（机械设计及理论专业论文）手柄的人的因素分析与研究.pdf

摘要 手柄是产品的重要的人机交互面，人们通过手柄来把持工具或控制产品的 操作。看似简单的手柄实际上包含了复杂的人的因素。在产品的设计中人们往 往忽略了手柄的设计，结果造成了许多赔偿性工伤和危险事故。因此，手柄的 人的因素分析与研究，对提高产品的可用性有着很重要的意义。 现代工业设计的主导思想是以人为中心，它强调“用”与“美”的高度统 ，“物”与“人”的完美结合。而手柄的人的因素的分析与研究就是坚持以人 为核心，力求从手柄的使用性研究中找出能改善手柄使用性与质量的因素。为 此，本文首先深刻剖析了手的解剖学、生物力学、人体测量学等特征。 人机界面学的研究在计算机领域悄然兴起，后来逐渐拓延到产品设计等领 域。本文从人机界面学的角度出发，利用人的行为原理深入分析了手柄界面， 并具体研究了不同手柄界面的设计。 手柄弯曲常出现在各类产品中。本文从镊子柄和锅铲柄的使用性研究中发 现：手柄弯曲是影响产品人机工程学性能的一个重要因素，它对提高产品的可 用性有着很重要的意义；手柄的弯曲还存在一个最佳角度。但是不同产品手柄 的最佳弯曲角度是不相同的，倘若要获得某产品手柄的最佳弯曲角度，还必须 进行该产品的使用性研究。 生活用品的使用人群最广泛，它常供人们生活、娱乐和休闲，因此它的手 柄更强调舒适性。本文以保温瓶手柄为例，分析和研究了它的人的因素。 为了将手柄的人的因索应用到实际当中去，本文设计了上海医疗器械厂数 字化通用x 光机的控制台手柄并提供了5 个方案。为了对这些设计方案进行 评估，本文建立了手柄的综合评价指标体系并确定了综合评价数学模型和评价 指标的权重。为了使评估能在计算机上进行，本文用m a t l a b 编写了一段程序。 最后通过在计算机上运行这段程序，给出了每个设计方案的评估结果并确定了 最优方案。 关键词：手柄人的因素可用性手柄界面评估 a n a l y s i sa n ds t u d yo f h u m a n f a c t o r so f h a n d l e a b s t r a c t h a n d l ei sa f ti m p o r t a n ti n t e r f a c eo ft h ep r o d u c t ，a n di su s e dt oh o l dt h ep r o d u c to r c o n t r o lt h eo p e r a t i o no ft h ep r o d u c tb y p e o p l e i nf a c th a n d l ew h i c h s e e m st ob ev e r y s i m p l ei n c l u d e sm a n yc o m p l i c a t e dh u m a nf a c t o r s i nt h em i d d l eo fp r o d u c td e s i g n p e o p l eo f t e ni g n o r et h e s ef a c t o r s ，w h i c hl e a d st om u c hc o m p e n s a t i o nf o ri n d u s t r i a l i n j u r i e sa n dm a n yd a n g e r o u sa c c i d e n t s s oa n a l y s i sa n ds t u d yo fh u m a nf a c t o r so f h a n d l ei sv e r yh e l p f u lt oi m p r o v et h ep r o d u c t su s a b i l i t y t h el e a d i n gi d e ao fm o d e mi n d u s t r y d e s i g n i st h a t p e o p l e s h o u l db em o s t i m p o r t a n t ，e m p h a s i z e st h eh a r m o n yr e l a t i o n so f “t h i n g s ”a n d “p e o p l e ”a n dt h e u n i f i c a t i o no f u s i n g a n d “b e a u t y ”a n a l y s i sa n ds t u d yo fh u m a n f a c t o r so fh a n d l e i n s i s t so nt h ei d e aw h i c hh u m a ni st h em o s t i m p o r t a n t ，t r i e st of i n dt h ef a c t o r sw h i c h c a ni m p r o v et h ep r o d u c t su s a b i l i t ya n d q u a l i t yb yu s i n gs t u d yo f t h eh a n d l e s ot h i s p a p e rb e g i n sw i t ht h ed e e pa n a l y s i so ft h ec h a r a c t e r so f a n a t o m y , b i o m e c h a n i c sa n d a n t h r o p o m e t r yo f h a n d t h es t u d yo f u s e ri n t e r f a c er o s eq u i e t l yi nc o m p u t e r f i e l d ，a n dl a t e ri se x t e n d e dt o p r o d u c td e s i g nf i e l dg r a d u a l l y t h i sp a p e ru s e sp e o p l e l sb e h a v i o rp r i n c i p l et od e e p l y a n a l y z eh a n d h a n d l ei n t e r f a c e ，a n dc o n c r e t e l ys t u d i e sd i f f e r e n th a n d h a n d l ei n t e r f a c e d e s i g n h a n d l e sc r o o k i n ge m e r g e sf r o ma l lk i n d so f p r o d u c t s d u r i n gt h eu s i n gs t u d yo f h a n d l eo f f o r c e p sa n dp a n c a k et u r n e rt h i sp a p e rd i s c o v e r st h a th a n d l e sc r o o k i n gi s a ni m p o r t a n tf a c t o rw h i c ha f f e c t sp r o d u c t se r g o n o m i c a lp e r f o r m a n c ea n di sh e l p f u l t o i m p r o v et h ep r o d u c t su s a b i l i t y ，a n d t h a tc r o o k e da n g l eo fh a n d l ee x i s t sa n o p t i m u mv a l u e ，b u tt h eb e s tc r o o k e da n g l eo fh a n d l eo fd i f f e r e n tp r o d u c ti sd i f f e r e n t ， i f t h eo p t i m u mv a l u ei sf o u n dt h e p r o d u c t su s i n gs t u d ys h o u l db ed o n e a r t i c l ef o rd a i l yu s ei su s e db yt h em o s t p e r s o n s ，a n do f t e nu s e df o rp e o p l e sl i f e ， a m u s e m e n ta n dr e c r e a t i o n ，s oi t sh a n d l e e m p h a s i z e sc o m f o r t a b l e n e s se v e nm o r e t h i sp a p e rt a k e st h e r m o sh a n d l ea sa n e x a m p l e ，a n a l y s e sa n ds t u d i e si t sh u m a n i i l a c t o r s i no r d e rt oa p p l yt h eh u m a nf a c t o ro ft h eh a n d l et o p r a c t i c a ld e s i g n ，t h i sp a p e r d e s i g n st h ec o n t r o lc a b i n e th a n d l eo f t h ed i g i t i z e dx r a ym a c h i n ei nc o m m o nu s eo f m e d i c a la p p a r a t u sa n di n s t r u m e n t sf a c t o r yo fs h a n g h a i ，a n dp r o v i d e s5 s c h e m e s ， a n di no r d e rt oe s t i m a t et h e s e s c h e m e s ，t h i sp a p e rs e t su pt h ec o m p r e h e n s i v e e v a l u a t i o ni n d e x s y s t e m o fh a n d l ea n dc o n f i r m st h e m a t h e m a t i c sm o d e lo t c o m p r e h e n s i v ea p p r a i s a la n dw e i g h to ft h ei n d e xa n di no r d e rt oe n a b l ee v a l u a t i o n o nt h ec o m p u t e r ，t h i sp a p e ru s e sm a t l a bt ow r i t eap r o g r a m f i n a l l yh a v i n gr u nt h i s p r o g r a mt h ee v a l u a t i o nr e s u l to fe a c hs c h e m ei sd i s p l a y e d0 i 1 c o m p u t e rs c r e e na n d t h eo p t i m u ms c h e m ei sc o n f i r m e d y a n g z h i y o n g ( m e c h a n i c a ld e s i g n ) s u p e r v i s e db yp r o f w a n gj i c h e n g k e y w o r d s ：h a n d l eh u m a nf a c t o r u s a b i l i t y h a n d h a n d l ei n t e r f a c e e v a l u a t i o n 附件一： 东华大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位论文，是本人在导师 的指导f ，独立进行研究_ 作所取得的成果。除文中已明确注明和引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰写 我对所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名 锄馏蓼 日期： 石箩年；月卜目 附件二 东华大学学位论文版权使用授权书 学忙论_ 文j 乍者完全了解学按有关保留、懂用学位论文的规定，剧意学校保留并向莺家 有关部fj 或机构送交沦文的复印俘和电子版，允许论文被直剜或借阅。本人授权东华大学 可以将本学位论文的全部或部分内容编入有芙数据库进行检索，可虬采用影印、缩e | j 或扫 描等复制手段保存和忙编本学位论文 本学位论文属t 学位论文作者签名 保密口，在年解密后适用本版权1 。 不保密匹托 咖鹂 日期：) 商e 年；月h 日破咖 v 名 车 签 刻 。 导 胡 指 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 问题的提出 1 1 1 手柄与使用者的安全和健康 手工工具是人类双手的延伸，它可以增强手臂力量、扩大作业范围、提高 作业效率和有效性。它们不仅扩充了人类有限的潜力，并且提高了人类的技能。 虽然人们无法准确地推算人类开始使用工具的时间，然而，早在百万年前的猿 人已经开始使用工具了。 但是，不正确设计的工具易于引起事故和伤害，长时间和反复使用设计有 缺陷的工具很可能造成使用者的累积性损伤或腕管综合症。据统计，在美国至 少有1 2 2 非死亡性工伤是由手工工具造成的。仅1 9 7 7 年就有5 1 0 的伤 害性赔偿是由使用手动工具造成的。而在这类伤害事件中由动力手工具造成的 仅占2 1 2 9 。这表明最危险的手工工具还是那些经常被使用的，但却被忽 略的手工工具，如刀子，扳手，锤子等。由于这些工具的设计，尤其是手柄的 设计可能是错误的，它们就很容易导致事故或造成累积损伤。由此可见，手柄 设计的好坏直接影响着使用者的安全和健康。 除了手工工具外，在几乎所有的产品中都或多或少地存在着不同形式的手 柄。这些手柄都是很重要的人机交互面，直接影响着使用者的操作行为，因此 它们设计的好坏都关系着使用者的安全和健康。 1 1 ，2 研究手柄的人的因素的市场价值 在现在的医疗行业中，尤其在外科手术方面，大多数外科手术器材都需要 外科医生用手握持操作的。如果由于器材的原因或手的疲劳引起操作失误，造 成手术失败，后果不堪设想。避免这种情况最好的办法是提高手术器材的可用 性。但是简单地给它们一个美观的造型是不够的，应该深入实际地进行它们的 使用性研究，找出改善它们使用性与质量的因素。 随着人们生活水平的提高，人们越来越倾向于产品精神功能上的愉悦，越 来越注重个性化的需求。传统的以功能为中心的观念已经与时代落伍了。在这 种形势下，企业若想把产品成功地推向市场，就不得不考虑激励附加值。当前 激励附加值的类型主要有：( 1 ) 品牌效应；( 2 ) 广告宣传；( 3 ) 工业设计。前 一 第一章绪论 两者长期以来都是企业的“宠儿”。近些年来，用工业设计的方法激励附加值已 呈上升趋势，企业的工业设计师们已经将目光移向了产品的每一个细节 。手 柄作为产品的重要人机交互面，它的美观和工艺的可行性都应符合宜人性的要 求，尤其在宜人性方面，设计师更应该在设计中融八人的因素。只有如此，开 发出来的产品才会在激烈的市场竞争中立f 不败之地。 由此可见，研究手柄的人的因素，对保护使用者的安全和健康，对提高产 品的可用性，以及对提高产品的附加值和市场竞争力都有很重要的作用。 1 1 3 手柄的人的困素分析 现实生产或生活中，手柄及其转化形式出现在各种各样的产品中。如果将 产品按使用者的性质分类，那么手柄就可分为三类：生活用品手柄、产业用品 手柄和公共事业用品手柄，如图1 1 。这三类产品手柄既有相同之处，又有相异 之处。相同之处在于：它们都作为人机交互面，供人把持产品或控制产品的操 作。不同之处在于：由于三类产品的使用对象不同，使得每类产品手柄的侧重 点不一样。生活用品的使用人群最广泛，它常供人们生活、娱乐和休闲，因此 它的手柄更强调舒适性；产业用品的使用者往往是训练有素、高技术和有管理 经验的工人，因此它的手柄更强调指示的简单性，与功熊的统一性；公共事业 用品供各种各样的人群使用，包括小孩、老年人和残疾人等，因此它的手柄设 计要遵循共用性原则。 人的因素( 包括人体工程学、工程心理学、人体行为工程学) 是由工程控 制和应用科学综合而成。它包含了心理学、生理学、生物力学和人类学等要素。 人的因素作为一项可以被用来在人的领域中创造产晶而後之为人们更好服务的 技术而被添加到产品设计中，它关注产品的使用者( 有时称为最终使用者) ，它 主要目标是确保产品易于使用、学习、生产和安全。从入的因素出发，可将产品 分为普通用户产品与产业用户产品。 一般来说，手柄的人的因素包括：手柄的长度、宽度、弯曲的角度、接触 面的纹理和数目等。如果将这些因素融入到手牺的设计或相关产品的开发中， 那么最终的手柄或产品将更能满足使用者的需要。 2 第一章绪论 r 一生活用品手柄卜 f 一1 。_ 一 一l 芏当埋塑l 图1 - i 手柄的分类 1 2 研究的意义 手柄的人的因素的分析与研究，是通过手柄的使用性研究找出能改善手柄 使用性与质量的因素。本研究的意义如_ f ： ( 1 ) 最能表现人性化设计的特点和提高产品的可用性 人性化设计强调设计是为人的设计，人是设计的出发点和归宿点。本研究 高度地站在“人”的立场上，充分挖掘手柄与人相关的每一个因索，就是想为 手柄的人性化设计提供一些好的建议和想法。因此本研究最能体现人性化设计 的特点。 本研究实际上强调耍将人的因素渗透到手柄的设计当中去，通过设计使手 掇的使用性与质量都得到改善，确保它易于使甩、学习、生产和安全。因此， 本研究对提高产品的可用性有着很重要的意义。 ( 2 ) 建立了手柄的综合评价指标体系并确定了综合评价的数学模型，实现 了手柄设计方案的定量化评估 长期以来，人们对感性化对象的评估主要靠直觉，自圆其说。其实不然， 感性化的对象同样是事物的客观规律的反映，因此借助合理的科学方法，也能 找到反映感性对象的客观规律，有可能抽象出感性对象的内在客观规律，进而 第蕈绪论 对感性对象进行定量化处理。本研究综合了手柄的人的因素，建立了手柄的综 合评价指标体系。同时本研究还从模糊数学理论的研究中确定了综合评价的数 学模型。为了使评估能在计算机上进行，本研究还编写了一段m a c l a b 程序。最 后通过存计算机上运行送段程序，蛤出，每个设计方案的评估结果并确定了最 优方案。因此，本研究实现了手柄设计方案的定量化评估。 f3 ) 丰富了人机系统研究的内容，为手柄设计提供了科学的设计准则 本研究是以现代人机工程学中的人机系统研究为前提进行的。人机系统晌 研究是围绕人，着重考虑如何使机器的特征与人的特点相匹配。而本研究是对 处于人机系统中的手柄交互进行重点研究，找出能改善手柄使用性与质量 的因素。因此本研究是对人机系统研究的进一步深化，丰富了它研究的内容。 本研究也为手柄的设计提供了相应的设计准则在设计上具有一定的型论 指导意义。 同时，本研究也对产品其它要素的a 的凼素分析与研究具有启示作用，为其 提供了基本的方法。 13 研究的历史与现状 在古代，壶罐是最常用的日常器皿。在各种壶罐中可以发现手柄的多种巧 妙的设计解决方法。不同形状和尺寸的壶罐手柄有不同的用途，适用于不同的 人体尺寸。这些手柄的处理特别显示了人类祖先对人的因素的关注。 圉j - 2 双重手柄青铜罐图13 三个手柄的罐 图l 一2 为公元前1 8 世纪时期的青铜罐t 是古代盛水的容器) 具有两个特别 的手柄。个垂直置于罐出水 j 附近的颈部，爿一个水平黄f 靠近底部的位置。 第一章绪论 上面的手柄能够很好地控制液体的流出，而下面的手柄供手抓握，以便提起水 罐。使用时，一只手( 可能是主要的一个) 用力提举水罐，同时另只手抓住 上面的把手，以控制水流出的方向。 图卜3 为公元前8 世纪的粘罐。以三个手柄为特征。两个水平、左右对 称的手柄位于缸罐身的中间位置，第三个垂直安在罐颈部。当罐中充满水时， 两个水平手柄供两手一起提举。第三个与罐颈相连的手柄则用于在罐空载时供 用户单手提拿。它也可在肩扛时方便抓握以保持稳定。这个例子显示了对同一 容器不同使用情况的关注：满载或空载；提或扛。 图卜4 是一些双耳瓶( 两个手柄的罐) ，用以存放像油、酒之类的液体双耳 瓶的特征是有两个对称位于瓶颈的垂直手柄，并都有一个窄小锥形的底部。它 们置于下部，犹如第三个手柄，用于倾倒液体。这个位置的把手有两个作用。 首先，考虑到双耳瓶的高度超过5 0 c m ，并且直立放置，置于下部的把手可在背 部最小弯曲情况下提举瓶子。另一个作用是节约储存空间，使瓶子在有限的空 间里安全存放，并允许直立放置于特殊地面或沙地。 图l 一4 双耳瓶 在现代人机工程学的理论和应用研究方面，我国比国外起步得晚。2 0 世纪 末国内部分人机工程学专家系统地提出了人机工程学的框架体系、研究内容与 方法。但对于手柄的研究，他们并没有进行深入的分析和研究。在已有的文献 中，他们只是提供了与手有关的静态和动态人体测量学尺寸、手的生物力学参 数，以及介绍了一些常用操作件的类型。 通用化、标准化是现代机械生产的基础，手柄的设计也纳入了标准化的轨 第一章绪论 道。在1 9 7 4 年1 月，由上海市第一机电丁= 业局提出，由上海机床附件六厂和上 海机床厂起草，最后由中华人民共和国第一机械工业部发布实施r 手柄 j b l 3 3 2 - 1 3 6 3 。此标准对机械行业使用的各种手柄进行了详尽的说明，包括尺寸、 材料和工艺等。 通过翻阅大量的人机工程学文献发现：香港和台湾地区对手柄的研究比较 普遍，研究的内容涉及到工业生产和社会生活等领域。在台湾，有人对家庭主 妇用的锅铲柄进行了人机工程学实验研究，如图1 5 所示。他们主要研究锅铲柄 的长度和弯曲角度对人操作( 如炒菜、翻转食物等) 的影响。在香港大学制造 工程管理系，w i n s o nw s l o ( a ) 等人研究了在抓握和捏握时交互因素对施力、 肌肉收缩速度和忍耐力的影响。 图l - 5 锅铲柄长度和弯曲角度的研究 在国外，人们对手柄的研究非常深入。1 9 9 0 年s t o r t i 提到，手腕向前弯曲 9 0 0 ( 即剧烈的手掌弯曲运动) 会严重压迫手腕内部的正中神经。于是，大家都 建议：当转动前臂和手的时候，应尽量让手腕保持直线状态( 郎中性位置) 。1 9 9 0 年为预防和减轻腕管综合症等手部积累性损伤，k o n za n dm i t a 提出了一些手工 工具设计的指导性原则。四个大的分类可概括如下： - 频率：减少手腕的特定作业姿势循环的次数； 关节的角度：尽量使手腕处于中性位置； 一力：减少施力的数量和持续的时间； - 与工效学无关：医学治疗。 2 0 0 0 年k o n za n dj o h n s o n 提出了“以工具的弯曲代替手腕的弯曲”的人机 工程学原理a 后来许多手工工具的设计都应用了这一原理。实践证明：应用这 。6 第一章绪论 一原理设计的手工工具不仅提高了作业的效率，还有效地减轻了腕管综合症等 手部积累一性损伤。 在国际劳工组织的网页上“h a n d l e ”一词的说法较多 h a n d l i n g ”和“h a n d l et o o l s ”两种说法。“m a n u a lh a n d l i n g ”可译为 主要有“m a n u a l 用手把持，常见 的行为如图卜6 所示，包括提、移动、推、拉、举重物等。这些物体有的有手 柄，有的虽然没有手柄，但是可以把它们与手接触的那部分理解成“手柄”，只 不过这些“手柄”与物体融为了一体。据u kh s e ( h e a l t h & s a f e t ye x e c u t i v e ) 报道，平均每年超过2 5 的伤害是由用手把持造成的，而且很大一部分人都是 背部受伤。“h a n d l et o o l s ”可译为需要用手把持的工具。为了让人们正确认识这 类工具，网页中对手的解剖学、手的人体测量学、手的握持方式，以及设计上 的常见错误进行了详细的说明。 4 本文 在人 图卜6 “m a n u a lh a n d l i n g ”的常见行为示意图 研究的内容及目标 类只使用手工工具进行生产的年代，工具是由人把握手柄产生动作 人想要停止工作即能立刻停止。例如，人想使锤子停止工作只须松 开手即成。然而，自产业革 不问的巨大力量。持有小能 等操作件控制机器的运转。 后来在一些复杂的装置中， 人类使用手柄的两类工作性 命后出现的机械能的利用，产生了与人的力量迥然 量的人为了控制具有巨大能量的机械就使用手柄 这样，人、机之间就可以按各自的能力承担工作。 手柄就逐渐演变为按钮或控制面板。图卜7 描述了 质。无论是人使用手柄控制手工工具的操作，还是 7 。 第一章绪论 使用它控制机器的运转，本文研究的目标是要通过手柄的使用性研究，找出能 改善手柄使用性与质量的因素，并通过具体案例验证这些因素。本文具体的研 究内容如下： l 、对手的解剖学和生物力学特征的分析和研究，找到作业中引起手和手腕 损伤的常见行为、手套的效用以及减少手的生物力学压力的手柄的特点。 2 、对手的人体测量学特征的分析和研究，找到些手柄的设计、手套的设 计或相关产品的丌发所需要的人体测量学数据。 3 、从人机界面学的角度出发，利用人的行为原理对手柄界面进行了深入 分析，并研究了不同手柄界面的设计。 4 、为了说明手柄弯曲的人机工程学意义，进行了实验1 ：直柄和弯柄镊子 的人机工程学性能评估。同时为了说明手柄的弯曲存在最佳角度，本章进行了 实验2 ：确定锅铲手柄的最佳弯曲角度。 5 、以保温瓶手柄为例，对生活用品手柄的人的因素进行了分析和研究。 6 、为了将手柄的人的因素应用到实际当中去，本文设计了上海医疗器械厂 数字化通用x 光机的控制台手柄并提供了5 个设计方案。为了对这些设计方 案进行评估，本文建立了手柄的综合评价指标体系并确定了综合评价数学模型 和评价指标的权重。为了使评估能在计算机上进行，本文用m a t l a b 编写了一段 程序。最后通过在计算机上运行这段程序，给出了每个设计方案的评估结果并 确定了最优方案。 图卜7 人类使用手柄的两类工作性质 第二章手的解副学、生物力学和人体测量学特征 第二章手的解剖学、生物力学和人体测量学特征 2 1 手的解剖学特征 如图2 - i ，每只手和手腕有2 7 块骨头。骨头与骨头之间靠韧带连接：肌肉 与骨头之间靠腱连接。当它们收缩的时候，韧带和腱会保持原来的长度不变， 而肌肉会缩短。因此，当肌肉收缩的时候，它就会拉动着腱，腱运动后就会带 动着与之相连的骨头运动。 图2 一 手和手腕 控制手运动的大部分肌肉在前臂上。当前臂上的肌肉收缩时，腱就会通过 手腕带动着手上的骨头运动。而血管和神经穿过手腕内部的狭窄的腕骨通道。 手掌上的部分腱被它外面的护皮封套了起来。护皮是很光滑的包皮，它能保护 和润滑腱，并且还允许腱向前和向后滑动。手上的腱、护皮和手腕内的心皮通 道的分布如图2 2 所示。 手工工具类产品的操作经常需要使用者紧握手柄并转动手使手腕处于弯曲 状态( 类似的手和手腕的动作在拧湿衣服时也经常用到) 。这一点我们也可以从 螺丝起子的操作中看得很清楚。当手和手腕的这种动作重复出现或手和手腕承 受了很大的作用力时，腱、神经和血管将会在手腕处被挤压。这些过量的运动 可能会引起腱或护皮红肿，造成疼痛或肿胀。 攒壕矶 圈2 - 2 手上腱、护皮和腕骨通道的分布 手掌上分布着一个神经和血管网络， 9 小丑蓐雎 图2 3 手掌上肌肉的分布 不宜承受过大的压力。施加的压力过 第二章手的解剖学、生物力学利人体测量学特征 大会对这些“软组织”造成伤害，容易引起擦伤、麻木或手指的轻微刺痛。手 掌上肌肉最丰富的部位是手上的指球肌，大鱼际肌和小鱼际肌，而最少的部位 是掌心肌肉，布满神经末梢的部位是指骨间肌，如图2 3 。因此在设计手柄的 外形时，应使手柄被握住部位与掌心和指骨间肌之间留有空隙，从而改善掌一心 和指骨间肌集中受力状态，保证手掌血液循环良好，神经不受过强压迫。另外， 手柄的外形设计应使操纵者握住手柄时掌心处略育空隙，以减少压力和摩擦力 的作用，如果掌心长期受压会引起疲劳和操作不准，甚至引起难以治愈的痉挛。 如图2 - 4 中( a ) 、( b ) 、( c ) 三种形式较好，它们均可减少受压，并充分利用手 掌四周的肌肉施力，以保证操作的准确性。( d ) 、( e ) 、( f ) 则不符合人机学观 点，手柄与掌心贴合面大，只适合作为瞬间和受力不大的操纵手柄。 臼q 图2 - 5 易于把握的包装瓶形 1 0 第二章手的解剖学、生物力学和人体测量学特征 固圜 图2 - 6 化妆品包装瓶的宜人设计 2 、2 手的生物力学特征 手的生物力学是运用如杠杆等工具的力学和机械原理，分析手的结构和运 动。手是一个极其复杂的器官，它既能做出精确的操作，又能使出很大的力( 当 然脚和腿能比手施出更大的作用力) 。然而，手又是由一些易受伤害的解剖学结 构组成。如果产品设计得不合理，让手负担过重或受到挤压，必会损伤手部结 构。因此，为避免手部损伤，我们很有必要了解一下手的生物力学特征。 22 1 手腕的运动形式及损伤行为 手腕可以向后伸展或向前弯曲、绕桡骨或尺骨偏离以及向内或外旋转( 如 图2 7 ) 。其中，绕桡骨或尺骨偏离最容易造成操作不舒服和手受伤，同时它也 决定了抓握手柄所需力的大小。如果手和手腕同时有下列三类行为出现：承受 过大的作用力、重复性地做某个动作、不舒服的或极端的关节姿势，那么手和 手臂损害的几率就会急剧增加。因此，手在握持中，应该尽可能让手腕保持伸 直状态，即让手保持在它弯曲范围的中间位置，以确保所施加在手上的任何力 在传递到手臀时不会产生绕手腕转动的较犬力矩。 图2 7 手腕的几种运动方式 一般来说，有两类行为会引起手和手腕不舒服： 1 、肌肉的重复性使用。这类行为容易引起腱的疼痛。 2 、过量的弯曲。这类行为容易造成不舒适，并使运动受到局限。 第二章手的解剖学、生物力学和人体测量学特征 图2 8 描述了使用者在操作油漆刮刀、剪刀和螺丝起子等工具时手和手腕 不舒服的两类行为特征。 图2 8 两类行为引起手和手腕不舒服 2 2 2 手的握持姿势和力量 手的握持姿势通常分为完全握持和不完全握持。如果手完全抓住物体( 或 至少部分完全抓住) ，手的握持姿势就被认为是完全握持。以此推之，其它的握 持( 如那些用手来推或抬) 都被认为是不完全握持。 手的力量控制是一个比较复杂的问题。拇指最强壮而小指最弱。整个手抓 的力量比较大。手与物的不同连结形成准确性、力量、动作幅度效果各异的不 同握持方式，见图2 - g 。 图2 - 9 表达了手与手柄的连结关系和握持方式。 最普遍的握持姿势是连结4 ( 顶捏) 、连结5 ( 捏握) 、连结6 ( 侧握) 和连 结1 0 ( 力量握持) 。顶捏是一种不完全握持，它只是使用拇指的指尖和另手 指的指尖。这种握持方式常用来拾捡或操作小物体，用这种握持方式要给物体 施加力矩有难度。捏握也是用拇指和另外一个手指把握物体。然而抓住物体是 靠手指和拇指的夹紧作用。用捏握这种方式可以给物体施加小的力矩。侧握是 一种过渡握持方式，其操作需要中间力量和适中的位置精确性。力量握持是一 种完全握持，这种握持方式需要手腕和上臂使出全部的力。 一些手动工具，例如外科工具，配镜师使用的螺丝刀，以及写作器具，需 要非常精确的处理和设计。通常，握住这些工具的姿势称为“精密握持“。其 他工具是由手指，拇指和手掌共同紧握的。这样握持的手动工具可以使出较大 的力气和转矩，因此普遍被称为“力量握持”。现在更有多种变化，从用一个手 指碰触一个物体( 例如控制一个按钮) 到像把手一样拉拔一个钩子；从指尖之 间握住小物体到将大的力量从手传到手枘。 第二章手的解剖学、生物力学和人体测量学特征 联结l 联结2 联结3 联结4 联结5 联结6 触一卟貅二! 一个手指碰触一卟钫瘁 于8 堂照! 手指阚的j i 矗握( 钩紧) 一个或几个手指夹住柄。这个 类型的手指动作被用在不需要 拇指施反向力的地方 翅塑：塑塞坚堡l 塑堡! j 拇指指尖与另个指尖相对 塑堑塑里堕塑楚堡! ! ! 堡墨坚塑! ! 拇指和个手指指睦( 兢几个手指的指腹) 相对。这个类型窘易从联结4 进展来 塑堂：鱼塑塑墼堡婴翅坚堡i 赡堡! ：。； 拇指与食指的诩缘相对 联结7 拇指一二个手指的紧握( 写作紧握) 拇指和二根手指( 日重常食指和中指) 相对或彼此在指尖靠拢 。 拇指一指尖靠拢( 圆彤紧握) ： 一“。拇指指腹和三或四个手指的指匿 ( 抓住物体而不接触手掌) 相对，这 个类型容易从联结7 发展而来) 联结9 手指一手掌靠拢( 抓握) 丈部分或所有田手的内表面与物体接触。 这种类型容易从联结8 进展而来 联结l o 塑妻麴堡! 整个手掌内裹面抓住手辆，这类手柄通 常在手的一或两僦上有凸出。这种类型 容易从联结9 进展而来 图2 9 手与手柄的连结 握持的力量随着握持手的指距而变化。例如，当握持指距小于2 5 c m 或大 于7 5 c m 时捏握的力量明显减少。 最大的捏握力量相当于一个人最大强力握力量的2 5 。健康成年人的强力 握力量在女性第5 个百分位的1 9 2 牛顿与男性第9 5 个百分位人群的7 2 9 牛顿之 间变化。 图2 一1 0 显示了力量握持时旌加给手柄的各种力和力矩。为将损伤的危险性 降到最低，就应避免任一方向上同时出现较大的手腕转动力与最大的把握力量。 这就要求产品手柄的物理形状( 包括手柄和手柄的方位，合适程度) 应该引导 金a鸳通 第二章手的解剖学、生物力学和人体测量学特征 用户正确地握持。 m 图2 1 0 力量握时施加给手柄的各种力和力矩 对于接触类型的连结( 图2 - 9 中的连结1 连结6 ) 必须注意细节设计，手 和手柄的接触面要合适。当然，在按钮表面可形成较小的凹坑以避免指尖的滑 移；解剖刀柄的中f 司可形成缺口，以便指尖更灵活地操作；牙医工具的柄部制 成粗糙的表面，防止使用时打滑。因此注重细节在设计手动工具中担任着重要 的角色，尤其在一些小工具的设计中，只有重视了细节设计才能更好地控制工 具，更准确地移动它，并产生所需的力或转力矩。 对于肆j 力类型连结( 见图2 - 9 的连结8 、9 、1 0 ) ，由于涉及手和工具之间 大的力量传递，要重视“安全手动工具的使用”的规定。设计的目的要考虑安 全地支撑手柄( 避免引起肌肉疲劳和压力点) 。 此外，识别对于作业对象的作用力和手与手柄间的作用力关系也十分重要。 在许多情况下，直接作用于外部物体的力在类型、数量及时问上是不同的。同 样，手与手柄的作用力也因具体情况而有变化。举例来说，比较榔头传递给物 体的冲击力与手和榔头手柄间传递的力量，或者比较螺丝刀拧螺丝的转力矩和 手产生的力和反力矩。因此必须同时考虑工具和物件两者的接触面，以及二 具 和手之间的接触面。 前臂能产生较大的力矩，大的力量和转力矩矢量尽量和肘部垂直。假如身 体能够被坚固的结构支撑，朝着或远离肩部的最大拉推动力能够通过伸展的手 臂发挥出来。 被用来控制或操作产品的握持力依赖于下列因素：把握的实际意图、力量 和用户手的尺寸。其中身体比例可能是最重要的因素。例如，对儿童来说，为 了拾起个小物体可能需要强力握，而对于成年人完成此动作仅需拇指和食指 1 4 第二章手的解剖学、生物力学和人体测量学特征 就可以了。 不论男女，百分之九 以上，是惯削右手握持工具作业的，因而大部分 具被设计得只适合右手使用。但也有约百分之十的人惯用左手，并且他们的左 手还有较好的技术和较大的力。因此，有必要提出，产品的设计要明确为使用 左手者没计，还是为使用右手者设计，或设计成左右手都能使用。 2 2 3 减少手的生物力学压力 为了安全和避免损伤，产品的使用应确保使用力施加在手的不易受伤害的 部位上。这些部位包括像指关节、拇指下以及第5 个手指以下厚实肌肉的柔软 区域。但如果将力施加在掌心这样的区域上，势必会压迫那些控制手指运动的 韧带和腱，手就容易受到伤害。 图2 一l l ，2 1 2 ，2 一l3 和2 一1 4 都是力求减少用户手上产生的生物力学压力 的设计实例。 图2 ll ( a ) 的外科手术镊子采用侧握方式。手术镊细而窄的柄不易捏稳， 而且，操作时由于主要靠拇指和食指用力，这种握持方式使外科医生的拇指和 手指容易疲劳。手柄改良后如右图( b ) ，就能稳当地捏在手中，并由于操作时 其余各指也能协调用力而大大减轻了拇指和食指的负担。稳定性和手腕角度都 得到了改善。 飞奄 ( a ) ( b ) 图2 1l外科手术镊子的原始设计( a )新的设计( b ) 图2 一1 2 所示的铲刀有一个y 形手柄，它使压力施加在拇指的底部而远离手 掌部位。但这种工具的传统设计是将直手柄与刀身直接连接起来。用户会以力 量握持方式握持手柄，以手指一手掌握住工具。这种握持方式造成手柄粗大的 一端直抵手掌的中心位置。工具的每次前推都会挤压手上最脆弱的掌心部位。 相比之下，改良的y 形手柄能引导工具将力施加在手上不易受损的部位。 第二章手的解剖学、生物力学和人体测晕学特征 图2 一i 2 为防止手掌损伤而设计成 手柄的铲刀 一豁一 图2 1 3 为防止手腕损伤而设y 形 计成弯曲手柄的虎钳 卷 ( a ) 好的设计 齄 ( b ) 坏的设计 图2 一1 4 两种形状的电动切割刀手柄 图2 一1 3 和图2 - t 4 表示了能够减少手腕压力的另两款产品的设计。图2 一】3 是一把有弯曲手柄的虎钳。这种设计允许在胳膊伸展使用虎钳的时候手腕能够 保持伸直状态。在不必弯曲腕关节的情况下同样能使出最大的握力。图2 一1 4 显 示了一件厨房电动切割刀手柄的两种不同设计。下图的手柄设计不合理，因为 这时要想握紧手柄，手腕就得弯曲。当手腕处于这样的姿势还要将力施加给手 柄只会增加手腕损伤的几率。而( a ) 图的设计使手柄朝着用户一侧向下倾斜， 就能避免手腕的损伤。这时，手手腕的结合主要用来将上臂的力传递到刀具上， 而不会产生多余的力。 2 2 4 手套的效用 在手的强作业中，使用者如果戴上手套，一方面可以增加手与柄的接触面 大小，另一方面手套的弹性变形可以吸收手承受的一部分压力，因而能有效地 减少手的生物力学压力。 图2 1 5 描述了手承受压力的区域。表2 - 1 描述了人在五种不同作业情况下 手承受压力的主要区域和每个手指的平均受力值【3 6 】。这些分析和数据对手套的 设计具有启示作用，它明确了手套的厚度应该分区域对待，对承受压力过大的 1 6 蔓三童王堕坚型堂：圭塑塑：! | ! ! 塑垒堡型量兰塑型 区域应该增加材料的厚度。 项研究表明1 6 j ：在力量握持中，食指和大拇指之 间的区域受到的压力是最大的，并且这部分压力随着施力和手柄尺寸大小的埔 加而增加。因此手套这部分区域材料的厚度也应该厚实点。 表2 1 五种不同作业情况下手承受压力的区域和每个手指的平均受力值 手部承受压力的每个手指的平均受力值( n ) 【人的作业 主要区域( 图1 3测量 行为1 8 - 2 9 岁3 0 3 9 岁4 0 岁以上 中、 标准 5 7 5 76 3 7 66 4 2 8 推 如g ， 偏差 2 3 7 72 3 8 73 0 7 3 d ld 2 | d 3e i e ：e e 标准 3 5 9 9 l4 4 9 4 53 2 8 6 4 扳 eg ，g ：岛 h ，bc 偏差1 1 4 5 5 1 _ 0 4 ，5 3 1 0 9 5 3 h l 2g l 标准5 1 9 55 9 3 25 6 0 1 旋 g ： 偏差1 7 7 61 4 8 52 4 4 8 标准7 8 9 38 5 4 98 26 9 捏 g 2日2 偏差2 8 9 62 7 0 62 7 4 0 敲 j l j 1 3 3手指不受力 图2 - 1 5 手承受压力区域划分 手套的材料能影响力量的发挥，通过实验可以获得手套影响手的灵活性的 1 7 第二章手的解剖学、生物力学和人体测量学特征 数据。比较四种不同材料类型的手套：氯丁( 二烯) 橡胶，厚绒布，皮革和聚氯 乙烯。测试者戴着手套完成几项既有简单的任务( 如往钥匙圈上套钥匙) ，又有 较复杂的任务( 如操作一支钎焊枪) 。后束发现：除了氯t ( 2 烯) 橡胶外，其它 类型的手套均降低了手的灵活性。但氯- j ( - 2 烯) 橡胶手套的保暖性很差。在低 温状况下，不能用氯丁( = 烯1 橡胶手套来御寒。 一般地，戴上手套后手的最大握力将下降约2 0 。最近的研究还显示：握 力下降的具体数值大小还与手套的材料有关。例如，石棉手套下降3 8 ，橡胶 手套下降1 9 和棉纱手套下降2 6 。 然而，在一些具体事例中手套实际上可以提高使用性能。例如，测试者戴 上手套后能给光滑的手柄施加很大的力。 2 ，3 手的人体测量学特征 人体测量学是人类科学的一个分支，它主要研究人的身体的静态测量尺寸 和动态测量尺寸，其目的是为设计师在确定产品与人相关的空间尺寸( 例如维修 进口的尺寸、门钓高度和座位的宽度) 、视觉显示装置的最佳位置和工作面的高 度等时提供相应的参考数据，使所开发出的产品尽可能地适合大多数人群使用。 而当涉及到用户无法在固定位置使用的产品时，设计师可以参考相应的动态人 体测量尺寸( 如作业的极限范围) 。 与手掌相关的尺寸有：手幅宽、手掌厚、手掌把握尺寸( 如图2 1 6 ) 。 a bc a 手幅宽b 手掌