關于手持電鉆的人機工程學研究

（齊魯工業大學，山東 濟南 250353）

【摘要】：本文結合人機工程學數據為手持電鉆設計提出新的改善方案，為設計出符合操作者需求的手持電鉆提供理論依據。針對手持電鉆現有問題，探討左右手通用的工具設計的研究，，走向新的方向，并運用左右對稱部件設計以及模塊化設計等方法嘗試解決現有問題。

【關鍵詞】：手工電鉆；人機工程學；左右手通用；

引言

人機工程學是研究人在某種工作壞境中的生理構造以及心理狀態方面的各種因素，研究人和機器與壞境的相互作用。在此學科基礎上，產品造型設計中的人機因素受到全面性探討，更多的設計工作者把目光投向解決產品設計中直接由人操控的組成部分如何適用于人的工作。

1、市場上手工電鉆存在的缺陷

從發展的角度來看人類使用工具進行生產，是進化的標志之一，電動手持式工具作為日常產品，有效地幫助人類完成肢體無法解決的工作。手工電鉆屬于電動工具中不可或缺的產品，其分類愈發詳細，功能日益完善；同時，產品存在的缺陷也隨之出現。

人們在作業或日常生活中長久使用設計不良的手工電鉆，會造成很多身體不適、損傷與疾患。日常中，操作人員需要手握電鉆并長時間保持靜態施力，手工電鉆在工作狀態下產生振動傳遞給操作者的手指、手腕和手臂，設計尺寸不當會引起疲勞，造成反復性陳舊損傷病癥如滑膜炎、腱鞘炎、痛性腱鞘炎和網球肘等，嚴重者可能引發事故。部分產品對于慣用左手者，常出現無法控制關鍵部位，如在開關的位置只有拇指可以進行操作。

2、手持電鉆設計遵循的設計原理

手持電鉆必須在有效實現預期功能的同時，與使用者身體部分成適當比例，減小手部的施力強度，使整體工作效率最大化，避免產生疲勞，并充分考慮到操作的安全性和舒適性。在手持電鉆的設計中，設計師不僅要對手部結構研究，更重要的是考慮關于左右手結構的產品部件，才能對現有產品進行有效的改良。

3、現有手持電鉆造型設計

3.1手柄設計現狀

操作工人直接握住電鉆手柄進行作業，所以電鉆手柄設計的合理性是重點。作業過程中，操作人員長時間支撐電鉆保持一定的角度和高度，肩、臂和手掌肌肉將處于靜態負荷，易導致疲勞和能力下降。手部需要持續貼合手柄防止工具滑落，長期處于該狀態，可能導致手部疲勞，手指喪失靈活性并刺激手部神經。現有產品鉆頭的旋轉方向也不適合左手進行操作，鉆頭正轉和倒轉的靈活切換功能十分必要。

3.2解決方法

針對以上問題，通過調整手持工具與作業臺面夾角或操作臺面狀態的調整，較為科學的理論是肘部角度盡可能保持在90°。對于過握力持久性的問題，提出的解決方法是測量使用手持電鉆的力耗，假設目標人群為中青年男性，可以取男性第5個百分檔的最大力耗。實驗表明作業操作重復性越高，則可承受的最大力量能力的百分比例越低，因此結合科學理論推算，可對手柄進行重新設計。在重復性操作中盡量少用拇指扳機，它可避免拇指的伸縮過度，要盡量減少對手和手指的作用力。另一種情況，借助工具平衡器來支撐電鉆，為了在使用工具時操作工人可以放松握力將工具調整到合理狀態，可以在工具把持器和連接臂在手持工具上安裝微型制動閘。手柄附著材質需謹慎選擇，造型應當有凸緣以防止工具手柄從手中脫落，造成事故。同時，考慮到左撇子在使用電鉆的時候不僅需要盡量貼合手柄保證作業平穩進行而且不易移動拇指，移動拇指強行去操作開關可能會造成危險的后果，因此選擇左右對稱的產品設計方法，以保證產品的功能為首要條件，可調整產品的結構和部件排列。

3.3結合數據計算手柄直徑。

在各式各樣的工具中依據各自操作中的施力需求不同，因此最佳手柄跨度也不相同。《手工具設計中的人體工程學原理》中建議：不同結構形式的手柄，其最佳手柄跨度不同，工具必須與其使用者身體成適當比例。

結合相關數據，可以得出人體左手與右手在緊握工具時的方式有一定的差異，進一步旋轉施力時由于發力的方向差異繼而產生順時針和逆時針的差異。細節方面，移動拇指觸碰控制鍵時，左右手的的拇指運動軌跡差異甚大，兩個弧形發散方向是相反的，手持電鉆的按鍵位置設計大都順應慣用的右手拇指的操作路線安排，所以設計師有必要結合左右手的全部數據，以此設計適應左右手的手柄部件。對于電鉆手柄直徑，大部分使用者提出直徑數據較小比較理想。在設計中電鉆手柄直徑將優先考慮數值范圍內較小的手柄直徑，同時考慮選材的耐久度，當然不能無限度的見小尺寸，手柄直徑太小會導致手掌受力過大，引發肌肉酸痛等癥狀影響工作進度。

依照數據庫可知手槍式手柄，一般5-6cm為最佳，直筒式手柄為4.06-6.10cm，拎攀式手柄的最佳跨度為3.56cm。手部跨度決定了手柄直徑的要求，根據國際勞動辦公室給出的指導意見，手持式噴槍手柄直徑為2.54-4.06cm。常見的手工電鉆手柄優先選取寬度為4-6cm。根據數據分析，手柄長度在10-13cm之間為宜，如需佩戴手套則長度最少要增加1cm，依照人機工程學的理論手柄與瞄準軸之間的角度應當為100°，合理的尺寸選取會保障操作工人的安全且有助于作業的順利進行。

3.4手柄形狀設計。

使用電鉆進行正常作業時主要受力部位是手腕。相比之下三角形斷面的手柄是最佳選擇，因為類似矩形或三角形方便直線運作和手部形態變化，過于圓潤或尖銳的造型更易引起事故。加大手柄接觸面積能很有效減輕手部壓強但是要考慮與此相關的重量，設計合理的凹槽由虎口來受力，會減小手腕受力延長功效。電鉆尾部的設計也十分重要，在一定高度的工作平臺使用電鉆時，尾部的突出會直接接觸虎口部位，這時虎口能夠承受工作中的大部分力量，直接減輕手指壓力，緩解手掌緊握工具時產生的不適。手柄接觸面設計適當的凸起造型，可以加大摩擦，防止工具滑落。

4、設計中涉及人體左右手因素、

最后，設計時需注意操作狀態轉換的中間過程是否簡化，保證功能穩定的同時方便左手使用的電鉆，從細節處體現出人際尺寸的合理性。可以參考以下原則以便于左右手均衡操作如結構的合理性；優質的適用性；提示的準確性等。

如今很多設計運用模塊化的方式為消費者提供更全面的用戶體驗，手持電鉆也可以為左痞子人群設計可拆卸的零部件，通過DIY式的組裝改變手柄、按鈕的安置，方便這類人群使用。設計師結合人機尺寸數據應考慮自然形態的提取和組合而不是一味的沿用現有形態，給予工具手柄最合理的造型方便左右手的使用，不僅節約生產成本且極為便利。不斷的創新提高功效才能體現工具最基本的價值，模塊化工具的形態開發也是手持式工具研究的新方向。

結語

人機工程學是一門多學科交叉的邊緣學科，也是產品設計專業不可忽視的重要學科。以上對手持電鉆的理論探討基于平均值數據采集，對于左手使用者的數據需繼續統計和歸納。隨著工藝的發展，新材料的出現，消費者需求的擴張，手持式工具的設計方向也會出現新方向引導設計師不斷探索，這將是一段長期的研究和探討。

參考文獻：

[1]劉春榮，人機工程學應用[ M].上海：人民美術出版社，2004

[2]嚴揚，王國勝.產品設計中的人機工程學[M]. 哈爾濱：黑龍江科學技術出版社，1997.