基于人機工程學的三桿L型鑷子創新設計

摘 要：鑷子作為一種輔助工具已經客觀存在很久并廣泛應用于醫學、化學等各個領域。方法：介紹了傳統鑷子的一些缺點，并針對這些缺點，基于人機工程學原理創新設計出一種新型三桿L型省力鑷子，描述了其結構和使用原理，并進行了相應的受力分析和人機工程學對比分析。結論：創新設計出的該鑷子可以更好地實現人-機結合，提高人們的操作效率和舒適度。

關鍵詞：人機工程學；鑷子；創新設計；三桿L型

1 傳統鑷子的缺點

傳統鑷子的結構由鑷子臂A、C和鑷子柄B組合在一起，在受力變形后A和C靠B處的彈性回到初始位置（如圖1所示）。

傳統鑷子的這種結構存在著幾個明顯的缺點：（1）鑷子在受力變形后靠B處的彈性回到初始位置，長時間使用會使彈性減弱，影響其性能。（2）如圖2所示，鑷子存在著兩個以O為支點的杠桿臂，當夾取物體時，動力臂D<阻力臂d，動力F>阻力f，因此該鑷子屬費力結構。（3）鑷子外表為直線形式的結構，當夾取瓶子里的物體時，物體、鑷子、手、視線基本在一條直線上，會影響作業視野和范圍，使作業效率降低。特別是當瓶口較窄、較深時，將需在鑷子的最上部用力，導致操作困難且費力[1-2]。

2 三桿L型鑷子創新設計

針對傳統鑷子的以上缺點，基于人機工程學原理[3]作者創新設計出了一款三桿L型省力鑷子（如圖3所示），目前該鑷子已申請了專利，專利號為：201420810404.2）。

2.1 結構

如圖3所示的三桿L型鑷子包括L型上夾體1和L型下夾體2，兩者的同一端為手持端16，另一端為夾取端17。L型下夾體2在拐角上方設置有第一連接板3，L型上夾體1下方設置有與第一連接板3相對應的第二連接板4，3和4通過銷軸5鉸連。

手持端16下方安裝一固定板14，14上安裝一轉軸15，下方鉸連一L型操作手柄6，6的一端通過轉軸15鉸連在固定板14上。手柄6的拐角外壁頂在L型下夾體2上，6的另一端為手柄端7。L型上夾體1在靠近手持端處設置有長孔8，手柄6的手柄端7從長孔8內穿過；長孔8在靠近手持端的內側壁上安裝有一彈簧9，彈簧9另一端與L型操作手柄端7連接[4]。

L型上夾體1和L型下夾體2的夾取端均設置有伸長機構，包括與夾取端連接的滑動片10。滑動片10通過調節螺栓11安裝在夾取端，滑動片10上設置有可繞調節螺栓11滑動的滑孔12，可根據瓶子的深度來調整滑動片10的位置，進而調整伸長機構的長度。

L型上夾體1在拐角內側安裝有照明燈13，瓶子不透明時，可打開照明燈13進行照明[5]。

2.2 使用原理

具體使用時，用手按壓L型操作手柄端7，L型操作手柄則繞轉軸15轉動，彈簧9會被拉長；操作手柄6和L型下夾體2的接觸點向手持端16移動，使得1和2的手持端間距增大，1繞銷軸5轉動，夾取端17間距減小，便可將物品夾住取出。當需放下物品時，減少手部給L型操作手柄的用力，在彈簧9的拉力的作用下，手柄端7向手持端16轉動，彈簧9回到初始狀態；手柄6和下夾體2的接觸點向遠離手持端16的方向移動，使得1和2的手持端間距減小，1繞銷軸5反方向轉動，夾取端17間距增大，便可放下物品。

2.3 受力分析

如圖4所示，手給操作手柄一個動力F1，使得L型操作手柄拐角處有速度V1，操作手柄繞軸a轉動給L型上夾體一個主動力F2，L形上夾體繞銷釘b轉動使得夾取端有一個速度V2，被夾取物塊給夾取端一個阻力F3。由于b是支點，所以L1是動力臂，L2是阻力臂[6]。設計時令L1大于或等于L1，保證了此鑷子不再是個費力結構。

2.4 使用領域

目前鑷子主要應用于醫學[7]、實驗室、日常生活等各個領域。該創新鑷子也可以用到物理化學、生物實驗室、日常生活等領域。但其在醫學上的使用尚需進一步驗證。

3 人機工程學對比分析

3.1 受力

傳統鑷子是用大拇指和食指施力于鑷子的上部，所夾取的物品雖不會太重，但長時間使用會造成手指酸痛和疲勞。由人機工程學可知，手持工具把柄的設計除了需滿足操作要求外，還要符合操縱者的生理特點和生物力學特點，以減輕勞動強度、提高工作效率。本三桿L型鑷子通過由大拇指壓住操作手柄（圖3編號7）、輕松施力，即可完成夾取動作。

3.2 光環境

鑷子應用于醫學、化學等領域，在作業中經常會遇到光照不夠而影響操作的情況，比如化學藥瓶為深色或物品處在較為狹小隱蔽的空間時。照明燈（圖3編號13）的設計可解決這個問題。照明燈增加了光亮，同時也幫助操作人員集中注意力，減少差錯和事故，使用起來更加舒適和方便。

3.3 長度

實驗室中常備有長度不一的傳統鑷子數十把。有時在一個實驗當中，需要更換不同長度的鑷子數次，造成工作效率低、易污染且不易清洗。而該三桿L型鑷子的設計可解決這個問題，可根據需求及時地調節鑷子的長度。

3.4 視野

傳統鑷子由于結構本身決定了手和操作桿基本在同一直線上，時常會擋住觀察視線，影響作業。而該新型鑷子的整體設計巧妙地讓手和桿錯開，操作人員有較好的觀察視野。

3.5 機械可靠性

傳統鑷子夾取物品處（即兩臂的最底部）在使用一段時間后會因彈性減弱而失效，導致其平均壽命較低。而該新型鑷子不依靠材料的彈性，只要選擇耐腐蝕的材料即可提高其使用壽命和可靠性。

4 結束語

總之，傳統鑷子存在著費力、使用壽命短、操作時手和鑷子擋住視線、長度不可調等缺點，不符合人在作業時對高效、方便的追求。而該新型鑷子不僅符合操作者的需求，在結構和細節上的設計也使人-機更加協調，體現了省力、亮度充足、長度可調、視野開闊、可靠性和使用壽命高、使用方便等優點，使人-機更加協調，提高了工作的舒適度和效率。

參考文獻

[1]徐孟.面向人機工程仿真分析的人體生物力學模型[D].浙江：浙江大學，2006：11-12.

[2]Hussain A，Mahmood H.Notes：current status and expectations[J].European Surgery， 2008，40（4）：176-186.

[3]陳娜，王慧洋，石玉川，等.高校人機學生座椅改進設計研究[J].創新科技，2014（18）：82-83.

[4]郭仁生.機械設計基礎[M].北京：清華大學出版社，2006：76-80.

[5]應效良.簡易照明式提管鑷子[J].中國計劃生育學雜志，1994.

[6]哈爾濱工業大學理論力學教研室.理論力學（I）[M].北京：高等教育出版社，2009.

[7]王可昌.介紹一種新型的鑷子-針管鑷[J].中國臨床研究，1991：63.

作者簡介：王淑婧（1993，7-），女，河南鄭州，鄭州大學，在讀本科生。

*通訊作者：陳娜（1981，12-），女，河南鄭州，鄭州大學碩士生導師，博士學歷，研究方向：安全人機工程、安全評價。

作者簡介：徐志朋（1992，12-），男，河南鄭州，鄭州大學，在讀本科生。