基于人機工程學(xué)的手持海洋水質(zhì)分析儀設(shè)計

黃天楊

（廣東海洋大學(xué) 機械工程學(xué)院，廣東 湛江 524000）

對海洋的開發(fā)帶來巨大經(jīng)濟效益的同時，也對海洋環(huán)境造成了不同程度的破壞，例如赤潮現(xiàn)象頻發(fā)[1]，而海洋生態(tài)環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的獲取和分析，是進行海洋生態(tài)環(huán)境保護的基礎(chǔ)。從某種程度上，海洋環(huán)境監(jiān)測的能力，直接影響著海洋資源利用和海洋環(huán)境保護的成敗[2]。多少年來，國內(nèi)水質(zhì)分析儀的設(shè)計都只停留在模仿國外相似產(chǎn)品的基礎(chǔ)之上，缺少自己的獨創(chuàng)設(shè)計[3]。雖然國內(nèi)海洋水質(zhì)監(jiān)測儀器設(shè)備通過多年的研發(fā)，在技術(shù)水平等方面縮短了與美國等國家先進企業(yè)的差距，但是在整體造型設(shè)計、人機工程等方面依然落后。為此，本文以人機工程學(xué)理論為基礎(chǔ)，開展手持海洋水質(zhì)分析儀的人機分析與設(shè)計實踐。

1 手持式儀器設(shè)備的人機原則

人機工程學(xué)是通過研究人、機器、工作環(huán)境三者之間的相互作用，從而達到在生產(chǎn)中提高效率，保證人的安全、健康和舒適目的的學(xué)科[4]。手持式儀器設(shè)備是人們?nèi)粘９ぷ髋c生活中常見的產(chǎn)品類型之一，其不當(dāng)?shù)脑O(shè)計與使用則會增加肌肉骨骼疾病的患病率和風(fēng)險[5]，因此，良好、合理的手持式儀器設(shè)備設(shè)計是人們提高工作效率、避免相關(guān)損傷的重要保證。手持產(chǎn)品設(shè)計很重要的一個目的是保證手在使用過程中的舒適性[6]。

為了提高操作者的工作效率，保證使用者的健康，手持工具必須滿足4 點一般原則：（1）工具必須有效實現(xiàn)預(yù)定功能；（2）工具必須與操作者身體成適當(dāng)比例，使操作者發(fā)揮最大效率；（3）工具必須按照不同性別作業(yè)者的力度和作業(yè)能力設(shè)計；（4）工具要求的作業(yè)姿勢不能引起過度疲勞[7]。

此外，設(shè)計手持式儀器時，還應(yīng)該遵循以下解剖學(xué)因素：

（1）避免靜肌負(fù)荷。當(dāng)使用工具時，臂部需要上舉或長時間抓握，這會使肩、臂及手部肌肉處于靜態(tài)施力，引起疲勞，降低操作效率。因此，在設(shè)計工具時，為了使手臂盡可能的自然下垂，操作時處于較自然的水平狀態(tài)，減少抬臂產(chǎn)生的靜肌負(fù)荷，應(yīng)將工具的工作部分和把手部分設(shè)計成彎曲式的連接過渡式。

（2）保持手腕處于順直狀態(tài)。當(dāng)手腕處于掌屈、背屈、尺偏等別扭狀態(tài)時，就會產(chǎn)生腕部酸痛、疲勞，時間過長，則會導(dǎo)致腕管綜合癥等，而手腕處于順直作業(yè)時，腕關(guān)節(jié)處于正中的放松狀態(tài)，能保證工作效率和身體部位的健康，因此，通常將手持工具的把手和工作部分彎曲10°左右，效果最佳。

（3）操作手持設(shè)備作業(yè)過程中，有時需要用手施加較大的力，此時如果手持設(shè)備設(shè)計不合理，會在掌部和手指等肢體處造成較大的壓力，妨礙血液在尺動脈的循環(huán)，引起局部缺血，導(dǎo)致麻木，刺痛感等。為此，一個良好的手持設(shè)備把手設(shè)計應(yīng)該具有較大的手掌接觸面，使壓力較均衡地分布于手掌面積上，減少壓力，畢竟手持設(shè)備的握把舒適度會隨著手持設(shè)備形狀大小而不同[8]；或?qū)毫ψ饔糜诓惶舾械膮^(qū)域，如拇指與食指間的虎口位。

（4）避免手指重復(fù)動作。在操作手持儀器時，如果用食指操作扳機式控制器過渡頻繁時，就會導(dǎo)致扳機指癥狀。設(shè)計時應(yīng)盡量避免食指作這類動作，而以拇指或指壓板控制代替。

2 水質(zhì)分析儀人機分析

2.1 水質(zhì)分析儀概述

海洋水質(zhì)分析儀是用于海洋水質(zhì)檢測分析的一種儀器，水質(zhì)分析儀主要采用離子選擇電極測量法來實現(xiàn)精確檢測，可對海水的鹽度、葉綠素濃度、溶解度、pH、色度、酸、碘、氧化物、硝酸鹽等參數(shù)進行分析檢測。其廣泛運用于環(huán)境保護、生產(chǎn)控制等，應(yīng)用場域包括河流、海洋、養(yǎng)魚場等。當(dāng)前水質(zhì)分析檢測儀器主要采用了水質(zhì)自動監(jiān)測技術(shù)、生物監(jiān)測技術(shù)和遙感監(jiān)測技術(shù)，如生物傳感技術(shù)等，例如Xiong 等[9]設(shè)計的水質(zhì)檢測儀運用透明度好、材質(zhì)均勻的材料作為載體，融合北斗定位和GPRS 無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，F(xiàn)uiko 等[10]則基于毛細(xì)管電泳原理研發(fā)設(shè)計了水質(zhì)分析儀。目前，先進的便攜式水質(zhì)分析儀器主要采用分光度法進行水質(zhì)分析，其波長可達到300 ～900 nm 之間[11]。

2.2 水質(zhì)分析儀人機分析

通過對國內(nèi)外各品牌典型水質(zhì)分析儀產(chǎn)品的人機研究分析，總結(jié)出結(jié)論：在整體人機造形尺寸上，現(xiàn)有水質(zhì)分析儀產(chǎn)品可歸納分為小巧、圓潤、方正、笨重等四種外觀造型，見圖1。小巧型尺寸造型的水質(zhì)分析儀產(chǎn)品多為便攜式，適用場景靈活，可移動性最強；方形和圓形的水質(zhì)分析儀大多為桌面式，只能實現(xiàn)短距離位移，移動性較弱；大尺寸笨重型分析儀大多放置于大型實驗室、工廠等環(huán)境，對環(huán)境空間有較高的要求，多為固定式。無論是便攜式小尺寸小巧型還是固定式大尺寸笨重型水質(zhì)分析儀，其外觀尺寸設(shè)計同使用環(huán)境均存在一定關(guān)系，但總體而言，其尺寸合理性和整體協(xié)調(diào)性不夠，整體造型風(fēng)格不夠現(xiàn)代簡約。在人機操作界面上，大部分分析儀的操作控制區(qū)域按鍵在布局設(shè)計中的人機工程學(xué)因素考慮欠佳，見圖2。在人機信息顯示界面方面，除了極少數(shù)的圓潤型分析儀在設(shè)計時有考慮到人機，將數(shù)據(jù)顯示屏進行一定斜切面的設(shè)計外，小巧型、方正型和笨重型的分析儀信息顯示屏設(shè)計均未進行合理人機考量，各檢測數(shù)據(jù)在顯示屏上的顯示大小、排列布局、數(shù)字色彩與屏幕背景之間的關(guān)系等大都忽略了人的視覺特性要求，這增加了用戶查看檢測數(shù)據(jù)時的疲勞和誤讀率，降低了認(rèn)讀和工作效率，見圖3。

圖1 水質(zhì)分析儀外觀造型分析

圖2 水質(zhì)分析儀操作界面

圖3 水質(zhì)分析儀信息顯示界面

3 手持海洋水質(zhì)分析儀造型設(shè)計的人機原則

3.1 人體尺寸的分析選擇

（1）用戶的確定。產(chǎn)品是給相關(guān)用戶使用的，尤其是產(chǎn)品的直接操作者，因此在設(shè)計過程中必須清楚產(chǎn)品用戶的性別、年齡、身體尺寸等。這些用戶特征是手持海洋水質(zhì)分析儀整體尺寸、顯示與操作區(qū)域等布局設(shè)計時考慮的重要依據(jù)。根據(jù)前期研究確定了分析儀的主要使用人群為海上作業(yè)的專業(yè)技術(shù)人員。這類用戶以男性居多，年齡主要分布在25-50 歲之間。

（2）人體百分位的選擇。人體測量的數(shù)據(jù)常以百分位數(shù)Pk 作為一種位置指標(biāo)、一個界值。一個百分位數(shù)將群體或樣本的全部測量值分為兩部分，有K%的測量值等于和小于它，有（100-K）%的測量值大于它。在GB/T 12985-91 標(biāo)準(zhǔn)中，依據(jù)產(chǎn)品使用者人體尺寸的設(shè)計上限值（最大值）和下限值（最小值）對產(chǎn)品尺寸設(shè)計進行了分類[12]。凡涉及人體尺寸的產(chǎn)品設(shè)計，首先應(yīng)按照該分類方法確認(rèn)所設(shè)計的對象是屬于哪一類型。最后根據(jù)所設(shè)計產(chǎn)品在尺寸上能滿足多少人使用的滿意度作為人體尺寸選擇百分位數(shù)的依據(jù)。

（3）修正量的確定。現(xiàn)有人體尺寸數(shù)據(jù)大多是在裸體或穿著單薄貼身衣物的條件下靜態(tài)測量所得。在分析儀設(shè)計時，數(shù)據(jù)選用應(yīng)該結(jié)合人在實際生活工作中的需要，將衣帽、手套等相關(guān)服飾配件尺寸考慮進去，適當(dāng)增加著裝修正量。同時，為了滿足人們“求美”“求奇”等心理需求，也應(yīng)該在產(chǎn)品功能尺寸上增加心理修正量。

3.2 信息顯示與操作界面的人性化

把設(shè)計的中心轉(zhuǎn)移到對人的關(guān)注，以人為中心的界面設(shè)計將會給產(chǎn)品設(shè)計帶來新的設(shè)計理念和方法[8]。根據(jù)一般手持設(shè)備的布局構(gòu)成，可將水質(zhì)分析儀的人機界面劃分為三大區(qū)域模塊：持握區(qū)域、操作區(qū)域和分析數(shù)據(jù)顯示區(qū)域。為了使得整個作業(yè)過程更加的方便、高效、舒適，分析儀的整體設(shè)計應(yīng)遵循人機界面設(shè)計原則，具體如下：（1）數(shù)據(jù)信息顯示區(qū)域的人機合理性。為了方便認(rèn)讀，減少誤讀率和操作認(rèn)讀效率，分析儀的數(shù)據(jù)顯示內(nèi)容布置設(shè)計，應(yīng)該按人的視覺特性排列：人眼的觀察效率以左上方為最優(yōu)，其次是右上方，左下方，而以右下方為最差；同時，人的視覺習(xí)慣是自左至右、自上而下和順時針方向向圓周運動掃視。（2）操作控制區(qū)域的按鍵布局設(shè)計應(yīng)根據(jù)其重要性、功能性及便利性進行。（3）持握部件、操作區(qū)域同整體風(fēng)格的統(tǒng)一性。手持海洋水質(zhì)分析儀的操作區(qū)域和持握區(qū)域的整體造型和布局的設(shè)計應(yīng)該同產(chǎn)品整體風(fēng)格相統(tǒng)一，在造型、線型、色彩等方面應(yīng)具有關(guān)聯(lián)性。

3.3 造型與人機的合理

在分析儀的設(shè)計過程中應(yīng)將操作者生理特征，尤其是手部特征與儀器設(shè)備的特征相匹配，盡可能做好操作省力、方便，減少誤操作，最大程度的降低作業(yè)者的疲勞，比如，按鍵位置安排、形狀設(shè)計必須符合手形和滿足使用時的自由切換，盡量選擇在操作方便的位置[13]。此外，產(chǎn)品造型是連接品牌形象和用戶的一個關(guān)鍵部分，是一款產(chǎn)品價值體現(xiàn)的重要因素[14]。在設(shè)計水質(zhì)分析儀時，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)有市面上多樣的外觀造型風(fēng)格，結(jié)合設(shè)計要求，應(yīng)充分考慮現(xiàn)代產(chǎn)品簡潔流行等趨勢，在滿足功能的前提下，結(jié)合黃金分割比例、形式美法則等，使得產(chǎn)品的整體線型盡可能大氣，符合設(shè)計潮流與現(xiàn)代審美要求，也可從功能模塊需求考量造型設(shè)計，例如Lin 等[15]介紹的由檢測模塊和顯色反應(yīng)模塊組成的多參數(shù)原位水質(zhì)分析儀。

4 手持海洋水質(zhì)分析儀造型設(shè)計與分析

應(yīng)用Rhinos 與Keyshot 等計算機輔助設(shè)計技術(shù)設(shè)計完成的手持海洋水質(zhì)分析儀造型設(shè)計方案效果見圖4，整體造型設(shè)計達到了預(yù)期的效果，外觀大氣、簡潔，符合人機工學(xué)。結(jié)合上述手持海洋水質(zhì)分析儀造型設(shè)計的人機原則，來分析該設(shè)計方案的整體造型設(shè)計。

圖4 手持海洋水質(zhì)分析儀設(shè)計方案

4.1 手持海洋水質(zhì)分析儀構(gòu)成與設(shè)計要求

本次研究設(shè)計的手持海洋水質(zhì)分析儀主要由內(nèi)部的電路板模塊、電池模塊、定時器模塊、傳感器模塊和外部的LED 顯示屏、充電端口、按鍵、電源開關(guān)等部件構(gòu)成。通過分析現(xiàn)有產(chǎn)品狀況，設(shè)計一款基于人機工學(xué)的手持水質(zhì)分析儀。產(chǎn)品要適用于海上作業(yè)環(huán)境，在造型和色彩上與現(xiàn)有市場產(chǎn)品區(qū)盡可能區(qū)隔，并考慮防滑等設(shè)計要求。

4.2 手持海洋水質(zhì)分析儀的人體尺寸數(shù)據(jù)應(yīng)用

分析儀作為一種專業(yè)性產(chǎn)品，整體的長度和寬度是其主要的尺寸。分析儀握持部分的整體尺寸大小取決于手掌尺寸，根據(jù)前期研究得知，該儀器的主要用戶為男性，屬于Ⅲ型一般工業(yè)產(chǎn)品。在此，采用男性P50 的手掌長度尺寸104 mm 作為分析儀產(chǎn)品手持部位長度設(shè)計的依據(jù)，同時，增加分析儀操作者穿戴手套的功能修正量3 mm 和心理修正量5 mm，最終得出分析儀手持部位長度的最小功能尺寸為107 mm，最佳功能尺寸為112 mm。男性P50 的手掌寬度尺寸為80 mm，手握式操作儀器，手指向內(nèi)彎曲，在進行功能尺寸設(shè)定時應(yīng)該減去相應(yīng)修正量，最終得出分析儀手持部位寬度的最佳功能尺寸為72 mm。

4.3 手持海洋水質(zhì)分析儀的人機信息顯示界面設(shè)計

在設(shè)計LED 數(shù)據(jù)顯示屏的內(nèi)容信息顯示布局時，嚴(yán)格遵循了人的視覺特性和人眼的觀察效率規(guī)律，將PH 值等重要分析顯示數(shù)據(jù)信息設(shè)計在顯示屏中上方，并根據(jù)其重要性進行了從上到下不同數(shù)據(jù)尺寸的變化排列設(shè)計，大大提高了認(rèn)讀效率，數(shù)字色彩采用米白色與深灰的LED 屏幕背景形成對比，在營造穩(wěn)重安靜氛圍的同時也增強了認(rèn)讀效率。此外，LED 數(shù)據(jù)顯示屏作為整個產(chǎn)品的核心區(qū)域，設(shè)計時也充分考慮了相關(guān)人機性能，將手持部分和顯示區(qū)域呈15°傾斜設(shè)計，使得查看水質(zhì)分析數(shù)據(jù)和操作按鍵時更加的符合人機，提高了操作的便利和舒適性，緩解了作業(yè)者的操作疲勞。

4.4 手持海洋水質(zhì)分析儀的人機操作界面設(shè)計

根據(jù)功能重要性和誤操作因素，結(jié)合人的視覺特性等人機性，將分析儀的各功能菜單鍵等設(shè)計在產(chǎn)品手持部位上端，其整體輪廓同顯示屏和產(chǎn)品整體弧形特征相呼應(yīng)；同時為了防止誤操作，將儀器操作過程中使用頻率相對較低的開關(guān)按鍵布局于產(chǎn)品手持部位的中下端，并以符合手指曲面的內(nèi)凹弧面設(shè)計，增強其人機性；此外，硅膠按鍵、紋理防滑橡膠機殼，提升了操作和手持的舒適性，充分考慮了操作時的人機性，大大提高了工作效率。

4.5 手持海洋水質(zhì)分析儀的外觀設(shè)計

產(chǎn)品外觀設(shè)計的要素包括形態(tài)、色彩和材質(zhì)，其合理的組合配置是良好外觀的重要保證。在具體設(shè)計時，考慮了設(shè)計原則，在造型上，該方案打破了現(xiàn)有市場上水質(zhì)分析儀的冰冷剛直或過于圓潤的設(shè)計風(fēng)格，手持式、小型化的設(shè)計實現(xiàn)了使用和攜帶的便利性。整體造型以直線為主，顯示屏曲線輪廓、機身前殼曲面過渡輪廓和操作按鍵等曲線輪廓的融入，恰到好處，打破了原有人們對這類儀器設(shè)備冰冷的印象，極具親和感，整體外觀具有現(xiàn)代感和一定的獨特性。在色彩上，考慮到品牌的差異性及同行業(yè)產(chǎn)品差異化等的設(shè)計要求，色彩方案摒棄了白色、藍(lán)色等色調(diào)，而選用黃色和深灰作為主色調(diào)，黃色的大膽使用極大地增強了產(chǎn)品在海上作業(yè)環(huán)境中的識別度，使人印象深刻。在材料上，前殼采用黃色工程塑料，配以硅膠按鍵，側(cè)面及后殼采用深灰色紋理防滑橡膠，增強了操作和手持的舒適性。

5 結(jié)語

海洋水質(zhì)分析儀作為重要的專用檢測分析儀器，其設(shè)計過程中產(chǎn)品的人機合理性應(yīng)該受到研發(fā)設(shè)計人員的重視。本文基于人機工程學(xué)理論，進行了手持海洋水質(zhì)分析儀的整體外觀、人機顯示界面、人機操作界面等設(shè)計，提出了符合人機工程學(xué)的手持海洋水質(zhì)分析儀設(shè)計方案，減輕了作業(yè)者的操作疲勞，提高了舒適性。