人机工程学与产品设计

SME.USTBHumanFactors人机工程学SME.USTBChapter6产品设计与人体工程学Chapter6:人机工程学与产品设计DepartmentofIndustryDesign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：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。Chapter6:人机工程学与产品设计DepartmentofIndustryDesign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。Chapter6:人机工程学与产品设计DepartmentofIndustryDesign第二节产品设计人机学——手工具及其使用方式手工具的进步曾经滞后于人类文明的进程。近代工业设计的观念推动了工具的改善，但应用人机学的方法研究和改进工具，仍是值得关注的课题。Chapter6:人机工程学与产品设计DepartmentofIndustryDesign一、手的运动特征（一）手工具与人手解剖手指和手部的活动手指伸开、握拢全靠肌肉的拉力来现实，因此，手指的屈拢必然靠肌肉从掌心这一边来拉动，上手掌面表层多为“屈肌”，而手指的伸开，只能是肌肉从靠肌肉从手背一边来拉动，上手背面表层多为“伸肌”。Chapter6:人机工程学与产品设计DepartmentofIndustryDesignChapter6:人机工程学与产品设计DepartmentofIndustryDesignChapter6:人机工程学与产品设计DepartmentofIndustryDesign手腕状态和腕管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。因此，如果腕关节有较大的偏屈、偏转，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。Chapter6:人机工程学与产品设计DepartmentofIndustryDesignChapter6:人机工程学与产品设计DepartmentofIndustryDesign（二）手的运动速度与习惯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.手朝向身体的运动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。Chapter6:人机工程学与产品设计DepartmentofIndustryDesign（三）手臂的操纵力手操纵力的大小，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。Chapter6:人机工程学与产品设计DepartmentofIndustryDesign2.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。Chapter6:人机工程学与产品设计DepartmentofIndustryDesign3.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。Chapter6:人机工程学与产品设计DepartmentofIndustryDesign4.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。Chapter6:人机工程学与产品设计DepartmentofIndustryDesign二、手持式工具设计1.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。Chapter6:人机工程学与产品设计DepartmentofIndustryDesign2.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。Chapter6:人机工程学与产品设计DepartmentofIndustryDesign三、几种手工具设计(一)钢丝钳等双握把工具1．改进铜丝钳形制，使操作时腕部顺直Chapter6:人机工程学与产品设计DepartmentofIndustryDesign工人们长期使用后的不同结果，见下图可见使用手工具中保持手腕顺直状态的重要。Chapter6:人机工程学与产品设计DepartmentofIndustryDesign2.刀、锤、手工钢锯示例1握柄弯曲的工具，如左图示例2使用老式手弓锯中的问题，如右图Chapter6:人机工程学与产品设计DepartmentofIndustryDesign(二)双握把工具的抓握空间双握把工具应使抓握空间的大小与手的尺寸和解剖适应，下图为抓握空间与捏握力之间的关系。Chapter6:人机工程学与产品设计DepartmentofIndustryDesign(三)旋拧工具的握把为得到较大旋拧力矩，螺钉旋具握把的外轮廓应做出凹凸纹槽，纹槽的转折处应光滑圆润不硌手。不同纹槽把手旋拧力矩的对比见下图：Chapter6:人机工程学与产品设计DepartmentofIndustryDesign好的把手应减小掌心的受压强度，而让大、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。手掌上“虎口”处皮质坚韧，可以承受较大的力量。如下图中的改进设计可增大旋拧力矩，操作方便，抓握也更轻松。Chapter6:人机工程学与产品设计DepartmentofIndustryDesign（四)其他几种手工具1．避免手指反复的弯曲扳动操作从手指(通常是食指)解剖看，不适于反复的弯曲扳动操作，多次反复后容易丧失操作的灵活性，甚至导致手指的疾患。对于下图所示工具，把食指弯曲操作改为拇指按压，使用将便利得多。Chapter6:人机工程学与产品设计DepartmentofIndustryDesign2．减少或避免肌肉的静态施力一般来说，操作中肌肉施力做了有用功，肌肉属于动态施力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，则为肌肉的静态施力。手工具应避免或减少静态施力，这是关系手工具优劣的重要一条。Chapter6:人机工程学与产品设计DepartmentofIndustryDesign直柄、弯柄电烙铁使用的时不同。Chapter6:人机工程学与产品设计DepartmentofIndustryDesign手工具的使用方式，主要指使用手工具时的姿势、体位。令人唏嘘感叹、让人凝首深思的镰刀!下图。Chapter6:人机工程学与产品设计DepartmentofIndustryDesign3．使负担准确控制的肌肉和用力较大的肌肉互相分离譬如举刀使劲剁一块排骨，想让第二刀还落在第一刀的口缝里是很不容易的。如下图所示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，另一只手在小把手上使劲往下压，操作就方便了。Chapter6:人机工程学与产品设计DepartmentofIndustryDesign四、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。Chapter6:人机工程学与产品设计DepartmentofIndustryDesign（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。Chapter6:人机工程学与产品设计DepartmentofIndustryDesign（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。Chapter6:人机工程学与产品设计DepartmentofIndustryDesign（4）弯角最佳角度为10°左右。Chapter6:人机工程学与产品设计DepartmentofIndustryDesign（5）双把手工具双把手工具的主要设计因素是抓握空间。Chapter6:人机工程学与产品设计DepartmentofIndustryDesign（6）顾及女性，左手优势者等人群的需要顾及女性的需要，主要指工具的尺寸、操纵力适合女性的条件。女性专用工具还应考虑其造型符合女性审美特点。让少数群体左利者也有适用的工具，是社会文明进步的标志，更是人机学工作者的一种职业责任。适合左手优势者的工具有两种类型一种是左手专用品，另一种是通过简单变换让右利者、左利者都便于使用，