人机工程学
——手动工具分析艺术与设计学院工业设计系产品方向091班陈瑾艺
摘要：
使用工具进行生产，是人类进化的标志，手动式工具是人类四肢的扩展。

人们在工作、生活中一刻也缺少不了工具，使用手动式工具可以完成危险的、困难的工作。

然而使用的工具大部分还没有达到最优的形态，人们在作业或日常生活中长久使用设计不良的手握工具和设备，造成了很多身体不适、就损伤与疾患，降低了生产率，甚至使人致残，增加了人们的心里痛苦与医疗负担。

因此，工具的适当设计、选择、评价和使用是一项重要的人机工程学内容。

本论文结合手握式工具操作的特点, 综合分析了手握式工具的人机因素和人机特性, 论述了手握式工具人机特性分析的必要性。

关键词：手动式工具，人机因素，合理性。

导论：
手动式工具是日常生活中经常接触到的产品，然后很多手动式工具的设计都不符合人机工程学原理，在人性化设计上做的远远不够，论文针对手动式工具存在的主要问题进行论述，深入剖析存在的问题，并提出一些改进设计的方案。

正文：
一、手动式工具的使用要求
手动式工具的设计看上去很小，其实要做到真正意义上的方便，使用，人性化。

有很多地方都要考虑。

从人机工程学角度，从安全性角度，心理学角度等，只有这些因素都运用到手动式工具的设计当中，才能称得上是一个完善的设计。

下面重点从人机工程学角度考虑手动式工具的设计。

1.手动式工具必须满足一下基本要求，才能保证使用效率：
（1）必须有效地实现预定的功能。

（2）必须与操作者身体成适当比例，使操作着发挥最大效率。

（3）必须按照操作者的力度和作业能力设计，所以要适当地考虑到性别、训练程度、和身体素质上的差异。

（4）工具要求的作业姿势不能引起过度疲劳。

2.手动式工具设计需考虑的解剖学因素
（1）避免静肌负荷。

使用工具时，臂部必须上举或长时间抓握，会使肩、臂以及手部肌肉承受静负荷，导致疲劳，降低作业效率。

在使用是尽可能让手臂处于较自然的水平状态，减少抬臂产生的静肌负荷。

（2）保持手腕处于顺治状态。

手腕顺直操作时，腕关节处于正中的放松状态，但当手腕处于掌屈、背屈、尺偏等别扭的状态时，就会产生腕部酸痛、握力减小，如长时间这样操作，会引起腕道综合症腱
鞘炎等症状。

一般认为，将工具的把手与工作部分弯曲10°左右，效果最好，弯曲式工具可以降低疲劳，较易操作。

（3）避免掌部组织受压力。

操作手动式工具时，有时常要用手施相当的力。

如果工具设计不当，会在掌部和手指处造成很大的压力，妨碍血液在尺动脉的循环，引起局部缺血，导致麻木、刺痛感。

好的把手设计应该具有较大的接触面，使压力能分布与较大的手掌面积上，减小应力；或者使压力作用于不太敏感的区域，如拇指与食指之间的虎口位置。

（4）避免手指重复动作。

如果反复用实质操作扳机式控制器时，就会导致扳机指，扳机指症状在使用气动工具或触发式电动工具时常会出现。

设计时应尽量避免食指作这类动作，而以拇指或指压板控制代替。

二、手动式工具的人机学分析
人机工程是研究各种工作环境中人的因素、人和机器与环境的相互作用、工作及生活中怎样统一考虑工作效率、人的健康、安全和舒适等问题。

1.在许多场合中, 操作人员需手持工具持续工作较长时间。

为避免疲劳, 应充分考虑到人机关系之间的协调:
(1) 操作活动应在手的最佳活动范围内完成。

(2) 重复作业时避免局部疲劳。

(3) 避免静态施力。

肌肉施力不大于最大肌力的50%。

(4) 在施力时避免冲击力, 避免手指重复动作。

(5) 避免掌部组织受压力。

操作手动式工具时, 有时常要用手施相当大的力,如果工具设计不当, 会在掌部和手指处造成很大的压力, 妨碍血液在尺动脉中的循环, 引起局部缺血, 导致麻木、刺痛等。

同时手柄的着力方向和震动方向不能集中于掌心和指骨间肌, 如果掌心长期受压受振, 可能会引起难以治愈的痉挛, 至少易引起疲劳和操作不准确。

因此, 手柄的形状设计应避免手柄形状丝毫不差地贴合于手的握持部分, 尤其是不能紧贴掌心, 操作者握住手柄时掌心处略有空隙, 以减少压力和摩擦力的作用。

图 1 中
(a)、(b)、(c) 3 种手
柄的形式较好, (d) (e)
(f) 3种形式与掌心贴
合面大, 只适合作为
瞬间受力不大的操纵
手柄。

2.手动式工具设计的人机学因素
（1）手动式工具与人手解剖
手动式工具的人机学因素很大程度上取决于人手的解剖。

从两个方面进行分析：
①手指和手部的活动
手指和手部的活动和肢体其他部分的活动一样，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
拉动的力量，而不可产生压力（肌肉属于工程力学中的“柔索”类型）。

若以手指为例，则手指的伸开也好、握拢也好，全靠肌肉的拉力来实现。

因此，手指的屈拢，必然是肌肉从掌心这边拉动的结果；而为使手指伸开，只能是既然从手背一边拉动的结果。

图1是从手掌面一侧看到的肌肉，因此位于表层的肌肉多为“屈肌”，如图中文字所注。

图上也标注有少数几个“伸屈”，那都不是在手掌一侧的表层、而是位于下层（深层）的肌肉；因为表层肌肉没有把它们全部遮挡掉而能看到一部分。

图1是从手背一侧看到的肌肉，因此其表层多为“伸肌”，如图中文字所注；仅能看到两条下层的“层肌”。

牵动手指伸屈的肌肉在图2中可以看得更清楚。

手部以腕关节为中心的各方向的偏转活动，也同样是靠肌肉的拉动实现的。

由此可知：第一，受不得活动并非单靠近旁的肌肉所能实现的；第二，这些肌肉重叠交错，如果手臂扭曲、手腕偏屈，是各肌肉束互相干扰，将影响这些肌肉顺利发挥其正常功能。

②手腕状态和腕管
腕部是一个多自由度的关节，骨关节的结果形态复杂；但很多条肌肉、肌腱，以及一条条血管、神经也都经过这里，穿越复杂骨关节之间比较狭窄的缝隙，通往手部，图3。

因此，如果腕关节处于比较大的偏屈、偏转状态，其间的肌肉、肌腱、血管、神经就会受到压迫，影响手部、手指活动，时间长了，便会导致损伤和疾患，如腱鞘炎、腕道综合症等。

正如电缆里面挤满一根根的电线，电缆严重折弯是就要损伤里面的电线。

2.手动式工具的一般人机学要求
除了各自的使用功能和技术条件以外，对手动式工具共同的人机学要求如下：
（1）手动式工具的大小、形状、表面状况应与人手的尺寸和解剖条件适应。

（2）使用时能保持手腕顺直；避免掌心受压力过大；尽量由手部的大小鱼际肌、虎口等部分分担压力。

（3）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”。

使用手动式工具时的姿态、体位应自然、舒适，符合
手和手臂的施力特性。

（4）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，即应该让负担准确控制的肌肉与负担出力较大的肌肉
互相分开。

（5）注意照顾女性、左手优势者等群体的特性和需要。

从不同性别来看，男女使用工具的能力也有很大的差异。

女性约占人
群的48%，其平均手长约比男性短2cm，握力值只有男性的
2/3。

在设计手动工具时，必须充分考虑这一点。

三、手动式工具的改进设计
1．手电钻
手电钻是典型的电动手工具, 在许多场合, 操作者需手握电钻持
续工作较长时间, 应充分考虑到人机关系之间的协调,钻头的受力和手的施力不在同一轴线上,将产生力矩, 此力矩导致施力较大时钻头容易折断。

因此，改变手电钻的持握方式，使操作者在使用时，如果施力较大也不至于将钻头折断。

图2 持握手电钻的方式较为合理。

图1不合理的手电钻持握方式
图2合理的手电钻持握方式
2.钳子
钳子是日常生活中经常接触到的手动工具，然而很多钳子的设计
都不合理，存在很多问题。

从人机学的角度分析，长时间握物或连续用力，能造成手部疲劳，并使手指失去灵活性。

对此，驱动工具的用力要尽量小些，以减轻手指的疲劳。

应降低手柄多握紧程度的要求，防止打滑。

尽量使用弹簧复位工具，可减轻手或手指的负担
改进后的设计
四、结语
手握式工具在人类社会中起着至关重要的作用。

它的人机工程学分析与研究对提高产品的可用性有着很重要的意义。

对手动式工具的设计必须分析与其有关的人机因素和人机特性，这对提高操作者的工作效率、保证操作者的身心健康是相当重要的。

人们常说,设计就是创造更合理的生活(生存、使用)方式。

“更合理的使用”就是要求产品的设计创新,还要符合人机工程学的原理,更好地满足人们的生理需求和心理需求。

因此，人机工程学在手动式工具这类产品中有着广阔的应用前景。

参考文献:
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