基于人机工程学的冲击钻设计研究

2021-03-24 11:07杨猛黄璇
工业设计 2021年2期
关键词:人机工程学

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

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