人机工程学与产品设计

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,Chapter 6:,人机工程学与产品设计,Department of Industry Design,Human Factors 人机工程学,Chapter 6 产品设计与人体工程学,第一节,产品设计中人机设计方法,产品设计阶段需要进行的人体工程设计：,准备阶段：,（1）考虑产品与人及环境的全部联系，全面分析人在系统中的具体作用。,（2）明确人与产品的关系，确定人与产品关系中各部分的特性及人体工程要求设计的内容。,（3）根据人与产品的功能特性，确定人与产品功能的分配。,详细设计阶段：,（1）从人的生理、心理特性考虑产品的结构形状；,（2）从人体尺寸、人的能力限度考虑确定产品的零部件尺寸；,（3）从人的信息传递能力考虑信息显示与信息处理；,（4）根据技术设计确定的构形和零部件尺寸选定最佳方案，制作模型，进行实验；,（5）从操作者的身高，人体活动范围，操作方便程度等方面进行评价，并预测还可能出现的问题，进一步确定人机关系可行程度，提出改进意见。,第二节,产品设计人机学,手工具及其使用方式,手工具的进步曾经滞后于人类文明的进程。近代工业设计的观念推动了工具的改善，但应用人机学的方法研究和改进工具，仍是值得关注的课题。,一、手的运动特征,（一）手工具与人手解剖,手指和手部的活动手指伸开、握拢全靠肌肉的拉力来现实，因此，手指的屈拢必然靠肌肉从掌心这一边来拉动，上手掌面表层多为“,屈肌,”，而手指的伸开，只能是肌肉从靠肌肉从手背一边来拉动，上手背面表层多为“,伸肌,”。,手腕状态和腕管腕部是一个多自由度的关节，骨关节的结构形态复杂，很多条肌肉、肌腱，动静脉血管、神经都经过这里，穿越骨关节间复杂狭窄的缝隙通往手部。因此，,如果腕关节有较大的偏屈、偏转,，其间的肌肉、肌腱、血管、神经就会受到压迫，影响手部、手指话动，严重的就会导致损伤和疾患，如,腱鞘炎、腕道综合症,等。,（二）手的运动速度与习惯,手完成动作的一般速度是508000MMS。,1.手在垂直面上的运动速度比水平面的运动速度快，准确性高。,2.从上往下比从下往上的速度快。,3.水平方向的前后运动，比左右方向的运动速度快，旋转运动较直线运动快。,4.手朝向身体的运动比离开身体方向的运动快，但手离开身体方面的准确性高。,5.手从下往上和离开身体方向的运动速度最慢。,6.一般手的运动速度与准确度成正比，最大速度与动作的负荷成反比。,7.顺时针方向的操作动作，比逆时针方向动作快。,8.单手操作比双手操作的精确度高而且速度快。,（三）手臂的操纵力,手操纵力的大小，与人体的姿势、着力部位、用力方向等有直接关系。手操纵力主要包括以下方面：,1.坐姿操作的操纵力,手臂操纵力的一般规律是右手操纵力大于左手操纵力；在前后方向和左右方向上，都是向着身体方向的操纵力大于背离身体方向的操纵力；在上下方向上，向下的操纵力一般大于向上的操纵力。,2.立姿操作的操纵力,立姿操作时，手臂的最大拉力产生在肩的下方180和肩上方0的方向上。最大推力产生在肩上方0的方向上。,3.握力,在两臂自然下垂、手掌内向执握握力器的条件下测试，一般男子优势手的握力约为自身体重的47%-58%；女子约为自身体重的40%-48%。但年轻人的瞬时最大握力常高于这个水平。若手掌朝上测试，握力值增大一些；手掌朝下测试，握力值减小一些。,人体在所有的施力状态下，力量的大小都有持续的时间有关。随着施力持续时间加长，力量逐渐减小。,例如某些类型的肌力持续到4min时，就会衰减到最大值的14左右；且肌力衰减到最大值12所经历的持续时间，对多数人是基本相同的。,4.坐姿的脚蹬力,在有靠背的座椅上，由于靠背的支撑，可以发挥较大的脚蹬操纵力。脚蹬操纵力的大小与施力点位置、施力方向有关，由于靠背对接近水平的施力方向能提供最有利的支撑，所以能够达到最大的脚蹬操纵力。但工作时把脚举得过高，腿部肌肉将难以长久坚持；因此实际与铅垂线约成70的方向才是最适宜的脚蹬方向。此时大腿并不完全水平，而是前端膝部略有上抬，大小腿在膝部的夹角在140150之间。,二、手持式工具设计,1.手工具的一般人机学要求,手工具的大小、形状、表面状况应与人手的尺寸和解剖条件适应。,使用时能保持手腕顺直，避免掌心受压过大，尽量由手部的大小鱼际肌、虎口等部位分担压力。,避免手指反复的弯曲扳动操作，避免或减少肌肉的“静态施力”。使用手工具时的姿势、体位应自然、舒适，符合手和手臂的施力特性。,工具使用中不能让同一束肌肉既进行精确控制，又出很大的力量，即负担准确控制的肌肉，和负担出力较大的肌肉应该互相分开。,注意照顾女性、左手优势者等群体的特性和需要。,2.手工具设计建议,握持部分不应出现尖角和边缘。,手柄的表面质地应能增强表面摩擦力。,手柄不设沉沟槽，因其不可能与所有使用者的手指形状都匹配。,使用时，手持工具手腕可以伸直，以减轻手腕疲劳。,在使用时，由手臂提起产品，并从身边不好提的位置上转换至合适位置的适宜重量不应超过2.3KG。如果过重，前臂肌肉与肩膀就容易疲劳和损伤。要求作用点位置精确的手持式工具，其重量不应超过0.4KG。,三、几种手工具设计,(一)钢丝钳等双握把工具,1改进铜丝钳形制，使操作时腕部顺直,工人们长期使用后的不同结果，见下图 可见使用手工具中保持手腕顺直状态的重要。,2.刀、锤、手工钢锯,示例1握柄弯曲的工具，如左图,示例2使用老式手弓锯中的问题，如右图,(二),双握把工具的抓握空间,双握把工具应使抓握空间的大小与手的尺寸和解剖适应，下图为抓握空间与捏握力之间的关系。,(三)旋拧工具的握把,为得到较大旋拧力矩，螺钉旋具握把的外轮廓应做出凹凸纹槽，纹槽的转折处应光滑圆润不硌手。不同纹槽把手旋拧力矩的对比见下图：,好的把手,应,减小掌心的受压强度,，而让大、小鱼际肌承受较大的压力。大、小鱼际肌有良好的减振作用，可缓解震动波向肘关节、肩关节的传递和影响。手掌上“虎口”处皮质坚韧，可以承受较大的力量。如下图中的改进设计可增大旋拧力矩，操作方便，抓握也更轻松。,（,四)其他几种手工具,1避免手指反复的弯曲扳动操作,从手指(通常是食指)解剖看，不适于反复的弯曲扳动操作，多次反复后容易丧失操作的灵活性，甚至导致手指的疾患。对于下图所示工具，把食指弯曲操作改为拇指按压，使用将便利得多。,2减少或避免肌肉的静态施力,一般来说，操作中肌肉施力做了有用功，肌肉属于动态施力工作或操作中肌肉处于紧张收缩出力状态，却没有完成有用功，则为肌肉的,静态施力,。,手工具,应避免或减少静态施力,，这是关系手工具优劣的重要一条。,直柄、弯柄电烙铁使用的时不同。,手工具的使用方式，主要指使用手工具时的姿势、体位。,令人唏嘘感叹、让人凝首深思的镰刀!下图。,3使负担准确控制的肌肉和用力较大的肌肉互相分离,譬如举刀使劲剁一块排骨，想让第二刀还落在第一刀的口缝里是很不容易的。如下图所示手电钻侧面加了一个辅助小把手，钻孔时，一只手主要掌握方向，另一只手在小把手上使劲往下压，操作就方便了。,四、把手设计,（1）直径,把手直径大小取决于工具的用途与手的尺寸。对于螺丝起子，直径大可以增大扭矩，但直径太大会减少握力，减低灵活性欲作业速度，并使指端骨弯曲增加，长时间操作，则导致指端疲劳。比较合适的直径是：着力抓握30-40MM，精密抓握8-16MM。,（2）长度,把手长度主要取决于手掌宽度，掌宽一般在71-97MM之间。因此合适的把手长度为100-125MM。,（3）形状,指把手的截面形状。对于着力抓握，把手与手掌的接触面积越大，则压应力越小，因此圆形截面把手较好。哪一种形状最合适，一般应根据作业性质考虑。为了防止手掌之间的相对滑动，可以采用三角形或矩形，这样也可以增加工具放置时的稳定性。,（4）弯角,最佳角度为10左右。,（5）双把手工具,双把手工具的主要设计因素是抓握空间。,（6）顾及女性，左手优势者等人群的需要,顾及女性的需要，主要指工具的尺寸、操纵力适合女性的条件。女性专用工具还应考虑其造型符合女性审美特点。,让少数群体左利者也有适用的工具，是社会文明进步的标志，更是人机学工作者的一种职业责任。适合左手优势者的工具有两种类型一种是左手专用品，另一种是通过简单变换让右利者、左利者都便于使用，,