人机工程学在手工具设计中的应用

摘 要：手工具的发展历史可追溯到原始人的时代，古代有句名言叫做“工欲善其事，必先利其器”，意思就是说工匠要想把工作做好，一定要先让工具锋利。但手工具的进步总体来说落后于人类文明的进程，一些老式工具使用不便、工效不高，长期使用容易导致疾患。所以人机学的方法，综合工程技术、解剖学、生理学、心理学、人体力学等多学科的知识，研究和改进手工具是我们人类文明进步的一大课题。

关键词：人机工程学；手工具；使用方式

一、人机工程学概念

（一）概念

关于人机工程学的概念众多纷纭，谈到人机工程学总会提及国际人机工程学学会（IEA，Internatiional Ergonomic Association）在20世纪60年代对人机工程学下了定义：人机工程学研究人在工作环境中的解剖学、生理学和心理学等方面的因素；研究人、机器及环境的相互作用；是研究工作、生活与闲暇时人的健康、安全、舒适和工作效率的学科。这个定义的三句话，分别阐明了人机学的研究对象、研究内容和研究目的。第一句话指出人机学的研究对象，是工作环境中的解剖学、生理学、心理学等方面的因素。单就工业设计的三类设计而言，产品是给人用的、视觉传达是供人看的、环境是为人在其间生活、工作的，当然三类设计都涉及到人的解剖学、生理学、心理学等因素，它们便是人机学的研究对象。第二句话指出人机学的研究内容，是人-机-环境的最佳匹配、人-机-环境系统的优化。第三句话指出人机学的研究目的：就是设计一切器物都要考虑人们生活、工作的安全、舒适、高效。但不论怎样讲，人机工程学的目的就是要达致系统功效优化、人们生活工作安全、舒适、高效的目的。但凡万物总有限定条件，人机工程的目标虽理想，但也不可脱离实际，其是在限定条件下来提高“安全、舒适、高效”的程度。例如，把我国火车所有硬座都改为卧铺，安全、舒适方面就会大为改善，但现在并没有这样做，为什么呢？这是因为还有其他条件的约束。于是，我们通过提高车速这样的方式来改善现有的问题，这样就衍生了高铁、动车。

（二）人机工程学研究的重要性

社会的发展、技术的进步、产品的更新换代等一系列社会与物质的因素，使人们在享受物质生活的同时，更加注重产品在“方便”、“舒适”、“可靠”、“价值”、“安全”和“效率”等方面的评价，也就是在工业设计中常提到的人性化设计问题。所谓的人性化产品就是包含人机工程学因素的产品。那么，人机工程学在产品设计中的重要作用主要包括哪些？具体来讲主要包括五个方面：首先为工业设计中考虑“人的因素”提供人体尺寸参数；其次为工业设计中“物”的功能合理性提供科学依据；第三，为工业设计中考虑“环境因素”提供设计准则；第四，为进行人-机-环境系统设计提供理论依据；最后，为坚持以“人”为核心的设计思想提供工作程序。

手是人体进行操作活动最多的器官之一，人的手具有很强的灵活性。手用工具是人们工作、生活中必不可少的，但其造型、材料等因素很多都不符合人机工程学原则，让人无法安全高效地操作。事实上，有许多传统工具已经不能满足人们的需求了。人们在作业或日常生活中长久使用涉及不良的手工具和设备，会造成很多身体不适、损伤和疾患，降低了生产率，甚至使人致残，增加了人们的心理痛苦与医疗负担。所以，从人机工程学角度进行手用工具设计显得十分重要。

二、手工具的一般人机工程学要求

（一）手工具与人手解剖

手工具人机学因素重点在人手的解剖，简介几种手工具涉及的两方面基本知识如下：

1.手指与手部的活动

手指的伸屈、抓握，手部的偏屈、转动都是由肌肉力量带动的。而肌纤维只能产生拉力，不能产生压力。因此，手指的屈拢，是肌肉从掌心这一边拉动的结果；手指伸开，是肌肉从手背一边拉动的结果。手腕个方向的偏转活动，同样靠肌肉拉动来实现，由此，首先手部的活动由手连到前臂、上臂、肘关节的多束肌肉、肌腱群牵动才得以实现；其次这些肌肉重叠交错。若手臂扭曲、手腕偏屈，使各肌肉束相互干扰，将影响肌肉发挥其正常功能。

2.手腕状态和腕管

腕部是多自由度的关节，骨关节的结构复杂，很多条肌肉、肌腱、血管、神经都经过这里，穿越复杂骨关节间狭窄的缝隙，通往手部。因此腕部关节如果收到较大程度偏屈、偏转，其间的肌肉、肌腱、血管、神经会受到压迫，影响手部、手指活动。时间久了，就会引起手部疾患，如腱鞘炎、腕管综合征。

因此，好的手工具设计应该避免使用者手部出现以上两种状况。

（二）手工具的种类

市场上的手工具种类繁多，总体来讲，大致分为以下几种：钢丝钳等双握把工具、刀锤手工钢锯、旋拧工具、其他几种手工具。下面就这几种手工具的人机工程学因素予以分析。

（三）手工具的人机工程学要求

（1）钢丝钳等双握把工具。①改进钢丝钳人机界面，使操作时腕部顺直。钢丝钳的人机界面是指与人手接触部位的部分，如钢丝钳握把部分，传统尖嘴钳或钢丝钳的钳把为对称形，使用时手腕呈尺侧偏状态。使用的舒适性差别很大。有实验证明使用改进后钢丝钳的工人中，出现腱鞘炎症状者就少于传统钢丝钳的工人。可见使用手工具时保持手腕顺直的重要。②双握把工具的抓握空间。钳子、剪子这类双握把工具，应使抓握空间的大小与手的尺寸和解剖适应。两握把大体平行者，间距以50mm-60mm为佳。握把成一定夹角者，适合女性的抓握空间为60-80mm，适合于男性的为70-90mm。

（2）刀、锤、手工钢锯。用普通直柄的刀裁纸时，手腕需要“掌侧屈”；用直柄手锤敲击的时候，锤头接触物体时手腕呈“尺侧偏”。让刀把与刀刃、锤把与锤头成一定角度，即可缓解使用时手腕的偏屈。

（3）旋拧工具。①手工具的把手多为圆柱形，用力大者直径要大，常取30-40mm，手指捏握精细操作的，直径宜小，常取8-16mm。②螺钉旋具这类工具，为加大旋拧力矩，把手外轮廓应有凹凸槽纹。③手掌上布满尺动脉、桡动脉等血管与神经，掌心持续受压，妨碍血液循环，造成局部失血，会引起麻木与刺痛感。好的把手应增大手掌受压面积，减小掌心的压强，让大、小鱼际肌承受较大的压力。另外拇指食指间的虎口皮质坚韧，适于承受力量。

（4）其他几种手工具。①避免手指反复弯曲扳动操作。指屈肌和指伸肌的力量较小，反复弯曲、伸直用力后即难以灵活，长期使用手指（通常是食指）弯曲扳动工具，会导致手指的疾患。②避免或减少肌肉的静态是否能避免或减少静态施力是评价手工具优劣的重要标准，传统旋拧工具，旋拧力矩靠手与把手间的摩擦力形成，手必须紧紧握住把手，肌肉是在持续施力，数以静态施力。而使用改进后的旋拧工具（拇指虎口处施力）消除静态施力，因此优于前者。以上分析了四种手工具的人机工程学要求，生活工作中我们可随处发现设计不合理、不人性化的手工具，我们大可应用人机工程学理论将其改造为符合我们心理、生理需求的工具。③使准确控制和用力大的肌肉分离让一束肌肉又要准确控制动作又要出大力，是很难的。就像我们剁排骨，一到下去没有剁开，再使劲剁第二刀，想让刀准确落在第一道的口缝里，很不容易。把准确控制和用力大的肌肉分离后就容易了。将刀放置在排骨缝里，再举锤用力击打刀背。④顾忌女性、左手优势者等人群的需要。顾忌女性的需要是指工具的尺寸、操纵力与女性身体条件相适应，进一步考虑造型符合女性审美特点。适合左手优势者的工具有两种：一种是左手专用品，另一种是通过简单变换，让右利者都便于使用的工具。

三、手工具的使用方式

手工具的使用方式主要是指使用手工具时的姿势、体位。

我国的收割麦子专用工具——镰刀。用镰刀割麦是极为苦累的一件事情。烈日当头、灰土扑面、90°弯腰。其实用镰刀割麦子耗费的体能并不大，累就累在弯腰弓背的劳动姿势上，由此，无论手工具设计的如何宜人，都需要有一个合适的使用方式。应当值得深思的是：镰刀收割如此苦累，为什么几千年来没有得以改进？中国古籍中《考工记》、《天工开物》中比收割推铲复杂的器物比比皆是。为什么这样这样简单的器物使用方式没有得以改进，这与我们传统的使用方式束缚作用有关，弯腰弓背的使用方式，既然从来如此，似乎也就本该如此，成为一代代的桎梏，因此，冲破固有使用方式的牢笼，常是迈向革新广阔天地的关键一步。

其实，并不局限于镰刀，其他不少的工具同样如此。使用直柄电骡铁的工人，耸肩提肘，肩部肌肉处于紧张状态，容易酸痛，难以持久。将电骡铁的把手改成弯折形的，工作姿势就改观了，肩部自然松弛下垂，舒服很多，在我们生产车间中经常会见到电动螺钉旋具，手持操作吃力，拿起放下和对准位置操作困难。在先进的生产线上，将这类工具用弹性吊索吊挂在工作台上空，有效地减轻了劳动强度，提高了工效。在这个例子里工具本身并没有改变，改变的只是使用方式。

四、小结

手工具的大小、形状、表面状况与人手的尺寸和解剖条件适应。使用时应保持手腕顺直；避免掌心受压过大；尽量由大小鱼际、虎口等部位分担压力；避免手指反复弯曲扳动操作，避免手部静态施力，保持使用时体位自然、舒适；不让同一束肌肉既进行精确控制又出很大力量；照顾女性、左手优势者等群体的需要。

由此，手工具的改进不仅涉及工程技术更涉及到解剖学、生理学、心理学、人体力学等多学科的知识。

参考文献：

[1] 史喜珍. 人体工程学在工业产品设计中的应用 [J]. 机械工程与自动化. 2004 （01）

[2] 马泽群. 浅析工业设计中的人机工程学 [J]. 成都纺织高等专科学校学报. 2003 （01）

[3] 阮宝湘.《工业设计人机工程》 [M]. 北京理工大学. 2013 （07）

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