手的尺寸和解剖适应。若两握把大体上互相平行，则其间的距离以50~60mm为佳。1.2双手把工具的抓握时间对于两握把成一定的夹角时的捏握力，格林伯格和查芬做的测试结果如图6-6所示。结果表明，适合于女性的抓握空间为60~80mm，适合于男性的为70~90mm。对于中国人来说，抓握空间尺寸和捏握力都要略小一些，但变化规律和趋势类似。用普通直柄的刀裁纸或其他东西时，手腕常需要一定程度的“掌侧屈”；用直柄手锤敲击时，锤头最后接触物体之时手腕的“尺侧偏”较大。若让刀把与刀刃、锤把与锤头形成一定角度，可缓解使用中手腕的偏屈。2.刀、锤、手工钢锯图6-7握柄弯曲的工具掌侧屈尺侧偏贝纳特和埃曼内等人研究表明，美国森林工人对弯柄工具表示欢迎，证实它们便于操作，降低疲劳程度。使用老式的手工钢锯时，前后两手的状态如图6-8所示：前面的手同时存在“背侧屈”和“桡侧偏”，后面的手存在“尺侧偏”。较新的手工钢锯的后把柄已改进成有一定倾斜度，但怎样使前面的手更舒适一些，便于施力，又不挡视线，还需要在想一些办法。图6-8手工锯，使用时两手腕均有偏屈桡侧偏尺侧偏背侧屈普通手工具的把手多取圆形截面，需要着手抓握的，直径需要较大，常取30-40mm；需要精细操作的，直径较小，常取8-16mm（手指捏握）。用力有方向性的手工具，把手宜取椭圆截面，椭圆的长轴方向与用力的方向一致。3.旋拧工具的握把螺钉旋具（螺丝刀），为了便于施加较大旋拧力矩，应该在把手外轮廓做出一些凹凸纹槽，纹槽的各转折处应光滑，取足够大的过渡曲率半径。不同纹槽把手旋拧力矩的对比见图6-9。手掌上拇指与食指指尖的“虎口”处皮质坚韧，可以承受较大的力量。使用图6-10b的改进设计，可以由卡在虎口处的凸起形成旋拧力矩，力矩能增加，操作方便，抓握也更轻松。好的把手应使手掌受压面积增大，减小掌心的受压强度，而让肌肉最厚的大、小鱼际肌承受较大的压力。大、小鱼际肌有良好的减振作用，可缓解震动波向肘关节、肩关节的传递和影响。4.1避免手指反复的弯曲扳动操作某些气动或电动工具，让拇指按压开关较为合理，如图6-11a，而图6-11b用食指弯曲用力的操作方式则不适当。图6-11拇指按压操作优于食指弯曲操作4.其他几种手工具从手指(通常是食指)解剖看，不适于反复的弯曲扳动操作。因为指屈肌和指伸肌的活动位置和力量有限，多次反复勉强用力弯曲、伸直，容易丧失操作的灵活性，甚至导致手指的疾患。如果操作中肌肉施力做了有用功，完成一次操作后，肌肉自然放松，如此循环，肌肉属于动态施力。若工作或操作中肌肉处于紧张收缩出力状态，却没有完成有用功，这就称为肌肉的静态施力。是否能避免或减少静态施力是评价手工具优劣的重要标准。4.2减少或避免肌肉的静态施力图6-10a，由于旋拧力矩靠手与把手间的摩擦力形成，为握紧把手，肌肉是在持续施力的，这个力属于静态施力。图6-10b，改进设计基本消除了静态施力，因此优于图6-10a。图6-4也是同样情况。当举刀使劲剁一块排骨时，把刀先轻轻地放到定好的位置上，可以做到很准确，再举锤用力击打刀背。图6-12所示的手电钻侧面加了一个辅助小把手，钻孔时，一只手主要掌握方向，另一只手在侧面这个小把手上使劲往下压，操作将很方便。控制与用力分离4.3使负担准确控制的肌肉和用力较大的肌肉互相分离顾及女性的需要指工具的尺寸、操纵力与女性身体条件相适应。进一步还应该考虑让工具造型符合女性审美特点。工具的设计制造考虑左利者的特性，能关心到所有全体的需要，是社会文明进步的一个标志。适合左手优势者的工具有两种类型：一种是左手专用品，另一种是能通过简单变换，从而让右利者、左利者都便于使用的工具。控制与用力分离、左右手都适用4.4顾及女性、左手优势者等人群的需要三、手工具的使用方式手工具的使用方式：主要指使用手工具时的姿势、体位。镰刀割麦耗费体能并不大，累在弯腰拱背的劳动姿势上。图6-14a是作业者在工作台面上使用直柄电烙铁的情景，工作时耸肩提肘，肩部肌肉一直处于紧张状态，容易产生酸痛，难以持久。图6-14b将电烙铁的把手改为弯折形，工作姿态改观，肩部自然松弛下垂，舒服很多。四、手工具把手设计（1）直径把手直径大小取决于工具的用途与手的尺寸。对于螺丝起子，直径大可以增大扭矩，但直径太大会减少握力，减低灵活性欲作业速度，并使指端骨弯曲增加，长时间操作，则导致指端疲劳。比较合适的直径是：着力抓握30-40MM，精密抓握8-16MM。（2）长度把手长度主要取决于手掌宽度，掌宽一般在71-97MM之间。因此合适的把手长度为100-125MM。（3）形状指把手的截面形状。对于着力抓握，把手与手掌的接触面积越大，则压应力越小，因此圆形截面把手较好。哪一种形状最合适，一般应根据作业性质考虑。为了防止手掌之间的相对滑动，可以采用三角形或矩形，这样也可以增加工具放置时的稳定性。（4）弯角最佳角度为10°左右。（5）双把手工具双把手工具的主要设计因素是抓握空间。第三节安全性设计一、安全与防护1、安全装置与防护装置2、个体防护二、防止触及危险区的距离与防挤压间距1、防止触及危险区的安全距离我国已经发布了若干关于安全距离的国家标准：GB12265.1-1997《机械安全防止上肢触及危险区的安全距离》、GB12265.2-2000《机械安全防止下肢触及危险区的安全距离》。2、避免人体各部位挤压的最小间距三、安全标志与警示