基于人機工程學的新型自動鉛筆設計研究

王婧菁

摘要：使鉛筆外形更加契合手部的正確握筆姿勢，解決鉛芯易斷折的問題，有效提升使用舒適度、提高鉛芯的利用率、節約資源。通過分析現有的鉛筆結構，對握筆姿勢進行測試、進行基礎草模制作、利用Rhino及Solidworks軟件對自動鉛筆的結構及外觀進行改進設計，得到了自動鉛筆內部結構三維裝配模型及外觀渲染效果圖。新型自動鉛筆的設計依據人機工程學理論，使得使用手感更舒適;改變鉛筆內部結構從而提高鉛的利用率，節約資源、減少環境污染;滿足學生及其他專業人士對產品的使用需求。

關鍵詞：人機工程學 自動鉛筆 新型 防斷

中圖分類號：TB472文獻標識碼：A

文章編號：1003-0069（2019）09-0008-04

前言

在日常工作和學習中，自動鉛筆為人們帶來了極大便利，提高了鉛筆的使用率和資源的利用率，與此同時，自動鉛筆也存在著一些設計上的缺陷，如造型不符合人機工程學及鉛芯易斷折等問題。本研究針對上述問題對自動鉛筆進行了外觀及結構的改進設計，使鉛筆更加適合手部的正確握筆姿勢，從而提高使用舒適度和安全性。同時，對內部結構進行再設計有效解決了易斷折的問題，提高鉛筆的利用率，達到有效減少重復補鉛、節約資源的目的。

一、普通自動鉛筆存在的人機問題和使用缺陷

（一）造型簡陋導致的長期握筆疲勞

正確的寫字握筆姿勢應為食指尖與筆尖一寸，筆與紙面呈600傾斜，筆桿靠于食指指根關節凸起，如圖1。大部分使用者握筆姿勢不正確導致指關節酸痛，長期握筆姿勢不正確還會導致近視、駝背、寫字效率低等問題。

通常情況下自動鉛筆筆桿設計成直線形，這樣的造型有時會導致使用者會采取錯誤的握筆姿勢，產生疲勞，造成使用時的不適，如圖2。

（二）鉛芯殘留導致的浪費問題

自動鉛筆的出鉛方式大致分為以下四種：墜鉛式、旋轉式、脈動式、和自動補償式。

墜鉛式靠鉛芯重力自動出鉛芯;旋轉式靠旋轉傳送鉛芯，如圖3;脈動式（也稱撳動式），如圖4、5。靠撳動輸送鉛芯，撳動又分為—次撳動式和二次撳動式，一次撳動式即一次出鉛芯，二次撳動式，第一次撳動筆嘴伸出筆桿，第二次撳動使鉛芯伸出;雙卡頭撳動式，采用雙卡頭結構，縮短了卡頭和筆嘴端部距離，使自動鉛筆內殘留8-15mm的鉛芯，需用—支整鉛芯將其頂出，方可繼續書寫。但在頂出過程中，很可能因為鉛芯位置沒有對齊而發生鉛芯斷裂，浪費了更多的鉛資源。自動補償式（自動出芯）無須旋轉或脈動裝置，可自動補償鉛芯，持續書寫。雖然市面上有幾種自動鉛筆設計原理很好，但在實際使用過程中，這些自動鉛筆的效果都不是很完美，有時候這些結構精密、價格昂貴的自動鉛筆出現故障很難修復。

（三）意外掉落導致的產品使用壽命減短

現有的自動鉛筆內部空倉和雙卡頭結構，一旦自動鉛筆意外掉落會造成鉛芯多處斷裂，需要浪費時間更換鉛芯;對于結構精密的自動鉛筆，嚴重情況下會使內部結構發生變形、偏移等，造成不可逆的損壞;人為拆卸也會使鉛筆結構出現難以復原的問題，降低了鉛芯使用率及鉛筆壽命。

（四）儲鉛量少導致的效率問題

就普通自動鉛筆而言，因受到出鉛方式的限制，一般僅可攜帶2-3根備用鉛芯，過多的鉛芯導致自動鉛筆卡鉛從而影響使用壽命。同時，內部碰撞也會造成鉛芯斷裂，本就使用率不高（每根鉛芯浪費8～13mm）的鉛芯在斷裂后要浪費雙倍甚至更多。自動鉛筆的使用者學生或設計師占比最多，儲錢量少，鉛芯使用率低直接影響了使用者的工作效率。

二、基于使用者的產品分析

自動鉛筆類的文具產品的受眾人群以下面例舉的三類人群為主，其中普通學生和藝術考生對自動鉛筆的需求量最大。經調查，該類人群自動鉛筆的鉛芯平均使用凈長度在70mm/天，以標準50mm長的鉛芯為標準，大約為1.4根/天。受眾群體的分類及使用需求如下：

1.普通學生常用的自動鉛筆類型為0.5/0.7的2B鉛芯、HB鉛芯，或者選用寬頭的機讀卡填圖鉛筆。

2.藝術考生對鉛筆的使用類型要求會更高，從9H到9B共1O種鉛芯型號的鉛筆可能均有涉及。普通自動鉛筆只能攜帶—種型號的鉛芯，多功能鉛筆可攜帶—種到三種型號的鉛芯，但是內部結構不可拆卸，13選定將無法更換型號。

3.從事設計工作的人群，對于多功能筆的需求會更普遍一些，通常情況下會選擇攜帶鉛筆芯和圓珠筆配合使用。

普通鉛筆攜帶鉛芯的單一且儲鉛量少，使用者會經常忘記及時填充鉛芯，造成使用上的不便，且鉛芯型號較多，使用時需要同時攜帶數支鉛筆，容易造成遺忘或丟失，均降低了使用者的工作效率。另外，從自動鉛筆的尾部填充鉛芯可能因為鉛芯斷裂無法迅速出鉛，大部分人都選擇用手捏著鉛芯，從鉛筆頭插入鉛芯繼續使用，如此復雜而頻繁地更換鉛芯也給使用者造成了糟糕的交互體驗，不符合人機交互的原則。

三、新型自動鉛筆結構設計分析

鑒于以上問題，現提出如下設計解決辦法，如圖6。

（一）內部結構可拆卸自由組合

新型自動鉛筆的內部結構設計成可拆卸可更換，如圖7，同時攜帶多種鉛芯，方便使用者根據具體需求（如軟硬程度，粗細程度等）選擇合適的鉛芯型號的鉛管，如圖8，并自由組合在一起使用，提高使用的便捷性，優化用戶體驗。

（二）多邊形鉛管組合增加儲鉛量

利用左輪手槍的原理，設計了多邊形鉛管組合，如圖9、10，加大儲鉛量，方便填裝鉛芯，簡化換鉛芯的操作過程以提高使用效率。普通的自動鉛筆在不影響使用的情況下可攜帶2-3根鉛芯，而新型的自動鉛筆在鉛道內可存放2-3根鉛芯，鉛管內也可存放4-6根備用鉛芯，每支自動鉛筆可放置三個鉛管，存放18-27根鉛芯。當然使用者可根據自己的需要增加或減少儲鉛以便于書寫輕松。

（三）旋轉軸更換鉛管變換鉛芯型號

筆帽和筆身以一端開口為十字的旋轉軸，如圖11，和卡槽連接，如圖12、13，應用多顏色模塊筆設計原理設計旋轉軸解決鉛管固定和旋轉問題。使用者可通過轉動筆尾確定筆管的位置，每轉動到一根鉛管的正確位置，限位卡槽會發出“咔”的聲音提示使用者可以推出鉛管使用該鉛管中的鉛芯。

（四）卡槽限位控制鉛芯推出距離

新型自動鉛筆放棄傳統自動鉛筆的結構，改成以手動推動裝置，如圖14，利用刻刀的卡槽限位結構，如圖15，解決固定鉛芯和控制鉛芯的推出距離，如圖16、17，利用壓力傳動方式將鉛芯推出鉛道使鉛芯可以用到最后1mm，節約鉛資源，且結構結實耐用，鉛芯被包裹在鉛道中，即使意外掉落也不會因為空倉和雙卡頭結構引起鉛芯斷裂，可持續使用。

四、新型自動鉛筆外觀設計分析

（一）產品材質及配色

新型自動鉛筆的外觀設計針對年輕化群體，將筆身表面進行光滑處理，達到類似于烤漆的表面效果，同時在筆帽下部和調節按鍵處使用與筆身完全不同的顏色使得整支鉛筆更加跳脫。在色彩方面，如圖18、19，選擇了較為清新的淡藍色與淡粉色，同時也針對不同的使用人群使用了更為簡潔的黑白兩色，如圖20。針對目標用戶，在設計中選擇較為簡潔的風格可以適用于更廣泛的年齡層，整體效果直觀大方。

（二）產品功能

1.啟動鉛筆的筆尖設計

筆頭和筆桿設計為一體，并固定金屬滑道，保護鉛芯不會因使用不當發生斷裂，可以有效防止斷鉛。根據JIss 6005標準所規定的鉛芯直徑，現有自動鉛筆鉛芯最大直徑為2ram，因此配合鉛芯尺寸，鉛管的出鉛口也應滿足最大鉛芯直徑。

2啟動鉛筆的推動裝置設計

基于人機工程學設計鉛筆外形，參考正確的握筆姿勢讓被測試者進行握筆測試，推動筆桿距離測試。計算出握筆時拇指、食指、中指的位置，如圖21。提高使用手感讓使用者在握筆時處于最舒服的狀態，以及拇指在推動鉛芯滑動裝置時的承受距離。鉛芯長度調節的按鍵位于自動鉛筆向上的一面，輔以下部的手握凹槽，依托于反復的測試與測量，在調解過程中自然流暢。由于可以大量儲存鉛芯導致筆桿相較正常自動鉛筆更粗，手握凹槽設計的更深，以達到在使用過程中不會因筆的直徑增大而導致手部不適。考慮到使用簽字鉛筆的手中人群大部分是學生，因此根據人機尺寸計算原則，選擇拇指能承受的最小范圍加減修正值作為推動裝置的實際距離，如圖22。

3.其他功能設想

經統計，直徑大于1.5cm的書寫工具設計筆夾通常不會被使用，新型自動鉛筆沒有為用戶預設筆夾，而采用在尾部金屬區域可以自行增加筆夾的選配零件的形式，使得使用可以更加個性化，將無用的設計降至最少。

結論

新型自動鉛筆的結構設計不僅可以防止斷鉛現象，還可以防止堵塞，降低故障出現概率，從而提高自動鉛筆的工作效率和鉛芯的利用率。根據設計方案，利用現有多鉛管結構，改變鉛管尺寸，容納0.5mm、0.7mm和1mm等不同尺寸的鉛芯，提高自動鉛筆的使用范圍，也可將不同硬度的鉛芯放在固定的鉛筆管中，擴大使用人群的范圍。

基于人機工程學設計的鉛筆外觀，不僅保護鉛管，延長鉛筆使用壽命，還可以在一定程度上糾正使用者的握筆姿勢，緩解因為握筆姿勢不正確引起的疲勞。

自動鉛筆作為學生的筆盒中必備文具之一，其設計是否合理關于使用安全、舒適度、易用程度、可持續等，本文從人機工程學的角度研究再設計自動鉛筆，將人機工程學的理論融合在實際設計中，使設計更加情感化。另外，該設計解決了鉛芯易斷折的問題，有效提高鉛芯的利用率、順應了可持續發展的戰略理論，為日常生活中節約鉛資源貢獻綿薄之力。