徐 妍，焦萬銘，張 超，徐江燕

(北京科技大學(xué)天津?qū)W院，天津 301830)

人機工程學(xué)是研究人、環(huán)境和機械設(shè)備三者之間相互作用的學(xué)科。它通常指的是研究如何使機械設(shè)備系統(tǒng)、人機系統(tǒng)、人機環(huán)境系統(tǒng)的設(shè)計更好的反應(yīng)人體形態(tài)學(xué)。工業(yè)設(shè)計中，也經(jīng)常把人機工程學(xué)的理論作為產(chǎn)品改進(jìn)的基礎(chǔ)和參考因素[1]。

不同的工作環(huán)境對應(yīng)不同手持工具，也應(yīng)該存在多種形態(tài)，設(shè)計時應(yīng)該依據(jù)人體解剖學(xué)。人手是由骨骼、動脈和靜脈、軟組織、神經(jīng)和肌肉組成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，這些肌肉通過肌腱、軟組織連接到手指。當(dāng)一個人操作工具時，手臂必須長時間舉起或抓握，這將會導(dǎo)致肩膀、手臂及手部肌肉承受靜負(fù)荷，導(dǎo)致疲勞并降低作業(yè)效率[2]。如錘子、剪刀、扳手、鉗子之類的手工工具如果設(shè)計不合理，會導(dǎo)致使用者對疾病造成累積損害，由此產(chǎn)生肌肉和軟組織疲勞疾病。圖1為人類左手手掌肌肉示意圖。

圖1 人類左手手掌肌肉示意圖

傳統(tǒng)鉗子的大部分握柄主要是鋼。使用時，手會有很強的摩擦力，并用鉗子擠壓，這會使手指疼痛。同時當(dāng)手接觸鋼接觸時，會產(chǎn)生冰冷、鋼鐵般的感覺，自然會產(chǎn)生與鉗子的心理距離。這種材料的使用偏離了“以人為本”的設(shè)計理念。因此，有必要用一種更加柔軟的材料來代替它。但選擇既實惠又實用的柔軟材料，將鉗子的把手部分整個包裹起來，塑料部分與鋼鐵部分得不到完美的結(jié)合。使用者在使用鉗子時力量也會受到限制，所以考慮在鉗子的塑料上進(jìn)行橡膠包裹，不僅使鉗子把手部分和鋼制部分組合得更好，而且使整個鉗子更加美觀，給用戶帶來心理上的舒適感和親和力。柔軟的材質(zhì)也減少了摩擦力，手部磨破的情況得到緩解。

鉗子的造型需從形狀、長度、直徑、彎曲度四個方面研究設(shè)計。對產(chǎn)品形態(tài)設(shè)計時，適當(dāng)?shù)母郊庸δ艿脑O(shè)計也能滿足人們的額外需求，使得產(chǎn)品更具人性化[3]。

1 左手專用鉗子現(xiàn)狀調(diào)查

目前，左手工具的數(shù)量遠(yuǎn)不足右手工具的數(shù)量，現(xiàn)在左手產(chǎn)品大致可以分為剪刀、廚房用具、園林用具、筆、文具、體育用品和樂器等。剪刀和其它工具中有最典型和最常用的左撇子類型，還有左手面包刀、開瓶器，尺子、削皮器等。

筆者面向社會對500人做了抽樣調(diào)查，調(diào)研結(jié)果如下：

人們對鉗子的使用還是存在著一些反感，對于鉗子的看法也是冰冷的，充滿隱患，人們對于左手專用工具的認(rèn)知不多。在鉗子的功能、用途等設(shè)計上，要依據(jù)人機工程學(xué)原理，并對使用者進(jìn)行區(qū)分，從而設(shè)計出更加符合人體力學(xué)的手工工具。

2 基于人機工程學(xué)設(shè)計左手專用尖嘴鉗

2.1 左手專用鉗子草圖設(shè)計

鉗子是一種用來固定或扭曲、彎折和切斷電線的工具。形狀呈V形，通常包括三個部分：手柄，鉗腮和鉗頭。

傳統(tǒng)鉗子的部件為對稱的線性結(jié)構(gòu)。以直線姿勢操作時的手腕狀態(tài)與人體工學(xué)手腕保持平直狀態(tài)。一般認(rèn)為，將手柄與工作部分彎曲 10°左右，這種狀態(tài)下的效果最佳。故針對鉗子的結(jié)構(gòu)，對鉗子的材質(zhì)及手柄部分進(jìn)行改良，對手部尺寸進(jìn)行分析，通過查閱資料得到以下數(shù)據(jù)。

表1 掌骨處手掌寬度及掌骨處抓握空間(cm)

表2 含拇指手掌寬度及手總長(cm)

很多學(xué)者通過設(shè)計實際的產(chǎn)品來體現(xiàn)人機工程學(xué)的原理與概念，在諸多產(chǎn)品造型的設(shè)計、操作空間設(shè)計及操作界面設(shè)計中都取得了良好的成果，積累了許多寶貴的經(jīng)驗。其中常用的設(shè)計方法大致有以下三種：1)人體參數(shù)法；2)調(diào)查法；3)模型法。

根據(jù)上述幾種方法，和前期的市場調(diào)研結(jié)果，將現(xiàn)有的兩種最常用的鉗子進(jìn)行仿真模擬，以便于進(jìn)一步的設(shè)計與改進(jìn)。現(xiàn)階段最常用的兩種鉗子就是老虎鉗和尖嘴鉗。如圖2、圖3所示：

圖2 老虎鉗模型

圖3 尖嘴鉗模型

針對于調(diào)研結(jié)果，男女使用鉗子的比例、類型以及用途來看，男性比重大，對于剪切、夾斷等用途使用情況更多。相對于老虎鉗，尖嘴鉗可以做到剪切鐵絲、電線，也可以進(jìn)行小零件的緊固、裝配，是電工常用的鉗子之一。本文選擇尖嘴鉗進(jìn)行更深一步的研究與改進(jìn)。

2.2 鉗子外形改進(jìn)的必要性

把手形狀應(yīng)與手的生理特點相適應(yīng)。就手掌而言，掌心部位肌肉最少，指骨間肌和手指部分是神經(jīng)末梢滿布的區(qū)域、而指球肌、大魚際肌、小魚際肌是肌肉豐滿的部位，是手掌的天然減振器[4]。設(shè)計時，必須考慮手掌長度、手握粗度、握持狀態(tài)和觸覺的舒適性。通常，把手的長度要接近和超過手掌的長度，使手在握柄有一個活動和選擇的范圍。把手的徑向尺寸必須與正常手握尺度相符或小于手握尺度。如果太粗，手就握不住把手；如果太細(xì)，手部肌肉就會過度緊張而疲勞。另外，把手的結(jié)構(gòu)必須能夠保持手的自然握持狀態(tài)，以使操作靈活自如。把手的外表應(yīng)平整光潔，以保證操作者的觸覺舒適性[4]。

2.3 鉗子手柄長度尺寸的確定

設(shè)計合理的手柄首先應(yīng)與手的生理特點相適應(yīng)，這樣才能安全舒適地使用。設(shè)計的目標(biāo)之一是使用鉗子時，用盡可能最小的力來夾斷物品。要降低手部單位面積受到的壓力，可以適當(dāng)增大手部受力面同鉗子手柄的接觸面積，而弧形手柄與手的形狀特征更為貼合。

鉗子為雙把手工具，其操作方式是大魚際肌與四指抓握及大拇指的按壓，其設(shè)計時需考慮到把手直徑、長度、形狀、彎角等多種因素。

把手直徑大小取決于工具的用途與手的尺寸。對于剪切鐵絲，直徑大可以增大扭矩，但直徑太大會減小握力，降低靈活性與作業(yè)速度，并使手指第一個骨節(jié)彎曲加大，長時間操作導(dǎo)致骨節(jié)疲勞。比較合適的直徑是：著力抓握(30～40)mm，精密抓握(8～16)mm.為了使用戶得到更加舒適的體驗選取12 mm的直徑。

把手長度主要取決于使用者的手掌寬度。掌寬一般在(71～79)mm之間，因此適合的把手長度為(100～125)mm.鉗子為簡易的杠桿裝置。綜合考慮后選取較大的把手長度120 mm.

2.4 鉗子手柄形狀的確定

在使用者使用鉗子時，用力最大的是拇指，然后是食指、中指，而力量最小的是小指。為使大拇指因用力而變得扁平，手柄設(shè)計應(yīng)注重大拇指部位的特征。拇指指球肌和大魚際肌為主要的受力部位和操作，增大這兩個部位與把手的接觸面積?？紤]長久摩擦可能造成皮膚磨損、傷害身體健康，因此拇指的相對穩(wěn)定性和方向性也非常重要。因此設(shè)計適當(dāng)?shù)墓潭粗肝恢靡彩怯斜匾摹?/p>

把手的截面形狀對于著力抓握影響很大，把手與手掌接觸面積越大，則壓應(yīng)力越小，因此圓形截面把手較好?？紤]到工具放置時的平穩(wěn)性，以及設(shè)計后產(chǎn)品抓握的舒適性，把手的截面選擇為復(fù)雜界面，結(jié)合矩形和圓形的特性，設(shè)計出更加防滑且舒適的產(chǎn)品。對于剪切線材，采用丁字形把手，可以使握力增大50%，其最佳直徑為25 mm.

根據(jù)人手握持時各手指必要的肌肉張弛性，各指能有效地間歇替換握持，并能平穩(wěn)的握持住鉗子，手指夾持表面都應(yīng)能最大面積地與工件表面接觸，使握持力和摩擦力最大。因此，鉗子的手柄最好設(shè)計成手指間隔開握持的狀態(tài)，手指內(nèi)面和兩側(cè)面都與鉗子柄部充分接觸?？紤]到鉗子使用時，如果設(shè)計為對稱結(jié)構(gòu)，會加重手腕部的彎曲，所以對于手柄的設(shè)計采用不完全對稱結(jié)構(gòu)。

鉗子的鉗腳設(shè)計除應(yīng)符合上面提到的原理，還應(yīng)符合生產(chǎn)加工特性和使用特性。在原理上鉗子手柄盡可能通過附加到鉗子手柄上的鉗腳來實現(xiàn)。將套柄的材料、造型作為設(shè)計重點。生產(chǎn)的套柄一般都是比較簡潔的設(shè)計外形。套柄在使用特征上一般應(yīng)符合人體的工程學(xué)原理，同時又符合測試極限性原則。這樣，一般尺寸比較長的10寸以上，鉗子的鉗腳一般設(shè)計成直線型，或成圓弧型，但兩腳頂距離應(yīng)有限定，應(yīng)符合極限測試。而曲線型套柄的設(shè)計，便于適合套柄更大的杠桿握力比，又適合測試極限要求，更有效適合手的工程學(xué)特性。圖4為鉗子鉗腳結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4 鉗子套柄結(jié)構(gòu)示意圖

基于本文設(shè)計的使用者為左手人，對于鉗腳的選擇應(yīng)該更加側(cè)重在人機工程學(xué)理論的應(yīng)用，對于上下鉗腳可以采用不同的設(shè)計來解決直線對稱型結(jié)構(gòu)造成的問題。

2.5 鉗柄握持空間和鉗口張角

根據(jù)不同人手的尺寸和不同的使用用途，人手適合的握持空間和握持力是不同的。因手柄空間尺寸的不同設(shè)計和杠桿比例映射，鉗口張角應(yīng)滿足不同需求的鉗子。鉗子在較大空間握持時應(yīng)施與較小的握力，這樣利于人手的機能，即限定了鉗子應(yīng)有較高的配合，使用靈活等性能。例如常規(guī)鉗子的張角20°就可滿足夾持和剪切工件的功能。圖5為鉗子手柄的抓握空間和握力示意圖。從圖可知當(dāng)抓握空間寬度為(45～80)mm時抓力最大。而當(dāng)把手內(nèi)彎時，寬度為(65～80)mm.由于男女的差異，設(shè)計的左手鉗子主要針對男性使用，所以抓握空間選取稍大為78 mm.

圖5 鉗子手柄的抓握空間和握力示意圖

2.6 鉗頭樣式選取

鉗頭直接與工件夾持接觸，接觸的表面積、空間的限度和型體等直接影響到鉗頭的設(shè)計功用。直接夾取工件時，據(jù)空間和夾持力大小的難易程度，直嘴式鉗頭可分別用凹弧側(cè)邊、直線側(cè)邊和凸弧側(cè)邊來有效夾持工件。當(dāng)空間內(nèi)需要彎向夾取工件時，可采用彎嘴式鉗頭；當(dāng)工件型體有特定限制，則可根據(jù)要求選擇鉗頭不同的截面來更好的實現(xiàn)夾取，如扁形截面、半圓弧截面、圓截面、扁圓截面等，圖6為鉗子的鉗頭結(jié)構(gòu)示意圖。

圖6 鉗子的鉗頭結(jié)構(gòu)示意圖

對于鉗頭的形狀，考慮到左手鉗的受用范圍，本文沒有設(shè)定某一特定工作領(lǐng)域或更精密的工作方式。根據(jù)直嘴型鉗頭可以滿足大部分的工作，對于工作環(huán)境的要求也不是特別的嚴(yán)苛。所以選取最為常見的直嘴型鉗頭。

2.7 鉗子刃口選取

鉗子的剪切刃口功用如下：帶偏刃(標(biāo)準(zhǔn))的剪切鉗適用于所有軟或硬線種類。帶小偏刃的剪切鉗適合于鋼琴絲(硬鋼絲)以外的所有軟或硬線種類。不帶偏刃的剪切鉗僅適合于剪切軟材料，例如：鉛、塑料和軟金屬絲線。圖7為鉗子刃口功用示意圖。

圖7 鉗子刃口功用示意圖

對于鉗子刃口的選擇，選取最為常用的帶偏刃的鉗口，因為該刃口的實用性較其他刃口更為廣泛。

2.8 鉗子鉸接方式選取

疊腮式絞接鉗子，在鉗子頂部相互對接安裝，不需要進(jìn)行銑削加工和鉚接；單腮式絞接鉗子，對接合部需進(jìn)行銑削加工，銑削一半厚度，使兩片鉗子相互插入安裝；穿腮式絞接，一個手柄開有溝槽，讓另一個手柄從該溝槽穿過，并在接合部絞接；滑腮式絞接鉗子，設(shè)置了滑槽便于對鉗口大小進(jìn)行調(diào)節(jié)；平行腮式鉸接鉗子，如鉗頭為尖、鋼、斜和扁的平腮鉗，適于剪切和夾持平穩(wěn)的雙杠桿結(jié)構(gòu)；鎖腮式鉸接鉗子，適于需要更加省力的工件操作，應(yīng)用了四桿機構(gòu)的自鎖特性。圖8為鉗子的鉸接結(jié)構(gòu)示意圖。

圖8 鉗子的鉸接結(jié)構(gòu)示意圖

結(jié)合左手鉗的用途、實用性和經(jīng)濟(jì)性，鉗子鉸接方式選取為單腮式鉸接的方式，這樣的鉸接方式在工廠中的加工更為常見。

2.9 鉗子夾持面的選取

鉗子夾持過程中，鉗子施力的大小和方向以及作用的受力方向直接影響工件的夾持效果。為夾帶孔的工件，一般不需要紋齒，而夾持平板的則需要紋齒，夾持圓弧形的則要在夾持面上先定型。夾工件較大的，應(yīng)選擇相應(yīng)的大面積表面的夾持面鉗子，方形、尖形、鴨嘴形和圓嘴形等夾持面。

根據(jù)工件的位置和受力的取向，夾持面可選取直線齒、斜線齒和網(wǎng)紋齒的鉗子來夾持。圖9為鉗子夾持面的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖9 鉗子夾持面的結(jié)構(gòu)示意圖

本文設(shè)計的左手鉗主要為電工用的尖嘴鉗，參照現(xiàn)有的電工鉗的夾持面，考慮到夾持面對實際操作上的影響。夾持面選取直線齒、錐形的鉗子。

2.10 鉗子的彈性結(jié)構(gòu)

一般的鉗子需要持續(xù)一定的時間來反復(fù)夾持或剪切，可利用彈性結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)鉗子復(fù)位功能，例如鉗子上安裝彈簧、板簧、扭簧、記憶合金和電子等回位功能的零部件，來達(dá)到節(jié)省手活動的效果。對于左手鉗的設(shè)計中考慮在柄套部分安裝板簧來達(dá)到用后回彈的效果，減少手部的用力，實現(xiàn)更為舒適的用戶體驗。

3 左手尖嘴鉗三維模型的建立

根據(jù)收集的現(xiàn)有鉗子的尺寸及前文所述設(shè)計方向，選取8寸尖嘴鉗尺寸作為參考仿制鉗身模型，利用Solid works軟件中進(jìn)行3D建模。

表3 鉗子尺寸參數(shù)表(cm)

在設(shè)計過程中，改變鉗子傳統(tǒng)的對稱結(jié)構(gòu)，增大鉗頭與鉗子把手的彎曲角度，來獲得更加舒適的手握狀態(tài)。更改手握部分的尺寸與彎曲度，得到改良后的鉗子。圖10改良后的整體結(jié)構(gòu)。

圖10 改良后整體結(jié)構(gòu)

基于人機工程學(xué)的原理，對左手鉗柄套進(jìn)行繪制，完成左手鉗上手柄的建模，并對其進(jìn)行進(jìn)一步修改。圖11為柄套的基本結(jié)構(gòu)。

圖11 柄套的基本結(jié)構(gòu)

在設(shè)計制作過程中將拇指位置進(jìn)行定位，在鉗子的形狀以及安全性上也進(jìn)行了設(shè)計。圖12為左手鉗上柄套。

圖12 左手鉗上柄套

對于下柄套的制作方法，相對于上柄套而言更為簡單，主要區(qū)別在于，下柄套的四個手指的定位。圖13左手鉗下柄套。

圖13 左手鉗下柄套

左手鉗各零部件的整合如圖14所示。

圖14 左手專用尖嘴鉗

將模型用3D打印機進(jìn)行實體打印，3D打印效果如圖15所示。

圖15 左手專用尖嘴鉗3D打印模型

4 結(jié)論

本文基于人機工程學(xué)理論，在問卷調(diào)查結(jié)果分析的基礎(chǔ)上，在設(shè)計過程中充分考慮了如下設(shè)計方向：手握部分不能夠出現(xiàn)尖角棱角、手柄部分不能過硬、手柄部分如果有凹槽會與手掌更加貼合、在使用過程中手腕經(jīng)常彎曲，把手不能太長或太短，基于三維建模技術(shù)，設(shè)計出一款左手專用尖嘴鉗，可為今后左手手持工具的設(shè)計提供必要的思路。