1、S M E.U S T BHuman Factors 人机工程学人机工程学S M E.U S T BChapter 6 产品设计与人体工程学产品设计与人体工程学 Chapter 6:人机工程学与产品设计人机工程学与产品设计Department of Industry Design第一节第一节 产品设计中人机设计方法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：产品设计阶段需要进行的人体工程设计：准备阶段：准备阶段：（1 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）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。用。（2 2）明确人与产品的关系，确定人与
2、产品关系中各部分的特性及人体）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。工程要求设计的内容。（3 3）根据人与产品的功能特性，确定人与产品功能的分配。）根据人与产品的功能特性，确定人与产品功能的分配。Chapter 6:人机工程学与产品设计人机工程学与产品设计Department of Industry Design详细设计阶段：详细设计阶段：（1 1）从人的生理、心理特性考虑产品的结构形状；）从人的生理、心理特性考虑产品的结构形状；（2 2）从人体尺寸、人的能力限度考虑确定产品的零部件尺寸；）从人体尺寸、人的能力限度考虑确定产品的零部件尺寸；（3 3）从人的
3、信息传递能力考虑信息显示与信息处理；）从人的信息传递能力考虑信息显示与信息处理；（4 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，）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；进行实验；（5 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，）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。见。Chapter 6:人机工程学与产品设计人机工程学与产品设计Department of Industry Des
4、ign第二节第二节 产品设计人机学产品设计人机学手工具及其使用方式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。进工具，仍是值得关注的课题。Chapter 6:人机工程学与产品设计人机工程学与产品设计Department of Industry Design 一、手的运动特征一、手的运动特征（一）手工具与人手解剖（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手指和手部的
5、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，实，因此，手指的屈拢必然靠肌肉从掌心这一边来拉动，上手掌面表层多为上手掌面表层多为“屈肌屈肌”，而手指的伸开，只能是肌肉，而手指的伸开，只能是肌肉从靠肌肉从手背一边来拉动，上手背面表层多为从靠肌肉从手背一边来拉动，上手背面表层多为“伸肌伸肌”。Chapter 6:人机工程学与产品设计人机工程学与产品设计Department of Industry DesignChapter 6:人机工程学与产品设计人机工程学与产品设计Department of Industry DesignChapter 6:人机工程学与产
6、品设计人机工程学与产品设计Department of Industry Design 手腕状态和腕管腕部是一个多自由度的关节，骨关节的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，过这里，穿越骨关节间复杂狭窄的缝隙通往手部。因此，如如果腕关节有较大的偏屈、偏转果腕关节有较大的偏屈、偏转，其间的肌肉、肌腱、血管、，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，严重的就会导致神经就会受到压迫，影响手部、手指话动，严重的就会导致损
7、伤和疾患，如损伤和疾患，如腱鞘炎、腕道综合症腱鞘炎、腕道综合症等。等。Chapter 6:人机工程学与产品设计人机工程学与产品设计Department of Industry DesignChapter 6:人机工程学与产品设计人机工程学与产品设计Department of Industry Design（二）手的运动速度与习惯（二）手的运动速度与习惯手完成动作的一般速度是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。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。从上往下比从下往上的速度快。3.水平方
8、向的前后运动，比左右方向的运动速度快，旋转运动较直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。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。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。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。比。7.顺时针方向的操作动作，比逆时针方向动作快。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
9、度快。单手操作比双手操作的精确度高而且速度快。Chapter 6:人机工程学与产品设计人机工程学与产品设计Department of Industry Design（三）手臂的操纵力（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：系。手操纵力主要包括以下方面：1.坐姿操作的操纵力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和左右方向上，
10、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。纵力；在上下方向上，向下的操纵力一般大于向上的操纵力。Chapter 6:人机工程学与产品设计人机工程学与产品设计Department of Industry Design2.立姿操作的操纵力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立姿操作时，手臂的最大拉力产生在肩的下方180和肩上方和肩上方0的的方向上。最大推力产生在肩上方方向上。最大推力产生在肩上方0的方向上。的方向上。Chapter 6:人机工程学与产品设计人机工程学与产品设计Department of Industry D
11、esign3.握力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势手的握力约为自身体重的47%-58%；女子约为自身体重的；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，。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。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
12、减小。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例如某些类型的肌力持续到4min时，就会衰减到最大值的时，就会衰减到最大值的14左右；且肌力衰减到最大值左右；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。所经历的持续时间，对多数人是基本相同的。Chapter 6:人机工程学与产品设计人机工程学与产品设计Department of Industry Design4.坐姿的脚蹬力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。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，由于靠背对接近脚
13、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。之间。Chapter 6:人机工程学与产品设计人机工程学与产品设计Depart
14、ment of Industry Design二、手持式工具设计二、手持式工具设计1.手工具的一般人机学要求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。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。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。使用手工具时的
15、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，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。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。注意照顾女性、左手优势者等群体的特性和需要。Chapter 6:人机工程学与产品设计人机工程学与产品设计Department of Industry Design2.手工具设计建议手工具设计建议握持部分不应出现尖角和边缘。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
16、力。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。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。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。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0.4K
17、G。Chapter 6:人机工程学与产品设计人机工程学与产品设计Department of Industry Design三、几种手工具设计三、几种手工具设计(一一)钢丝钳等双握把工具钢丝钳等双握把工具1 1改进铜丝钳形制，使操作时腕部顺直改进铜丝钳形制，使操作时腕部顺直Chapter 6:人机工程学与产品设计人机工程学与产品设计Department of Industry Design工人们长期使用后的不同结果，见下图工人们长期使用后的不同结果，见下图 可见使用手工具中可见使用手工具中保持手腕顺直状态的重要。保持手腕顺直状态的重要。Chapter 6:人机工程学与产品设计人机工程学与产品设计
18、Department of Industry Design2.2.刀、锤、手工钢锯刀、锤、手工钢锯示例示例1 1握柄弯曲的工具，如左图握柄弯曲的工具，如左图示例示例2 2使用老式手弓锯中的问题，如右图使用老式手弓锯中的问题，如右图Chapter 6:人机工程学与产品设计人机工程学与产品设计Department of Industry Design(二二)双握把工具的抓握空间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，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。下图为抓握空间与捏握力之间的关系。Chapter 6:人机工程学与产品
19、设计人机工程学与产品设计Department of Industry Design(三三)旋拧工具的握把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，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：比见下图：Chapter 6:人机工程学与产品设计人机工程学与产品设计Department of Industry Design 好的把手好的把手应应减小掌心的受压强度减小掌心的受压强度，而让大、小鱼际肌承受较，而让大、小鱼际肌承受较大的压力。大、小鱼
20、际肌有良好的减振作用，可缓解震动波向大的压力。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。手掌上肘关节、肩关节的传递和影响。手掌上“虎口虎口”处皮质坚韧，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，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。操作方便，抓握也更轻松。Chapter 6:人机工程学与产品设计人机工程学与产品设计Department of Industry Design（四四)其他几种手工具其他几种手工具1 1避免手指反复的弯曲扳动操作避免手指反复的弯曲扳动操作从手指从手指(通常是食指通常是食指)解
21、剖看，不适于反复的弯曲扳动操作，多解剖看，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。多。Chapter 6:人机工程学与产品设计人机工程学与产品设计Department of Industry Design2 2减少或避免肌肉的静态施力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
22、力状态，却没有完成有用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，则为肌肉的功，则为肌肉的静态施力静态施力。手工具手工具应避免或减少静态施力应避免或减少静态施力，这是关系手工具优劣的重要，这是关系手工具优劣的重要一条。一条。Chapter 6:人机工程学与产品设计人机工程学与产品设计Department of Industry Design直柄、弯柄电烙铁使用的时不同。直柄、弯柄电烙铁使用的时不同。Chapter 6:人机工程学与产品设计人机工程学与产品设计Department of Industry Design手工具的使用方式，主要指使用手工具时的姿势、体位。手工具的使用方式，
23、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令人唏嘘感叹、让人凝首深思的镰刀!下图。下图。Chapter 6:人机工程学与产品设计人机工程学与产品设计Department of Industry Design3 3使负担准确控制的肌肉和用力较大的肌肉互相分离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，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钻孔时，
24、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。压，操作就方便了。Chapter 6:人机工程学与产品设计人机工程学与产品设计Department of Industry Design四、把手设计四、把手设计（1）直径）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
25、径是：着力抓握是：着力抓握30-40MM，精密抓握，精密抓握8-16MM。Chapter 6:人机工程学与产品设计人机工程学与产品设计Department of Industry Design（2）长度）长度 把手长度主要取决于手掌宽度，掌宽一般在把手长度主要取决于手掌宽度，掌宽一般在71-97MM之间。因此合适之间。因此合适的把手长度为的把手长度为100-125MM。Chapter 6:人机工程学与产品设计人机工程学与产品设计Department of Industry Design（3）形状）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，则指把手的截面形状。对于着力抓握，
26、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。矩形，这样也可以增加工具放置时的稳定性。Chapter 6:人机工程学与产品设计人机工程学与产品设计Department of Industry Design（4）弯角）弯角最佳角度为最佳角度为10左右。左右。Chapter 6:人机工程学与产品设计人机工程学与产品设计Department
27、of Industry Design（5）双把手工具）双把手工具双把手工具的主要设计因素是抓握空间。双把手工具的主要设计因素是抓握空间。Chapter 6:人机工程学与产品设计人机工程学与产品设计Department of Industry Design（6 6）顾及女性，左手优势者等人群的需要）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。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，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，利者都便于使用，Chapter 6:人机工程学与产品设计人机工程学与产品设计Department of Industry Design谢谢 谢！谢！放映结束放映结束 感谢各位的批评指导！感谢各位的批评指导！让我们共同进步让我们共同进步
