基于人机工程学的手持设备设计与研究.pdf

独创性声明 本人所呈交的学位论文是在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知， 除特别加以标注的地方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本 文的研究工作和成果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任。 论文作者签名： 学位论文使用授权 百扣房年弓月弓p 日 本人作为学位论文作者了解并愿意遵守学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 在导师指导下创作完成的学位论文的知识产权归西安理工大学所有，本人今后在使用 或发表该论文涉及的研究内容时，会注明西安理工大学。西安理工大学拥有学位论文的 如下使用权，包括：学校可以保存学位论文；可以采用影印、缩印或其他复制手段保存 论文；可以查阅或借阅。本人授权西安理工大学对学位论文全部内容编入公开的数据库 进行检索。本学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生学 院办理。 经过学校保密办公室确定密级的涉密学位论文，按照相关保密规定执行；需要进行 技术保密的学位论文，按照西安理工大学学位论文技术保密申请表内容进行保密( 附 西安理工大学学位论文技术保密申请表) 。 保密的学位论文在解密后，适用本授权。 论文作者签名：导师签名：毋u 人年弓月；d 日 论文题目：基于人机工程学的手持设备设计与研究 学科专业：设计艺术学 研究生：白蕊 指导教师：薛艳敏副教授 摘要 舢删 y 2 3 4 7 4 19 签名： 签名： 缝 本文以单晶炉生产设备中的手操器为设计研究对象展开对同类手持设备的研究，探讨 了手持设备人机工程学的研究方法，具体分析了手持类设备在使用时的人机特点，探讨了 手持设备在入机设计中应遵循的设计原则。从产生、发展、应用及其相关的设计原理、方 法等方面，进行了系统、深入的研究与归纳。 笔者深入了解太阳能光伏发电产业链中的硅单晶生长设备现状，并多次与西安理工晶 科有限公司沟通学习，分析国内外先进手持工具设计方面的设计理论和设计实例，探讨手 持设备设计的一般原则，在充分了解相关情况的基础上，运用人机工程学的分析方法对手 持设备在手掌结构研究及尺寸分析、外观形态、人机色彩、人机界面等进行分析，注重人 机工程环境，根据产品设计、设计方法学、人机工程学等基本原理对手持设备进行外观改 良设计及创新设计，并运用逆向工程技术对手持设备提取特征数据作为设计的依据，在原 有基础上力求创新突破传统模式实现产品改良方案。通过三维快速成型的方法对创新方案 进行模具制造，用实体模型的形式对使用者进行设计反馈调查，以此完善设计方案。文章 经过系统深入的研究总结，对手持设备设计的现状、基本理论、研究方法、设计实践与评 价进行了深入研究。本着“以人为本”的思想，展望手持设备设计的发展趋势，提倡工程 作业的安全性与舒适度，为该领域的产品创新设计，提供了坚实的理论基础和丰富、可行 的创作手段并提出了探索性的思路。 关键词：手持设备、人机、用户、视觉、触觉、界面设计 西安理工大学硕士学位论文 t i t l e ：d e s i g na n dr e s e a r c ho fh a n d - h e l dd e v i c e sb a s e do nt h e m a n m a c h i n ee n g i n e e r i n g m a j o r - t h ed e s i g n a r t n a m e ：b a ir u i s u p e r v i s o r a s s o c i a t ep r o f e s s o nx u e - y a n m i n a b s t r a c t s i g n a t u r e ：匕赴2 s i g n a t u r e ：醺艺盔帕 b a s e do nt h es i n g l ec r y s t a lf i h - n a c ep r o d u c t i o ne q m p m e mi nt h eh a n df o rd e s i g nr e s e a r c h o b j e c to nt h es t u d yo fs i m i l a rh a n d h e l dd e v i c e s ，t h eh a n d h e l dd e v i c ei sd i s c u s s e de r g o n o m i c s r e s e a r c hm e t h o d s ，a n a l y z e st h eh a n d h e l dd e v i c e sw h e nu s et h eh u m a n - m a c h i n ec h a r a c t e r i s t i c s ， d i s c u s s e st h eh a n d h e l dd e v i c e si nm a l l - m a c h i n ed e s i g ns h o u l df o l l o wt h ep r i n c i p l e so fd e s i g n f r o mt h ef o r m a t i o n , d e v e l o p m e n t ，a p p l i c a t i o na n di t sa s s o c i a t e dd e s i g np r i n c i p l e s ，m e t h o d s ，e t c ， h a sc a r r i e do nt h es y s t e m ，i n - d e p t hr e s e a r c ha n ds u m m a r i z e d id e e p l yu n d e r s t a n dt h en u m b e ro fs o l a rp h o t o v o l t a i ci n d u s t r yc h a i ng r o w t he q u i p m e n t s t a t u s , a n dr e p e a t e d l yw i t ht h ex i a ni n s t i t u t eo ft e c h n o l o g y , j i n k oc o ，l t d ，c o m m u n i c a t i o n s t u d y , a n a l y s i so fd o m e s t i ca n df o r e i g na d v a n c e dh a n d h e l dt o o ld e s i g na s p e c t so ft h ed e s i g n t h e o r ya n dd e s i g ne x a m p l e ，d i s c u s st h eh a n d h e l dd e v i c ed e s i g n , t h eg e n e r a lp r i n c i p l e ，o nt h e b a s i so ff u l l yu n d e r s t a n dt h er e l e v a n ts i t u a t i o n , u s e st h em e t h o do fe r g o n o m i c sa n a l y s i s r e s e a r c ho nh a n d - h e l dd e v i c e si nt h ep a l m ss t r u c t u r ea n ds i z e a n a l y s i s ，m o r p h o l o g y , m a n - m a c h i n ec o l o ra p p e a r a n c e ，m a n - m a c h i n ei n t e r f a c ea n ds oo nw e r ea n a l y z e d ，a n dp a y a t t e n t i o nt ot h em a l l - m a c h i n ee n g i n e e r i n ge n v i r o n m e n t ，a c c o r d i n gt ot h ep r o d u c td e s i g n , d e s i g n m e t h o d o l o g y , t h eb a s i cp r i n c i p l eo fh a n d h e l dd e v i c e ss u c ha se r g o n o m i c so na p p e a r a n c e i m p r o v e m e n td e s i g na n di n n o v a t n ed e s i g n ，a n du s i n gt h er e v e r s ee n g i n e e r i n gt e c h n o l o g yt ot h e h a u d h e l dd e v i c ec h a r a c t e r i s t i c se x t r a c t e dd a t aa sab a s i sf o rt h ed e s i g n , o nt h eb a s i so fo r i g i n a l i n n o v a t i o nb r e a k t h r o u g ht r a d i t i o n a lm o d e lt or e a l i z ep r o d u c ti m p r o v e m e n tp l a n b yt h em e t h o d o f3dr a p i dp r o t o t y p i n gt om o l l l dm a n u f a c t u r i n go fi n n o v a t i v es o l u t i o n s ，i nt h ef o r mo fa p h y s i c a lm o d e lt od e s i g nt h ef e e d b a c kt ot h eu s e rs u r v e y , t oi m p r o v et h ed e s i g n a r t i c l et h r o u g h s y s t e mi n - d e p t hr e s e a r c h ，w i t ht h es t a t eo ft h eh a n d h e l dd e v i c ed e s i g n , b a s i ct h e o r y , r e s e a r c h m e t h o da n dd e s i g np r a c t i c ea n de v a l u a t i o nw e r es t u d i e d b a s e do nt h e t h o u g h to f ”p e o p l e o r i e n t e d ”，t h ed e v e l o p m e n tt r e n do fh a n d s e td e s i g n ，a d v o c a t e st h ee n g i n e e r i n gw o r k s a f e t ya n dc o m f o r t ，f o rt h ep r o d u c ti n n o v a t i o ni nt h ef i e l do fd e s i g n , p r o v i d e sas o l i dt h e o r e t i c a l f o u n d a t i o na n dr i c h , t h ef e a s i b l ea p p r o a c ha n dp r o p o s e de x p l o r a t o r yt h i n k i n g i 西安理工大学项士学位论文 k e yw o r d s ：h a n d h e l dd e v i c e 、m a n - m a c h i n e ，u s e r ，v i s o n 、t o u c h ，i n t e r f a c ed e s i g n 目录 目录 1 绪论1 1 1 课题研究背景1 1 2 研究意义2 1 3 人机工程学主要研究方法3 1 4 国内外手持设备研究方法与应用4 1 5 手持设备设计中存在的问题6 1 。6 研究内容与研究思路6 1 7 本章小结8 2 手持设备人机工程学设计应用9 2 1 人机工程学在手持设备领域的研究内容9 2 2 手持类设备的人机特性9 2 3 手部解剖学特征1 0 2 4 手持工具操作方式及设计原则1 2 2 5 人体测量学在设计中的应用1 4 2 5 1 掌握使用者和操作者状况1 4 2 5 2 确定所设计产品的类型选择人体尺寸百分位数1 4 2 5 3 确定修正量1 5 2 6 手操器尺寸设计1 6 2 7 本章小结1 7 3 手持设备界面设计1 9 3 1 产品的人机界面1 9 3 2 人机界面设计原则2 0 3 3 手持设备界面存在的问题。2 1 3 4 手持操控器界面构成关系2 2 3 5 基于视觉编码的界面设计2 4 3 5 1 视觉特征2 4 3 5 2 视觉形象外形轮廓特征2 5 3 5 3 视觉显示中的布局设计2 s 3 5 4 视觉显示中的色彩设计2 7 3 5 5 视觉显示中的标志图文设计2 9 3 6 基于触觉编码的操纵装置设计3 0 西安理工大学硕士学位论文 i i 3 6 1 触觉特征3 0 3 6 2 操纵装置布局设计3 0 3 6 3 按钮的选择与设计3 2 3 7 本章小结3 6 4 设计实践。3 7 4 1 用户调查访谈分析用户需求3 7 4 2 设计方案4 0 4 2 1 方案一改良设计4 0 4 2 2 创新方案进程4 5 4 2 3 设计反馈5 3 4 3 本章小结。5 4 5 结论5 5 5 1 研究结果5 5 5 2 研究不足与展望5 5 5 3 展望一5 5 参考文献5 7 致谢5 9 附录6 1 绪论 1绪论 11课题研究背景 本文来源于西安理工晶科有限公司的重点研究项目，单晶炉系统( 图11 ) 是制备太 阳能光伏发电原料的大型牛产设备，在与之相关的产业中市场和客户对产品外观的要求也 越来越高。本论文以配备于控制柜上的手操器( 图卜2 ) 为丰对手持设备领域展开的系列 探索研究，设计对象为低批量牛产设备，需要对单一对象进行改良创新，通过快速成型技 术制作宴体模具满足单晶炉设备配套牛产的需求。 幽l u l 单品炉系统图卜2 控制柜 f i 9 1 1s i n g l ec q s t a l f u m a c es y s t 骱f i 9 1 - 2 c o n t r o tc a t , n e t 笔者前期已对该项目进行较为深入的了解，具有很好的承接性和延续性，在深入了解 太阳能光伏发电产业链中的硅单晶牛长设备现状并多次与理工晶科有限公司沟通学习，单 晶硅牛产设备是一个完整的系统运作模式，设计进程从炉体到控制柜再到手操器的设计， 手操器是单晶炉庞大系统中的一小部分也是十分重要的部分，要想做好设计还要对其系统 工作原理、作业空间环境、材料及现代机械造型风格方面进行了解和掌握，进而形成先进 台理、可靠实用手持设备设计。 手持工具的使用在很大程度上增加人类身体的力量，使劳动效能大大提高。可是在科 技迅猛发展的今天由于缺乏对人机工程学的实际性有效性应用导致人们在工作、牛活中使 用的手持工具大部分还没有达到最优的状态，其形状和尺寸也不符合人机工程学原则很 难使人有效并安全地操作，致使手持设备成为最容易产生劳动伤害的工具“1 。据统计，在 美国至少有t 22 非死亡性工伤是出手工工具造成的。手动工具仅在1 9 7 ；年就造成5 1 0 的伤害性赔偿。在此类事故伤害中由动力手工具造成的仪占2 1 2 9 。1 。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。 人机工程是研究牛活和工作环境中的人因素、以及人机一环境的协调关系，将其作 为整个系统进行研究，为避免操作者产牛各种不适应充分考虑到人机关系之间的协调”。 西安理工大学硕士学位论文 但是，人机工程学在我国的研究起步较晚，科学技术和现代经济迅速发展的今天，人们越 来越重视工作环境，为了体现人的利益需求，对产品的人机工程学研究领域也越发广泛， 但我国在人机工程学方面的研究多停留在理论方面，能将人机学原理如人体测量、人体力 学等概念运用到实际设计过程中的并不普及，但实际中人体尺寸相当重要。通过查阅文献 和用户调研得知，目前我国不同类型、不同规模的生产制造企业的产品设计中对人机学原 理应用实际现状如下： 企业类型人体尺寸在设实际状况 计中应用状况 中小型私营企业较少( 1 ) 设计中多沿用原有经验，较少考虑人机工程学，少数设计 中小型国有企业较少 师会翻阅人图尺寸手册进行查询。 中外合资、外商独 有 ( 2 ) 国内设计师在设计产品时，运用一些国外人机模块及软件， 资企业 针对我国人体尺寸数据应该具体问题具体分析。 表卜i 我国企业人机学实际应用状况 t a b l e l 1o u rc o u n t r ye n t e r p r i s ee r g o n o m i c sa c t u a la p p l i c a t i o ns t a t u s 作为设计师要重视理论结合实践的重要性，当代产品设计已由功能审美需求转向对人 性关怀的需求，产品设计在传达使用舒适、功能实用的基本要求外还要符合人的生理、心 理、审美情趣，以实现“以人为本”的设计h 1 。这种理念正是贴合新的设计思想，对此问 题的探讨研究遍布电子、软件设计、计算机、产品设计等领域隋1 。本文运用人机工程学的 分析方法结合实际生产需求对手持设备在造型、结构、效能、色彩方面进行分析，根据产 品设计、设计方法学、人机工程学等基本原则对手持设备进行外观改良设计，在现有产品 模式上突破传统模式力求创新，设计出适宜国人生产操作的手持工具，保障劳动者的舒适 便捷同时提高劳动效率。 1 2研究意义 基于理工晶科项目的生产需求，笔者深入了解太阳能光伏发电产业链中的硅单晶生长 设备现状并多次与理工晶科有限公司沟通学习，在生产实例的基础上探寻产品设计的方法 由此再反作用于生产，符合社会经济发展需要。 手持设备在工业生产领域有塔式起重机、行车、液压吊车、输送机、装载机、各种机 床设备上都有应用。工业操控器的应用节省了人力劳动，提高了工作效率，操作人员独立 判断，操作的准确性、连贯性比以往显著提高，改善了操作环境。手持设备直接受制于人 体感官，所以需要该设备传达出的信息准确无误，这样才能得到使用者的信任并提供良好 的用户反馈。人机协调问题以及适合操作者思维和行为方式且符合用户使用习惯的设计要 素显得非常重要。该手操器设计是单晶炉的附属设备，属于低批量手持设备设计，专业化 强并与生产安全紧密相关，这种低批量比大规模产品的设计面临的技术问题更多。作为手 持设备设计者必须始终牢记用户输入硬件( 如触摸屏、按钮、键盘) 、用户界面、处理元件、 1 绪论 电源系统、模制塑料零件等部件之间的相互作用。还必须考虑各元件可用性、元件成本、 尺寸、重量、用户评价等问题。手持设备这种涉及生产安全产品的更要注重对人本身的研 究，注重人体解剖学、生物力学和人机测量学的应用，用综合方法来降低人机风险因素。 作为人体双手的延伸手握式工具，其手柄尺寸、结构、形状都会影响操作者的握 持力以及操作舒适性。现今的手持设备设计处在一个“无据可依”的状态，本课题以单晶 炉系统一手操器这一具体产品造型设计特征为例，在大量的手持设备设计文献研究的基础 上，结合本课题手持设备的特点和以往设计案例的经验，对手持设备使用姿势、操作方式 等风险因素进行研究，提出基于形态原型的造型设计方法和该领域内人机使用数据的探究 和总结，并使用调查评估的形式对人机和数据研究的客观性和准确性进行设计反馈，使数 据研究和应用实际化灵活化形成设计规范和数据支持，同时具有理论价值和应用价。对提 高产品的可用性和安全性有着很重要的意义嘲。 本课题可以从三方面进行深入研究和探索，总的来说具有深度、广度、创新性。 ( 1 ) 首先从深度上：可以由人机方面展开研究然寻找理论依据、在理论指导下进行模具 设计制造、对模具进行使用者分析调研，以市场跟踪的形式反馈于设计； ( 2 ) 从广度上：以单晶炉手操器为承载拓展到手操设备及相关领域的研究，从视觉和触 觉的角度研究人机界面，探索一种基于人机和生产的设计方法； ( 3 ) 从创新性上：从一成不变的方盒形态中寻求功能与外形良好结合的新形式，使其更 适于人手操作，以人机理论为指导逆向工程为方法，优化产品，缩短开发周期，并以实物 模型对设计进行评估与反馈，提高手持设备的可靠性和安全性。 1 3 人机工程学主要研究方法 人机工程学的研究广泛采用了人体科学和生物科学等相关学科的研究方法及手段，以 研讨人、机、环境要素间的复杂关系。这些方法中包括：测量人体各部分静态和动态数据； 调查、询问或直接观察人在工作状态下的行为和反应特征；测量人在作业前后及作业过程 中存在的问题：分析差错和意外事故的原因；利用模型进行模拟实验等。对手持设备的研 究可以结合这些实验手段进行，使设计更加理性。常用的研究方法以下几种： ( 1 ) 观察法 观察法是最直接简单的方法，通过对使用对象采用多种观察方法来研究操作者的动 作行为、机器的工作状态、功能分析等。这种方法最为直观。 ( 2 ) 实测法 实测法是借助于仪器设备进行实际测量的方法。包括尺度测量、体积测量、力量测量、 动态测量、肌肉疲劳测量和其他生理变化的测量等几个方面n ”。这种方法通常需要长时 间对多人实验数据进行测量，这中方法通常在实验室中进行，这样能获得较为真实的数据， 也可以对人体的静态参数和动态参数或作业环境参数等进行测量。在设备有限的情况下想 3 西安理工大学硕士学位论文 要对手持备进行简单易用实测法，本文采用油泥、橡皮泥等工具对使用者手掌进行采样， 通过工具测量得出相关尺寸数据。 ( 3 ) 模型试验法和计算机仿真模拟 模拟法主要是对设计对象的计算机仿真模拟，如人体三维模型，机件模型等。模型工 作方法是设计师经常用到的最有效方法。设计师可通过在计算机建立模型来构思设计方 案，计算规划产品尺寸，检验形态效果，可以达到预知所设计产品的形态功能，并可以计 算机内对所做设计改造完善，有效的提高设计效率。在手持设备设计领域也经常会对承载 对象人手来进行三维模拟，通过这种三维模拟方法可以对某些操作系统进行逼真的试 验，可以得到实际应用的相关数据。 ( 4 ) 调查研究法 调查方法人机工程学中许多感觉和心理指标很难用测量的办法获得。对被访问者进行 抽样调查分析就成为很好的补充方法，调查的方法包括简答的口头访问、定时定地调查、 详细样本评估、心理生理判断等，对设计产生指导意义。调查研究的方法较为直观，由于 调查对象为一个群体调查结果存在一定的离散性，必须运用概率方法进行分析处理，将调 查结果转换成明确实际可用的数据库n 引。 ( 5 ) 分析法 分析法是建立在以上研究方法之上的，是对前面研究方法的总结分析。对手持设备设 计的分析上主要采用反馈分析法，由于外界给人的信息，首先是由感知器官传输到神经中 枢，经大脑处理后产生反应信号再传递给肢体以对机械进行操作，被操作的机械状态又将 信息反馈给操作者，从而形成一种反馈系统，通过反馈分析科研对变量进行描述和预测， 对人机系统中的接卸系统使用频率和操作动作频率进行测定分析，用以调整操作人员的工 作负荷，降低操作失误率。 1 4 国内外手持设备研究方法与应用 如今舒适安全的生活与作业环境越来越受到人们的关注，产品的人机工程学研究也越 来越多范围越来越广，对手握式工具进行人机工程学研究，从产品的设计到评价再到设计， 使产品不断改进，从而符合人机工程学要求，对提高产品的可用性和安全性有这很重要的 意义。 综上所述人机工程学研究的方法主要有：观察法、实测法、实验法、模型试验法、计 算机仿真法、调查研究分析法n 1 。通过人际工程学取得的研究结果可用于设计评价与设计 反馈，评估手持设备使用的舒适度、合理性。针对不同类别的手持设备可以采用不同的研 究方法或者并行采用多种方法进行综合研究。手握式工具的入机工程学典型研究方法主要 有如下8 1 ： ( 1 ) 实验测量法 k a r s t e nk l u t h 归1 等对锉刀的弯柄进行研究。对用户群进行抽样测试，设置了不周角度 4 的锉刀弯炳，分别为一把普通平板锉和四把改良后的弯柄平板锉。主要对其在使用状态下 的作业耩度、工作姿势、作业效率、疲劳程度进行数据测量。研究结果表明带有角度的弯 柄平板锉在使用效果上优于直柄平板锉。 ( 2 ) 计算机仿真法 阮长江等研究了利用接触面形态对与人体接触的人机工程曲面的设计。产品人机曲面 合理设计的主要方法为：( 1 ) 降低人体接触面局部压强峰值；( 2 ) 均匀分布产品表面受 力，将物体与人体接触面的压强控制在最低范围内。降低骨骼受力，增加肌肉受力“”。在 实际产品设计应用中可根据现有或计算所得的人体表面特征参数来构造贴合于人体表面 符合人机的曲面形态。 计算机仿真法就是通过三维建模的方法建立人体部位的几何模型，模仿人体生理特 征，在计算机中模拟人的操作行为来实现动作仿真。计算机仿真法可以缩短设计周期、降 低试验成本、降低使用错误。计算机仿真法在手持设备设计中主要运用于手柄持握形态的 仿真，可以尝试将建立人体手掌模型，将计算好的手柄模型导入，通过手柄表面与人手掌 表面两曲面阃配合关系来评价形态的合理性缔 据手掌结构需要注意手掌上受力点的分布 位置，为了保证手掌良好的血液循环，要使手柄把持部位与掌心部位留有空隙，减小对掌 心的压力。当然这种方法也要针对具体情况如手掌大小及表面形态差异的问题。 ( 3 ) 调查统计法 s w e i p iw u “等研究锅铲手柄在油炸、翻转和铲食物的时候对烹调的影响。实验对象 为8 名女性，选用了1 6 把角度和长短不同的铲子l 见图1 - 3 l 。通过实验对使用者进行访问调 查，将其不同的使用感受总结统计。结果证明锅铲手柄的长度和升角的大小对使用者手腕 的承受力有很大影响。 豳卜3 锅铲角度实验 f i 9 1 3s l i c e a n g l ee x p er i m e n t 1 9 9 0 年$ t o r t i 提到，手腕向前弯曲9 0 。( 即剧烈的手掌弯曲运动偿i 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。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 性原则可概括如下： ( 1 ) 频率：减少手腕的特定作业姿势循环的次数： - v i，。丫，上亨l：li商 西安理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 关节的角度：尽量使手腕处于中性位置； ( 3 ) 力：减少施力的数量和持续的时间； 诸多学者研究表明尽量避免手腕持续循环的操作次数同时减少施力的持续时间都能 有效改善手持设备的使用状况。针对本课题研究，手持设备手柄长度以及背板升角的大小 对操作的舒适性具有直接的影响，采用类比的方法，运用人机学原理计算出手柄长度，在 合理长度基础上运用调查统计的方法对不同的背板弧度进行试验，得出合理的手柄形态。 由于手部结构的复杂性和课题的特殊性，所以对该研究方法的继承要有选择性与针对性。 1 5手持设备设计中存在的问题 在手持设备设计领域，通常设计师并未有意识的利用他们所设计的手持操控设备的形 式和使用者进行沟通，使用者总是要依赖图标和说明说等形式，而不是操控器本身传达出 来的信息进行人机间的沟通。手持设备的设计如今存在：缺乏操作过程人因分析；功能形 态宜人性差；显示与控制的功能布局混乱；审美性差等几个方面的问题。手持设备设计存 在这些问题的原因主要有以下几点： 第一：在手持设备设计领域没有统一名称和设计指标，为资料数据的统计也造成一 定困难，在理论上没有相应的设计原则指导。 第二：设计师自身的不足。一直以来，从事手持设备设计的居多是机械设计师。他们 多注重功能性，缺乏产品人机因素的专业知识，在设计外观造型、处理和布置界面按钮、 开关、显示器布时，忽视对操作过程的分析。 第三：现有的许多手持设备设计是人被动的适应这种使用方式。而真正合理的设计是 应该“以人为中心”，使产品适应人的需求，需求最佳满意度，达到产品最大的实用效能。 本文研究的手持设备是人与单晶炉机体间信息交互的重要接v i ，因此具有逻辑性、协 调性的界面布局和合理的持握形态能有效提高人机效率。 1 6 研究内容与研究思路 现代产品设计不仅要解决具体产品的形态和功能，而在于以系统观、全局观出发去综 合的考虑人、物、环境的相互关系及其发展趋向，更好的解决人类深层次的需求问题，包 括个人价值实现、情感需求、心理诉求等等，为人创造自然、合理、健康的生存方式和生 存环境n 副。这些对人与产品、环境以及人与人之间的关系提出了新的课题，也是本文要研 究的重点。 本文旨在以人机工程学为理论基础，从人体手掌研究分析入手，以此作为手持设备的 设计研究的理论与实践研究的切入点，希望能够促进国内相关理论与应用研究。本文研究 内容主要是从手持设备的人机性能和设计方法入手，系统地研人机工程学以及逆向工程快 速成型技术在手持设备设计中的应用，从其使用环境、人机、功能和形态和理性等方面深 入研究设备设计的合理性、清晰性，以及使用过程中的舒适性和便捷性；从人的角度出发， 从心理和生理两个方面观察和研究形态设计在手持设备中的客观性和科学性，具有理论和 6 l 。绪论 实际应用的价值；在理论上，将人机工程学、美学和心理学机械工程等各学科知识融合起 来为设计所用的方法得到进一步的深入和完善，尤其是实验样本模型和心理实验( 设计反 馈) 的应用为传统的设计方法提供更系统的理论基础；在应用上，为设备仪器的设计提供 通用性的设计原则，对设备仪器的设计和生产都有一定的导向和借鉴作用，通过改善不合 理外观设计对使用者的安全和健康有直接的影响。本研究采用p r o e 和r h i n o 建立手持设 备的三维模型，与客户进行沟通，继续修改和重新设计产品造型及界面，实现手持设备仿 真模型的主观评价。通过在评价中获取用户人机工程学评价标准、评价指标，对所构建的 模型进行实时、动态修改设计，为手持设备的设计过程提供可行的解决方案。研究主要从 以下几个方面展开： ( 1 ) 通过实地走访、与用户沟通、和工程结构设计师合作、市场调研资料以及各部门 人员的交流获得有关手操器及相关设备的一手资料，明确研究方向，从人机工程学的角度 探究设计方法和实际原则，实现对现有设备的改良设计。 ( 2 ) 通过对市场的观察和对文献的查阅，总结出在手操设备这一领域的相关研究较少 存在诸多问题，在人机学上只有一些可查证的基本人机数据并没有具体面对生产应用的方 法，缺少一套规范化数据。本研究对手操设备的人机特点、使用环境、操作性能、设计要 素以及用户认知和市场反馈等方面进行分析，为研究提出概念模型并且提供设计导向。 ( 3 ) 研究不同手柄界面的设计以及对手的解剖学、手掌人机尺寸进行分析和研究，分 析作业过程中造成手掌压力影响施力甚至造成局部损伤的原因，纠正以往产品中不合理的 产品规模，验证得出手持设备需要的手掌尺寸数据。 ( 4 ) 学习逆向工程和快速成型技术在设计实验中的应用。探索逆向工程和创新设计之 间的互动关系。 ( 5 ) 完成设计及数据试验后对使用者进行意见反馈( 市场调查) 调查，将手柄的人的 因素用到实际当中，为单晶炉生产设备的手操器提供多种方案，并对设计方法的实用性进 行评估。对使用者进行研究的目的是为新产品研发提供设计依据和方向；二是发现消费者 使用者的信心反馈以帮助现有产品设计改良，为新产品的研发提供依据。 手操设备设计的研究涉及手掌解剖学、人体测量学、色彩设计、认知心理学、用户出 错的类型和原因的研究等。本研究共包括5 部分，其研究框架和研究思路如图1 3 。 7 西安理工大学硕士学住论文 图1 - 4 研究思路 f i g u r e l 4r e s e a r c ha p p r o a c h 1 7 本章小结 本章主要介绍了手持设备的研究背景、研究意义、研究内容与思路。并提出了现有手 持设备设计中存在的问题，进而在后面的研究中逐步解决。 2 。手持设备人机工程学设计应用 2 手持设备人机工程学设计应用 2 1人机工程学在手持设备领域的研究内容 人机工程学的发展经历了经验人机工程学、科学人机工程学和现代入机工程学三个阶 段。现代人机工程学将人一机一环境系统作为统一整体作为研究方向，用科学的方式创造适 应人操作的生产工具和作业环境，人机工程学首先要解决的问题是要使机器是适应于人的 需求，减轻操作人员的工作负荷又避免出错从而获得系统的最高综合效能n “。设计的诸多 问题已经由产品基本形态领域转到人的感官、心理及作业姿势等研究范畴，然后在深入到 人机系统控制应用层面，以至于追求人与环境、人与生态、人与机器等方面的研究”引。 面对手持设备这一复杂壳体，需要从人体解剖学、人体测量、作业环境、强度分析、 疲劳测试等方面分析，根据手持类设备的人机特性和设计要求确保人机环境系统通体性 能的最优化设计。结合入机工程学理论可以从以下两个方面入手： ( 1 ) 人体特性的研究 在工业设计中产品与人的关系是设计中研究的主要对象，要做到为人的设计必须提倡 以人为本，所以人体形态特征参数、人的感知特性、入的反应特征以及入在劳动中的心理 特征等成为研究的要素，诸如手持设备类产品的实用环境多为重型加工作业环境，这种特 征决定了其工作人员也就是产品使用者的特征有别于其他产品，比如要着重考虑男性使用 者的人体特征参数作为设计的主要依据，从这一实用群体中去寻求问题解决的突破口，这 样研究懂目的是解决机械设备、工具、作业场所以及各种用具和用品的设计如何与人的生 理、心理特点相适应，从而使得为这种在重型加工作业环境中的使用者创造更加安全、舒 适、健康、高效的工作条件。 ( 2 ) 人机系统的总体设计 总体设计决定着人机系统工作效能发挥的大小，也就是在整体上使“机”与人体相适 应。本文对手持设备在人与机器之间信息交流的形式分为控制器接受人发出的信息和显示 器向人发出的信息。系统基本设计问题是人与机器之间的分工以及人与机器之间如何有效 的交流等问题。人机界面在入机系统中占有极其重要的位置，人与机器的交流中友好的交 互方式就显得尤为重要h 羽，在此将手持设备的人机界面设计作为本文的重点来解决，分 别从它的视觉和触觉通道进行分析。 2 2手持类设备的人机特性 人类双手有精确敏锐的感觉能做复杂而灵巧的捏、握、抓、夹、提等动作，手可以说 是支撑人类活动的主要部位，手可以了解、认知周围的环境并改造环境，手与手工工具之 间的交互，积累人关于事物的知知，并将这种认知反作用于工具。这种最用力和反作用力 的方式大大提高了操控设备的使用效率使其能完成更加复杂的任务。手的这些复杂生理功 9 西安理工走学硕士学位论文 能是由手部复杂的解剖结构决定的，本节对手的解剖学、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搽明研究。 国内在2 0 世纪末部分人机工程学专家在现代人机工程理论和应用方面系统提出了人 机工程学的框架体系，现代机械生产以通用化、标准化为基础，手柄的设计也纳入了标准 化的轨道，但对于手持设备及手柄的设计并没有深入的研究分析”1 。据u k h 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”。对 于此类用手把持的工具在本课题中将手柄形态作为研究设计的重点。 人机工程学的应用主要体现在工业产品设计与人体有关的问题上，例如研究中会用 到：人体形态特征参数、人的感知特征、人的反应特性以及人在劳动中的心理特征等问题。 使人体特征参数引导工具、设备、作业场所的设计符合人的生理、心理特点。在对手持设 备的使用姿势、操作方式的分析中本文主要从手掌特征也就是解剖学特征、手部及其他参 与器官的感知特征这两大方面来研究。 23 手部解剖学特征 手部由手腕、手掌、手指等部分组成。手部从外向来看分为四个侧面即掌侧面、背侧 面、桡侧面、尺侧面。组织结构分为软组织和手骨髂两部分。人的手和手腕共有2 7 块骨头。 骨头与骨头之间靠韧带连接：肌肉与骨头之问靠腱连接。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，肌肉收缩会拉动着腱，腱运动后就带动与之 相连的骨头运动。 控制手运动的大部分肌肉在前臂上( 如圈2 - i ) 。来自于前臂，止于掌骨或指骨之间的 肌肉2 0 余块，称为手掌内部肌肉1 ”3 。肌肉的收缩保证实现各种手掌活动肌肉处于放松 状态时可以减轻肌肉疲劳降低能耗提高劳动效率。狭窄的腕骨通道内分布着神经核血管， 皮肤作为保护将手掌上的腱保护起来手掌上的部分腱封套起来，以保护和润滑腱的作用。 幽2 1 人体手臂特征 f 1 9 2 - ih u m a na r mc h a m d e n m 瞄 通常使用者操作手工工具时手掌需要紧握手柄或需要转动手腕手腕就会呈现弯曲状 态。这一点在手持设备的操作中就可以看得很清楚。在对控制界面进行操作是会因为扭矩 等因素转动手腕，当手和手腕的这种动作重复出现或手和手腕承受了报大的作用力时，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。 手掌部肌肉分为外侧群、内侧群、中间群，共1 9 块肌肉( 如图2 2 ) 。外侧群位于拇指 2 手持设备人机工程学设计应用 侧，形成拇指侧隆起，称为“大鱼际”：内侧群 位于小指侧。形成手掌小指侧隆起，称为“小鱼 际”；中间群位手掌中心，统称手掌内部肌肉“。 手的肌肉丰富，其中最丰富的部位是手上的指球 肌、大际肌和小鱼际肌而最少的部位是掌心肌 肉，指骨小鱼际肌末梢，布满神经末梢的部位是 指骨间肌。手掌上分布着神经和血管网，所以在小蓐鼠 较大力量操作掌握式工具时要避免在掌心部造 成很大的压力，薄弱的软组织会由于过大的压力引 起血液循环不畅导致疼痛。 手持设备的操作对象是人手，因此其整体造型应该 和人手的构造相关联，保证人手持握稳定的同时，又不 能对其薄弱肌群施以压力。因此在设计手柄的外形时， 手柄被握表面与掌心之间应该留有空隙以保护掌心薄 弱组织。如果手掌掌心长期受到压迫会引起疲劳和操作 不准。如幽2 - 3 中f a ) 、( b ) 、( c ) 由于在手掌和手柄之间留 有施力空间，使手掌四周肌肉丰富的大鱼际肌区、小鱼 际肌区和指球肌区与手柄表面紧密贴合，在适度的配合 状态下施力可减少受压，能够发力握劳手柄以保证操作 的准确性，这种形式最恰当。i d ) 、( 叭( n 则不符合人机 学观点，手柄与掌心贴合面大，这种过赢的配合只适合 膏葺肌 图2 2 手掌肌肉 图23 ，、种不同手柄殴计 f i g2 - 3s i xd i f f e