便攜式塑料水杯的人因工程分析與設(shè)計(jì)

劉俊艷 時(shí)蒙蒙 馬肖 秦頌

摘?要：為提高便攜式塑料水杯的實(shí)用性、增強(qiáng)人們對(duì)便攜式塑料水杯設(shè)計(jì)的滿意度，文中在詳細(xì)分析了100份調(diào)查問卷的基礎(chǔ)上，根據(jù)人因工程理論對(duì)便攜式塑料水杯進(jìn)行了分析與設(shè)計(jì)。從人因工程的角度，借助主成分分析法，得到影響人們對(duì)杯子滿意度的色彩、形狀、容積等主要因素;采用曲線擬合的方法，對(duì)各主要影響因素的詳細(xì)參數(shù)與相應(yīng)滿意的人數(shù)進(jìn)行擬合，預(yù)測(cè)人們滿意度最大時(shí)各詳細(xì)參數(shù)的數(shù)值;將得到的具體參數(shù)值與國(guó)家規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)范圍進(jìn)行比對(duì)，從而從人因工程學(xué)角度設(shè)計(jì)出既符合實(shí)用性又符合大眾滿意度的新型便攜式塑料水杯;經(jīng)過分析得出容量為500 mL，杯口直徑為4.8 cm，杯身直徑為6 cm，杯身高度為16 cm的水杯是人們較為歡迎的水杯設(shè)計(jì)參數(shù)。人因工程的應(yīng)用能夠較好的提高工藝產(chǎn)品設(shè)計(jì)的附加值，值得在工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域深度推廣與應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：人因工程學(xué);便攜式塑料水杯;主成分分析法;曲線擬合法

中圖分類號(hào)：TB 47

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A?文章編號(hào)：1672-7312（2020）04-0362-07

Abstract：In order to improve the usefulness of portable plastic cups，enhance peoples satisfaction with the design of portable plastic cups，a portable plastic cup was designed by using the human factors knowledge.Based on the detailed analysis of 100 questionnaires，the main affections of peoples satisfaction with cup were set up by using mathematical model to analyze its principal component.The main factors are color，shape，volume.Secondly，the detailed parameters of the main factors of satisfaction with the corresponding number of people was fitted by using curve fitting methods based on the questionnaire，which further detail forecast values for each parameter maximum satisfaction of the people.Finally，the specific parameter values with standard range of national regulations were compared，and based on human factors，a new type of portable plastic cup was designed which is consistent not only with practicality but also with the public satisfaction.The analysis result shows that the water cup with capacity of 500 mL，mouth diameter of 4.8 cm，body diameter of 6 cm and height of 16 cm is a popular design parameter.The application of human factor engineering can improve the added value of process product design，which is worthy of further promotion and application in the field of industrial design.

Key words：human factors;portable plastic cups;principal component analysis;curve fitting

0?引言

人因工程學(xué)從人的生理、心理等特征出發(fā)，研究人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)優(yōu)化，以達(dá)到提高系統(tǒng)效率，保證人的安全、健康和舒適的目的[1]。國(guó)內(nèi)外研究者普遍應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)、層次分析、系統(tǒng)分析、決策、預(yù)測(cè)、模擬仿真等方法解決人因問題[2]。楊帆[3]通過調(diào)研問卷分析、控制器件選型、控制器件的分類與分級(jí)、人機(jī)界面幾何參數(shù)的確定、操縱臺(tái)布置的人機(jī)工程準(zhǔn)則等一系列過程設(shè)計(jì)完成符合人因工程的司機(jī)室操縱臺(tái);王茜[4]以人因工程學(xué)原則和相關(guān)工效學(xué)標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，創(chuàng)建了一種符合軌道交通控制運(yùn)營(yíng)需求的控制中心布局設(shè)計(jì)方法;曲林川[5]將人因工程學(xué)與EON軟軟件的模擬仿真平臺(tái)應(yīng)用到艦船駕駛室布置設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)中。賴?yán)罾頪6]、曹學(xué)晨[7]等應(yīng)用人因工程學(xué)對(duì)特殊人群使用的智能座椅進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，宋海冰[8]、杜訓(xùn)剛[9]和鄧方[10]等把人因工程技術(shù)應(yīng)用在多媒體講臺(tái)和起重機(jī)械的優(yōu)化設(shè)計(jì)中。Jean-Yves Dantan[11]應(yīng)用人因工程設(shè)計(jì)原理，通過功能行為結(jié)構(gòu)框架和行為模擬改進(jìn)工業(yè)制造系統(tǒng);黃鵬鵬[12]、田瑾[13]、沈維蕾[14]和祝琳[15]等基于人因工程學(xué)，對(duì)公交車中座椅結(jié)構(gòu)、扶手高度、車內(nèi)色彩及空氣質(zhì)量、報(bào)站系統(tǒng)及車內(nèi)環(huán)境提出優(yōu)化建議。

產(chǎn)品設(shè)計(jì)除滿足基本功能需求外，從人因工程學(xué)角度將符合讓人的生理、心理的因素考慮其中，會(huì)提高產(chǎn)品附加值。隨著生活消費(fèi)水準(zhǔn)的提升，人們對(duì)便攜式塑料水杯的要求不僅只關(guān)注在其實(shí)用性的上，對(duì)體現(xiàn)生理特征、心理感受的性能、外觀等因素更加重視。

目前，學(xué)者們對(duì)水杯的研究在塑料水杯制造工藝、塑料水杯安全性、面向特定對(duì)象的水杯設(shè)計(jì)以及智能功能方面有相應(yīng)的成果。李凝[16]等從工藝方面研究塑料杯的成型;方志清[17]等從水杯使用安全性方面研究塑料杯的溶出物質(zhì);顧炎輝[18]等對(duì)目標(biāo)兒童進(jìn)行研究，分析國(guó)內(nèi)外兒童水杯設(shè)計(jì)的異同，著重從兒童不同年齡段特質(zhì)及審美心理、生理方面探討水杯的設(shè)計(jì);Zhang Shengyang[19]、莫慧芳[20]等從單片機(jī)技術(shù)角度研究了智能水杯的設(shè)計(jì);李燕[21]從23位帕金森患者使用水杯的困難中研究適合該病患使用的水杯構(gòu)造。

學(xué)生是便攜式塑料水杯的主要消費(fèi)群體，以上研究中少有從人因工程角度對(duì)便攜式水杯的研究，為彌補(bǔ)這一不足，通過對(duì)100名使用便攜式水杯的大學(xué)生進(jìn)行問卷調(diào)查，運(yùn)用人因工程學(xué)的基本原理及必要的數(shù)學(xué)模型，考慮人的生理、心理等因素，對(duì)便攜式塑料水杯各詳細(xì)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，進(jìn)而主要面向大學(xué)生等青年群體設(shè)計(jì)出一款新型、簡(jiǎn)潔的、更適合攜帶的塑料水杯，使其在上課、工作等學(xué)習(xí)生活過程中，得到更滿意的使用效果。

1?便攜式塑料水杯設(shè)計(jì)分析主要因素

通過對(duì)100份調(diào)查問卷所得數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、總結(jié)，得到影響水杯設(shè)計(jì)感的因素是色彩、形狀、容積及厚度4個(gè)因素（表1）;對(duì)于色彩，有38人將其排為第1位，有46%的人將其排為第2位;對(duì)于杯形，有36的人將其排在第1位，42%的人將其排在第1位;20%的人將容積排在了第1位，68%的人將其排在第2位;42%的人將厚度排在了第2位。

根據(jù)表2可知，色彩、形狀、容積3個(gè)因素的累計(jì)貢獻(xiàn)率在α3時(shí)已經(jīng)達(dá)到了99.97%，接近于1，所以舍棄最后一個(gè)“厚度”因素，選取這色彩、形狀、容積3個(gè)主要因素來研究（表3）。

根據(jù)人因工程學(xué)，人通過視覺獲得高于80%的信息，而人的視覺生理作用是色彩感覺的必需，色彩可以引起人心理上的反應(yīng)、壓抑、愉悅等感受[23];對(duì)于杯子的色彩，文章從杯身的“色調(diào)”，色彩的“明度”，色彩的“透明度”3個(gè)方面詮釋杯子“色彩”這一指標(biāo);對(duì)于杯形，主要從杯身的高度，杯蓋的螺紋設(shè)計(jì)，杯身的防滑設(shè)計(jì)3個(gè)方面來評(píng)價(jià);杯子的容積杯口直徑、杯身直徑來評(píng)價(jià)。

2?確定主要因素設(shè)計(jì)參數(shù)

運(yùn)用曲線擬合方法[24]，詳細(xì)研究符合大眾滿意度的杯身色彩明度、杯身透明度、杯蓋的螺紋數(shù)、杯子的容積及杯身手握處的深高等具體參數(shù)。

2.1?杯身色彩的明度的確定

明度是色彩的組成部分之一，是指色彩的明暗程度，與物體表面色彩的反射率有關(guān)。對(duì)于顏料來說，在色調(diào)與純度相同的顏料中，白顏料的反射率最高，在其他顏色中混入白色，可以提高混合色的反射率，也就是提高了混合色的明度，混入的白色越多，明度越高，而黑顏料卻恰恰相反，混入黑色越多，明度越低。在本次的調(diào)查問卷設(shè)計(jì)中，我們一共調(diào)查了100名同學(xué)，將白色的明度定為0分，黑色的明度定為100分;這里需要特別說明的是，此處明度的分值劃分與人因工程學(xué)中無色彩系里明度等級(jí)的劃分不同;因?yàn)楸徽{(diào)查者并對(duì)明度等級(jí)的專業(yè)知識(shí)不足，故采取人們對(duì)黑白習(xí)慣的評(píng)價(jià)方式，從0分到100分進(jìn)行色度等級(jí)的劃分，白色0分對(duì)應(yīng)人因工程學(xué)中無色彩系里明度等級(jí)10級(jí)（白），100分對(duì)應(yīng)人因工程學(xué)中無色彩系里明度等級(jí)的0級(jí)（黑）;分析得到以下數(shù)據(jù)，見表4。

通過利用數(shù)學(xué)工具，編程對(duì)表中人數(shù)及明度進(jìn)行曲線擬合。通過做出的散點(diǎn)圖（圖1）可知，在對(duì)其進(jìn)行4次擬合時(shí)，殘差值最小，得到的擬合曲線最準(zhǔn)確。100位顧客對(duì)明度的喜好，由0至100呈橫向“s”，先減后增再減。最高點(diǎn)在（53.85，15.07），說明100 位顧客在杯子杯體的明度方面更偏愛的明度為15.07。

2.2?杯身色彩透明度的確定

透明是物質(zhì)透過光線的性質(zhì)或情況。通過透明的玻璃窗，我們能看到對(duì)面被遮擋的事物。透明度特指礦物透光的能力。文中將透明度從0分到100分劃分為不同程度，通過對(duì)問卷的數(shù)據(jù)處理得到表5。

依據(jù)問卷統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，通過利用數(shù)學(xué)工具和編程對(duì)表中人數(shù)及透明度進(jìn)行曲線擬合。通過分析做出的散點(diǎn)圖可知，在對(duì)其進(jìn)行8次擬合時(shí)，殘差值最小，得到的擬合曲線最準(zhǔn)確。8次擬合曲線及殘差值散點(diǎn)圖如圖2所示，100位同學(xué)對(duì)于杯身透明度的選擇，呈不規(guī)則的波浪線型。最高點(diǎn)出現(xiàn)在（52.51，18.5）處，這說明100位同學(xué)更偏愛杯身透明度為18.5的杯子。

2.3?容積的確定

容積是指容器所能容納物體的體積。在杯子設(shè)計(jì)中，水杯的容積大小間接體現(xiàn)了水杯的大小。由上文分析可知，水杯的容積大小是影響大家對(duì)杯子選擇的重要影響因素之一。此次問卷設(shè)計(jì)中，將杯子的容積分為7個(gè)具體數(shù)值，通過對(duì)調(diào)查問卷所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到相應(yīng)容積所對(duì)應(yīng)的人數(shù)，見表6。

通過利用數(shù)學(xué)工具，編程對(duì)表中人數(shù)及杯子容積進(jìn)行曲線擬合。通過做出的散點(diǎn)圖可知，對(duì)其進(jìn)行4次擬合時(shí)，殘差值最小，得到的擬合曲線最準(zhǔn)確。4次擬合曲線及殘差值散點(diǎn)圖如圖3所示，曲線剛開始升高較快，隨后達(dá)到最高點(diǎn)后開始緩慢下降，所以隨著杯子容積的增加，對(duì)應(yīng)的人數(shù)先增加后減少，在容積為541.3 mL時(shí)，人數(shù)達(dá)到最大值。即此時(shí)的杯子容積的大小符合大多數(shù)人的需求喜好。

2.4?杯口直徑的確定

杯口的直徑影響使用者在喝水時(shí)水杯的傾斜程度。相同傾斜程度下，杯口過大，杯中水易灑出，杯口過小，水杯內(nèi)壁不易清洗。通過對(duì)100位顧客的問卷調(diào)查，得出了以下數(shù)據(jù)，見表7。

依據(jù)問卷統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，通過利用數(shù)學(xué)工具，編程對(duì)表中人數(shù)及杯口直徑進(jìn)行曲線擬合。通過做出的散點(diǎn)圖可知，對(duì)其進(jìn)行5次擬合時(shí)，殘差值最小，得到的擬合曲線最準(zhǔn)確。5次擬合曲線及殘差值散點(diǎn)圖如圖4所示，100位顧客對(duì)杯口直徑的選擇是近似呈二次函數(shù)分布的。最高點(diǎn)為（4.856，35.48），這說明，100位顧客在購(gòu)買杯子的時(shí)候更偏向于選擇杯口直徑為5 cm的杯子。

2.5?杯身橫截面的直徑的確定

杯身橫截面的直徑大小，是杯子形狀的重要 影響因素之一，同時(shí)影響著大家使用杯子時(shí)的手感。杯身橫截面的直徑過大，則在手握水杯時(shí)，會(huì)使人感到吃力，長(zhǎng)時(shí)間手握，容易感到疲勞。杯身橫截面的直徑過小，則在手握水杯時(shí)，需要用力握緊，以防滑落，此時(shí)也會(huì)增加人手握杯子時(shí)多承受的負(fù)荷。在此，將杯身橫截面的直徑大小分為7個(gè)數(shù)值，通過對(duì)問卷得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到大家滿意的直徑大小。杯身直徑及相應(yīng)人數(shù)見表8。

通過利用數(shù)學(xué)工具，編程對(duì)表中人數(shù)及杯身直徑進(jìn)行曲線擬合。通過做出的散點(diǎn)圖可知，對(duì)其進(jìn)行二次擬合時(shí)，殘差值最小，得到的擬合曲線最準(zhǔn)確。二次擬合曲線及殘差值散點(diǎn)圖如圖5所示，隨著杯身橫截面直徑大小的增加，對(duì)應(yīng)的人數(shù)先增加后減少，在杯身直徑為6.244 cm時(shí)，對(duì)應(yīng)的人數(shù)達(dá)到最大值;所以杯身直徑為6.244 cm時(shí)，符合被測(cè)者大多數(shù)人的喜好。

根據(jù)人因工程學(xué)抓握空間參數(shù)（圖6），建議沒有把柄的杯子的大小一般說來直徑在65 mm左右比較合適，從人的平均身高在170～175 cm之間，人們的能握住的手掌長(zhǎng)度一般是在200 mm左右，而握起直徑在65 mm左右的杯子是比較合適的;從杯子的視覺上來說，杯子的高度在160 mm左右對(duì)杯子的視覺觀賞性是比較好的尺寸，符合人因工程學(xué)的要求。

2.6?杯蓋的螺紋數(shù)的確定

在對(duì)便攜式塑料杯進(jìn)行人因工程設(shè)計(jì)時(shí)，杯蓋的螺紋數(shù)一定程度上影響著大家使用杯子時(shí)所需消耗的體力及使用杯子時(shí)的滿意度。若螺紋數(shù)較多，則在擰開杯子或擰緊時(shí)，需要花費(fèi)的時(shí)間及力氣較大，使得大家使用時(shí)的滿意度較低。若螺紋數(shù)較少，則杯蓋在擰緊后，容易松開，影響杯子使用的方便性，同時(shí)也存在著一定的安全隱患;盛裝熱水時(shí)容易灑出，燙傷使用者，因此，不符合人因工程設(shè)計(jì)的原則。

同時(shí)，杯蓋螺紋數(shù)跟水杯的防漏設(shè)計(jì)也有緊密聯(lián)系。如果水杯的杯蓋設(shè)計(jì)不夠嚴(yán)密，則杯子就會(huì)漏水，為了防止漏水可以增大杯蓋和杯身的緊密連接性，有的水杯設(shè)計(jì)在杯蓋上有4個(gè)小爪，可以更好的抓緊杯身，密封性能好，保溫性能強(qiáng)，而多數(shù)防漏水設(shè)計(jì)則采用在杯帽上采用螺紋設(shè)計(jì)，在旋轉(zhuǎn)杯蓋時(shí)以增大杯蓋與杯身的連接性以達(dá)到防漏水設(shè)計(jì)。為此，通過調(diào)查問卷，尋求既符合人因工程設(shè)計(jì)原則的、又滿足大眾需求的杯蓋螺紋數(shù)。分析得到螺紋數(shù)與對(duì)應(yīng)人數(shù)（見表9），隨著螺紋數(shù)的增加，相應(yīng)的人數(shù)先增加后減少，當(dāng)杯蓋的螺紋數(shù)為3.174時(shí)，此時(shí)對(duì)應(yīng)的人數(shù)最多，通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)，此時(shí)該螺紋數(shù)符合人因工程設(shè)計(jì)中的安全性原則，因此，當(dāng)螺紋數(shù)為3.174個(gè)時(shí)，既符合大眾的需求，也符合人因工程設(shè)計(jì)的原則。

通過利用數(shù)學(xué)工具，編程對(duì)表中人數(shù)及螺紋數(shù)進(jìn)行曲線擬合。通過做出的散點(diǎn)圖可知，對(duì)其進(jìn)行5次擬合時(shí)，殘差值最小，得到的擬合曲線最準(zhǔn)確。5次擬合曲線及參差值散點(diǎn)圖如圖7所示。

2.7?手握處防滑設(shè)計(jì)曲線擬合

從杯子的自身構(gòu)成上來說，杯子外壁的中間部分和杯子蓋子不得過于光滑。一般都是握住杯子外壁的中間位置，當(dāng)有時(shí)人不小心把杯蓋扭得過緊時(shí)，如果蓋子外壁太過于光滑，那么人們就要很費(fèi)力的才能打開杯子的蓋，按照杯子的人機(jī)工程學(xué)上的關(guān)系，在杯蓋和杯子的中部外壁裝飾出游一些凹凸圈的紋理，或者采取特別的凹凸裝飾設(shè)計(jì)，增大手掌與杯身的摩擦力。

文中采用的是水杯杯身為曲線型彎曲狀以增大摩擦力，而且杯身的弧度，使手能更好的握住杯身，所以手握處橫截面半徑與手握處距杯底高度之比，在很大程度上影響著杯子的形狀以及使用時(shí)的手感。當(dāng)其比值為0時(shí)，表示杯子為直筒式設(shè)計(jì)，杯身并未向內(nèi)凹陷，此時(shí)手握杯子需要較大的握力。當(dāng)其比值較大時(shí)，表示杯身向里凹陷，類似葫蘆形，手握杯子喝水時(shí)，較為省力。通過對(duì)問卷的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到該比值與人數(shù)的相關(guān)關(guān)系表，見表10。

通過利用數(shù)學(xué)工具，編程對(duì)表中人數(shù)及比值進(jìn)行曲線擬合。通過做出的散點(diǎn)圖可知，對(duì)其進(jìn)行8次擬合時(shí)，殘差值最小，得到的擬合曲線最準(zhǔn)確。8次擬合曲線及殘差值散點(diǎn)圖如圖8所示，喜歡直筒式杯身設(shè)計(jì)的人數(shù)為10人，當(dāng)比值為0.003 78時(shí)，滿意的人數(shù)最多。隨著比值的繼續(xù)增加，相應(yīng)的人數(shù)逐漸遞減。因此，得到符合大眾需求的比值為0.003 37。

3?總體設(shè)計(jì)

結(jié)合人因工程的有關(guān)數(shù)據(jù)，及曲線擬合分析，設(shè)計(jì)出的新型便攜式塑料水杯如圖9所示。得出比較符合大家的要求的杯子的尺寸的基本數(shù)據(jù)為：容積550 mL，杯身直徑為6 cm，杯身高度為19 cm，杯口直徑為4.8 cm，杯口螺紋數(shù)為3個(gè)，手握處弧度為0.3 cm，且手握處離杯底高度為10 cm。

4?結(jié)論

1）以大學(xué)生常用的便攜式水杯為研究對(duì)象，從人因工程學(xué)的角度為便攜式水杯設(shè)計(jì)提供了一種設(shè)計(jì)思路，并根據(jù)數(shù)據(jù)分析得出一組被大學(xué)生消費(fèi)者關(guān)注便攜式塑料杯子設(shè)計(jì)指標(biāo)與相應(yīng)參數(shù)，以期為相似產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供一定的參考。

2）人因工程的應(yīng)用提高產(chǎn)品附加值。產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中應(yīng)以人為本，充分考慮人的因素;充分分析消費(fèi)群體的心理喜好，以及人的身體生理特性，利用人因工程學(xué)人體測(cè)量的數(shù)據(jù)支持產(chǎn)品設(shè)計(jì)，增加產(chǎn)品附加值。

3）人因工程學(xué)助力產(chǎn)品升級(jí)。隨著社會(huì)發(fā)展，技術(shù)的創(chuàng)新，人的基本需求發(fā)生了變化，人們對(duì)產(chǎn)品的需求從基本的功能性需求向舒適、可靠、安全、美觀、品味等多方面需求的滿足轉(zhuǎn)變，人因工程學(xué)為工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供了將產(chǎn)品與人有機(jī)結(jié)合的方法與思路，除了增加產(chǎn)品使用價(jià)值外，其廣泛應(yīng)用更將推動(dòng)工業(yè)設(shè)計(jì)行業(yè)的產(chǎn)品與設(shè)計(jì)升級(jí)。

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（責(zé)任編輯：張?江）