基于形態轉化的模塊化電動工具設計研究

劉曉東 錢峰 王文廣

關鍵詞：形態轉化;模塊化;電動工具設計

電動工具發展至今已經趨于成熟，其在實用性與專業性上都達到較高的水平，在功能多樣化上也在不斷探索。隨著電動工具向著多功能、低成本方向發展，傳統設計方法急需不斷的迭代和更新，從而使新產品的開發更好的滿足用戶需求。目前，電動工具在模塊化與形態轉化設計上都有著新的嘗試，這些方法的提出都為功能多樣化提供了可能性。本文通過兩種設計方法結合的方式進行嘗試，探究形態轉化與模塊化結合的可能性，尋求電動工具多功能化設計的新方式。

1 形態轉化與模塊化概述

1.1 形態轉化概述

“形態轉換”（Trans-formation）是指系統為了執行新功能或改變當前的功能屬性值，自身“形態”改換的行為[1]。在自然界與人類生產生活中可以利用形態轉化改變自身特性以應對不同情況。產品的功能與形態有著密切聯系，其形態優劣決定了其對用戶需求的影響。一個事物具有同時存在的多形態，這類似于量子力學中的“態疊加原理”，即如果A1 和A2 都是體系的本征態，那么根據薛定諤方程可知C1A1 + C2A2 也是體系的本征態。通過該方程我們可以類比得到產品多種不同形態的疊加，也是產品的一種形態[2]。因此，在理論上任何客觀存在的事物都存在多重形態。形態轉化的特點在于它不會破壞產品的完整性，其組件不會在數量上產生變化，亦不用準備用于替換作用的功能模塊。但是，其形態在轉換的過程中是連續的，部件之間不允許存在中斷的狀態。

1.2 模塊化概述

自20 世紀中期西方一些國家開始提出“模塊化”的概念，起初致力于工程技術領域的模塊化設計在短短幾十年里就被廣泛應用于各個領域。模塊化在現代化中成為了廣泛的概念，成為在方法論上分析和解決復雜問題的哲學性的新思考方法。從系統的觀點出發，研究系統的構成形式，用分解和組合的方法，建立模塊體系，并運用模塊組合成系統的過程，即為模塊化[3]。從這個觀點看，系統由各種功能模塊組成，產品可作為系統中的模塊，也可作為模塊組成的系統。從這個意義上說，在工業設計方面，可以為產品的開發和設計開辟新的途徑。

2 電動工具概述

電動工具是一種由電磁旋轉式或往復式小容量電動機通過傳動機構帶動作業裝置工作頭進行工作的手提式或移動式的生產工具[4]。電動工具種類繁多、功能多樣，因其具有方便攜帶、功能多樣、操作簡易、效率高、強度低等特點而被廣泛應用于高鐵建設、船舶制造、汽車工業、航天航空、木業加工、金屬加工等生產領域。

從德國FEIN 公司造出第一臺電動工具起，電動工具的發展經歷了四代，在材料、電子技術、電池、及永磁材料等方面都在不斷更新，并在20 世紀80 至90 年代逐漸完善并大量發展。從電動工具設計新態勢來看，國外對于DIY 級別的產品在功能上有了更多樣化的創新，國內以小米為代表的企業打破了傳統電動工具固有的造型，賦予其新鮮的造型血液。且國內外各大企業都開始嘗試將模塊化與形態轉化應用到電動工具的功能創新設計當中。

3 基于形態轉化的模塊化電動工具設計流程

3.1 形態分析與功能模塊分解

通過研究角磨機與手電鉆的形態從而確定其整體功能與各個功能模塊的功能。對行業代表性六個品牌的角磨機與手電鉆進行調研，總結出市面上最常見的角磨機形態，其形態區分在于有無副手柄，并且手柄作為一個單獨的功能模塊可以拆卸。電鉆均近似手槍的形態，并且觸發功能的方式均為扣動扳機。可以對角磨機和手電鉆進行整體功能和單獨功能模塊的分析。

直觀上看角磨機輸出軸和輸入軸呈90°夾角，因此其角磨片的軸線方向會垂直于機身的軸心線，這種形態能大程度提高手部對角磨機的控制，減少摩擦力引發的操作事故。但是與機身軸心方向垂直且與角磨片軸線方向垂直的摩擦力會因機身固有長度而在手部放大，因此角磨機左側可以安裝一個該摩擦力方向的手柄，用來穩定角磨機。將其拆分成各個功能模塊，可以分為三個大的模塊，分別為機身、機頭、手柄，分別對應的是動力輸出功能、打磨與拋光功能、固定功能。細分主要功能組件如下：開關、主軸鎖、照明燈、掛繩、換擋開關、保護罩等等。

手電鉆在整體上的造型和功能一目了然，其形態與手槍相似，承受的是電機軸心方向的力，實現的是鉆孔、拆裝螺絲等功能。手槍由虎口來承受開槍帶來的后坐力，同時虎口起到了一個旋轉中心的作用，旋轉中心與后坐力方向不相交，槍口易產生上抬，需要除拇指與食指以外的手指來固定手柄以防止槍口上揚。手電鉆使用時受到的反作用力與手槍后坐力方向一致，因此手電鉆的形態接近于手槍。將其拆分成大的功能模塊，可以分為機身和鉆頭，手柄雖然與機身是一體，但它具有單獨的功能。細分主要功能組件還有正反轉開關、可調速控制開關、變速開關、扭矩旋鈕等等。

3.2 形態轉化

結合對角磨機與手電鉆的形態分析與模塊分解，運用形態簡化的方法，對產品的形態采取直觀上的研究。列舉市面上具有代表性的六款角磨機和手電鉆，解除部分人機工程學對形態的約束，將其概括成幾何形態，見表1。

借此可以很直觀的看出它們在形態上的相似之處，如圖1 所示。依據形態轉化概念，設想角磨機的副手柄與手電鉆的主手柄相互融合，由一個手柄代替兩個手柄的功能。因此機身主體與手柄可以結合為整體作為形態轉化的主體對象進行研究。

3.3 模塊化設計實施

根據已劃分的功能和形態轉化研究形成整體的功能模塊，可以確定主要模塊包含：A 機身與手柄的結合體、B 鉆頭、C 打磨機頭、D 加長握把（新增模塊）、E 電池。具體功能劃分如圖2 所示。

依據形態轉化研究可知，A 的形態基本確定，從功能輸入輸出關系來看，A 為B 或C 提供動力，E 為A 提供電能，D 為新增模塊，彌補A 在角磨機狀態下的漏洞，同時幾乎所有功能模塊都附著于A。

根據圖可知，A 對B、C 兩個部件是功能的輸出，A 對D、E是功能的輸入，各個功能模塊圍繞A 進行發散。A 的基礎造型基本確定，B、C、D、E 要在形態上適應A，其基礎造型要根據布局確定，可將A 定義為主動型模塊，B、C、D、E 定義為被動型模塊。根據功能分析和各部件之間關系，對5 個模塊進行組合，形成數個組合方案，將其劃分為手電鉆和角磨機兩種形態進行對比研究，如圖3 所示。

3.4 設計評價量表

針對這六種模塊化組合方式，對左側和右側兩種形態進行組合，可以形成9 組形態轉化組合，分別為X1-Y1、X1-Y2、X1-Y3、X2-Y1、X2-Y2、X2-Y3、X3-Y1、X3-Y2、X3-Y3 采用五點量表法對重組后的造型在簡易性、安全性和實用性上進行評估，通過權重打分的方式，設置5 分級量表，1 分為“微弱”，3 分為“一般”，5 分為“極強”，1—5 分滿足度正向依次遞增。向60 名典型用戶發放問卷，受訪者包括低學歷使用電動工具頻繁的與高學歷的能夠對電動工具在工業設計、機械設計等方面做出評價的人群。收回有效問卷54 份，其中男性34 人、女性20 人，年齡為21—52 歲。對收回的問卷進行處理，得出一組數據，如表2 所示。

經過綜合評價，初步得出組合X1-Y3 綜合得分最高。在后期的創意迭代設計中會延續X1-Y3 的組合方式進行設計。

3.5 設計方案實施

3.5.1 人機設計

依據上文研究所得到的數據，能夠得到一個概括的模型，其約束了人機設計的范圍，同時指引了其設計方向。通過觀察產品使用時與手密切接觸的部位，可以明確需要考慮人機設計的兩個部位：新增手柄和機身手柄。

手柄作為電動工具中接觸最多的部位，在電動工具的人機設計中起著重中之重的作用。據UKHSE 報道，平均每年超過25%的傷害是由把手造成的[5]。改善電動工具對手部的傷害是手柄人機工程學研究的重點。針對手柄的人機設計，應著重考慮形狀、傾斜角度與形態。

1） 手柄尺寸設計。其中在尺寸方面手柄跨度是研究手柄人機工程學的重要因素， 在早期研究中主流采用肌電圖（electromyogram，EMG）去測試握持電動工具手柄時人手臂肌肉的活動情況。不同電動工具的手柄，功能形式不同，存在不同的最佳手柄跨度。已有研究表明，手槍式的手柄，一般最佳手柄跨度為5cm—6cm，直筒式的為4.06cm—6.10cm [6]。因此，在手柄跨度上控制在這個范圍內最佳。

2） 手柄形狀與傾斜角度設計。雖然在電動工具使用中，主要接觸部位為手指和手掌，但是手腕為主要受力部位。在虎口處設計凹槽，會將受力主體轉向虎口，從而保護手腕。在作業施力的過程中，尤其在高度作業時，大部分的力都集中在虎口上，避免了手指、手掌長期受壓。并且在電動工具設計中不會出現手指凹槽，人手的尺寸都不相同，會導致部分人群手指的不吻合，這樣會加大壓力和振動帶來的危害。

傾斜角的設計要依附于關節連線角度，手柄的軸線方向應與指關節連線方向大致平行，這樣才會形成最舒適的握姿。根據瑞典阿特拉斯· 科普柯公司出版的《當代人體工程學的工具》中推薦的最佳角度通常為70°，如圖4 所示 [7]。

3.5.2 色彩設計

色彩本身并沒有情感，在自然界中色彩只是客觀存在著一種物理現象，其與物體本身能夠反射光的波長有關。色彩所具有的情感來源于人們生活中的經驗，長期積累的經驗促使形成色彩上的共感。這些感覺包括動感、溫度感、重量感、硬度感、重量感、距離感等等。往往色彩的純度、明度、飽和度以及色相對這些感覺都有或多或少的影響，同時色彩共感對使用電動工具時的心理狀態也有著微妙的影響。

不同人之間色彩共感也存在著微妙差異，針對色彩的飽和度、純度以及明度對于運動感、重量感、硬度感的影響進行調研，對20—50 歲人群進行調查，發放問卷40 份，收回有效問卷38 份，調研數據如圖5 所示。

電動工具作為一種特殊的作業工具，其自身具有一些特定的屬性，包括危險性、力量感、重量感、操作具有循環往復性等。因此在電動工具色彩設計上可以根據這些特征進行取舍。調查研究結果顯示，高飽和度、高純度以及高明度在視覺上更具運動感和硬度感，而重量感較差。色彩的硬度感可提供電動工具視覺上的堅固感，間接提升用戶的安全感;低重量感能夠降低用戶心理上的疲憊感;色彩的運動感是一種力量的體現，能夠降低用戶使用電動工具時的松懈感，間接降低操作事故的發生概率。因此，在進行電動工具色彩設計時，可以適當的使用高飽和度、高純度以及高明度的色彩。

3.5.3 產品設計創意迭代

以確定的組合形式為基礎進行外觀造型創意，由設計人員通過發散、匯聚及討論，獲得相應的角磨機與手電鉆的雛形創意方案，如圖6 所示。設計人員依據這兩種電動工具在人機工程學、色彩、尺寸上的要求以及實際操作中的穩定性、作業效率等要求，對設計方案進行評估篩選及迭代，獲得更明確的設計方案，最后進行細致的草圖繪制，如圖7 所示。

設計人員繼續優選創意方案并利用計算機輔助方法，對設計方案進行二維平面設計方案的精細化表達及三維數據構建，手電鉆與角磨機的計算機輔助設計如圖8 所示。

4 結語

產品的功能是產品形態的依據，產品的形態要依附于功能而存在。在一個產品的開發和設計過程中，為實現多種功能，必定會形成多重形態。利用形態轉化與模塊化結合的思路，在產品設計階段實施形態轉化設計，并結合模塊化設計的方法進行應用探索，為電動工具在功能多樣化設計上提供參考。電動工具的發展方向以專業化為主，在功能的轉化與多功能化創新上有著巨大的空缺，電動工具在多功能化方向上還存在廣闊的前景。