基于人机工程学的冲击钻设计研究

杨猛 黄璇

摘要：冲击钻是一种目前应用比较广泛的手持电动工具，本文运用人机工程学方法对冲击钻的各方面问题进行了研究，深入的讨论人机工程学的基本原理，综合了手握式;中击钻工具的设计规范，对冲击钻的原理进行了研究和分析。以期为冲击钻设计提供一定的借鉴。

关键词：人机工程学;冲击钻设计;使用法分析

中图分类号：TS914文献标识码：A

文章编码：1672-7053（2021）02-0028-02

1 人机工程学概述

人机关系，其主要研究的是“人一机一环境”之间所存在的协调关系，其中需要着重体现“人的因素”这一观念。在设计时，我们需要全面考虑人体结构等尺度数据，并将这些数据有效地运用到产品设计中去，从而设计出适合人体使用尺寸的产品。合适的尺寸关系决定了人机之间是否方便、安全和舒适[1]。通过对冲击钻使用过程中人机工程学的研究，探讨如何设计优化冲击钻，使其适用于不同人群且在使用时更为稳定省力，为操作人员在使用冲击钻时创造一个安全、舒适的体感环境[2]。

2 现有冲击钻现状分析

根据对现代广泛使用的冲击钻进行分析，主要分为四种双臂冲击钻类型，如图1所示，都拥有两个操作手柄。通过模拟使用者的实际操作环境来观察不同类型冲击钻的优异程度：

A：这款冲击钻为常用冲锋枪模式，由于使用时双手朝向一个方向，前手柄会承受一个重力，而后手柄则把控冲击钻的方向，同时给予冲击钻一个推力。使用这类冲击钻时力会相互抵消，最后只剩一个推力作用，所以会比较省力。弊端则是双手作用的手柄在同一方向，操作时会出现不平稳现象，从而造成打孔偏差。

B：这款冲击钻双手的把控方向不同，可以对冲击钻起到更稳定的作用，该冲击钻的优点就是手柄承受的冲击力作用在虎口处，可以减轻手部所承受的静肌负荷，但弊端是作业时通风口处的热风会流向人体手部方向，从而损伤手部的组织结构，并且使用B类冲击钻时需要手腕弯曲，会对手腕造成损伤。

C：这款冲击钻冲击力较于前两种冲击钻的冲力更大，作业时间较短，但需要双手在同一个方向把控，此点对于它自身的结构来说并不合理，人体使用会不平稳，对于人体使用姿势来说，舒适度也会降低。另一点则是冲击钻的后手柄部位，使用时手掌受力，四指按动开关，对于它自身的材质来说，金属材质并没有起到缓冲的作用，容易造成使用此款冲击钻的人受伤。

D：这款冲击钻由双手平衡使用，其所承受的扭矩较大，作业时比较平稳，但冲击钻前端部分太短，在作业环境中很容易遇到阻碍。

通过以上对冲击钻的分析可以得知：A类最省力，B类最平稳，C类冲击力最大，D类操作扭矩最大。所以，我们可以得出结论：冲击钻后手柄的斜度可以使人操作更省力，对手部的作用点会集中在虎口处，从而减轻手部损伤，两个手柄为×、Y轴结构交叉最为稳定，包括对于材料的选择，塑料材质较于金属材质也会很好的保护手部结构，冲击钻前端使用钻头部位的距离长短可以决定其所适用的操作环境[3]。

3 基于人机工程学的冲击钻使用分析

3.1 站姿工作分析

站立式可分为水平作业、向上垂直作业、向下垂直作业三种使用方式分析（如图2）：

1）站立式水平作业：一般表现为墙面等与身体平行的作用，冲击钻钻头对准作业点，一只手手掌握住冲击钻手柄部位，食指按住启动按钮进行作业，另一只手握住前方垂直手柄。人体手臂的力量支撑着冲击钻本身的重力和作业时墙面的反作用力，对冲击钻作业时由身体前倾按压施力，双腿分开，前腿弯曲，使身体重心集中于后腿处。

2）向上垂直作业：一般表现在天花板作用等。这种情况下人体小幅度后仰，左腿顺直，右腿向后弯曲并支撑身体协调作用。作业时头部向上扬起，视线聚焦于钻头部位，同时手臂向上举起冲击钻，手腕向后弯曲并向上按压。

3）向下垂直作业：一般表现在桌面钻孔或者放于桌面的材料钻孔等。操作时身体前倾30度左右，头部随身体向下观测作用点，右肩抬高，右手的前臂与后臂接近在同一水平线上，手腕向下弯曲在控制冲击钻稳定的同时对其施加作用力，手臂弯曲，左手按到作用物上并对物体进行固定，防止操作失误。

站立式使用冲击钻，手部位置所承受的力加重，对于人体本身的不适度也在加强，同时也包括手臂的长时间抬起支撑作用、手腕弯曲的施力作用等。

3.2 弯腰工作分析

弯腰式可分为斜角作业、水平作业、垂直作业三种使用方式分析（如图3）：

1）彎腰式水平作业：使用时冲击钻主轴与墙壁之间垂直，作业时人体腰部弯曲度在60度左右，手部姿势保持相同，手腕保持顺直的情况下，人体前臂与后臂之间呈现夹角，由整体施力作用于冲击钻上。而冲击钻直筒式手柄也可向左旋转90度使抓握姿势更为方便。

2）弯腰式垂直作业：使用时冲击钻主轴与地面作用垂直，身体同样弯曲60度左右，主要作用于地面或者台阶等场景。操作时人体左肩低右肩高，左手手臂顺直操作，右手手臂呈钝角角度。操作时，其双腿岔开略微弯曲，与冲击钻之间形成三角模式。身体向下按压对冲击钻施力作业。

3）弯腰式斜角作业：使用时冲击钻主轴与墙壁呈现夹角，其身体上半身前倾45度左右，使钻头斜对准作业点的同时，腿部也随之弯曲进行身体的协调操作。手部的使用方式相同，但人体手腕处与手臂呈现弯曲角度。由于手腕支撑冲击钻的作用力，从而加大了手腕的压力。

弯腰式对于手腕的作用力增大，不能保持手腕方向的顺直状态，使用产品的舒适度减弱，手指操作困难。

3.3 跪蹲式工作分析

1）跪蹲式水平作业：一般表现为与身体平行的墙面作用，单膝跪地，身体前倾施加压力，右手手臂弯曲置于右膝上方，左手手臂抬高，保持冲击钻主轴与墙面垂直进行作业。

2）跪蹲式斜角作业：一般表现在墙角作业等，人体腿部姿势相同，但身体前倾度要高于水平作业，右手手臂关节处放在右腿腿部膝盖上作为支撑点，右手前臂弯曲呈70度左右夹角，手腕向外伸展作为对冲击钻的施力点，左手手臂放在左腿部位上方，作业时旋转冲击钻直筒式手柄，调整手部握持位置。

3）跪蹲式垂直作业：保持冲击钻与地面方向垂直，身体姿势与之前相同，低头观测作业点，右手手臂弯曲，左手手臂向下方伸展按压，使之共同作用力，且手部施力和冲击钴的重力与地面的反作用力相互进行作业。

跪蹲式在垂直作业下，冲击力作用于手掌的震感加强，长时间操作会使手掌局部酸麻，而平行作业也会对其施力的手腕造成一定程度的损伤，使手腕承受力加大。

4 基于人机工程学的冲击钻设计实践

4.1 设计目标

根据以上对使用冲击钻的分析，我们可以提出两个设计目标，调整产品结构，以及打造符合人机的产品使用舒适度[4]。

1）操作稳定性。操作的稳定与否关系着工作效率，通过提升操作的稳定结构，可以有效地提升工作效率，减小打孔偏差。

2）施力最大化。调节施力面积的大小关乎人体对冲击钻使用过程中的舒适程度，人体对冲击钻的施力面积越大，就越省力，施力面积越小越费力。

4.2 方案分析

根據以上分析的现有产品，调整冲击钻整体结构，在相同环境因素下进行测试评估[5]，如图5所示。

1）左手手柄长度可调，范围初步探讨：因为冲击钻在XY轴交叉式手柄时最省力，所以可以通过调整冲击钻左手手柄长度来适应于不同的人群，通过冲击钻对左手的受力分析可知，将手柄长度调节至左手肩宽位置为冲击钻手柄长度的最大范围，在此范围内，左手前手柄越长越省力。由此，可将冲击钻前手柄设计为不大于人体左肩的长度，可伸缩调节式手柄要比原有产品稳定省力。

2）对右手手柄形状探讨：右手后手柄在以上分析过程中发现，后手柄设有轻微斜度使其右手受力于虎口位置，要比直立式手柄作用于手指的受力对人体的损害度小且更省力。由此可通过设计冲击钻右手手柄的角度，来降低冲击钻对人体右手的损害程度。

5 结语

随着时代的发展和冲击钻功能的改进，使用冲击钻的人群也会发生巨大的变化，针对不同的使用人群，设计制作时也会考虑不同类型使用者的自身特点，通过对人机工程学分析方法研究，以期对冲击钻的设计改进具有指导作用。

参考文献

[1]李慧，基于人机工程学的机械产品设计[D].徐州工程机械研究院，2018

[2]周树霞，人机工程学在手工工具设计中的应用[D].云南艺术学院，2019.

[3]朱宏森，吴群，邹宁.—种冲击钻人机性能快速评价方法[D].浙江理工大学，2019.

[4]杨猛，杜永超，电器产品设计研究[D].沈阳理工大学，2016.

[5]刘传龙，防尘电钻的改良设计[D].南昌大学，2013