家用手電鉆設(shè)計創(chuàng)新中人因工程價值的導(dǎo)入

摘要：研究背景本設(shè)計研究就來源于魯迅美術(shù)學(xué)院工業(yè)設(shè)計實驗研究中心，它是中國工業(yè)設(shè)計領(lǐng)域唯一所國家級實驗中心。在實驗中心設(shè)計人員研究產(chǎn)品創(chuàng)新的方法，將人體功效學(xué)理論導(dǎo)入到產(chǎn)品設(shè)計實踐之中。同時實驗中心擁有三維快速打印設(shè)備、數(shù)控加工中心、平面雕刻設(shè)備等儀器，可以幫助設(shè)計人員使用不同的材料制作概念產(chǎn)品的實驗?zāi)Ｐ汀＿@些實驗?zāi)Ｐ陀糜跍y試產(chǎn)品是否符合人體功效學(xué)的要求。因此，設(shè)計人員在進(jìn)行各項設(shè)計創(chuàng)新時會在實驗中心進(jìn)行各項人機(jī)工效學(xué)實驗。實踐創(chuàng)新家用手電鉆是針對居家使用環(huán)境，為沒有使用電鉆經(jīng)驗的使用者，如婦女、老人也能輕松自如地完成各項操作而設(shè)計的，確保操作安全并輔助使用者解決精確打孔、定位、收納雜屑等操作。通過對了解或熟練操作手電鉆的用戶調(diào)研，發(fā)現(xiàn)以用戶為中心的使用問題，并綜合產(chǎn)品創(chuàng)新性設(shè)計方法提出解決方案。本文試圖通過使用者行為記錄與分析系統(tǒng)，對適用的受試者人群進(jìn)行雙手操作分析、使用姿態(tài)分析、細(xì)節(jié)工作分析、時間與動作研究等人因工程研究；同時通過用戶體驗分析、行為意向分析等方式進(jìn)行使用者主觀感性評估。信息來源家用手電鉆的使用功能、組成結(jié)構(gòu)、形態(tài)造型、色彩、材質(zhì)、細(xì)節(jié)等因素符合易用性評估標(biāo)準(zhǔn)。家用手電鉆有兩個設(shè)計特點，第一個是電鉆前端的透明罩，可以收集打孔產(chǎn)生的灰塵、垃圾，保持工作環(huán)境清潔；第二個是電鉆前端的形狀使電鉆與打孔面完全貼合，可以增強(qiáng)打孔穩(wěn)定性。所以這款手電鉆非常適合于無使用經(jīng)驗者，電鉆在使用時可在打孔面上投射輔助線，幫助用戶進(jìn)行精確打孔和陣列打孔。研究結(jié)果經(jīng)測評得到的數(shù)據(jù)、圖表，并自創(chuàng)了重影疊加方法對研究成果進(jìn)行綜合評估，驗證了家用手電鉆所具有的優(yōu)勢符合易用性使用需求，減少了操作失誤率，增加了使用安全性因素。結(jié)論這款家用手電鉆被命名為“90 Degree”，在2011年獲得德國紅點概念設(shè)計獎，成為了具有代表性的解決多種手電鉆使用困難的優(yōu)秀設(shè)計范例。將人因工程理論導(dǎo)入設(shè)計實踐，用科學(xué)的測評程序與方法來評估產(chǎn)品所具有的價值，而這一過程有利于產(chǎn)品的深入研發(fā)和推廣。

關(guān)鍵詞：家用手電鉆 設(shè)計創(chuàng)新 人因工程價值 行為記錄與分析方法 易用性評估

中國分類號：TB472

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1003-0069（2015）06-0024-04

1 家用手電鉆的設(shè)計簡述

手電鉆是一種便攜式小型鉆孔工具，隨著個性化、DIY在家庭裝飾、裝修中的興起，手電鉆成為了家中必備工具之一。許多女性、青少年、中老年用戶也成為了手電鉆的使用群體，使用現(xiàn)有的手電鉆產(chǎn)品進(jìn)行工作時，經(jīng)常要求佩戴膠皮手套、防塵眼鏡、膠布鞋等裝備；在操作過程中需要注意鉆頭的旋轉(zhuǎn)方向和進(jìn)給方向；加工結(jié)束后不要立即接觸鉆頭，以免燙傷皮膚；對操作中產(chǎn)生的灰塵和雜屑需及時清理，避免進(jìn)入人眼或呼吸道妨礙工作。此外，因操作不當(dāng)、防范措施疏漏、缺乏使用經(jīng)驗經(jīng)常會對使用者造成誤傷，導(dǎo)致工作失敗。為了避免此類問題繼續(xù)發(fā)生，我們的設(shè)計團(tuán)隊利用人因工程學(xué)的理論和研究方法設(shè)計開發(fā)出一種新型的家用手電鉆。圖1為家用手電鉆與普通手電鉆的對比圖。

家用手電鉆的設(shè)計特點如下：第一，鉆頭前面有一個塑料透明罩，可以將作業(yè)過程中產(chǎn)生的雜屑和粉塵收納在罩內(nèi)，隨時倒出清理，防止灰塵、粉末進(jìn)入人眼中或吸入口鼻中，無需再佩戴防護(hù)裝備；為了更好地增加操作穩(wěn)定性，防止灰塵外溢，在透明罩前端的鉆頭出入口處添加了一圈橡膠墊；第二，塑料透明罩的正面與操作面貼合，使鉆頭和操作面形成90。垂直夾角，可以增加操作的穩(wěn)定性和打孔的精準(zhǔn)度，防止錯誤操作造成打孔失誤；第三，電鉆頂面的控制按鈕可調(diào)節(jié)鉆頭的使用方式，電鉆既可以去掉透明罩作為普通電鉆使用，也可以加上透明罩，通過鉆頭伸縮來使用；第四，電鉆可以向打孔面投射打孔基準(zhǔn)點，這樣更容易進(jìn)行定位打孔和陣列打孔；第五，在塑料透明罩上設(shè)有標(biāo)尺，可以輔助測量打孔深度。具體的設(shè)計效果圖如圖2所示。

2 家用手電鉆的人因工程實驗

由于這次人因工程的實驗研究對象為手電鉆，需要研究人的因素主要包括：人體上肢、手部、眼睛視閩等；需要研究機(jī)器的因素主要包括：功能、結(jié)構(gòu)、形態(tài)、色彩、材質(zhì)、細(xì)節(jié)等；需要研究環(huán)境的因素主要包括：家庭環(huán)境。

人因工程實驗的步驟：第一步，設(shè)定測試的內(nèi)容，提出試驗計劃。第二步，邀請三組不同年齡段的使用者，分別為13—25周歲的青少年10名（男女各一半），25—50周歲的成年人10名（男女各一半），50周歲以上的中老年人10名（男女各一半）。第三步，建立實驗所需模擬場景。第四步，安排實驗所需記錄人員，布置實驗記錄儀器。第五步，準(zhǔn)備家用手電鉆的樣機(jī)模型。第六步，使用者依次按照自己的習(xí)慣在指定時間內(nèi)完成幾個指定的操作動作，記錄人員依次進(jìn)行記錄。第七步，使用者填寫實驗調(diào)研問卷，匯總實驗結(jié)果并制作數(shù)據(jù)表和圖表。笫八步，得出實驗結(jié)論，對家用手電鉆的樣機(jī)模型進(jìn)行評估。

2.1 家用手電鉆的把手測試

在實驗之前，實驗人員需對使用者的手部進(jìn)行了多組尺寸測量，如圖表1所示。如圖3所示，在持握狀態(tài)下，對手指的最大圍合面積進(jìn)行測量，從中得到最舒適的圍合面積范圍。由于電鉆把手在使用時與人頻繁接觸，在設(shè)計時采用曲線形態(tài)，通過由粗到細(xì)的變化和形態(tài)的轉(zhuǎn)折，限制了人手在持握電鉆把手時的范圍。為了確保把手的舒適度，在實驗過程中，利用3D打印機(jī)打印一個電鉆把手中心橫截面，并安排多名使用者進(jìn)行持握測試，從中發(fā)現(xiàn)問題，進(jìn)而調(diào)整把手的面積，再次打印并進(jìn)行實驗，使電鉆更易于持握和使用，如圖4所示。

在手持電鉆操作時，手掌因持握工具將產(chǎn)生一定的作用力和反作用力。由于使用手電鉆會產(chǎn)生震動，考慮到手掌的生理因素，需要對進(jìn)行受力分析，如圖5所示。針對長期使用工具容易造成損傷的手掌區(qū)域，需要避免持續(xù)、高強(qiáng)度受力。對手掌最佳持握姿態(tài)、手腕最佳持握角度、手指最大力度和活動范圍等依次進(jìn)行測驗，通過把手形態(tài)設(shè)計、功能按鈕位置設(shè)計最大限度地減少使用產(chǎn)品時產(chǎn)生的疲勞，并且更高效地完成操作任務(wù)。

2.2 家用手電鉆的定位打孔功能測驗

為了測驗家用手電鉆的各項功能是否合理、有效，我們利用3D打印設(shè)備制作了等比例的家用手電鉆樣機(jī)模型，如圖6所示，并對使用者的操作情況加以記錄。根據(jù)人機(jī)工程學(xué)對人眼觀察范圍的記錄，人眼以中心視線為基準(zhǔn)，向上、向下各30。的夾角范圍為最佳觀察視域區(qū)，如圖7所示，其中，以中心視線位置為最佳觀測點，并向兩側(cè)削減。當(dāng)正常的被測試者使用家用手電鉆時，電鉆發(fā)射的坐標(biāo)射線、電鉆透明罩上的觀測打孔深度刻度表、鉆頭位置等需要實時觀察的部位均在最佳觀察視域之內(nèi)，并靠近中心視線周圍，坐標(biāo)射線和打孔深度指示標(biāo)的顏色均為紅色，清晰、醒目方便觀測。

經(jīng)過在不同情況下使用家用手電鉆進(jìn)行打孔的實際測試，證實了電鉆的坐標(biāo)射線、打孔深度刻度表這些設(shè)計在電鉆前端透明護(hù)罩上的輔助功能確實能夠?qū)Υ蚩灼鸬筋A(yù)想的作用，便于使用者觀察，提高打孔效率。

2.3 家用手電鉆的打孔精度實驗

通過試驗記錄圖片資料可以了解以上幾種操作情況下人體的受力區(qū)域主要集中在上肢，其中小臂和手掌受力最多，直接參與不同姿態(tài)的操作。經(jīng)圖8分析，當(dāng)操作手電鉆的手掌用力方向與鉆頭方向平行時，操作打孔準(zhǔn)確度最佳，而且最省力。為了確保操作手電鉆的手掌用力方向與鉆頭方向保持平行姿態(tài)，電鉆透明罩的前接觸面設(shè)計為平面。

經(jīng)實驗，電鉆透明罩的前接觸面為平面，與操作面貼合，使鉆頭和打孔面成90。夾角，使操作手電鉆的手掌用力方向與鉆頭方向在使用過程中保持平行姿態(tài)，這樣的設(shè)計可以有效提高打孔準(zhǔn)確度。

2.4 家用手電鉆的用戶主觀因素調(diào)研

當(dāng)受試者使用電鉆實驗結(jié)束后，需填寫調(diào)查問卷，問卷可以研究使用者對電鉆的整體感受。例如“問題1、電鉆的鉆孔控制按鈕給你的感受是：A.更加舒適便于操作B.與以往產(chǎn)品并無區(qū)別C.不舒適不符合操作需求”；“問題3、電鉆的調(diào)節(jié)按鈕位于電鉆的正上方中間位置，是否符合操作需求：A便于操作B.不便于操作C.建議設(shè)置在其他位置，如_____”；“問題6、電鉆的整體造型圓滑、過渡均勻，給你的感受是：A.具有親和力，容易被接受B.外形美觀，作為購買的因素之一C.更喜歡棱角分明的產(chǎn)品D.只注重使用性和價格”；“問題8、在使用電鉆是你需要在哪些部位加入如橡膠類軟質(zhì)有彈性的材質(zhì)，以增加使用舒適度：A.把手內(nèi)側(cè)B.把手外側(cè)C.按鈕D.透明罩下部E.不需要”。

根據(jù)用戶的選擇，匯總問卷問題，以數(shù)據(jù)為實驗結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)，再綜合評價每一個題目得分最高的選項是否與電鉆的各項設(shè)計相符，假如用戶對電鉆的某一方面存在異議，則需要進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，以此作為深化設(shè)計的重要參考，如圖9所示。如對問題3匯總30份調(diào)查問卷，得到結(jié)論：有25人選擇A選項（便于操作）；有3人選擇B選項（不便于操作）；由2人選擇C選項（建議設(shè)置在其他位置），其中—人認(rèn)為調(diào)節(jié)按鈕位置應(yīng)更靠近把手的位置，可以延中心線向后移；另—人認(rèn)為調(diào)節(jié)按鈕的位置可以設(shè)置在電鉆一側(cè)。通過對這一問題的調(diào)研確定了調(diào)節(jié)按鈕符合83.3%受試者的使用需求，并且還發(fā)現(xiàn)了新的設(shè)計可能性。

3 家用手電鉆的人因工程價值評估

該實驗驗證了家用手電鉆的設(shè)計創(chuàng)新確實能夠改善現(xiàn)有手電鉆的使用問題，增加操作安全性，提高工作效率。同時，家用手電鉆的研發(fā)具有更深層次的價值和效應(yīng)，可以分為以下幾個方面評估。

3.1 設(shè)計創(chuàng)新的引導(dǎo)作作

家用手電鉆的可伸縮鉆頭以及電鉆前面的支撐面創(chuàng)造性地解決了電鉆打孔失誤問題，符合人因工程學(xué)對產(chǎn)品的基本要求，并解決了粉塵、雜屑的收納問題。隨著手電鉆內(nèi)部結(jié)構(gòu)的革新，家用手電鉆的概念將轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)實產(chǎn)品，并作為經(jīng)典案例對電鉆產(chǎn)品的研發(fā)起到啟發(fā)和引導(dǎo)的作用。同時，家用手電鉆的優(yōu)勢還在于將多種實用性功能進(jìn)行整合式設(shè)計，對于設(shè)計者而言，這是進(jìn)行設(shè)計創(chuàng)新的有效途徑；對于使用者而言，這無疑提供了更多便利，給人更多的關(guān)懷：在同類產(chǎn)品中，是更有競爭力的選擇。

3.2 使用方式的規(guī)范作用

家用手電鉆的設(shè)計力圖為使用者提供一種正確地、安全的使用方式，經(jīng)人因工程實驗，可以減少操作失誤和對人產(chǎn)生的傷害。同時，通過設(shè)計透明塑料護(hù)罩在操作方式上引導(dǎo)使用者更準(zhǔn)確、安全、舒適地進(jìn)行作業(yè)，將以前需要一定使用經(jīng)驗才能順利進(jìn)行的工作簡單化，為更多需要做此類工作且無操作經(jīng)驗的人提供便利條件。對于青少年用戶，家用手電鉆可以發(fā)揮鼓勵使用、鍛煉動手能力、發(fā)展創(chuàng)造力的積極作用，消除手電鉆產(chǎn)品的不安全隱患，將以往的被動式使用電鉆轉(zhuǎn)變成積極、輕松地主動式使用。

3.3 使用環(huán)境的優(yōu)化作用

家用手電鉆設(shè)計更好地優(yōu)化了使用環(huán)境，為使用者提供一個干凈、整潔的操作環(huán)境。避免了因局部施工使用電鉆工具而影響家庭環(huán)境的整潔和衛(wèi)生，或?qū)σ恍┘彝ピO(shè)施造成不易清理的困難。同時，通過電鉆本身解決的灰塵、雜屑四溢的困擾，可以省去佩戴防塵眼鏡、防護(hù)口罩、橡膠手套等繁瑣的程序，更符合家庭環(huán)境下使用電鉆的需求。

3.4 社會發(fā)展的推動作用

產(chǎn)品設(shè)計的每一次革新，都會對社會進(jìn)步起到一定的推動作用。如同“蝴蝶效應(yīng)”，一個局部的革新，也許會帶來整個系統(tǒng)的升級。就手電鉆產(chǎn)品而言，從人工手動打孔到電動工具輔助打孔，再到越來越多的先進(jìn)的電動打孔工具推陳出新，其目的始終是減少人為操作失誤、提高工作效率。隨著人因工程領(lǐng)域知識在產(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)各環(huán)節(jié)發(fā)揮著越來越重要的作用，人們生產(chǎn)、生活環(huán)境將不斷地改善，社會生產(chǎn)力也會不斷提高。