袁禾苗，聞金水，薛志超，陸玉璽

（ 浙江皇冠電動工具制造有限公司，浙江 金華 321000 ）

0 引言

手持式電動工具在生產(chǎn)生活尤其是工業(yè)領(lǐng)域中有著較高的使用頻率，工具的人機關(guān)系設(shè)計是否合理較為重要。應(yīng)避免工具作業(yè)過程中給操作者帶來的種種不適，長時間使用更應(yīng)避免如腱鞘炎、滑囊炎、滑膜炎等職業(yè)病的發(fā)生。因此，在進行手持式電動工具外形設(shè)計時，應(yīng)遵循解剖學(xué)原則和人機工程學(xué)原則。本文以電錘手柄模型為例進行人機關(guān)系研究，提出適用于更多產(chǎn)品的手柄設(shè)計方法及建議。

1 手柄握持施力點

電錘操作過程中，雙手朝向一個方向，前部輔助手柄承受重力，后部主手柄把控方向，同時給予電錘適當(dāng)推力[1]，見圖1。

圖1

當(dāng)使用者握持住主手柄上半部分時，手掌對機身殼體存在三個施力點，見圖2。

圖2中，①為虎口部位：手掌虎口貼合機身尾部，拇指與食指貼合于機身兩側(cè)，虎口部位施加向前的推力；②為掌心部位：當(dāng)使用者握持機身時，掌心與手柄貼合，施加向前的推力；③為無名指與小指部位：貼合在機身的開關(guān)部位，與①②配合，使得整個手掌牢牢固定住機器，防止脫手，保持機身作業(yè)平穩(wěn)。在一些使用場景下，施力點③也起到按壓開關(guān)作用。

圖 2

握持時，拇指與食指分別放置于機身兩側(cè)。當(dāng)虎口貼合于機身尾部時，拇指與食指可以一種舒適、放松的姿態(tài)貼合機身。中指在操作機器的過程中，無實際意義工作內(nèi)容。根據(jù)使用者手掌大小不同，可根據(jù)自身喜好選擇放置區(qū)域，如機身側(cè)面、開關(guān)按鈕上方臺階等。無名指與小指指通常放置于開關(guān)按鈕上，需向工具開關(guān)部位施加較大的力，與掌心配合，固定且保持平衡。在一些情況下，還起到隨時按壓開關(guān)按鈕的功能。見圖3。

圖3

2 人機因素

人體手部的基本位置分為尺側(cè)偏、橈側(cè)偏、正中、背側(cè)屈和掌側(cè)屈等五個部分。正中位置為手部自然位置，在此位置上手腕力量最大。工具設(shè)計時，應(yīng)盡可能處于手部正中位置操控，以避免受力狀態(tài)不合理而引發(fā)的手腕部傷害。

手部骨骼除關(guān)節(jié)連接還包括肌肉與韌帶連接。韌帶限制手部關(guān)節(jié)的活動范圍，同時增加關(guān)節(jié)之間的穩(wěn)定性。所以，讓使用者手部在使用產(chǎn)品時獲得最大舒適度，需讓手腕各個關(guān)節(jié)也在舒適范圍之內(nèi)[2]。

3 理論改進建議

3.1 手柄尺寸

13歲以上的人群手部尺寸測量數(shù)據(jù)見表1。

表1 人體手部測量尺寸

依據(jù)《手工具設(shè)計中的人機工程學(xué)原理》建議：不同結(jié)構(gòu)形式的手柄，其最佳手柄跨度不同。槍式手柄50mm～60mm為佳，直筒式手柄40.6mm～61mm為佳[3]。

本文中設(shè)計的電錘手柄直徑時考慮重量以及便于握持因素，選用接近于直筒式手柄或槍式手柄尺寸，設(shè)計時考慮寬度為40mm～60mm，直徑為25mm～40mm為宜。在手柄長度方面，最短為100mm ～125mm，戴手套長度至少增加10mm，手柄的尾端不壓迫手掌。

3.2 手柄形狀及傾角

對電錘手柄形狀和傾斜角度的設(shè)計可避免掌心局部受力并保持手腕順直。電錘在使用中著力方向和振動方向不應(yīng)集中于掌心和指骨間肌，以避免掌心長期受壓、受振引起的痙攣癥狀。工具作業(yè)時，操作者的手腕應(yīng)盡可能伸直以提高舒適度，由手部的大小魚際肌、虎口等部位分擔(dān)壓力。

避免手柄形狀絲毫不差地貼合于手的握持部位，尤其不應(yīng)緊貼掌心，必須使得手部握持時掌心部位略有空隙，減少壓力和摩擦力，避免人體手掌長期受壓后的疲勞或受傷[4]。

手柄不應(yīng)有手指凹槽（見圖4）。槽型手柄適應(yīng)面狹窄且可產(chǎn)生作用于手指的壓力[5]。同時，還應(yīng)考慮人體不同的用手習(xí)慣以及性別差異帶來的手掌大小、力量大小等因素。

圖4

3.3 機身兩側(cè)凹槽

該區(qū)域分別用于放置拇指與食指，在不影響美觀的情況下，盡可能延長該區(qū)域，否則手指較長的使用者在握持過程中其食指易超出凹槽，且凹槽末端為斜角處理，棱角明顯，手指貼合時觸感明顯，影響使用體驗。見圖5。該凹槽下凹圓弧的最低點并非簡單地位于正中間，在設(shè)計時應(yīng)記錄多名體驗者的體驗數(shù)據(jù)，求出平均值，確保更多使用者在使用產(chǎn)品時該區(qū)域更好貼合指肚。滿足手指舒適性的同時考慮內(nèi)部空間的合理性，避免壓榨機身內(nèi)部空間。凹槽的3條棱線中，考慮食指、拇指自然、放松地貼合于機身側(cè)面，上方的棱線應(yīng)上移或增加上方斜面積、減小斜角。較大斜角或過低棱線迫使手指向下傾斜，影響舒適度，見圖6。

圖5

圖6

3.4 虎口貼合處

操作工具時，手掌虎口部位應(yīng)正對鉆頭，與鉆頭方向呈一直線。施力點與鉆頭保持水平，最大程度減少力的損耗。見圖7。手掌虎口部位呈圓潤弧形，柔軟、無骨骼支撐，故機身該部位應(yīng)盡量圓潤。該弧形呈U形對稱式3點分布，應(yīng)尋求具有代表性的平均值。見圖8。

在尋找到合適的虎口貼合處弧形尺寸時，應(yīng)考慮該條弧形曲線關(guān)聯(lián)的曲面形態(tài)，包括虎口貼合處曲面、食指根部與拇指根部貼合曲面等?；⒖谫N合處下方小段圓弧與掌心直接接觸，是虎口貼合處與手柄主體的銜接過度區(qū)，過度應(yīng)自然、平緩、光滑，不宜有較大起伏。手柄處同理，弧度不宜過大，盡量平緩、自然，見圖9。

圖7

圖8

圖9

3.5 開關(guān)部分

電錘開關(guān)板機長度通常為21mm，按鍵尺寸過短導(dǎo)致手指疲勞程度增加，長時間使用易產(chǎn)生關(guān)節(jié)疲勞和疼痛。灰塵顆粒物通常大于0.3mm，從預(yù)防灰塵進入工具內(nèi)部角度考慮，機身殼體與開關(guān)殼體間保持±0.3mm空隙為佳。

機身殼體適當(dāng)?shù)箞A，兩殼體間臺階面以圓角過渡；開關(guān)殼體下端包括圓角高度在內(nèi)，按壓按鈕后，開關(guān)平面應(yīng)高于機身殼體2mm～3mm，防止手指皮膚被壓，造成夾手現(xiàn)象，見圖10和圖11。

圖10

圖11

4 實驗數(shù)據(jù)改進

如上，針對相關(guān)改進設(shè)想做出的模型結(jié)構(gòu)，見圖12。修改如下：

圖12

① 側(cè)面凹槽向前延伸5mm，便于食指較長的使用者使用；

② 凹槽上方斜面降低傾斜程度，減少對手指向下的壓迫感；

③ 尾翼略微向后延長，減少脫手感；

④ 修改凹槽下陷的深度及有關(guān)曲面的曲率，增加握持舒適度；

⑤ 虎口貼合處寬度收窄，改善圓角，使之更加圓潤；

⑥ 修改虎口貼合處下方及整根手柄的曲率，使之更加平緩、光滑、流暢。減少硌手感；

⑦ 該處的棱角提前漸消，使后方拇指撥動開關(guān)時劃過的區(qū)域更加平緩，光滑。便于手指滑動，撥動開關(guān)；

⑧ 將開關(guān)設(shè)置為兩指半的規(guī)格，即高32.4mm，實驗證明，這樣用起來更加省力，安全性也更高；

⑨ 手柄部分的設(shè)計，采用橫截面為橢圓的有機形態(tài)，以便于使用者的握持；

⑩ 長手柄尾部的勾手。一是因為殼體兩側(cè)凹槽進行了延長，使得整個殼體上半部分在視覺上變得修長，下半部分的勾手應(yīng)適當(dāng)加長，與上半部分呼應(yīng)；二是因為電錘本身重量較大，適當(dāng)加長的手柄可以在提攜時防止脫手，更加輕松。

模型改進前后對比效果見圖13。

圖13

5 結(jié)語

從人機工程學(xué)方面對電錘手柄模型進行握持舒適度的改進。在改進過程中，重點運用油泥模型方法。經(jīng)過多次真人握持手感體驗與模型的調(diào)試改進，確定最終版本的電錘手柄油泥模型，該模型尺寸具有舒適度高、不同手掌大小的使用者均可通用、易用等優(yōu)點。