人机工程学视角冲击钻的使用分析和设计实践

　　摘要：冲击钻是一种目前应用比较广泛的手持电动工具，本文运用人机工程学方法对冲击钻的各方面问题进行了研究，深入的讨论人机工程学的基本原理，综合了手握式冲击钻工具的设计规范，对冲击钻的原理进行了研究和分析。以期为冲击钻设计提供一定的借鉴。

　　关键词：人机工程学； 冲击钻设计； 使用法分析；

　　Abstract:Percussion drill is a kind of hand-held electric tool which is widely used at present.In this paper,the ergonomics method is used to study all aspects of the percussion drill.The basic principle of ergonomics is deeply discussed.The design specification of hand-held percussion drill tool is synthesized,and the principle of percussion drill is studied and analyzed.In order to provide some reference for the design of percussion drill.

　　Keyword:Ergonomics; Percussion Drill Design; Usage Analysis;

　　1人机工程学概述

　　人机关系，其主要研究的是"人-机-环境"之间所存在的协调关系，其中需要着重体现"人的因素"这一观念。在设计时，我们需要全面考虑人体结构等尺度数据，并将这些数据有效地运用到产品设计中去，从而设计出适合人体使用尺寸的产品。合适的尺寸关系决定了人机之间是否方便、安全和舒适[1].通过对冲击钻使用过程中人机工程学的研究，探讨如何设计优化冲击钻，使其适用于不同人群且在使用时更为稳定省力，为操作人员在使用冲击钻时创造一个安全、舒适的体感环境[2].

　　2现有冲击钻现状分析

　　根据对现代广泛使用的冲击钻进行分析，主要分为四种双臂冲击钻类型，如图1所示，都拥有两个操作手柄。通过模拟使用者的实际操作环境来观察不同类型冲击钻的优异程度：

　　图1 四种双臂冲击钻类型 

　　A:这款冲击钻为常用冲锋枪模式，由于使用时双手朝向一个方向，前手柄会承受一个重力，而后手柄则把控冲击钻的方向，同时给予冲击钻一个推力。使用这类冲击钻时力会相互抵消，最后只剩一个推力作用，所以会比较省力。弊端则是双手作用的手柄在同一方向，操作时会出现不平稳现象，从而造成打孔偏差。

　　B:这款冲击钻双手的把控方向不同，可以对冲击钻起到更稳定的作用，该冲击钻的优点就是手柄承受的冲击力作用在虎口处，可以减轻手部所承受的静肌负荷，但弊端是作业时通风口处的热风会流向人体手部方向，从而损伤手部的组织结构，并且使用B类冲击钻时需要手腕弯曲，会对手腕造成损伤。

　　C:这款冲击钻冲击力较于前两种冲击钻的冲力更大，作业时间较短，但需要双手在同一个方向把控，此点对于它自身的结构来说并不合理，人体使用会不平稳，对于人体使用姿势来说，舒适度也会降低。另一点则是冲击钻的后手柄部位，使用时手掌受力，四指按动开关，对于它自身的材质来说，金属材质并没有起到缓冲的作用，容易造成使用此款冲击钻的人受伤。

　　D:这款冲击钻由双手平衡使用，其所承受的扭矩较大，作业时比较平稳，但冲击钻前端部分太短，在作业环境中很容易遇到阻碍。

　　通过以上对冲击钻的分析可以得知：A类最省力，B类最平稳，C类冲击力最大，D类操作扭矩最大。所以，我们可以得出结论：冲击钻后手柄的斜度可以使人操作更省力，对手部的作用点会集中在虎口处，从而减轻手部损伤，两个手柄为X、Y轴结构交叉最为稳定，包括对于材料的选择，塑料材质较于金属材质也会很好的保护手部结构，冲击钻前端使用钻头部位的距离长短可以决定其所适用的操作环境[3].

　　3基于人机工程学的冲击钻使用分析

　　3.1站姿工作分析

　　站立式可分为水平作业、向上垂直作业、向下垂直作业三种使用方式分析（如图2）：

　　1）站立式水平作业：

　　一般表现为墙面等与身体平行的作用，冲击钻钻头对准作业点，一只手手掌握住冲击钻手柄部位，食指按住启动按钮进行作业，另一只手握住前方垂直手柄。人体手臂的力量支撑着冲击钻本身的重力和作业时墙面的反作用力，对冲击钻作业时由身体前倾按压施力，双腿分开，前腿弯曲，使身体重心集中于后腿处。

　　2）向上垂直作业：

　　一般表现在天花板作用等。这种情况下人体小幅度后仰，左腿顺直，右腿向后弯曲并支撑身体协调作用。作业时头部向上扬起，视线聚焦于钻头部位，同时手臂向上举起冲击钻，手腕向后弯曲并向上按压。

　　图2 站姿工作分析图

　　图3 弯腰工作分析图

　　图4 跪蹲式工作分析图

　　图5 方案分析图

　　3）向下垂直作业：

　　一般表现在桌面钻孔或者放于桌面的材料钻孔等。操作时身体前倾30°左右，头部随身体向下观测作用点，右肩抬高，右手的前臂与后臂接近在同一水平线上，手腕向下弯曲在控制冲击钻稳定的同时对其施加作用力，手臂弯曲，左手按到作用物上并对物体进行固定，防止操作失误。

　　站立式使用冲击钻，手部位置所承受的力加重，对于人体本身的不适度也在加强，同时也包括手臂的长时间抬起支撑作用、手腕弯曲的施力作用等。

　　3.2弯腰工作分析

　　弯腰式可分为斜角作业、水平作业、垂直作业三种使用方式分析（如图3）：

　　1）弯腰式水平作业：

　　使用时冲击钻主轴与墙壁之间垂直，作业时人体腰部弯曲度在60°左右，手部姿势保持相同，手腕保持顺直的情况下，人体前臂与后臂之间呈现夹角，由整体施力作用于冲击钻上。而冲击钻直筒式手柄也可向左旋转90°使抓握姿势更为方便。

　　2）弯腰式垂直作业：

　　使用时冲击钻主轴与地面作用垂直，身体同样弯曲60°左右，主要作用于地面或者台阶等场景。操作时人体左肩低右肩高，左手手臂顺直操作，右手手臂呈钝角角度。操作时，其双腿岔开略微弯曲，与冲击钻之间形成三角模式。身体向下按压对冲击钻施力作业。

　　3）弯腰式斜角作业：

　　使用时冲击钻主轴与墙壁呈现夹角，其身体上半身前倾45°左右，使钻头斜对准作业点的同时，腿部也随之弯曲进行身体的协调操作。手部的使用方式相同，但人体手腕处与手臂呈现弯曲角度。由于手腕支撑冲击钻的作用力，从而加大了手腕的压力。

　　弯腰式对于手腕的作用力增大，不能保持手腕方向的顺直状态，使用产品的舒适度减弱，手指操作困难。

　　3.3跪蹲式工作分析

　　1）跪蹲式水平作业：

　　一般表现为与身体平行的墙面作用，单膝跪地，身体前倾施加压力，右手手臂弯曲置于右膝上方，左手手臂抬高，保持冲击钻主轴与墙面垂直进行作业。

　　2）跪蹲式斜角作业：

　　一般表现在墙角作业等，人体腿部姿势相同，但身体前倾度要高于水平作业，右手手臂关节处放在右腿腿部膝盖上作为支撑点，右手前臂弯曲呈70°左右夹角，手腕向外伸展作为对冲击钻的施力点，左手手臂放在左腿部位上方，作业时旋转冲击钻直筒式手柄，调整手部握持位置。

　　3）跪蹲式垂直作业：

　　保持冲击钻与地面方向垂直，身体姿势与之前相同，低头观测作业点，右手手臂弯曲，左手手臂向下方伸展按压，使之共同作用力，且手部施力和冲击钻的重力与地面的反作用力相互进行作业。

　　跪蹲式在垂直作业下，冲击力作用于手掌的震感加强，长时间操作会使手掌局部酸麻，而平行作业也会对其施力的手腕造成一定程度的损伤，使手腕承受力加大。

　　4基于人机工程学的冲击钻设计实践

　　4.1设计目标

　　根据以上对使用冲击钻的分析，我们可以提出两个设计目标，调整产品结构，以及打造符合人机的产品使用舒适度[4].

　　1）操作稳定性。

　　操作的稳定与否关系着工作效率，通过提升操作的稳定结构，可以有效地提升工作效率，减小打孔偏差。

　　2）施力最大化。

　　调节施力面积的大小关乎人体对冲击钻使用过程中的舒适程度，人体对冲击钻的施力面积越大，就越省力，施力面积越小越费力。

　　4.2方案分析

　　根据以上分析的现有产品，调整冲击钻整体结构，在相同环境因素下进行测试评估[5],如图5所示。

　　1）左手手柄长度可调，范围初步探讨：

　　因为冲击钻在XY轴交叉式手柄时最省力，所以可以通过调整冲击钻左手手柄长度来适应于不同的人群，通过冲击钻对左手的受力分析可知，将手柄长度调节至左手肩宽位置为冲击钻手柄长度的最大范围，在此范围内，左手前手柄越长越省力。由此，可将冲击钻前手柄设计为不大于人体左肩的长度，可伸缩调节式手柄要比原有产品稳定省力。

　　2）对右手手柄形状探讨：

　　右手后手柄在以上分析过程中发现，后手柄设有轻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对人体的损害度小且更省力。由此可通过设计冲击钻右手手柄的角度，来降低冲击钻对人体右手的损害程度。

　　5结语

　　随着时代的发展和冲击钻功能的改进，使用冲击钻的人群也会发生巨大的变化，针对不同的使用人群，设计制作时也会考虑不同类型使用者的自身特点，通过对人机工程学分析方法研究，以期对冲击钻的设计改进具有指导作用。

　　参考文献

　　[1] 李慧。基于人机工程学的机械产品设计[D].徐州工程机械研究院，2018.

　　[2] 周树霞。人机工程学在手工工具设计中的应用[D].云南艺术学院，2019.

　　[3] 朱宏森，吴群，邹宁。一种冲击钻人机性能快速评价方法[D].浙江理工大学，2019.

　　[4] 杨猛，杜永超。电器产品设计研究[D].沈阳理工大学，2016.

　　[5]刘传龙。防尘电钻的改良设计[D].vip,2013.