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人机工程学——手动工具分析艺术与设计学院工业设计系产品方向091班陈瑾艺摘要：使用工具进行生产，是人类进化的标志，手动式工具是人类四肢的扩展。人们在工作、生活中一刻也缺少不了工具，使用手动式工具可以完成危险的、困难的工作。然而使用的工具大部分还没有达到最优的形态，人们在作业或日常生活中长久使用设计不良的手握工具和设备，造成了很多身体不适、就损伤与疾患，降低了生产率，甚至使人致残，增加了人们的心里痛苦与医疗负担。因此，工具的适当设计、选择、评价和使用是一项重要的人机工程学内容。本论文结合手握式工具操作的特点,综合分析了手握式工具的人机因素和人机特性,论述了手握式工具人机特性分析的必要性。关键词：手动式工具，人机因素，合理性。导论：手动式工具是日常生活中经常接触到的产品，然后很多手动式工具的设计都不符合人机工程学原理，在人性化设计上做的远远不够，论文针对手动式工具存在的主要问题进行论述，深入剖析存在的问题，并提出一些改进设计的方案。正文：一、手动式工具的使用要求手动式工具的设计看上去很小，其实要做到真正意义上的方便，使用，人性化。有很多地方都要考虑。从人机工程学角度，从安全性角度，心理学角度等，只有这些因素都运用到手动式工具的设计当中，才能称得上是一个完善的设计。下面重点从人机工程学角度考虑手动式工具的设计。1.手动式工具必须满足一下基本要求，才能保证使用效率：（1）必须有效地实现预定的功能。（2）必须与操作者身体成适当比例，使操作着发挥最大效率。（3）必须按照操作者的力度和作业能力设计，所以要适当地考虑到性别、训练程度、和身体素质上的差异。（4）工具要求的作业姿势不能引起过度疲劳。2.手动式工具设计需考虑的解剖学因素（1）避免静肌负荷。使用工具时，臂部必须上举或长时间抓握，会使肩、臂以及手部肌肉承受静负荷，导致疲劳，降低作业效率。在使用是尽可能让手臂处于较自然的水平状态，减少抬臂产生的静肌负荷。（2）保持手腕处于顺治状态。手腕顺直操作时，腕关节处于正中的放松状态，但当手腕处于掌屈、背屈、尺偏等别扭的状态时，就会产生腕部酸痛、握力减小，如长时间这样操作，会引起腕道综合症腱鞘炎等症状。一般认为，将工具的把手与工作部分弯曲10°左右，效果最好，弯曲式工具可以降低疲劳，较易操作。（3）避免掌部组织受压力。操作手动式工具时，有时常要用手施相当的力。如果工具设计不当，会在掌部和手指处造成很大的压力，妨碍血液在尺动脉的循环，引起局部缺血，导致麻木、刺痛感。好的把手设计应该具有较大的接触面，使压力能分布与较大的手掌面积上，减小应力；或者使压力作用于不太敏感的区域，如拇指与食指之间的虎口位置。（4）避免手指重复动作。如果反复用实质操作扳机式控制器时，就会导致扳机指，扳机指症状在使用气动工具或触发式电动工具时常会出现。设计时应尽量避免食指作这类动作，而以拇指或指压板控制代替。二、手动式工具的人机学分析人机工程是研究各种工作环境中人的因素、人和机器与环境的相互作用、工作及生活中怎样统一考虑工作效率、人的健康、安全和舒适等问题。1.在许多场合中,操作人员需手持工具持续工作较长时间。为避免疲劳,应充分考虑到人机关系之间的协调:(1)操作活动应在手的最佳活动范围内完成。(2)重复作业时避免局部疲劳。(3)避免静态施力。肌肉施力不大于最大肌力的50%。(4)在施力时避免冲击力,避免手指重复动作。(5)避免掌部组织受压力。操作手动式工具时,有时常要用手施相当大的力,如果工具设计不当,会在掌部和手指处造成很大的压力,妨碍血液在尺动脉中的循环,引起局部缺血,导致麻木、刺痛等。同时手柄的着力方向和震动方向不能集中于掌心和指骨间肌,如果掌心长期受压受振,可能会引起难以治愈的痉挛,至少易引起疲劳和操作不准确。因此,手柄的形状设计应避免手柄形状丝毫不差地贴合于手的握持部分,尤其是不能紧贴掌心,操作者握住手柄时掌心处略有空隙,以减少压力和摩擦力的作用。图1中(a)、(b)、(c)3种手柄的形式较好,(d)(e)(f)3种形式与掌心贴合面大,只适合作为瞬间受力不大的操纵手柄。2.手动式工具设计的人机学因素（1）手动式工具与人手解剖手动式工具的人机学因素很大程度上取决于人手的解剖。从两个方面进行分析：①手指和手部的活动手指和手部的活动和肢体其他部分的活动一样，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，而不可产生压力（肌肉属于工程力学中的“柔索”类型）。若以手指为例，则手指的伸开也好、握拢也好，全靠肌肉的拉力来实现。因此，手指的屈拢，必然是肌肉从掌心这边拉动的结果；而为使手指伸开，只能是既然从手背一边拉动的结果。图1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”，如图中文字所注。图上也标注有少数几个“伸屈”，那都不是在手掌一侧的表层、而是位于下层（深层）的肌肉；因为表层肌肉没有把它们全部遮挡掉而能看到一部分。图1是从手背一侧看到的肌肉，因此其表层多为“伸肌”，如图中文字所注；仅能看到两条下层的“层肌”。牵动手指伸屈的肌肉在图2中可以看得更清楚。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，受不得活动并非单靠近旁的肌肉所能实现的；第二，这些肌肉重叠交错，如果手臂扭曲、手腕偏屈，是各肌肉束互相干扰，将影响这些肌肉顺利发挥其正常功能。②手腕状态和腕管腕部是一个多自由度的关节，骨关节的结果形态复杂；但很多条肌肉、肌腱，以及一条条血管、神经也都经过这里，穿越复杂骨关节之间比较狭窄的缝隙，通往手部，图3。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、手指活动，时间长了，便会导致损伤和疾患，如腱鞘炎、腕道综合症等。正如电缆里面挤满一根根的电线，电缆严重折弯是就要损伤里面的电线。2.手动式工具的一般人机学要求除了各自的使用功能和技术条件以外，对手动式工具共同的人机学要求如下：（1）手动式工具的大小、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；避免掌心受压力过大；尽量由手部的大小鱼际肌、虎口等部分分担压力。（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”。使用手动式工具时的姿态、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，即应该让负担准确控制的肌肉与负担出力较大的肌肉互相分开。（5）注意照顾女性、左手优势者等群体的特性和需要。从不同性别来看，男女使用工具的能力也有很大的差异。女性约占人群的48%，其平均手长约比男性短2cm，握力值只有男性的2/3。在设计手动工具时，必须充分考虑这一点。三、手动式工具的改进设计1．手电钻手电钻是典型的电动手工具,在许多场合,操作者需手握电钻持续工作较长时间,应充分考虑到人机关系之间的协调,钻头的受力和手的施力不在同一轴线上,将产生力矩,此力矩导致施力较大时钻头容易折断。因此，改变手电钻的持握方式，使操作者在使用时，如果施力较大也不至于将钻头折断。图2持握手电钻的方式较为合理。图1不合理的手电钻持握方式图2合理的手电钻持握方式2.钳子钳子是日常生活中经常接触到的手动工具，然而很多钳子的设计都不合理，存在很多问题。从人机学的角度分析，长时间握物或连续用力，能造成手部疲劳，并使手指失去灵活性。对此，驱动工具的用力要尽量小些，以减轻手指的疲劳。应降低手柄多握紧程度的要求，防止打滑。尽量使用弹簧复位工具，可减轻手或手指的负担改进后的设计四、结语手握式工具在人类社会中起着至关重要的作用。它的人机工程学分析与研究对提高产品的可用性有着很重要的意义。对手动式工具的设计必须分析与其有关的人机因素和人机特性，这对提高操作者的工作效率、保证操作者的身心健康是相当重要的。人们常说,设计就是创造更合理的生活(生存、使用)方式。“更合理的使用”就是要求产品的设计创新,还要符合人机工程学的原理,更好地满足人们的生理需求和心理需求。因此，人机工程学在手动式工具这类产品中有着广阔的应用前景。参考文献:1.丁玉兰.人机工程学[M].北京:北京理工大学出版社,1991.2.华尔天,谢质彬.产品的人机特性评价研究[J].中国机械工程,1999(增刊):68-70.3.詹雄.机器艺术设计[M].长沙:湖南大学出版社,1999.4.阮宝湘,邵祥华.工业设计人机工程[M].北京:机械工业出版社，2005.25.何灿群.人机工程学-产品设计.化学工业出版社.2006.1.