基于人機工程學的沖擊鉆設計研究

楊猛 黃璇

摘要：沖擊鉆是一種目前應用比較廣泛的手持電動工具，本文運用人機工程學方法對沖擊鉆的各方面問題進行了研究，深入的討論人機工程學的基本原理，綜合了手握式;中擊鉆工具的設計規(guī)范，對沖擊鉆的原理進行了研究和分析。以期為沖擊鉆設計提供一定的借鑒。

關(guān)鍵詞：人機工程學;沖擊鉆設計;使用法分析

中圖分類號：TS914文獻標識碼：A

文章編碼：1672-7053（2021）02-0028-02

1 人機工程學概述

人機關(guān)系，其主要研究的是“人一機一環(huán)境”之間所存在的協(xié)調(diào)關(guān)系，其中需要著重體現(xiàn)“人的因素”這一觀念。在設計時，我們需要全面考慮人體結(jié)構(gòu)等尺度數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)有效地運用到產(chǎn)品設計中去，從而設計出適合人體使用尺寸的產(chǎn)品。合適的尺寸關(guān)系決定了人機之間是否方便、安全和舒適[1]。通過對沖擊鉆使用過程中人機工程學的研究，探討如何設計優(yōu)化沖擊鉆，使其適用于不同人群且在使用時更為穩(wěn)定省力，為操作人員在使用沖擊鉆時創(chuàng)造一個安全、舒適的體感環(huán)境[2]。

2 現(xiàn)有沖擊鉆現(xiàn)狀分析

根據(jù)對現(xiàn)代廣泛使用的沖擊鉆進行分析，主要分為四種雙臂沖擊鉆類型，如圖1所示，都擁有兩個操作手柄。通過模擬使用者的實際操作環(huán)境來觀察不同類型沖擊鉆的優(yōu)異程度：

A：這款沖擊鉆為常用沖鋒槍模式，由于使用時雙手朝向一個方向，前手柄會承受一個重力，而后手柄則把控沖擊鉆的方向，同時給予沖擊鉆一個推力。使用這類沖擊鉆時力會相互抵消，最后只剩一個推力作用，所以會比較省力。弊端則是雙手作用的手柄在同一方向，操作時會出現(xiàn)不平穩(wěn)現(xiàn)象，從而造成打孔偏差。

B：這款沖擊鉆雙手的把控方向不同，可以對沖擊鉆起到更穩(wěn)定的作用，該沖擊鉆的優(yōu)點就是手柄承受的沖擊力作用在虎口處，可以減輕手部所承受的靜肌負荷，但弊端是作業(yè)時通風口處的熱風會流向人體手部方向，從而損傷手部的組織結(jié)構(gòu)，并且使用B類沖擊鉆時需要手腕彎曲，會對手腕造成損傷。

C：這款沖擊鉆沖擊力較于前兩種沖擊鉆的沖力更大，作業(yè)時間較短，但需要雙手在同一個方向把控，此點對于它自身的結(jié)構(gòu)來說并不合理，人體使用會不平穩(wěn)，對于人體使用姿勢來說，舒適度也會降低。另一點則是沖擊鉆的后手柄部位，使用時手掌受力，四指按動開關(guān)，對于它自身的材質(zhì)來說，金屬材質(zhì)并沒有起到緩沖的作用，容易造成使用此款沖擊鉆的人受傷。

D：這款沖擊鉆由雙手平衡使用，其所承受的扭矩較大，作業(yè)時比較平穩(wěn)，但沖擊鉆前端部分太短，在作業(yè)環(huán)境中很容易遇到阻礙。

通過以上對沖擊鉆的分析可以得知：A類最省力，B類最平穩(wěn)，C類沖擊力最大，D類操作扭矩最大。所以，我們可以得出結(jié)論：沖擊鉆后手柄的斜度可以使人操作更省力，對手部的作用點會集中在虎口處，從而減輕手部損傷，兩個手柄為×、Y軸結(jié)構(gòu)交叉最為穩(wěn)定，包括對于材料的選擇，塑料材質(zhì)較于金屬材質(zhì)也會很好的保護手部結(jié)構(gòu)，沖擊鉆前端使用鉆頭部位的距離長短可以決定其所適用的操作環(huán)境[3]。

3 基于人機工程學的沖擊鉆使用分析

3.1 站姿工作分析

站立式可分為水平作業(yè)、向上垂直作業(yè)、向下垂直作業(yè)三種使用方式分析（如圖2）：

1）站立式水平作業(yè)：一般表現(xiàn)為墻面等與身體平行的作用，沖擊鉆鉆頭對準作業(yè)點，一只手手掌握住沖擊鉆手柄部位，食指按住啟動按鈕進行作業(yè)，另一只手握住前方垂直手柄。人體手臂的力量支撐著沖擊鉆本身的重力和作業(yè)時墻面的反作用力，對沖擊鉆作業(yè)時由身體前傾按壓施力，雙腿分開，前腿彎曲，使身體重心集中于后腿處。

2）向上垂直作業(yè)：一般表現(xiàn)在天花板作用等。這種情況下人體小幅度后仰，左腿順直，右腿向后彎曲并支撐身體協(xié)調(diào)作用。作業(yè)時頭部向上揚起，視線聚焦于鉆頭部位，同時手臂向上舉起沖擊鉆，手腕向后彎曲并向上按壓。

3）向下垂直作業(yè)：一般表現(xiàn)在桌面鉆孔或者放于桌面的材料鉆孔等。操作時身體前傾30度左右，頭部隨身體向下觀測作用點，右肩抬高，右手的前臂與后臂接近在同一水平線上，手腕向下彎曲在控制沖擊鉆穩(wěn)定的同時對其施加作用力，手臂彎曲，左手按到作用物上并對物體進行固定，防止操作失誤。

站立式使用沖擊鉆，手部位置所承受的力加重，對于人體本身的不適度也在加強，同時也包括手臂的長時間抬起支撐作用、手腕彎曲的施力作用等。

3.2 彎腰工作分析

彎腰式可分為斜角作業(yè)、水平作業(yè)、垂直作業(yè)三種使用方式分析（如圖3）：

1）彎腰式水平作業(yè)：使用時沖擊鉆主軸與墻壁之間垂直，作業(yè)時人體腰部彎曲度在60度左右，手部姿勢保持相同，手腕保持順直的情況下，人體前臂與后臂之間呈現(xiàn)夾角，由整體施力作用于沖擊鉆上。而沖擊鉆直筒式手柄也可向左旋轉(zhuǎn)90度使抓握姿勢更為方便。

2）彎腰式垂直作業(yè)：使用時沖擊鉆主軸與地面作用垂直，身體同樣彎曲60度左右，主要作用于地面或者臺階等場景。操作時人體左肩低右肩高，左手手臂順直操作，右手手臂呈鈍角角度。操作時，其雙腿岔開略微彎曲，與沖擊鉆之間形成三角模式。身體向下按壓對沖擊鉆施力作業(yè)。

3）彎腰式斜角作業(yè)：使用時沖擊鉆主軸與墻壁呈現(xiàn)夾角，其身體上半身前傾45度左右，使鉆頭斜對準作業(yè)點的同時，腿部也隨之彎曲進行身體的協(xié)調(diào)操作。手部的使用方式相同，但人體手腕處與手臂呈現(xiàn)彎曲角度。由于手腕支撐沖擊鉆的作用力，從而加大了手腕的壓力。

彎腰式對于手腕的作用力增大，不能保持手腕方向的順直狀態(tài)，使用產(chǎn)品的舒適度減弱，手指操作困難。

3.3 跪蹲式工作分析

1）跪蹲式水平作業(yè)：一般表現(xiàn)為與身體平行的墻面作用，單膝跪地，身體前傾施加壓力，右手手臂彎曲置于右膝上方，左手手臂抬高，保持沖擊鉆主軸與墻面垂直進行作業(yè)。

2）跪蹲式斜角作業(yè)：一般表現(xiàn)在墻角作業(yè)等，人體腿部姿勢相同，但身體前傾度要高于水平作業(yè)，右手手臂關(guān)節(jié)處放在右腿腿部膝蓋上作為支撐點，右手前臂彎曲呈70度左右夾角，手腕向外伸展作為對沖擊鉆的施力點，左手手臂放在左腿部位上方，作業(yè)時旋轉(zhuǎn)沖擊鉆直筒式手柄，調(diào)整手部握持位置。

3）跪蹲式垂直作業(yè)：保持沖擊鉆與地面方向垂直，身體姿勢與之前相同，低頭觀測作業(yè)點，右手手臂彎曲，左手手臂向下方伸展按壓，使之共同作用力，且手部施力和沖擊鈷的重力與地面的反作用力相互進行作業(yè)。

跪蹲式在垂直作業(yè)下，沖擊力作用于手掌的震感加強，長時間操作會使手掌局部酸麻，而平行作業(yè)也會對其施力的手腕造成一定程度的損傷，使手腕承受力加大。

4 基于人機工程學的沖擊鉆設計實踐

4.1 設計目標

根據(jù)以上對使用沖擊鉆的分析，我們可以提出兩個設計目標，調(diào)整產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，以及打造符合人機的產(chǎn)品使用舒適度[4]。

1）操作穩(wěn)定性。操作的穩(wěn)定與否關(guān)系著工作效率，通過提升操作的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，可以有效地提升工作效率，減小打孔偏差。

2）施力最大化。調(diào)節(jié)施力面積的大小關(guān)乎人體對沖擊鉆使用過程中的舒適程度，人體對沖擊鉆的施力面積越大，就越省力，施力面積越小越費力。

4.2 方案分析

根據(jù)以上分析的現(xiàn)有產(chǎn)品，調(diào)整沖擊鉆整體結(jié)構(gòu)，在相同環(huán)境因素下進行測試評估[5]，如圖5所示。

1）左手手柄長度可調(diào)，范圍初步探討：因為沖擊鉆在XY軸交叉式手柄時最省力，所以可以通過調(diào)整沖擊鉆左手手柄長度來適應于不同的人群，通過沖擊鉆對左手的受力分析可知，將手柄長度調(diào)節(jié)至左手肩寬位置為沖擊鉆手柄長度的最大范圍，在此范圍內(nèi)，左手前手柄越長越省力。由此，可將沖擊鉆前手柄設計為不大于人體左肩的長度，可伸縮調(diào)節(jié)式手柄要比原有產(chǎn)品穩(wěn)定省力。

2）對右手手柄形狀探討：右手后手柄在以上分析過程中發(fā)現(xiàn)，后手柄設有輕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對人體的損害度小且更省力。由此可通過設計沖擊鉆右手手柄的角度，來降低沖擊鉆對人體右手的損害程度。

5 結(jié)語

隨著時代的發(fā)展和沖擊鉆功能的改進，使用沖擊鉆的人群也會發(fā)生巨大的變化，針對不同的使用人群，設計制作時也會考慮不同類型使用者的自身特點，通過對人機工程學分析方法研究，以期對沖擊鉆的設計改進具有指導作用。

參考文獻

[1]李慧，基于人機工程學的機械產(chǎn)品設計[D].徐州工程機械研究院，2018

[2]周樹霞，人機工程學在手工工具設計中的應用[D].云南藝術(shù)學院，2019.

[3]朱宏森，吳群，鄒寧.—種沖擊鉆人機性能快速評價方法[D].浙江理工大學，2019.

[4]楊猛，杜永超，電器產(chǎn)品設計研究[D].沈陽理工大學，2016.

[5]劉傳龍，防塵電鉆的改良設計[D].南昌大學，2013