基于人機工程學的廚刀改良設計

姚艷龍，姚甜靜，姜亞杰

（安陽工學院機械工程學院，河南 安陽 455000）

0 引言

隨著生活品質(zhì)的提高，人們對生活中的產(chǎn)品也有了較高的要求，廚房用品與人們的生活密切相關，也越來越受到重視。廚房刀具的正確選用可以給人帶來良好的烹飪體驗。但是現(xiàn)在市場上的廚刀存在很多人機方面的問題，使人們在切菜的時候，體驗感很差，長時間作業(yè)后，會出現(xiàn)手疼、胳膊酸的問題，甚至引發(fā)一些手部關節(jié)疾病。因此，以人機工程學為理論依據(jù)，針對廚刀使用過程中存在的問題，對廚刀進行改良設計，具有重要的現(xiàn)實意義。

1 手握式工具設計中的人機工程學要求

廚刀是一種常見的手握式工具，這類實用工具在日常生活中，能夠幫助人們增加動作范圍、力度，提高了工作效率。但如果手握式工具的設計不合理，導致人們在作業(yè)或日常生活中長久使用設計不良的手握式工具和設備，會造成很多身體不適、損傷與疾患，降低工作效率，甚至使人受傷致殘，增加了人們的心里痛苦與醫(yī)療負擔。因此，手握式工具的設計必須考慮其中的人機工程學要求。

1.1 便于施力

由于手握式工具在使用過程中需要頻繁施力，因此，手握式工具必須便于施力，否則就容易引起疲勞，影響操作效率。而人們在操作活動中，肢體所能發(fā)揮的力量大小除了取決于人體肌肉的生理特征外，還與施力姿勢、施力部位、施力方式和施力方向有密切關系。因此，手握式工具的設計，必須盡量保證人們能夠以便于施力的姿勢進行使用，才能提高操作效率而又不易引起疲勞。

1.2 保持手腕處于順直狀態(tài)

人們的抓握姿勢嚴重影響著工具的人機合理性。在使用抓握式工具時，當手腕處于順直狀態(tài)時，腕關節(jié)處于正中的放松狀態(tài)，但當手腕處于掌屈、背屈、尺偏等別扭狀態(tài)時，就會產(chǎn)生腕部酸痛、握力減小，如果長時間這樣操作，會引起腕道綜合征、腱鞘炎等癥狀。

丁玉蘭在《人機工程學》一書中對傳統(tǒng)和改進的兩種鋼絲鉗的使用操作進行了實驗對比和分析[1]。圖1是使用傳統(tǒng)設計的鋼絲鉗與改進設計的鋼絲鉗患腱鞘炎人數(shù)的比較，傳統(tǒng)設計的鋼絲鉗造成掌側(cè)偏，而改良設計使握把彎曲，操作時可以不必采取側(cè)偏的姿勢，就能維持手腕的順直狀態(tài)。在傳統(tǒng)鉗用后第10到12周內(nèi)，患者顯著增加，而改進鉗使用者中沒有此現(xiàn)象。

圖1 使用不同的鋼絲鉗后患腱鞘炎病人數(shù)比較

手握式工具的把手進行這種彎曲式設計，可以降低疲勞，較易操作，對于腕部有損傷者特別有利。

1.3 把手形狀與手的生理特征相適應

手是人體進行操作活動最好的器官之一，手握式工具需要頻繁與人手進行接觸和交互。如果長時間使用不合理的操作把手，可使操作者產(chǎn)生痛覺，出現(xiàn)老繭甚至變形，并影響勞動情緒、勞動效率和勞動質(zhì)量。因此，操縱把手的形狀除了應滿足操作要求外，還應符合人手的結構、尺度以及觸覺特征。

手握式工具操縱把手的設計，主要應該考慮到把手的形狀與手的生理特征相適應。就手掌而言，掌心部位肌肉最少，指骨間肌和手指部位是神經(jīng)末梢遍布的區(qū)域。而指球肌、大魚際肌、小魚際肌是肌肉豐滿的部位，是手掌上天然的減振器。如圖2（a）所示，設計把手形狀時，應避免將把手絲毫不差地貼合于手的握持空間，更不能緊貼掌心。把手的著手方向和振動方向不宜集中于掌心和指骨間肌。因為長期使掌心受壓受震，可能會引起疲勞和操作不準確，甚至會引起難以治愈的痙攣。圖2（b）-（g）是不同把手形狀與人手生理結構關系示意圖，其中（e）（f）（g）中的把手形狀直接與人手掌心緊密接觸，長時間使用會引起手部不適，甚至造成損傷。而（b）（c）（d）中把手形狀的設計既符合人手的結構、尺度等生理特征，也在把手與掌心之間留了一定的空間，符合人手掌心的觸覺特征，是較好的設計。

圖2 手的生理結構及把手形狀設計

1.4 把手尺寸符合人手尺寸的需要

要設計一種合理的把手，必須考慮手掌寬度、手握粗度、持握狀態(tài)和觸覺的舒適性等。通常，把手的長度必須接近和超過手掌寬度，使手在握柄上有一個活動和選擇的范圍。把手的徑向尺寸必須與正常的手握尺寸相符或小于手握尺度。如果太粗，手就握不住把手；如果太細，手部肌肉就會過度緊張而疲勞。

2 傳統(tǒng)菜刀的人機工程學問題

本課題針對傳統(tǒng)廚刀進行了問卷調(diào)查。根據(jù)問卷結果，不少人群反映在使用廚刀時，存在手部姿勢不舒適的問題，長時間使用會出現(xiàn)手腕酸痛的現(xiàn)象。這是因為傳統(tǒng)菜刀的手柄與刀片大多都在一條直線上，人們在進行切菜動作時，腕部會處于抬起落下的扭轉(zhuǎn)狀態(tài)，這就導致手腕頻繁處于一個尺偏的狀態(tài)；另一方面，由于傳統(tǒng)菜刀的刀片與手柄的銜接處理不好，導致人們在切菜時，食指和拇指也會一直抵在刀背或刀的側(cè)棱上，長時間使用會對手部造成磨損等傷害。

另外，問卷調(diào)查結果顯示，由于傳統(tǒng)菜刀的刀片裸露在外，有30%的被試者對于菜刀的安全問題存在心理恐懼，擔心菜刀因為存放不當，而造成意外事故。

本設計對廚刀使用中存在的這些問題進行分析，根據(jù)人機工程學知識對這些問題進行針對性的改良設計，力求設計一款舒適、健康的廚刀。

3 基于人機工程學的廚刀改良設計

3.1 廚刀改良設計的施力分析

傳統(tǒng)廚刀在使用時，手部的施力方向與阻力方向不在同一條直線上，這就導致人們在使用時必須手腕下壓，虎口施力，而無法直上直下均勻施力，否則把手會向下旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生力矩而使廚刀向上翹起，如圖3左圖所示。

圖3 廚刀施力示意圖

為了避免傳統(tǒng)廚刀的這個問題，如圖3右圖所示，把廚刀把手和刀刃做一定的彎折處理。這樣廚刀的用力與阻力在同一條直線上，不會產(chǎn)生使廚刀旋轉(zhuǎn)的力矩，并且這樣的設計使廚刀的施力集中在刀刃中部，增加單位長度上的切削力，避免消耗多余的力，提高操作效率。另一方面，根據(jù)人機工程學知識可知，把手的彎折處理也能使手腕處于順直狀態(tài)，當工具的把手與工作部分成10°左右的夾角時，效果最好。

根據(jù)廚刀施力分析與人機工程學知識，本設計綜合考慮廚刀施力方向與手腕狀態(tài)，取刀柄與水平面的角度為12℃，并且將刀刃部分也設計成弧形，這樣既保證了刀刃的阻力與用力共線，同時，也在一定程度上緩解了在使用菜刀時手腕的不斷彎曲，如圖4所示，人在使用廚刀時，手臂自然下垂，保持手腕順直，處于放松狀態(tài)，改善了施力的狀態(tài)，減小了腕部的負荷，保證了用刀動作的流暢。

圖4 改良廚刀施力示意圖

3.2 廚刀把手造型與尺寸設計

本設計的刀柄外形與人手持握的弧線形吻合，手柄的截面近似橢圓形，使人在持握的時候，握感更強，更加舒適、便于施力。刀柄前端的凸起，可以防止刀從手中脫落。刀刃與刀柄之間采用一段過渡，避免拇指食指與刀棱直接接觸受到較大的局部壓力，以及與金屬直接接觸帶來的不適感。

對于廚刀把手的尺寸設計，其設計要素主要包括把手的長度、直徑、截面形狀等，把手尺寸的設計主要基于人機工程學中人的手部生理尺寸進行設計。①把手長度：把手的長度取決于使用者的掌寬，性別不同也會略有差異。通常，把手的長度必須接近和超過人體手掌寬度，故應以男性大尺寸掌款為設計依據(jù)。根據(jù)國標GB10000-88《中國成年人人體尺寸》，18-65周歲男性95百分位手寬為89cm，一般來說，手握式工具把手的長度尺寸在100-125mm之間,本設計廚刀把手長度取105mm，使刀柄的長度滿足多數(shù)人的需求。②把手直徑：對于廚刀而言，把手的直徑直接影響著握感舒適性。把手直徑根據(jù)不同情況，一般接近于使用者的手握尺寸。本設計的把手直徑取25mm，既保證了使用時的握感，又不會因為刀柄太粗從手中脫落。③截面形狀：刀柄的截面形狀為橢圓形，外形更加圓潤，增加了與使用者手掌的接觸面積，也加強了使用者的舒適度且不易脫落。廚刀把手尺寸及形狀如圖5所示。

圖5 廚刀把手尺寸及形狀

3.3 廚刀的安全問題

廚刀是準備食材的過程中必要的工具，并且很容易被隨意放置，導致發(fā)生了很多嚴重的傷害。此外，根據(jù)問卷調(diào)研結果，廚刀裸露的刀片、鋒利的刀刃，一定程度上都會讓人產(chǎn)生恐懼感。本設計經(jīng)過對廚刀的改良，將原本廚刀的刀片設計成可收縮的刀片。在不使用時，可以將刀片旋轉(zhuǎn)收回刀殼里，避免因為廚刀的存放不當，導致意外發(fā)生，并減輕了鋒利刀刃給人們帶來的恐懼感，在外觀上看起來也更加輕巧。

4 總結

本設計基于人機工程學原理對廚刀進行了改良設計，使廚刀在使用過程中更加的高效、舒服、安全。在保持菜刀使用功能的前提下，本設計主要對廚刀的造型進行重新設計，以解決長期使用廚刀過程中手部受到的損傷。但是，本設計也存在一定的不足，比如：由于刀片較窄，本設計改良廚刀不適用于大塊肉類等食物的切割，其定位僅適用于青菜、水果等較易切割的食物。