基于人机工程学的家用防尘手电钻设计研究

章苏林　钱峰　王文广

摘要：手电钻是电动产品体系中必不可少的一部分，握把的设计就需要符合人体工程学的相关技术数据。本文基于人机工程学原理，通过观察法和访谈法进行调研，优化手电钻使用方式和造型，研究产品在使用过程中的角度变化，调整产品的使用角度。提出一种符合人机使用优化的设计思路，希望其具有良好的人机易用性，对于家用手电钻的设计具有一定的参考价值。

关键词：人机工程学;家用手电钻;防尘;设计

中图分类号：TB472 文献标识码：A

文章编码：1672-7053（2020）07-0159-02

手电钻作为一种常用的电动工具，在设计过程中发挥着极为重要的作用，在解决局部钻孔的问题上有显著的作用。手电钻是电动产品体系中必不可少的一部分。手电钻的握把是一台手电钻的重要配件，握把的设计就需要符合人体工程学的相关技术数据，可以满足使用者在使用过程中快速处理灰尘以及增加作业周期和减缓手部疲劳。

但目前而言，产品造型趋于同质化，防尘功能的添加也过于牵强，并且防尘功能和人机结合的案例研究相对较少，因此将从人机工程学研究出发，尝试研究一种防尘电钻造型设计方案，并通过3D打印制作仿真模型来以此论证其合理性。

1人机工程学概述

人机工程学是把人——机——环境作为基本研究对象，结合心理学等其他相关学科知识，依据机器和人的特点，使机器和人达到一种相对平衡的关系，最終能够形成产生一个合理的人机环境，进而提高工作效率的一门学科。在当代社会，产品的造型往往仅仅只是一种表象，可真正的外观是需要为功能而服务的，是一种以人为基础的设计理念，通过设计优化来提高人与产品的关系，并最终优化用户使用体验。

2基于人机工程学的家用电钻改良设计调研

依据使用电钻的经历，手电钻的握把抓握方式和实用角度会对用户的使用体验产生重要的影响。在使用过程中产品使用者往往需要保持手电钻位置固定，长时间处于一个姿势会使手腕压力增加，手电钻造型的改进和产品重心优化，对整体使用体验具有至关重要的作用。

观察法是最直接发现问题的方式，观察法需要有大量的数据调研作为依据支撑。以五金店为例，观察人们在使用手电钻时的握持姿势，并且针对人群拿握方式的具体数据所得到的统计结果进行分析，以此来找出最适合人体手掌握法的方式，同时观察被访者使用时具体处理灰尘的方式，为接下来的握把和防尘装置设计建立良好的基础。此次的调研主要是由五人组成的团队，样本数量总计100人，采用口述且纸笔记录的方式。

为使所调研用户的样本更加真实，通过访谈的形式调研，调研一共用时两天，并提前在被使用电钻上做好标记方便数据的采集，同时采访受访者询问有关防尘功能的可行性建议，防尘功能建议采集汇总如图1。

在前期的统计中，用户在生活中更趋向于使用收纳装置来解决灰尘问题，通过对用户手电钻握持部位的分析，可以得到一种假设当握住握把前段时，手和电钻处在一种相对平衡的状态，最大程度减少手部压力。进一步分析其产生的根本原因：当手握住前段时手的重心和电钻的重心在一条垂直直线上如图2所示。

综上所述，由于市面上大多数手电钻造型都是相对单一，且防尘功能设计存在缺陷，因此存在改良的空间。在产品的造型方面可以将握把的位置进行调整以及改变握把的倾斜角度使之重心处于一条直线上。关于电钻防尘可以将小型收纳盒安装在握把底部使之达到收纳灰尘的效果。

3基于人机工程学的家用防尘手电钻设计思路

3.1功能设计

家用手电钻使用之后的垃圾处理是一个必须解决的问题，根据前期的调研可以考虑采用手电钻和收纳盒结合的设计方式。设计上在原有的电钻的基础上可以将底端电池处结合口部位进行延伸，延长到和电钻钻头平行的位置，并且在钻头底端加装可伸缩式的滑槽，这样在室内钻孔的过程中从孔洞中落下的灰尘可以顺着滑槽直接滑入收纳盒中，在使用完成后只需要将收纳盒中的灰尘直接倒出即可。

3.2造型设计

手电钻产品的外观可以通过一种简洁的视觉方式来为使用者传递有价值的信息，在满足前者的同时产品的重量和稳定性也是需要考虑的。手电钻过大的体量往往增加手部局部肌肉疲劳，进而增加骨骼挫伤以及肌肉拉伤的风险，导致使用者减少使用工具的时间。通过对此问题的研究，可采用的解决方法是：优化电动工具体量，使其重量少于0.45kg，此外工具在使用过程中应该加装平衡构件，同时平衡装置和产品重心要在一条水平垂直线上。

倘若机身和握把设计不合理，将无法确保使用者手部、手腕和前手臂获得足够的支撑力，从而导致工具无法长时间使用并且保持相对安全的姿势。在使用时考虑到工具的自重和振动，从而导致手部在手腕的受力弯曲，长期使手腕保持弯曲状态将会引起多种的伤害隐患。为了进一步了解相关因素的产生对手部造成的伤害，就必须研究工具在使用的过程中手腕局部受力的具体数据。如图3当手臂的前端被展开时，肱二头肌会使挠骨受力同时顶住肱骨，这样的动作会在关节内部造成摩擦受热。肱二头肌本身是作为前手臂的屈肌，同时也是腕部的向外转肌而存在的，每当前手臂在肘部位置弯曲而手腕向外转动时，手臂会受到工具自重影响而产生肌肉疲劳。除此之外，当在使用到其他种类的电动工具时此动作就必须要求工具操作者要有足够的支撑力，从而确保工具在使用时保持在固定位置。此外，在使用任何电动工具时，往往要求使用者旋转手腕来调节工具方向。多次保持此固定状态将对使用者手腕肌肉和骨骼产生影响。

人手在拿握手电钻时最大手腕可转动角度为30°，根据瑞典阿特拉斯·科普柯公司出版的《当代人体工程学的工具》一书中推荐的最佳角度为70°如图4，因此利用三角形存在30°角的概念便可在设计过程中解决这个问题。

3.3材质设计

由于是面向家庭非专业用户使用的，因此握把的材质可以选用橡胶类有聚苯乙烯能有效防止酸碱腐蚀，并且耐高温具有良好的散热性，大大提高了产品在使用过程中的续航能力，同时机身采用聚乙烯有效减少了产品的自重，减少使用者的疲劳感。

3.4色彩设计

电动工具在人们的常规印象中都是颜色相对单一的，但随着社会的发展电动工具也要满足不同用户的要求，为了增加产品的竞争力，抓住更多潜在的用户群体，打破传统电动工具配色就显得尤为重要。色彩往往可以体现人们的性格和爱好，放到产品当中一款好的产品配色可以激发人们的使用兴趣。

市场上大部分的手电钻机身颜色主要以橙色和黑色为主，橙色、黑色可以给人一种厚重的感觉，暗示用户抓握会更加稳定，随着家用DIY风格的流行，年轻的用户群体更容易接受具有视觉冲击力的配色，因此红色则可以满足年轻用户群体的喜好，同时有科学理论依据表明红色是一种警戒的颜色，可以让用户使用电动工具时更加专注。

4结语

传统设计的手电钻许多都是更加着重工具的专业化和功能性，但随着电钻在家庭生活中的普及，在确保功能的同时垃圾的处理成为了传统电动工具的一块短板。因此在对家用防尘手电钻设计时，主要强化了其垃圾收纳处理能力，旨在让手电钻可以更好满足家庭需求，并对功能、造型、材质和色彩分别进行了改良设计。希望家用手电钻具有更好的人机易用性，为家用手电钻的设计提供一定的借鉴。