基于人机工程学的手持刀具创新设计研究

柳州工学院设计艺术学院 莫红蕾

柳州梵猫设计有限公司 黄洋（通信作者）

深圳市道集工业设计有限公司 龙瑞康

人机工程学是应用系统工程的观点，从系统的高度，将人、机、环境看成是一个互相作用、相互依存的系统[1]。手持刀具作为人们的广泛日常工具，在使用的过程中考虑人、机、环境这三个因素之间的关系，并在其中寻找到某一个平衡点。手持刀具的手柄尺寸、结构、形态、材料等都会影响使用者的操作与舒适度，提高手持刀具的可用性、舒适性具有重要的意义，可以从人机工程学的角度对手持刀具进行创新设计，使手持刀具更为符合操作者的使用，利于人们的健康与安全。

1 人机工程学概述

人机工程学不仅仅研究人的行为，也研究并分析人体感觉器官的生理变化与对人的影响，同时分析劳动工作时的疲劳程度、疲劳点、心理因素等对人的影响。人机工程学在设计学领域的应用十分广泛，通过人机因素的研究，将产品赋予人性化，给用户带来良好的使用效果，提升用户使用产品的舒适性与安全性，让使用者拥有良好的体验。许多产品设计都需要通过人机工程学的分析与研究，进行调整与修正，使产品能够适应人体的客观要素，满足不同情况下不同人群的使用需求。

2 手持刀具设计的现状

手是人体进行操作活动最好的器官之一，手握式工具需要频繁地与人手进行接触和交互[2]。手持刀具的基本功能是可以切开某一样物品。手持刀具主要分为两类：一类是掌握式刀具（见图1），另一类是指握式刀具（见图2）。在生活中掌握式刀具十分常见，如水果刀、菜刀等，此类刀具的主要特征是由手掌各部分肌肉均参与抓握。掌握式刀具的操作一般会由腕部肌肉或者上臂肌肉完成，掌部肌肉主要具有保持工具姿势的作用；而指握式刀具在生活常见的是剪刀、美工刻刀等，指握式刀具是以指球肌作为主要工作面，辅助掌部和前臂其他肌肉共同来完成动作，指握式工具工作时主要表现为手指的运动，肢体活动范围比较小，但工作精度较高[3]。

图1 掌握式刀具

图2 指握式刀具

经过调研发现，目前市面上出现了许多手持刀具的款式，但是从人机工程的角度去分析看，目前的产品仍然存在一些问题：一是，刀具的刀柄设计不符合人体掌心的弧度，在使用时会因为来回的切割运动对掌心产生摩擦，长期使用会感到疲累或者受伤；二是，掌心与刀柄之间不留间隙，手柄与掌心完全贴合，这样能增加掌部的摩擦与压力，使手部感到不适，易产生疲劳；三是，局部细节没有考虑手指的受力，导致在切割运动过程中容易产生疲劳或损伤。

3 基于人机工程学的手持刀具创新设计意义

生活中有各式各样的手持刀具是我们的生活中不可或缺的一部分。同样，人机工程学也是我们生活中不可或缺的一部分，它围绕着我们的产品设计，不断地进行试验、改良，因此基于人机工程学的手持刀具创新设计具有重要的意义。一是，将人机工程学应用于手持刀具创新设计，使手握工具不仅仅满足功能与审美上的需求，同时遵循“机宜人，人适机”的原则；二是，基于人机因素的手持刀具创新设计可以使刀具不再是一件冷冰冰的工具，而是将人作为主导地位；三是，基于人机工程学的手持刀具创新设计，让手持刀具不再是工具，而是一件有故事、有理念、有感情的产品。

4 基于人机工程学的手持刀具创新设计原则

4.1 人机性原则

手是人体重要的肢体部分，很多工作操作尤其是高精度工作操作需要它来完成。所以对于手持式工具的创新性设计，需要从人机工程学的角度进行考虑，设计其尺寸、结构、造型、使用角度等，来减少在长期使用时对手的伤害。根据手的生理特点，手掌有神经和血管，手指节、拇指以下，以及第5 个手指以下厚实肌肉的柔软区域是较为容易受伤的[4]。如果对手掌长期的过重使用或者在使用手指工作中，把压力分布到手指的柔软区域，可能会引起对手上韧带的压迫，增加手的疲劳感或者使手产生麻木疼痛的感觉，影响人们的工作或者劳动时的效率。因此，应避开手部的敏感部分，减少一些手部敏感部分的压力或者接触。

对手持刀具进行设计时，应符合以下原则：

1）最大最小值准则。在测量得出的数据中选用最大或最小的人体尺寸数值来进行具体的方案设计。在手持刀具的设计时，可以根据人体手部的相关测量数据开展造型、结构等设计，同时还应考虑人的手部形态测量、生理测量、运动测量等数据。

2）功能尺寸修正准则。在保证手持刀具功能的同时，可根据用户的人体尺寸进行修正。

3）心理尺寸修正。在进行手持刀具的设计时，还应考虑一些心理因素，如使用刀具时的恐惧心理或者产品的美观度等，并进行尺寸修正[5]。

4.2 安全性原则

从物质方面来说，手持刀具手握部分的材质需更符合用户的健康安全要求，造型外观上满足用户在人机工程学上的舒适度及对美的追求，色彩上满足用户在视觉上的主观感受。从精神层面上看，不同的材质、造型、色彩、肌理可以在一定程度上给人的触觉、视觉感受带来一定的寄托。因此，从手持刀具的材质、造型、色彩上进行创新可以在很大程度上满足用户的心理诉求。

4.3 人性化原则

人性化设计是借着研究人的生活习惯、生理、心理情况，以及人的思维，在实用的基本功能和性能的基础上对用户体验进行优化，是使用户在体验过程中更加舒适、便捷的一种设计理念[6]。在手持刀具的设计中应考虑人性化设计原则，考虑用户的心理、生理需求及精神追求。可以从用户的实际需求出发，在设计中增加贴心的、带有温度的人文关怀，给用户带来更加愉悦、舒适的使用体验，最大程度为用户提供便捷。

5 基于人机工程学的手持刀具创新设计思路

5.1 造型创新设计

造型设计活动自古以来都与产品制造息息相关，它是将人的审美和人对产品功能作用的要求，以现代科学化的生产方式体现在产品上。不同的造型有着不同的视觉感受，不同产品造型风格的选择都是基于前期的市场调查，在了解产品的市场动态、分析用户的喜好后再进行设计活动。因此，新的产品造型设计要在用户的基础上来进行创新设计，手持刀具也不例外。想要在市场上有一定的竞争力，满足用户的需求，实现手持刀具的功能性是一方面，还需要在造型上满足用户的审美。

造型上，手持刀具的设计是可以多样化的，突破传统的造型设计，对手持刀具的本身进行造型的重组、变化及创新，采用多重流线型设计，使其更加具有灵动性。手持刀具的造型主要分为两个部分：一部分是手柄，一部分是刀片。刀片是扁平化的造型，设计的风格可以根据线条的应用来进行。刀片线条的灵活运用所形成的整体感可偏柔，也可偏刚，甚至是刚柔对半。手柄的设计与人息息相关，在设计时应考虑人的需求，再将造型与刀片进行整体化设计。在手持刀具的造型设计上，可选择刚柔对半，既有刀片的坚硬，又有造型的柔，使手持刀具的冰冷感降低，通过柔性的线条修饰使其富有情感因素。这样的手持刀具会在一定程度上吸引用户，在市场上具备一定的竞争力。

从人机工程学的角度来看，手持刀具的造型创新设计满足我们日常生活中的各种习惯、人体活动的范围、人体的运动系统（包含人体的骨骼、关节、肌肉）、手掌尺寸的大小、刀具手柄的舒适程度，贴合手掌的程度、受力点分析等，这些都可以通过造型设计来实现。在设计手持刀具的造型时，要对不同人群的手部尺寸、肌肉、肌腱、血管、神经的受力情况等数据进行测量。如各年龄段人群有很大的力量差异，比如6—11 岁儿童在使用刀具的时候，他们可能会用双手来支持这个行为过程，如一只手握住刀柄，一只手按压住刀背位置，就会使手部的肌肉、肌腱、血管、神经等受到很大的压力，而且手掌的尺寸大小不一，手握手柄的感受就不一样，在使用刀具的时候有可能会产生疲劳。从这个使用行为可以了解到，在进行手持刀具的造型创新设计中要不断地进行测试、完善手柄的形态，使其符合测量数据中的一个阈值。人体的测量方法有两种：接触测量和非接触测量。接触测量即是传统的手工测量。非接触测量是应用计算机和其他复杂设备的测量，可较快地获取大量数据。由于人体尺寸随着不同人群年龄的身体特征存在着一定差异，在设计时需要整理融合很多人体数据来发挥产品的实用性。以下是结合实际测量得出的一组手持刀具姿势时的部分尺寸数据，见表1。

表1 人体手部尺寸及使用角度（单位：mm）

上表也反映了用户在运动系统方面的范围是不一样的，人体的运动系统主要由肌肉、骨骼与关节组成。比如说使用刀具切水果时，手腕活动的角度有很大的区别，是因为握姿与使用力度有差异，当用户切到比较硬的水果或其他物品时，就需要手部肌肉承受很大的压力来支撑，手腕活动的范围可能变大；反之手部肌肉就不需要承受太大的压力，手腕活动的范围就小些。这些人机因素都是进行刀具造型创新设计时需要考虑的。

5.2 材质的创新设计

任何产品的生产都需要原材料，而材料的质感对产品的外观设计起着决定性作用。随着时代的发展，新技术全新材料不断涌现，其中为手持刀具的生产和性能也为人们提供了更多的可能性。不同材质对人的心理感受会产生不一样的影响，每种材质都有着不一样的特征。人们第一眼看到一个物体的时候，第一印象主要来源于产品的外观颜色、形态、图纹，再者就是产品的材质。产品的材质是产品外壳所用材料表现出来的质感，不同的材料其表现出来的材质是不同的，不同材料呈现出的质感会融入人的不同情感，让人产生许多情感上的联想，不同材质的应用给产品赋予了不同的性格。例如，透明材质晶莹剔透、木质材质天然温馨、金属材质时尚科技等。在进行手持刀具的材质设计时，可以尝试不同的材质搭配，如陶瓷刀片+塑料手柄、金属刀片+实木手柄、玻璃手柄+金属刀片等。例如，陶瓷水果刀，主要材料是陶瓷刀片、陶瓷手柄或是塑料手柄。而在众多的陶瓷水果刀中塑料手柄的居多，这是由于塑料相较于陶瓷质量更轻，造型更多样化，色彩更丰富。同时陶瓷刀片相对于金属刀片来说，安全系数比较高，所以陶瓷刀片也会用于儿童使用的刀具设计上。材料的设计同样是需要将群体细分化，根据不同的人群需求选择不同的材质组合，能更好地适应市场的需求。

除此之外，在材料确定后还可以在其材质上增加一些图纹、肌理的设计，主要是对材料进行一些不同工艺的处理，使产品可以呈现出不一样的质感。例如不锈钢刀具，我们会看到很多的不锈钢刀片上有一些纹样的设计。这些纹样或者纹理的设计，不仅可以使食物在切开后可以更好地脱离刀片，同时还可以增加刀具的美观性。不管在功能上，还是造型上都能起到重要的作用，使其质感具有一定的高级感。

5.3 色彩的创新设计

除了通过人体尺寸，设计还需要从人的感觉系统、运动系统方面来研究，感觉系统就是人们的听觉、视觉、嗅觉、味觉等，日常生活中都要靠感觉系统来支撑。视觉是首要位置，用户对产品的第一感觉就是从视觉接受的信息开始的，而视觉第一接收到的信息便是色彩，因此，刀具的色彩设计是极其重要的。

伴随着我国国内经济的高速发展，不同群体的消费需求表现出差异化特征越来越明显，即个性需求特征越来越突出。人们对产品外观的美学价值的认知和认可度也越来越高，而CMF 俨然成为产品颜值的主要表达与呈现[7]。对手持刀具的CMF（即材质、色彩、工艺）的考虑也是节省产品迭代成本的方式之一，而手持刀具的色彩设计是最节约成本的。色彩具有强大的视觉表现效果，色系本身就有着明确的多种情感意义，即冷暖、轻重、光明与黑暗等，运用其无尽联想和象征意义，促进消费者消费。在手持刀具的色彩创新设计中，颜色不应采用高纯度的单一色彩，而应采用多样化色彩来组合或者将温暖的色彩与刀片的锋利相结合。同时，还需要更加注重色彩构成的形式美，使手持刀具的创新设计更加符合用户的审美需求，更好地诠释产品的属性及设计理念。色彩的设计灵感可以来源于大自然，大自然的色彩丰富，也有一定的寓意或者象征意义。从大自然中寻找符合刀具的配色，看起来会更自然、更贴近生活。手持刀具的色彩设计还应考虑与室内环境相和谐。在进行色彩配色之后，还可以给色彩一个感性的命名，如中国红、雾霾蓝、祖母绿、葡萄紫等，感性的色彩命名可以为刀具在市场营销中占有一定的优势。

6 结论

随着科学技术的发展，以及人们对人机工程学的深入研究，为设计师们提供了无尽的设计数据和灵感，潜移默化的影响着现代产品的设计，涉及产品设计的各个方面，迎合用户的喜好，是现代设计师的无尽财富，可以说人机工程学是产品设计的基础。手持刀具是我们生活中使用较为频繁的产品之一，通过考虑人机因素，在造型、结构、尺寸上设计更为合理、舒适，减少用户在长期使用刀具所造成的健康损失是最重要的。面对人们日益增长的需求，还可以通过对手持刀具的材质、色彩、工艺等进行后期的创新设计。总之，产品设计的升级迭代为人们的生活提供了越来越好的物质支持。