人机工程学在牙刷中的应用与研究.doc

人机工程学在牙刷中的应用与研究第1章 导论1.1选题的目的和意义 工业产品的设计要素包括造型设计、色彩设计和人机工程设计，其中人机工程学方面是非常重要的内容。然而，许多产品在投入市场后不能达到预期的效果。究其原因，不仅与产品的生产工艺、性能、材科、可靠性有关，更为重要的是与设计的产品不适宜于人的特性有关，即忽视了“人的因素” 我们经常能看到许多忽视应用人机工程学而设计的产品例子。例如计算机，通常我们所使用的键盘都是104键键盘，它的六排按键都是呈水平直线排列的，且基准键位很近。因此人们在打字时不得不去适应它，努力收紧两肘，手腕外旋，使手指符合各个键位，但是这与手臂在自然状态下的状态完全不相符。并且在现行的上机条件下，操作者常常是手臂向前悬空来操作键盘和鼠标的，肘部没有支撑。在工作时，长时间手臂的悬空形成了肩颈部的静态疲劳，并使得操作者不便靠在椅子靠背上作业。而当脱离靠背又手臂悬空时，体重就全部由脊柱来承担，其结果或是腰部的疲劳酸痛，或是腰肌放弃维持直坐姿势而塌腰驼背，或者把手腕抵在桌沿而引发腕管综合症。如此等等，使得计算机操作者的作业姿势，大都不是打字教科书中推荐的正确姿势。 本论文要研究的牙刷设计也存在许多问题，我国许多牙刷设计企业不重视甚至不了解人机工程学，在牙刷产品设计中只单方面在功能上改进，没有考虑用户的需求“人的需求”。 随着人类社会的发展，人们越来越重视健康。人的生活质量和健康在很大程度上依赖于人体同诸如生活用品、交通系统、衣着、工作和生活场所、以及娱乐活动等各种因素之间的几何关系。为了优化牙刷的技术设计，确保人与环境之间的协调性，必须量化牙刷与人机工程学的关系。而这种几何关系的确定基础就是人体测量及其测量数据。 本选题的研究目的在于： （1）对现有牙刷的资料进行收集，研究牙刷设计的现状； （2）在现状分析的基础上，提出基于人机工程学的牙刷新设计构想； （3）对牙刷设计构想进行定量或定性评价分析；建立牙刷计测数据，对新的测量数据扩展处理，以利于设计师在设计时进行人机工程学应用和评价使用。 （4）进行人机工程学应用的原则，并指出应用的具体操作流程和方法，以利于设计师在工业设计中能更加方便的应用。1.2国内外相关研究综述 (一)人机工程学科的形成可追溯到人类的早期活动，它的形成与发展经历了漫长的历史阶段。 人类使用简单分动工具时，客观上就存在人、机、环境三者的最优组合问题。在我国两千多年前的“冬官考工记”中。就有按人体尺寸设计工具和车辆的论述。这就是当今人机工程中人、工具、机器设计巾的“机器适应人”的思想。 第一次产业革命(17501890)和第二次产业革命(1870l945)时期，人类的劳动进入了机器时代。人们的劳动作业在复杂程度及负荷量上均有了很大变化，人、机、环境三者也相应形成了更复杂的关系。人们用近代科学研究手段，研究人机工程问题。20世纪初，泰勒用近代科学技术方法，对生产领域中工作能力和效率进行了研究。他的研究成果，在美国和西欧得到了推广应用，成为可提高劳动生产率的“泰勒制”。泰勒运用科学方法在研究人机工程方面作出了开拓性贡献。后来，人们对人、机、环境三者之间关系进行了较系统的实验研究，并积累了大量数据。 两次世界大战期间，由于各种新式武器不断出现、相关的人机工程问题的研究及解决显得更为迫切。第一次世界大战中，各参战国几乎都有心理学家去解决战时兵种分工、特种人员的选拔训练及军工生产中的疲劳等问题。其研究特点是选拔和训练人，是使“人适应机器”的设计思想。在第二次世界大战期间，武器装备的性能大大提高，但由于其设计没有充分考虑人机工程问题，使武器装备的效能得不到充分发挥，甚至常有差错和事故发生。这迫使人们认识到，人机工程是武器装备设计不可忽视的重要问题。到了20世纪50年代，电子计算机的应用迅速发展；60年代，载人航天活动取得了突破性进展。这一切使得人、机、环境相互关系的研究显得更为突出。 在欧美工业发达国家，都建立了专门机构研究人机工程问题。先后出现工效学、人的因素、人体工程学等人机工程的不同命名。不过，它们的研究工作都在“人适应机器”、“机器适应人”以及“环境适应人”三个领域中进行。当今，欧洲对人机工程习惯称作Ergonomics，美国则习惯称作Human Factors。英国1950年成立Ergonomics研究会，1957年发行了会刊“Ergonomics”；美国于1957年成立Human Factors协会，出版了不少书刊。在20世纪60年代始，前苏联、德国、日本、法国、荷兰、瑞士、丹麦、瑞典、芬兰等国也都成立了相应名称的学会或研究机构。1960年正式成立国际人机工程学会(International Ergonomics Association)。 由于人机工程学在工业界的广泛应用，人机工程标准化问题也H益变得重要。所以，同际标准化组织ISO于1957年设立了人机工程学术委员会，负责其有关标准化的制定工作。 我国的人机工程研究，在20世纪50年代发展我国航空航天工业中就已兴起。在航空航天天生理学与心那学、飞行器驾驶舱人机工程设计、飞行器作业环境对人体影响及防护等方面，做了大量的研究工作。在20世纪50一80年代，当时的人机工秤研究框架，仍是由“人适应机器”、“机器适应人”以及“环境适应人”三个领域构成。1981年，在著名科学家钱学森指导下，陈信、龙升照等发表了人机环境系统工程学概论一文，概括性地提出了人机环境系统工程的科学概念。人机环境系统工程是运用系统科学理论和系统科学方法，正确处理人、机、环境三大要素间的关系，深人研究人机环境系统最优组合的一门科学，其研究刘象为人机环境系统。系统中的“人”是指作为工作主体的人，即参与系统工程的作业者(如操作人员、决策人员、维护人员等)；“机”即人所控制的一切对象，即与人处于同一系统中与人交换信息、能量和物质，并为人借以实现系统目标的物(如汽车、飞机、轮船、土产过程、具体系统，计算机)的总称；“环境”是指人、机共处的外部条件(如外部作业空间、物理环境、生化环境、社会环境)或特定工作条件(如温度、噪声、振动、有害气体、缺氧、低气压、超重及失重)。研究中，把人、机、环境二者视为相互关联的复杂巨系统运用现代科学技术的理论和方法进行研究，使系统具有安全、高效、经济等综合效能。 我国人机环境系统工程的学术研究团体、机构以及相关重大事件如下： 1980年，我国成立“中国航中学会人机工程、航医、救生专业分会”； 1984年10月，国防科学技术工业委员会成立“人机环境系统工程标准化技术委员会”； 1987年4月，国防科学技术工业委员会成立“人机环境系统工程专业组”； 1988年，北京航空航天大学成立“人机环境系统工程研究所”； 1990年，国务院学位委员会批准北京航空航天大学为我国第一个人机环境工程博士学位授权点； 1993年10月，中国系统工程学会成立“人机环境系统工程专业委员会”。 （二）计算机辅助人机工程及安全(Computer-Aided Engonomics and Safety ,CAES)国际会议以促进全世界计算机辅助人机工程技术的发展和交流为目的，到目前已经举办了10余次。Mattila6给出了CAES的定义，即在人机工程及安全的研究中将信息技术作为实现的方法，以及如何将其有效地结合到产品设计与决策中。 国际人机工程协会(IEA)对人机工程技术的定义进行了拓展，使其主要包括以下5个部分: (1)人一机交互技术（Human-machine Interface Technology)，即硬件人机工程学(Hardware Ergonomics )，代表了人机工程学科前30年的主流应用方面，最初研究人的生理和直觉特性，并将其相关成果应用到操作、显示与工作空间布局的分析、设计和评价等过程中。整个20世纪50和60年代，快速兴起的人一机交互技术多应用在工厂生产系统、交通系统和飞机设计制造行业；到了60年代后期，随着计算机技术及与之相关的办公和工厂自动化进程，硬件人机工程学的应用扩展到很多其他类型的系统。 (2)人一环境交互技术(Human-environment Interface Technology)，即环境人机。工程学(Environment Ergonomics )，主要研究各种环境状态(光、热、噪音和振动等)下时人的能力及其极限。近几十年来对人与其自然和人造环境间关系的认识和探讨不断深入，使该技术不断得到应用和发展；另外，在继续研究经典人机工程学方法(如任务分析)的同时，人们又加强了人的能力建模方面的研究。 (3)人一软件交互技术(Human-software Interface Technology) ,即认知人机工程学(Cognitive Ergonomics )。可以说是随着20世纪60年代硅芯片的诞生及随后的现代计算机革命的兴起而产生的。它最初研究人们获取和加工信息的方式。现在该技术主要应用于设计或完善软件系统，从而提高其可用性。 (4)人一作业交互技术(Humanjob Interface Technology)，即工作设计人机工程学； (5)人一组织交互技术(Human-organizational Interface Technology)，即宏观人机工程学(Macroergonomics )，是人机工程学的最新分支，仅仅兴起10余年。它在与系统中的人和技术相互作用时，解决工作系统的整个结构问题。从概念上讲，它是一种自上而下的社会一技术系统方法，着重研究组织系统和工作系统的设计。 目前，计算机辅助人机工程学技术主要表现在人机工程方法和应用两个方面。首先，在研究方法方面，它针对传统的研究方法获取实验数据及实验结果的局限性，提出了有效的解决方法，并将这些方法计算机化，以便与人机系统软件相结合。Stanton等在1995年的统计结果中指出，已使用的人机工程方法超过了60余种。 目前常用的计算机辅助人机工程方法包括:静态施力分析、低背受力分析、作业姿态分析、视域分析、疲劳恢复分析、舒适度分析、NIOSH提升分析、RULA姿态分析、OWAS分析方法，可及度分析以及新陈代谢分析等。其次在人机工程应用方面，它将人机工程学的实验结果、分析评价方法及标准以计算机软件工具的形式应用在产品设计、工作空间设计以及人机系统的设计中。 综上所述，20世纪40年代前、是人机工程发展的萌芽期；40年代至70年代是准备期；80年代进入发展期；现在，它的研究和应用范围，已深入到航空航天、航海、兵器、交通、电子、能源、煤炭、冶金、管理广泛的领域。它的不断发展和日趋完善，也将在科学技术的发展中发挥积极作用。 第2章 人机工程学与牙刷产品设计的相关概念2.1牙刷产业分析 中国是世界上牙刷生产量最大的国家：2004年产量约为35亿支, 2005年产量约为50亿支，截止2006年7月的产量约为28亿支。同时, 中国也是世界上牙刷消费量最大的国家： 2004年中国大陆消费量为730595900支( 约7.3亿支，约合人民币15亿元),2005年中国大陆消费量为890036200支( 约8.9亿支，约合人民币18亿元),截止2006年7月中国大陆消费量为 565603100 支( 约5.6亿支，约合人民币12亿元)。2004年中国大陆人均牙刷消费量为 0.56支 （ 1.18元）， 2005年中国大陆人均牙刷消费量为0.68支 （ 1.41 元）。换句话说，2004年中国人平均21.4个月换一支牙刷，到了2005年，中国人平均17.6个月换一支牙刷。这个趋势看来比较乐观：中国人在过去2年中牙刷更换频率增加了21%。按这样的发展趋势，到2011年，中国人可以半年更换一支牙刷；到2014年，中国人基本可以一个季度更换一支牙刷，达到目前牙医的建议3个月更换一次牙刷。按这样的趋势，到2011年，中国大陆牙刷消费量将达到2617753529支（约26亿支），是2005年的2.92倍； 到2014年，中国大陆牙刷消费量将达到5235507059支 （约52亿支），是2005年的5.84倍，和2005年中国大陆牙刷产能基本一致。 根据2006年7月统计结果，中国大陆牙刷平均零售价格为2.13元，2005年同期为2.07元，价格同比增长2.9%。按这样的价格增长趋势，中国大陆到2011年的牙刷消费金额约为68亿元人民币，到2014年的牙刷消费金额约为148亿元人民币。 如此大的产业集群及消费情况表明，牙刷的合理设计对于行业来说显得十分重要。2.2人机工程学的涵义 人机工程学是20世纪初发展起来的一门独立的学科。该学科在美国被称为“Human Engineering”或“Human Factor Engineering”；大多数西欧国家将其称为“Ergonomics”；日本称其为人间工学；在我国还有人类工程学、人体工程学、人因工程学等名称。按照国际人类工效学学会(IEA)的定义，人机工程学是研究人在某种工作环境中的解剖学、生理学和心理学等方面的各种因素；研究人和机器及环境的相互作用；研究在工作中、家庭生活中和休假时怎样统一考虑工作效率，以及人的健康、安全和舒适等问题的学科。 人机系统中的“人”是指作为工作主体的人，包括操作人员、决策人员等。人的生理特征、心理特征以及人的适应能力都是重要的研究课题。人机系统中的“机”是指人所控制的一切对象的总称，包括人操作与使用的一切产品和工程系统。设计满足人的要求、符合人的特点的“机”，是人机工程学探讨的重要问题。而人机系统中的“环境”则是指人、机共处的特定工作条件噪声、照明、气温等环境因素对人的工作和生活的影响，是研究的主要对象。 从以上的论述不难看出，人机工程学是研究各种条件下的宜人性、生产效率和安全等综合性能的边缘性应用学科。 人机工程学的设计理念在现代产品设计中得到了充分体现，其中融入了大量以人为本、为人而设计的人机环境系统工程思想。我们可以看到，在工具、家电的广告中，标榜其产品是依人机工程学原理而设计的例子屡见不鲜。人机工程学的设计理念已经成为时尚。2.3人机工程学与产品设计 人机工程学的显著特点是，在认真研究人、机、环境三个要素本身特性的基础上，不单纯着眼于个别要素的优良与否，而是将操纵“物”的人和所设计的“物”以及人与“物”所共处的环境作为一个系统来研究。在这个系统中，人、机、环境三个要素之间相互作用，相互依存的关系决定着系统的总体性能。人机系统设计理论，就是科学地利用三个要素之间的有机联系来寻求系统的最佳参数，使设计师创造出人机环境系统功能最优化的产品出来。 在产品设计中，人的因素是设计的核心因素。2.3.1人机工程学为产品设计提供宜人的设计参数 绝大多数的产品都必须通过人的操作才能达到其为人服务的功能的目的。因此，产品必须紧紧围绕人的操作和使用方式来进行设计。而人在操作或使用产品时都离不开自身的生理条件和对产品的控制能力，超出这一范围，人们在使用这一产品时就会感到不舒服或达不到应有的使用效率。如对一些象牙刷之类的用于操作的用品或工具，在设计时就必须考虑用于使用时的操作方式和手的活动范围，尽量减轻手的疲劳程度，获得最佳的使用效果和心理感受。因此，我们在设计对与手操作有关的产品时，首先就必须了解手的基本特征和尺寸，手指的活动范围，手的触觉对人心理的感觉特征等设计参数。 人机工程学应用人体测量学、人体力学、生理学和心理学等学科的研究方法，对人体结构特征和机能特征进行研究，提供人体各部位的尺小、体重、活动范围、水力范围、动作速度、动作频率、重心变化及动作时的习惯等人体机能特征参数。分析人的视觉、听觉、触觉及肤觉等感受器官的机能特征。分析人在各种活动个的生理、心理的变化因素、因此，对人机工程学的研究，能为产品设计提供必要的设计参数，同时也是进行产品宜人化设计的第一步。2.3.2人机工程学设计准则 对于产品设计来说，使产品适合人的操作特征和最大程度地发挥产品的使用功效仅仅是一个方面。而另一方面，设计出的产品必须符合人们心理上对该产品的需求特征，即创造出与人的生理、心理机能相互协调的、宜人的产品形态。 在人机工程学的研究中，强调人机关系的相互协调和人与机在生理、心理方向的机能特征，为设计师设计它人的产品提供设计的准则。 所谓宜人的产品是指在产品的使用功能力面，能最佳适合人们在使用时的生理特征，使用方便，安全可靠，能最大程度地获得使用效能；在精神功能方面，能符合人们的心理特征，舒适贴切，具有与人们在情感方面交流的功能。2.3.3人机工程学提供设计理论依据 人机工程学在研究人、机、环境三个基本要素时，并不单纯着眼于个别要素的优良与否，而是将人和所使用的机及人与机所共处的环境作为个系统来研究。在人机工程学中将这个系统称为“人机环境”系统。在这个系统中，人、机、环境三个要素之间的相互作用、相互的依存关系决定着系统的总体性能。在人机工程学的人机环境系统设计中，通常是在明确系统总体要求的前提下，着重研究和分析人机环境三个要素对系统总体性能的影响，应具备的各自功能及其相互之间的关系。如在系统中，人与机的功能如何分配；人和机所构成的人机关系如何影响环境；环境对人，对人机关系的反作用如何；等等。经过不断修正和完善三要素之间的结构和组成模式，最终确保系统最优组合方案的实现。 在人机环境系统的研究中，人机工程学始终围绕以人为根本的研究方向，并以此提供了大量的人在这个系统中的生理、心理方面的设计参数这些无疑为在产品设计中寻求宜人的人机环境系统提供了充足的设计理论依据。第3章 牙刷设计的人机工程学分析 随着人们生活水平的提高，人们对自己的身心健康日益重视。“病从口入”这句话早已成为人们的口头禅，人们都知道对自己所吃的东西把好关。但是，人们却忽视了“病从口入”的另一个方面，那就是口腔卫生的问题。我们知道，口腔是人消化系统中的第一道关，牙科疾病将直接影响到人的消化。有关牙科专家指出，牙科疾病还会引起心、脑、脊柱等身体其他部位的一些疾病。据统计，我国超过70的人有这样或那样的牙科疾病。可见，维护口腔卫生是非常重要的。 刷牙是我们日常保持口腔清洁、健康的重要方法之一。它能消除口腔内软白污物、食物碎片和部分牙面菌斑，而且有按摩牙龈作用，从而减少口腔环境中致病因素，增强组织的抗病能力。刷牙对于预防各种口腔疾病，特别是对于预防和治疗牙周病和龋病等具有重要的作用。牙齿是人类赖以生存的重要器官，它是构成咀嚼器官的主要部分，也与语言、容貌和健康有密切关系。 要想拥有一口健康漂亮的牙齿，除了养成良好的刷牙习惯和正确的刷牙方式外，备有一把设计合理的牙刷也是至关重要的。尤其是在牙刷的人机工程学上要考虑得尽量周到。于是，本文对目前市场上的牙刷进行了调查分析，把重点放在人机工程学上，对牙刷进行改进设计。人机设计流程图如下： 性 刷牙是保持口腔清洁的重要措施，它的作用是出去牙齿上的残存的食物，又不损伤牙龈组织。每一种牙刷都是针对某一使用者群体（如儿童）而设计的，它不可能适用于所有的使用者，所以，选择一把适合自己口腔情况的牙刷就显得非常重要了。 （1）牙刷的刷头要适合个人口腔的大小，不宜过大，刷毛不能过硬、过密、过长。 （2）少年儿童、老年人或牙周病患者，应选用较软的牙刷。 （3）吸烟、爱饮浓茶者，色素容易沉积于牙面，应选用中等硬度牙刷。 （4）戴有固定正牙器或口腔内有固定修复体者，要在口腔科医生指导下选用特制的异形牙刷，如“V”形牙刷（刷毛毛束排列呈V形）。5、牙刷的日常保护 选择好一把适合自己口腔情况的牙刷后，还要懂得保护牙刷的方法。 （1）牙刷使用后要注意清洁，尽量甩掉刷毛上的水分，然后将刷头向上放于漱口杯中，置于干燥通风处。不宜放于密闭的牙刷盒中。 （2）尼龙丝牙刷毛可以制成不同的软硬度，弹性好，对牙齿的清洁作用及牙龈按摩作用均佳。经久耐用，而且干得快，因而多被采用。但尼龙丝受高温易变形，所以不能用高温水洗，更不能用煮沸的方法消毒。 （3）发现刷毛卷曲时应及时更换。3.1.2现有牙刷特点收集 有代表性的牙刷的形式，如图所示： 3.1.3现有牙刷分析1、牙刷分类 牙刷可以分成四类：电动牙刷、手动牙刷、电子牙刷和磁疗牙刷。 （1）电动牙刷 电动牙刷是以电能为动力使刷头运动的一类牙刷。电动牙刷按刷头运动方式可分成三类：传统的横向移动式牙刷(可同时伴有纵向移动)，新颖的旋转式牙刷(可有顺时针和逆时针旋转两种)，近年出现的高频超声振动电动牙刷。 旋转式电动牙刷：主要由防护罩、牙刷头、永磁式直流檄电机、手柄盒等组成。牙刷头的刷毛束沿周围单排交错分布，刷毛束之间保持25倍刷毛束直径的间隙。牙刷头是可装卸的。在使用过程中牙刷头旋转刷毛只有部分圆周面与牙齿接触，这种牙刷对清洁齿面效果明显，但对牙齿邻面的清洁效果不佳。 超声波电动牙刷：超声波是指超出人耳可听频率段(2020000Hz)的声波。目前已在半导体清洗、眼镜清洗等方面得到了广泛应用。超声波牙刷采用最容易渗透人体的1600000 HZ声波，可有效清除各种细小污垢。但超声波的振动声会使人产生不适。 （2）手动牙刷 手动牙刷即无任何特殊装置的普通牙刷。握柄的角度是手动牙刷设计研究中的重点。 手动牙刷的刷毛排列：近年来的一些文献显示刷毛的排列及刷头与手动牙刷的刷毛排列有以下几种：十字交叉式、高低交错式、锯齿状、垂直平齐式及专用于正畸病人的凹槽式。有研究认为，刷毛呈十字交叉排列的牙刷与垂直排列的牙刷比较，前者对邻面间隙和龈沟的清洁效果好，且对牙龈损害小。 手动牙刷的刷柄与刷头所呈的角度：最常见的牙刷为直柄牙刷，此外，还有带有前倾角、后倾角的牙刷。 （3）电子牙刷 电子牙刷是刷头能够提供电子来破坏菌斑，从而达到保护牙齿的一类牙刷。电子牙刷所产生的电子与菌斑内的H结合，使H浓度下降，PH值上升，从而降低菌斑的产酸力。 （4）磁疗牙刷 磁疗牙刷是通过牙刷产生的磁场影响菌斑内乳铁质和转移铁，从而破坏菌斑，同时还能促进牙周血液循环的一类牙刷。磁疗牙刷对牙龈炎的改善作用较手动牙刷好。 综上所述，目前的研究结果倾向于认为电动牙刷去菌能力优于手动牙刷，旋转式电动牙刷较侧向移动式清洁效果显著；超声电动牙刷除机械去菌斑作用外，声微流现象是其去菌斑的另一重要机制。2、刷毛、刷头与刷柄 （1）刷毛的材料 天然猪鬃：天然毛鬃牙刷比较柔软，其清洁效果及吸附牙膏较好，不伯热水烫，但干得很慢，不如尼龙丝刷毛美观，使用时间也较短。一般牙龈易出血的人宜选用刷毛较软的牙刷。 尼龙丝：因为尼龙丝毛牙刷对牙齿的清洁作用及按摩作用均佳，弹性好且耐磨，所以尼龙牙刷的应用更加广泛。 尼龙纳米粘土复合材料 尼龙纳米粘土复合材料是在尼龙里面添加了一种特殊的纳米粘土复合材料，使得尼龙的强度、韧度等物理性能大大提高。主要产品包括尼龙6、尼龙66等四大系列产品，有直径0.18mm0.3mm各种规格。抗菌牙刷丝等新产品已进入小批量生产。“高露洁”、“两面针”、“芳草”等著名品牌牙刷的牙刷丝就采用此种材料。 PBT纤维 PBT纤维是聚对苯二甲酸丁二酯纤维的简称。PBT纤维具有一下一些特点。 a它具有很好的抗倒毛性，以及良好的耐久性、尺寸稳定性和较好的弹性，且弹性不受湿度的影响。 b具有良好的染色性能，色牢度优良。 c具有优良的耐化学药品性、耐光性和耐热性。 聚丙烯刷丝(PP) 采用纺丝级聚丙烯切片纺制，质轻、硬度高、弹性好，耐较高温度且无毒副作用，色泽艳丽经久不退，适宜做工业刷和民用生活用刷。规格为：直径0.20一0.30mm。 尼龙1010 尼龙1010是中国独有的有机化工原料，无毒无臭，透明洁白。用尼龙1010切片纺丝成形的牙刷丝透明光亮，无色差，丝条均匀，弹性好，耐折挠，不易倒毛，质地刚柔相济。规格有：直径0.2mm，直径0.25mm和直径0.30mm三种。 （2）刷毛质地 从刷毛的质地上来说有硬毛牙刷与软毛牙刷，还有中硬混合牙刷。硬毛牙刷对牙齿的清洁效果较好，但对牙齿的磨损作用和牙齿的损伤也较大；软毛牙刷能进入牙龈边缘以下及邻面间隙去除菌班，但对较厚的菌斑则不能完全去除。中硬混合牙刷，硬毛可有效清洁，中性毛可按摩牙龈。 （3）刷毛排列 目前市场上出现的牙刷，有四排毛、三排毛和二排毛三种。刷毛最多的50束，最少的14束。一般牙齿健康的成年人，以选用四排毛的牙刷为宜。这种牙刷刷毛弹性好，洁齿力强，刷牙时省力。儿童最好选用两排毛NJL童牙刷。其牙刷丝较软，能较好地保护儿童乳牙发育。有牙病的人或老年人应选择三排毛牙刷o这种牙刷刷头小，刷毛较软，使用时不伤牙龈，轻巧灵活。 牙刷刷毛的排列也各不相同，有直线形、锯齿形、波浪形和v形。这些排列形式都能较好地消除牙齿缝隙间的食物残渣。牙齿比较整齐的可选用直线形牙刷；牙齿不太整齐的人最好选用v形牙刷。 刷毛排列见下表所示。直线形 REACH,Oral-B经典型，流线型黑人灵活锥形、Oral-B接触型 锯齿形 三笑No.D2001，No.D2016，Oral-B先导型，Colgate先驱型、全效型、旋风型、多功能波浪形，两面针No.L1，甜甜笑No.T9009，黑妹 波浪形 三笑No.D2002，No.998，Crest防蛀伴侣，Colgate适齿波浪形、超感型，梦仕No.MS-8010 V形 梦仕No.MS-8004，甜甜笑No.T9005，黑人“晶莹按摩” （4）刷头形状刷头形状见下表：方形 三笑No.D2005 圆拱形 REACH，黑人“晶莹按摩” 椭圆形 三笑No.2016,OraiB，Colgate，两面针，黑妹，Crest 三角形 三笑No.D2002，佳洁士 ;钻石形 三笑No.998，三笑No.D2001，Colgate旋风型 （5）刷柄材质、形状刷柄材质、形状见下表：刷柄材质 塑料、橡胶 刷柄侧面形状 内弯 直线 外弯 3、尺寸统计现有牙刷尺寸统计见下表：全长 188.3mm 10.8mm 握柄长 109.2mm 8.9mm 前柄长 79.1mm 10.3mm 刷头长 30.7mm 5.06mm 刷毛长 11mm 1.2mm 4、颜色分析 在牙刷设计中，刷毛多采用代表清洁的白色、白色与蓝色相间、白色与绿色相间等颜色。而刷柄的色彩则有多种选择。不同的色相，如红、橙、黄、绿、蓝、紫、白、灰、黑等都有不同的色彩联想，所以并不是每一种色相都适合牙刷的设计，如黑色牙刷就非常少见。而且，不同的色调所引起的联想也不问。不同的配色产生的效果也不同。下面就与牙刷设计关系较为密切的色彩分析如下。 1)色相引起的抽象联想 红色：活跃、紧张、欢心、兴奋等。 橙色：高兴、活跃、精神、热闹等。 黄色：愉快、开心、明朗、精神等。 绿色：年轻、新鲜、希望、平静等。 蓝色：沉着、凉快、深远、诚实等。 紫色：高贵、神秘、女性化、哀伤等。 白色：清洁、纯洁、开明、和平等。 灰色：沉着、抑郁、暗淡、冷漠等。 黑色：阴沉、严厉、中立、沉重等。 2)色调引起的联想 强调：简洁、柔弱、愉快、凉爽、清澈、明媚等，适合用于牙刷设计。 深调：充实、老练、传统、生动、高尚、趣味等，可选择性地用于牙刷设计。 亮调：年轻、新鲜、开朗、健康、清澈、新潮等，可选择性地用于牙刷设计。 暗调：朴实、充实、稳重、沉着、强硬、男性化等，可选择性地用于牙刷设计。 3)不同的配色效果 红、白、黑相配，有一种永恒的美感。如红色刷柄配白色的宁、白色的刷头。 高明度的绿色与纯绿色相配，显得清澈、凉爽。 低纯度的寒色与中性色相配，产生静感。 白色与纯红的配色，有朝气蓬勃感。 白色与绿色或蓝色的配色有清爽、健康的感觉。3.1.4牙刷操作分析1、人手腕部的受力特征 腕部的形态分为挠侧偏、尺侧偏、背侧屈、掌侧屈和正中五种形态，正中为自然形态。其余四种状态均为非自然形态。 正中位置是手的自然位置。在此位置，手的腕部受力状态最佳，因此，在进行牙刷设计时，应尽可能使手处于正中状态操纵牙刷。2、刷牙方式分析 人手具有极大的灵活性。单就抓握动作而言，也有多种方式。其中主要的三种形式是前倾式、后倾式和无角度式。 根据人手腕部的受力特征，刷洗牙齿内侧，尤其是刷内侧后半部时，刷柄前倾时，人手腕部接近自然位置，手腕感觉最舒适。刷柄后顿时，手腕处于尺(挠)侧偏状态，感觉最不舒适。 刷洗外侧牙面时，牙刷沿着牙床垂直的方向上下移动。刷柄后倾时，人手腕部接近自然位置，手腕感觉员舒适。刷柄前倾时，手腕处于尺(挠)侧偏状态，手腕感觉最不舒适。 刷洗上下咬合面时，直柄牙刷手腕感觉最舒适。 刷洗前表面时，牙刷颈部后倾时，手腕感觉最舒适。 考虑到牙齿内表面，尤其是内表面后半部最难清洁，故应按该位置考虑刷头与刷柄的夹角。在此位置，采用颈部前倾式牙刷剧柄，手的腕部受力状态较合理。 颈部前倾式牙刷刷柄虽然解决了前牙内面、牙齿内表面后半部的清洁问题，但是，由于沿齿缝方向清洁内、外表面齿间邻面时，刷柄的施力和刷头的阻力之间存在旋转力矩，致使手难于稳定地持握牙刷。特别是在狭小的牙床高度空间内，频繁、枯燥的上下移动动作极易造成腕部、小臂、大臂和精神疲劳。在刷洗外侧牙面、上咬合面以及前表面时，手的腕部还无法保持顺直状态，使得腕部受力更加恶化。 如能将刷头设计成沿齿缝方向的电动旋转式，就可以克服手动牙刷的这一致命弱点。靠刷头的旋转来完成牙刷沿齿缝方向的相对运动，达到清洁齿间邻面的效果。这样，就可以避免在狭小的牙床高度空间内频繁的上下移动所造成的疲劳；同时，也可以大大提高洁齿的效率。3.1.5牙刷功能分析1、刷柄结构 典型的刷柄结构一般握柄主体细长美观，有塑胶垫防滑装置，不易滑脱。但该部位易积污垢，难于清洗。 采用传统的直柄设计，握柄颈部细长，可以灵活地在口腔内移动。矩形截面可以防止刷齿缝时握柄的转动。但塑胶垫防滑装置易积污垢，难于清洗。 握柄形状较美观，形似一柄羽毛，宽大的尾部有利于持握。但拇指和食指的持握处的形态语义不明确，持握时会感觉不适。 握柄主体呈方形，颈部采用皱褶形减振装置，以吸收过大的力度，刷柄两侧均设有防滑 颗粒，以免滑动。 桥形减振装置，吸收过大的用力。有防滑装置。握柄主体采用不对称圆弧形设计，防止旋转。 采用近于长方形的握柄设计，内侧拇指按压处有防滑设计，不易滑动和转动。 颈部的拱形设计，不利于在口腔内活动。圆形截面，持握手感较舒适，但无防滑设计，无法防止刷柄旋转、轴向滑动 握柄主体弧形变化过大，持握位置不明确。圆形截面的环状防滑涉及无法防止刷柄旋转。 2、刷毛排列 具有代表性的刷毛排列方式包括： （1）典型的传统植毛方式：对牙齿表面清洁能力强，对牙缝清洁能力强； （2）锯齿形植毛方式：对牙齿咬合面清洁能力强，突出部分刷毛兼顾牙缝及牙面的清洁，长的软毛有利于牙龈按摩； （3）波浪形植毛方式：其形状类似外齿面形状，凹陷部分刷毛清洁牙面，凸起部分刷毛清洁牙缝； （4）V形植毛方式：便于清洁齿缝，不利于清洁牙齿表面。3、刷头形状 典型的刷头形状包括： （1）方形刷头刷毛多，与牙齿接触面大，可缩短刷牙时间。但刷头体积大，在口腔中活动不灵活，较难达到口腔深部的难清洁部委。方形棱角易碰伤口腔； （2）圆拱形刷头刷毛较多，与牙齿接触面大。前端圆拱形不易碰伤口腔壁及牙床； （3）椭圆形刷头较易达到口腔深部的难清洁部位，且不易碰伤口腔壁及牙床； （4）三角形刷头刷毛小巧，活动灵活，更易深入口腔深部的难清洁部位。但刷毛较少，与牙齿接触面小，会增加刷牙时间，而且前端较尖，若不慎会碰伤口腔； （5）钻石形刷头综合了前两种刷头的优点。3.2牙刷尺寸计测3.2.1计测对象选择 计测群体的选择与牙刷的使用群体应相同。例如，可以选择1555岁的男女作为使用群体和计测群体。3.2.2计测项目选择1、手部 主要包括拇指指幅、把握长度、把握直径、最大展曲角、最小展曲角、张弯最大角、张弯最小角、牙床弯度和牙床高度。2、齿部 主要包括牙床弯度和牙床高度。3.2.3统计计测值 本设计采用了某调查数据，即对160名成年男女的统计计测结果，统计计测值见下表：名称 平均值 标准差 拇指指幅 19.77mm 1.47mm 把握长度 121.9mm 3.5mm 把握直径 13mm 1.2mm 展屈最大角 183.18 3.38 展屈最小角 130.96 2.814 最大张弯角 249.34 3.708 最小张弯角 114 2.43 牙床弯度 22.6 1.071 牙床高度 15mm 2.6mm 3.3牙刷设计的改进设想 根据前面对牙刷的现状分析，目前新设计应该考虑电动式牙刷。考虑到刷牙时沿齿面上下移动清洁齿缝为主要操作动作，频繁的上下移动动作极易造成腕部、小臂、大臂和精神疲劳，使得很多人在刷牙时不得不采用不正确的水平横刷方式。同时，受牙床高度的限制，较短的上下移动距离也增加了动作的难度。因此，本设计采用电动圆柱形刷头，沿柱面周边植毛。圆柱形刷头可以正、反向旋转，这样就可以方便地完成清洁上下齿齿面、齿缝和牙龈沟，免去了频繁、枯燥、极易疲劳的上下移动动作。 为了保证手腕处于自然的顺直状态，避免刷牙内侧时腕部受静态肌力，刷柄采用内弯式。据统计，牙床弯度在2025之间，新设计应采用的内弯角度最好为12左右。因为过大的弯角，会使刷头和刷面之间产生较大的力矩，造成刷牙动作不稳定。 另外应在刷头一侧设计一个防护盖，以防止刷牙时刷毛划伤舌、腭、唇、颊。3.3.1牙刷刷头1、刷头形状：采用圆柱刷头、柱面周边植毛方式。刷头部分应小巧，以便在口腔内活动灵活。2、刷头直径、长度：根据现有牙刷统计，刷头直径应在1012mm之间，刷头长度取30mm。3、刷毛长度：为避免刷毛很快产生倒毛现象，刷毛长度应在45mm之间。4、刷毛材质：从耐磨性、抗菌性、弹性、美观等方面考虑，采用尼龙纳米粘土复合材料制作。5、刷毛圆颈：根据有关除垢度的研究报告，直径为0.200.25mm的刷毛除垢度最好。6、刷毛排列方式：刷毛采用长短两层结构，长的用软性毛，短的用中硬度毛。长的软性毛用于清洁齿间邻面和牙龈按摩，短的中硬度毛用于清洁齿面。7、刷毛形状：刷毛前端部磨成球状，以保护牙龈。3.3.2牙刷刷柄 新设计应采用持握舒适的鱼腹型手柄设计，拇指按压处为开关。目前的刷柄直径过于窄小，从计测值来看，刷柄直径大约在13M。持握的稳定性和舒适性都较差，需增加防滑、止推结构才能保证持握的稳定。新设计应将刷柄最大截面直径的结构尺寸增加到30M，使其充分与手掌接触，将集中在手指部分的持握力分散到整个手掌，以此达到持握舒适和稳定的目的。避免因刷柄过于窄小而增加的防滑、止推结构，使得牙刷握柄整体造型简洁、流杨，持握舒适、稳定。3.4 牙刷设计的人机工程系统质量评价3.4.1评价的一般概念 在任何性质的设计中都必然存在着评价问题，所谓评价，就是对客观事物价值的确定。牙刷设计人机系统中的评价主要包含两方面内容：一是指在设计过程中，对解决设计问题的方案进行比较、评定，由此确定各方案的优劣以便筛选出最佳牙刷设计方案；二是指对牙刷产品按照全产品的观念(实质产品、形式产品、延伸产品)，遵循一定的评价项目和评价标难评判其优劣。评价过程可以看成一个系统。评价系统由评价者、评价项目(或评价目标)、评价标准、评价方法四个元素组成，其各元素之间的关系为：评价者按照评价项目对牙刷或设计方案进行分析和认识，然后，再将认识结果与评价标准相比较，并通过相应的评价方法将其变成评价结果。设计评价的意义在于：其一，控制设计过程，以便在不同的设计阶段上都能筛选出最佳方案；其二，把握设计方向，减少设计中的盲目性；其三，为牙刷设计师和制造企业提供判断设计质量的依据。 牙刷人机系统设计中的设计评价有以下几个较典型的特点：1评价项目的多样性 评价项目应根据评价目的和评价对象的客观属性来确定，要尽可能全面反映评价对象的特征。每一个评价项目都有明确的意义。在牙刷人机设计中，无论是对人机系统进行评价，还是对方案进行评价，需要考虑的因素都很多。因此，其评价项目必然要涵盖多方面的内容。有学者提出人机系统评价包括整体性、技术性、宜人性、安全性、经济性和环境特性等方面的评价项目。宜人性又包括：美观、舒适。美观特性可以分为大方、形象化、醒目、色调四个方面。而这四个项目又可分为若干个小项目，如色调应包括色彩的形式美。而色彩的形式美又包括色彩的整体性、色彩的时代性、色彩与环境协调性三个项目。2评价标准的客观性与宣觉性的统一 评价标准应根据评价目的和评价项目来确定，每一个评价项目都应该有相应的评价标因为评价标准直接影响着评价结果，所以评价标准应定义得准确、清晰和定量化，减少主观因素的影响，以便于评价者理解和正确运用。因为人机系统的牙刷设计的评价项目具有多样性的特点，评价中的主观因素起着一定的作用，所以建立科学、客观的评价标准，体现人机设计的特性是十分必要的。但由于在人机设计的评价项目中包括美学特性等感性的内容(如美学特性中造型、色彩、质感等项目)不能完全依靠理性思维，在评价过程中很大程度上依靠直觉判断，而且，人机系统最终总要由人来控制、使用，因此，人机设计的评价中，主观判断也是非常重要的。总之，设计评价的标准是理性与感性、客观性与直觉性的统一。 3评价结果的相对性 由于评价项目的多样性、评价标准的直觉性，因此使得评价中感性和经验的成分较多， 因而评价结果具有相对性。所以在牙刷设计的评价过程中选择适当的评价者和评价方法十分重要。要选取具有一定学术水平、丰富经验、一定权威性的从事牙刷设计和人机设计的专业人员作为评价者。同时，有条件的还应该邀请牙刷人机系统的使用者参加评价。3.4.2产品设计的评价方法 产品设计评价方法分为定性评价方法和定量评价方法两大类。究竟采用哪种方法要视不同的评价对象而定。有些可以定量评价，如牙刷设计中的用力和扭矩；有些则无法定量评价，如牙刷设计的美学特性。人们常用很美、美、一般、丑、很丑来评价美与丑，很难给出美的具体数值。这时只能采用定性评价方法。人机工程的评价问题中主观评价的成分较多，往往不适合直接采用定量评价方法。但人们常常希望将评价结果量化，以便于进行分析、比较，这时就需要将定性评价方法和定量评价方法结合起来使用，即先将定性语言定量化，例如可以采用五级计分制来划分评价等级：很好（5分），较好（4分），一般（3分），较差（2分），很差（1分）。然后利用数学分析手段进行分析、推导和计算，完成由定性到定量的综合评价。灰色关联评价法就是由定性到定量的综合评价方法。当采用分析计算仍难以判断其优劣时，还可以通过模拟实验对方案进行评价。1、虚拟仿真法 虚拟仿真法是利用人机工程分析软件提供的数字化人体模型，结合生理学、运动学等人机工程学的实验数据、原则，在虚拟环境中模拟人的操作而进行的人机工程评价方法。就牙刷设计来说，它可进行可视度评价、可及度评价、力和扭矩评价、受力评价、舒适度评价、疲劳分析、能量消耗与回复评价、姿势预测、静态施力评价等。采用虚拟仿真评价法的优点是可以在实物制造之前发现并改进人机设计。这种方法可以避免绝大多数的设计错误，在设计阶段解决产品、环境的宜人性设计问题。缩短了新产品试制和生产周期，提高了产品的市场竞争力。2、检查表法 检查表法是一种定性评价方法。它是利用人机工程学原理检查人机系统各种因素及作业过程中操作人员的能力、心理和生理反应状况的评价方法。国际工效学学会提出的人机系统分析检查表的主要内容有：作业空间分析、作业方法分析、环境分析、作业组织分析、负荷分析以及信息输入和输出分析。这些内容还可以细分。评价人员按检查表所列检查项目、检查内容逐条进行回答，并在备注栏中对评价作简短说明。根据检查表法得出的定性评价，可以确定哪些方面做的较好，哪些方面还需要改进。3、联系链分析法 人与机相互关联的关系可用链来表示。这里的链是指关联的事，不是有形的物。在进行人机界面分析时，将人体部位与产品及环境部位的相互关联称为联系链。 联系链分析法常用于人机界面配置的设计与评价。其方法如下：首先画出人机界面中操作者和产品联系链固，列出人机界面各要素的相互关系。一般用圆、长方形表示操作者和产品；用纫实线、虚线表示操作链和视觉链；用点划线和双点划线表示听觉链和行走链；用正方形和三角形分别表示重要度和频率。其次，确定各个要素的重要程度、使用频率；各联系链的重要程度、使用频率可根据调查统计和经验确定其分数值。一般用四级记分即“极重要”和“频率极高”者为4分，“重要”和“频率高”者为3分，“一般”和“一般频率”者为2分，“不重要”和“频率低”者为1分。第三，计算联系链值，将各个联系链的重要程度分值与频率分值分别相乘，其乘积表示联系链值，链值高者表示重要程度和使用频率高，应布置在最佳区，即操作链应处于入的最佳作业范围，视觉链应处于人的最佳视区，听觉链应使人的对话或听觉显示信号声最清楚，行走链应使行走距离最短等。如果不满足上述要求，就需要考虑重新布置。 4灰色关联评价法 灰色系统理论是华中理工大学邓聚龙教授1982年创立的一门新兴横断学科。它以部分信息已知、部分信息未知的小样本，信息不完备系统为研究对象，通过对部分已知信息的加工，实现对现有系统的正确认识。由于信息不完备系统的普遍性，使得该理论得到了广泛应用，取得了一系列重大成果。 系统的因素分析叫关联分析。既含已知信息，又含未知或非确知信息系统称为灰色系统。评价要素为主观评价指标的系统就是一个灰色系统。因为影响人的主观评价的因素服有像知识、教育、经验这样的已知信息，又含