便携式塑料水杯的人因工程分析与设计

刘俊艳 时蒙蒙 马肖 秦颂

摘 要：为提高便携式塑料水杯的实用性、增强人们对便携式塑料水杯设计的满意度，文中在详细分析了100份调查问卷的基础上，根据人因工程理论对便携式塑料水杯进行了分析与设计。从人因工程的角度，借助主成分分析法，得到影响人们对杯子满意度的色彩、形状、容积等主要因素;采用曲线拟合的方法，对各主要影响因素的详细参数与相应满意的人数进行拟合，预测人们满意度最大时各详细参数的数值;将得到的具体参数值与国家规定的标准范围进行比对，从而从人因工程学角度设计出既符合实用性又符合大众满意度的新型便携式塑料水杯;经过分析得出容量为500 mL，杯口直径为4.8 cm，杯身直径为6 cm，杯身高度为16 cm的水杯是人们较为欢迎的水杯设计参数。人因工程的应用能够较好的提高工艺产品设计的附加值，值得在工业设计领域深度推广与应用。

关键词：人因工程学;便携式塑料水杯;主成分分析法;曲线拟合法

中图分类号：TB 47

文献标识码：A 文章编号：1672-7312（2020）04-0362-07

Abstract：In order to improve the usefulness of portable plastic cups，enhance peoples satisfaction with the design of portable plastic cups，a portable plastic cup was designed by using the human factors knowledge.Based on the detailed analysis of 100 questionnaires，the main affections of peoples satisfaction with cup were set up by using mathematical model to analyze its principal component.The main factors are color，shape，volume.Secondly，the detailed parameters of the main factors of satisfaction with the corresponding number of people was fitted by using curve fitting methods based on the questionnaire，which further detail forecast values for each parameter maximum satisfaction of the people.Finally，the specific parameter values with standard range of national regulations were compared，and based on human factors，a new type of portable plastic cup was designed which is consistent not only with practicality but also with the public satisfaction.The analysis result shows that the water cup with capacity of 500 mL，mouth diameter of 4.8 cm，body diameter of 6 cm and height of 16 cm is a popular design parameter.The application of human factor engineering can improve the added value of process product design，which is worthy of further promotion and application in the field of industrial design.

Key words：human factors;portable plastic cups;principal component analysis;curve fitting

0 引言

人因工程學从人的生理、心理等特征出发，研究人-机-环境系统优化，以达到提高系统效率，保证人的安全、健康和舒适的目的[1]。国内外研究者普遍应用模糊数学、层次分析、系统分析、决策、预测、模拟仿真等方法解决人因问题[2]。杨帆[3]通过调研问卷分析、控制器件选型、控制器件的分类与分级、人机界面几何参数的确定、操纵台布置的人机工程准则等一系列过程设计完成符合人因工程的司机室操纵台;王茜[4]以人因工程学原则和相关工效学标准为依据，创建了一种符合轨道交通控制运营需求的控制中心布局设计方法;曲林川[5]将人因工程学与EON软软件的模拟仿真平台应用到舰船驾驶室布置设计和评价中。赖李李[6]、曹学晨[7]等应用人因工程学对特殊人群使用的智能座椅进行了优化设计，宋海冰[8]、杜训刚[9]和邓方[10]等把人因工程技术应用在多媒体讲台和起重机械的优化设计中。Jean-Yves Dantan[11]应用人因工程设计原理，通过功能行为结构框架和行为模拟改进工业制造系统;黄鹏鹏[12]、田瑾[13]、沈维蕾[14]和祝琳[15]等基于人因工程学，对公交车中座椅结构、扶手高度、车内色彩及空气质量、报站系统及车内环境提出优化建议。

产品设计除满足基本功能需求外，从人因工程学角度将符合让人的生理、心理的因素考虑其中，会提高产品附加值。随着生活消费水准的提升，人们对便携式塑料水杯的要求不仅只关注在其实用性的上，对体现生理特征、心理感受的性能、外观等因素更加重视。

目前，学者们对水杯的研究在塑料水杯制造工艺、塑料水杯安全性、面向特定对象的水杯设计以及智能功能方面有相应的成果。李凝[16]等从工艺方面研究塑料杯的成型;方志清[17]等从水杯使用安全性方面研究塑料杯的溶出物质;顾炎辉[18]等对目标儿童进行研究，分析国内外儿童水杯设计的异同，着重从儿童不同年龄段特质及审美心理、生理方面探讨水杯的设计;Zhang Shengyang[19]、莫慧芳[20]等从单片机技术角度研究了智能水杯的设计;李燕[21]从23位帕金森患者使用水杯的困难中研究适合该病患使用的水杯构造。

学生是便携式塑料水杯的主要消费群体，以上研究中少有从人因工程角度对便携式水杯的研究，为弥补这一不足，通过对100名使用便携式水杯的大学生进行问卷调查，运用人因工程学的基本原理及必要的数学模型，考虑人的生理、心理等因素，对便携式塑料水杯各详细参数进行设计，进而主要面向大学生等青年群体设计出一款新型、简洁的、更适合携带的塑料水杯，使其在上课、工作等学习生活过程中，得到更满意的使用效果。

1 便携式塑料水杯设计分析主要因素

通过对100份调查问卷所得数据进行分析、总结，得到影响水杯设计感的因素是色彩、形状、容积及厚度4个因素（表1）;对于色彩，有38人将其排为第1位，有46%的人将其排为第2位;对于杯形，有36的人将其排在第1位，42%的人将其排在第1位;20%的人将容积排在了第1位，68%的人将其排在第2位;42%的人将厚度排在了第2位。

根据表2可知，色彩、形状、容积3个因素的累计贡献率在α3时已经达到了99.97%，接近于1，所以舍弃最后一个“厚度”因素，选取这色彩、形状、容积3个主要因素来研究（表3）。

根据人因工程学，人通过视觉获得高于80%的信息，而人的视觉生理作用是色彩感觉的必需，色彩可以引起人心理上的反应、压抑、愉悦等感受[23];对于杯子的色彩，文章从杯身的“色调”，色彩的“明度”，色彩的“透明度”3个方面诠释杯子“色彩”这一指标;对于杯形，主要从杯身的高度，杯盖的螺纹设计，杯身的防滑设计3个方面来评价;杯子的容积杯口直径、杯身直径来评价。

2 确定主要因素设计参数

运用曲线拟合方法[24]，详细研究符合大众满意度的杯身色彩明度、杯身透明度、杯盖的螺纹数、杯子的容积及杯身手握处的深高等具体参数。

2.1 杯身色彩的明度的确定

明度是色彩的组成部分之一，是指色彩的明暗程度，与物体表面色彩的反射率有关。对于颜料来说，在色調与纯度相同的颜料中，白颜料的反射率最高，在其他颜色中混入白色，可以提高混合色的反射率，也就是提高了混合色的明度，混入的白色越多，明度越高，而黑颜料却恰恰相反，混入黑色越多，明度越低。在本次的调查问卷设计中，我们一共调查了100名同学，将白色的明度定为0分，黑色的明度定为100分;这里需要特别说明的是，此处明度的分值划分与人因工程学中无色彩系里明度等级的划分不同;因为被调查者并对明度等级的专业知识不足，故采取人们对黑白习惯的评价方式，从0分到100分进行色度等级的划分，白色0分对应人因工程学中无色彩系里明度等级10级（白），100分对应人因工程学中无色彩系里明度等级的0级（黑）;分析得到以下数据，见表4。

通过利用数学工具，编程对表中人数及明度进行曲线拟合。通过做出的散点图（图1）可知，在对其进行4次拟合时，残差值最小，得到的拟合曲线最准确。100位顾客对明度的喜好，由0至100呈横向“s”，先减后增再减。最高点在（53.85，15.07），说明100 位顾客在杯子杯体的明度方面更偏爱的明度为15.07。

2.2 杯身色彩透明度的确定

透明是物质透过光线的性质或情况。通过透明的玻璃窗，我们能看到对面被遮挡的事物。透明度特指矿物透光的能力。文中将透明度从0分到100分划分为不同程度，通过对问卷的数据处理得到表5。

依据问卷统计数据，通过利用数学工具和编程对表中人数及透明度进行曲线拟合。通过分析做出的散点图可知，在对其进行8次拟合时，残差值最小，得到的拟合曲线最准确。8次拟合曲线及残差值散点图如图2所示，100位同学对于杯身透明度的选择，呈不规则的波浪线型。最高点出现在（52.51，18.5）处，这说明100位同学更偏爱杯身透明度为18.5的杯子。

2.3 容积的确定

容积是指容器所能容纳物体的体积。在杯子设计中，水杯的容积大小间接体现了水杯的大小。由上文分析可知，水杯的容积大小是影响大家对杯子选择的重要影响因素之一。此次问卷设计中，将杯子的容积分为7个具体数值，通过对调查问卷所得的数据进行分析，得到相应容积所对应的人数，见表6。

通过利用数学工具，编程对表中人数及杯子容积进行曲线拟合。通过做出的散点图可知，对其进行4次拟合时，残差值最小，得到的拟合曲线最准确。4次拟合曲线及残差值散点图如图3所示，曲线刚开始升高较快，随后达到最高点后开始缓慢下降，所以随着杯子容积的增加，对应的人数先增加后减少，在容积为541.3 mL时，人数达到最大值。即此时的杯子容积的大小符合大多数人的需求喜好。

2.4 杯口直径的确定

杯口的直径影响使用者在喝水时水杯的倾斜程度。相同倾斜程度下，杯口过大，杯中水易洒出，杯口过小，水杯内壁不易清洗。通过对100位顾客的问卷调查，得出了以下数据，见表7。

依据问卷统计数据，通过利用数学工具，编程对表中人数及杯口直径进行曲线拟合。通过做出的散点图可知，对其进行5次拟合时，残差值最小，得到的拟合曲线最准确。5次拟合曲线及残差值散点图如图4所示，100位顾客对杯口直径的选择是近似呈二次函数分布的。最高点为（4.856，35.48），这说明，100位顾客在购买杯子的时候更偏向于选择杯口直径为5 cm的杯子。

2.5 杯身横截面的直径的确定

杯身横截面的直径大小，是杯子形状的重要 影响因素之一，同时影响着大家使用杯子时的手感。杯身横截面的直径过大，则在手握水杯时，会使人感到吃力，长时间手握，容易感到疲劳。杯身横截面的直径过小，则在手握水杯时，需要用力握紧，以防滑落，此时也会增加人手握杯子时多承受的负荷。在此，将杯身横截面的直径大小分为7个数值，通过对问卷得到的数据进行分析，得到大家满意的直径大小。杯身直径及相应人数见表8。

通过利用数学工具，编程对表中人数及杯身直径进行曲线拟合。通过做出的散点图可知，对其进行二次拟合时，残差值最小，得到的拟合曲线最准确。二次拟合曲线及残差值散点图如图5所示，随着杯身横截面直径大小的增加，对应的人数先增加后减少，在杯身直径为6.244 cm时，对应的人数达到最大值;所以杯身直径为6.244 cm时，符合被测者大多数人的喜好。

根据人因工程学抓握空间参数（图6），建议没有把柄的杯子的大小一般说来直径在65 mm左右比较合适，从人的平均身高在170～175 cm之间，人们的能握住的手掌长度一般是在200 mm左右，而握起直径在65 mm左右的杯子是比较合适的;从杯子的视觉上来说，杯子的高度在160 mm左右对杯子的视觉观赏性是比较好的尺寸，符合人因工程学的要求。

2.6 杯盖的螺纹数的确定

在对便携式塑料杯进行人因工程设计时，杯盖的螺纹数一定程度上影响着大家使用杯子时所需消耗的体力及使用杯子时的满意度。若螺纹数较多，则在拧开杯子或拧紧时，需要花费的时间及力气较大，使得大家使用时的满意度较低。若螺纹数较少，则杯盖在拧紧后，容易松开，影响杯子使用的方便性，同时也存在着一定的安全隐患;盛装热水时容易洒出，烫伤使用者，因此，不符合人因工程设计的原则。

同时，杯盖螺纹数跟水杯的防漏设计也有紧密联系。如果水杯的杯盖设计不够严密，则杯子就会漏水，为了防止漏水可以增大杯盖和杯身的紧密连接性，有的水杯设计在杯盖上有4个小爪，可以更好的抓紧杯身，密封性能好，保温性能强，而多数防漏水设计则采用在杯帽上采用螺纹设计，在旋转杯盖时以增大杯盖与杯身的连接性以达到防漏水设计。为此，通过调查问卷，寻求既符合人因工程设计原则的、又满足大众需求的杯盖螺纹数。分析得到螺纹数与对应人数（见表9），随着螺纹数的增加，相应的人数先增加后减少，当杯盖的螺纹数为3.174时，此时对应的人数最多，通过查阅相关文献，此时该螺纹数符合人因工程设计中的安全性原则，因此，当螺纹数为3.174个时，既符合大眾的需求，也符合人因工程设计的原则。

通过利用数学工具，编程对表中人数及螺纹数进行曲线拟合。通过做出的散点图可知，对其进行5次拟合时，残差值最小，得到的拟合曲线最准确。5次拟合曲线及参差值散点图如图7所示。

2.7 手握处防滑设计曲线拟合

从杯子的自身构成上来说，杯子外壁的中间部分和杯子盖子不得过于光滑。一般都是握住杯子外壁的中间位置，当有时人不小心把杯盖扭得过紧时，如果盖子外壁太过于光滑，那么人们就要很费力的才能打开杯子的盖，按照杯子的人机工程学上的关系，在杯盖和杯子的中部外壁装饰出游一些凹凸圈的纹理，或者采取特别的凹凸装饰设计，增大手掌与杯身的摩擦力。

文中采用的是水杯杯身为曲线型弯曲状以增大摩擦力，而且杯身的弧度，使手能更好的握住杯身，所以手握处横截面半径与手握处距杯底高度之比，在很大程度上影响着杯子的形状以及使用时的手感。当其比值为0时，表示杯子为直筒式设计，杯身并未向内凹陷，此时手握杯子需要较大的握力。当其比值较大时，表示杯身向里凹陷，类似葫芦形，手握杯子喝水时，较为省力。通过对问卷的数据进行分析，得到该比值与人数的相关关系表，见表10。

通过利用数学工具，编程对表中人数及比值进行曲线拟合。通过做出的散点图可知，对其进行8次拟合时，残差值最小，得到的拟合曲线最准确。8次拟合曲线及残差值散点图如图8所示，喜欢直筒式杯身设计的人数为10人，当比值为0.003 78时，满意的人数最多。随着比值的继续增加，相应的人数逐渐递减。因此，得到符合大众需求的比值为0.003 37。

3 总体设计

结合人因工程的有关数据，及曲线拟合分析，设计出的新型便携式塑料水杯如图9所示。得出比较符合大家的要求的杯子的尺寸的基本数据为：容积550 mL，杯身直径为6 cm，杯身高度为19 cm，杯口直径为4.8 cm，杯口螺纹数为3个，手握处弧度为0.3 cm，且手握处离杯底高度为10 cm。

4 结论

1）以大学生常用的便携式水杯为研究对象，从人因工程学的角度为便携式水杯设计提供了一种设计思路，并根据数据分析得出一组被大学生消费者关注便携式塑料杯子设计指标与相应参数，以期为相似产品设计提供一定的参考。

2）人因工程的应用提高产品附加值。产品设计过程中应以人为本，充分考虑人的因素;充分分析消费群体的心理喜好，以及人的身体生理特性，利用人因工程学人体测量的数据支持产品设计，增加产品附加值。

3）人因工程学助力产品升级。随着社会发展，技术的创新，人的基本需求发生了变化，人们对产品的需求从基本的功能性需求向舒适、可靠、安全、美观、品味等多方面需求的满足转变，人因工程学为工业产品设计提供了将产品与人有机结合的方法与思路，除了增加产品使用价值外，其广泛应用更将推动工业设计行业的产品与设计升级。

参考文献：

[1] 冯 阳.与时俱进的人类工效学[J].南京工业大学学报（社会科学版），2004（04）：71-76.

[2]郭 伏，孙永丽，叶秋红.国内外人因工程学研究的比较分析[J].工业工程与管理，2007（06）：118-122.

[3]杨 帆.HXD3D型电力机车司机室操纵台人因工程设计[D].大连：大连理工大学，2018.

[4]王 茜.基于人因工程的轨道交通控制中心布局设计研究[D].北京：北京交通大学，2018.

[5]曲林川.交互式舱室人因工程布置仿真设计研究[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2019.

[6]赖李李，魏鹳蓉，张 娜，等.基于人机工程学的多功能残障人轮椅设计与仿真[J].人类工效学，2019（02）：54-61.

[7]曹学晨，闫 龙，张 鸿，等.基于人因工程学的智能座椅设计[J].科技与创新，2019（03）：21-24.

[8]宋海冰，林 怡，洪增强.基于人因工程学的新型多媒体讲台优化设计研究[J].科技与创新，2018（22）：124-125.

[9]杜训刚.人因工程学在起重机械设计中的应用[J].内江科技，2020（03）：21-22.

[10]邓 方.金属带锯床人机工程设计与应用研究[J].技术与应用，2020（01）：150-151.

[11]Jean-Yves Dantan，Ismail El Mouayni，Leyla Sadeghi，et al.Human factors integration in manufacturing systems design using function-behavior-structure framework and behaviour simulations[J].CIRP Annals-Manufacturing Technology2019（68）：125-128.

[12]黄鹏鹏，伍松松. 基于人因工程的公交车内设施环境分析与改善[J].人类工效学，2015，21（05）：62-66.

[13]田 瑾，冯国红.人因工程在哈尔滨公交车上的应用[J].森林工程，2013，29（03）：108-109+127.

[14]沈维蕾.基于人因工程学的座椅设计与评价[J].机械工程师，2005（10）：72-73.

[15]祝 琳.人因工程在校车内设施环境中的应用[J].技术与创新管理，2018（05）：537-542.

[16]李 凝，宣仲义，黄 生.基于CAE技术的塑料水杯注塑模设计及成型分析[J].机械工程师，2017（01）：30-33.

[17]方志青，林 野.气相色谱-质谱法测定塑料水杯浸出液中16种邻苯二甲酸酯[J].食品与机械，2014（02）：78-80.

[18]顾炎辉，何 潇，基于用户分析的儿童水杯设计[J].工业设计，2019（07）：51-52

[19]ZHANG Sheng-yang，ZHOU Jia-le，GUO Zong-hao，et al.Design of an intelligent drinking cup[J].Artificial Intelligence and Robotics Research，2019，8（02）：83-89.

[20]莫慧芳.基于STM32單片机控制的智能水杯设计[J].自动化技术与应用，2019（08）：139-143.

[21]李 燕.试论帕金森患者使用的水杯构造和使用方略[J].医学食疗与健康，2019（06）：281-281.

[22]王小娟.基于主成分分析法的西藏文化产业社会效益评价研究[J].西藏民族大学学报：哲学社会科学版，2019（01）：23-31.

[23]郭 伏，钱省三.人因工程学[M].北京：机械工业出版社，2007.

[24]刘利敏，吴敏丽.基于Matlab的最小二乘曲线拟合[J].福建电脑，2019（08）：9-12.

（责任编辑：张 江）