筷子使用中的工效学评估及关节运动模型*

杨　婷　钟雅祯　刘沫含　唐日新

(南京大学心理学系，南京 210023)



筷子使用中的工效学评估及关节运动模型*

杨婷钟雅祯刘沫含唐日新**

(南京大学心理学系，南京 210023)

筷子是中国人最常用的餐具之一，但是工效学方面的评估并不多。文章通过两个实验对日常使用的筷子进行工效学分析。实验一考察握筷姿势与握筷位置的关系，发现钳子手较剪刀手握筷位置更靠后。实验二通过问卷、绩效以及运动学数据对筷子使用过程进行了分析，发现不同握筷姿势各有优劣，并且对用筷过程中肩、肘和腕等关节进行运动学和舒适性分析，由此建立手臂关节运动的模型。

剪刀手钳子手筷子运动分析

1　引　言

在中国乃至亚洲，筷子作为最基础、便捷和广泛使用的餐具，成为人们饮食生活中不可缺少的一部分。随着技术进步，筷子的制作工艺更加精进，人们对于筷子的要求也越来越高。何种筷子适合人们的日常使用，成为工效学研究面临的问题。尽管基于餐具的西方研究起步很早，但由于文化传统等差异，西方学者一般只研究刀叉等餐具的工效学问题(Cochran & Riley,1986a,b;Donati & Patel,1999)。而筷子同样是使用人数众多且非常简单的工具，但是长期以来对筷子的研究较少，并且指标主要集中在绩效和主观评价方面，使用的量表也不统一(Chan,1999;Lee & Chen,2008)，结果也存在不一致。近些年来，越来越多的外国人开始使用筷子，但是使用时存在许多困难。对筷子工效学特性进行深入研究变得越来越重要了。

早期筷子工效学的研究从筷子的外观入手。Hsu和Wu(1991)关注了筷子的长度，认为最适宜成年人使用的筷子长度是24厘米。Wu(1995)和Chan(1999)进一步发现，筷子柄直径、尖端直径和尖端角度对筷子使用的效果影响很大。研究者们还对筷子的使用姿势进行了分析。筷子作为手的延伸使得筷子使用技能成为一个具有东方文化特色的、典型的精细动作技能，传统的筷子操作需要良好的神经控制和手指的精细运动功能，尤其是包括拇指、食指和中指(Sandra,Donna,& Jenna,2002;Eyler & Markee,1954)。林磊，董奇，孙燕青和Claes(2001)将用筷模式分为八种，但是许多模式成人并不常用。目前多数研究将握筷方式分为两种。一种是钳子手，如图1；另一种是剪刀手，如图2。当然，每种方式在手指操作上可能有差异(Chen,1998;Lee & Chen,2008;Yoo & Yoo,2012)。

图1钳子手图2剪刀手

基于效率、习惯和美感的评价标准，研究者认为钳子手是优于剪刀手的握筷方式(Hsu & Wu,1991;Chen,1998)。Ho和Wu(2006)发现，使用尖端刻槽的竹筷夹取食物时，钳子手握筷有更好的效果。他们进一步发现钳子手在精确性和稳定性方面表现特别出色。正是由于钳子手的上佳表现，Lee和Chen(2008)发明了一种辅助工具，从而使习惯于剪刀手握筷的人在经过一个小时的训练后，可以改变握筷方式，变成钳子手。由此，Chang,Huang,Chen和Wang(2007)为手有残疾的人们专门设计了一种钳筷子，帮助其自如地使用筷子。

从以往研究来看，人们对筷子外观和握筷子的方式进行了工效学研究，但是对握筷位置并未进行考察。对握筷位置进行研究一方面有利于筷子外形的工效学优化，可以在握筷的位置用软质材料增加舒适性，或者刻花纹以防滑等。另一方面，从一般日常观察中可以看到，钳子手和剪刀手的握筷位置似乎不同，剪刀手的握筷位置更靠中间，但是否确实存在这个规律还需要实验验证。由于不同的握筷位置手指施力等都有不同，因此对于分析筷子使用特点有重要作用。实验一我们首先测量不同握筷姿势下，使用不同长度的筷子时握筷位置是否有差异。

不同的握筷位置可能导致筷子使用的运动学特性不同，而以往研究采用的评价指标比较简单。实际上，使用筷子是各个关节活动配合的结果，因此仅仅测量使用时的准确性和舒适性等方面是远远不够的。绩效考核与主观评价无法分析筷子的运动过程，因此筷子使用时存在的差异无法测量，导致不同筷子工效学方面的差别产生的原因无法分析。我们期望通过实验二对使用筷子时的运动学数据进行分析，了解手臂的运动学特性，结合主观评价和绩效，对筷子长度、握筷姿势等方面进行综合测评，并且根据运动学数据建立完整的关节运动模型。此外，工具一直是认知和脑神经研究的热点问题，工具的使用扩大了人的认知范围并引起认知策略和脑区一系列的变化(Cardinali,Frassinetti,Brozzoli,Urquizar,Roy,& Farnè,2009;Kao & Goodale,2009)。筷子是中国人日常使用的重要工具，也具有一定的特殊性，筷子运动特性研究的结果，可以为工具使用的认知策略研究提供初步参考。

2　实验一：不同握筷姿势下的握筷位置研究

采用4×2实验设计对筷子使用者握筷位置进行测量，筷子长度(20cm、22cm、24cm、26cm)是被试内变量，握筷方式(钳子手、剪刀手)是被试间变量，因变量为虎口到筷子后端的距离占筷子总长的比例，用于反映握筷位置。因为夹取是多个手指配合的活动，而手指的位置较难测量和定义，所以我们用虎口到筷子后端的距离来反映握筷位置。

2.1实验方法

2.1.1被试

18名本科生参加该实验，其中11名被试习惯使用钳子手的握筷方式(4男7女)，7名被试习惯使用剪刀手(2男5女)。所有被试年龄在20～28周岁之间，钳子手被试平均年龄为21.16，剪刀手被试的平均年龄为21.42。被试的视力或矫正视力正常，均为右利手，中国人，一直使用筷子。

2.1.2实验材料

由于实验不研究筷子材料的影响，因此选了最普遍使用，而又易于加工的竹筷。夹取的食物按照大小选取了三种典型食物：花生米、带壳花生和蛤蜊。

2.1.3任务和程序

被试使用4种不同长度的筷子夹取不同大小的食物(花生米、带壳花生、蛤蜊)，筷子长度顺序随机。每种长度筷子使用30秒后，测量虎口到筷子末端的距离，作为该长度的握筷位置。被试每次使用一种长度的筷子完成夹取后，休息2分钟，然后换一种长度的筷子重新开始夹取。每个被试的总体任务时间大约是10分钟。被试使用筷子夹取的过程中握筷位置未移动，并且握筷方式固定，在任务完成后主试对被试的握筷方式进行记录。

2.2结果

图3不同长度下握筷方式不同时握筷位置的百分比均值(误差线是标准误)

以筷子长度为被试内变量、握筷方式为被试间变量对握筷位置进行混合方差分析，主效应显著则进行事后检验(Bonferroni矫正)。结果表明，握筷方式的主效应显著，F(1,16)=11.15，p=0.004，η2=0.403。剪刀手握筷方式显著靠近中间位置，而钳子手则靠近筷子后部。筷子长度不同时，握筷位置的比例有显著差异，F(3,48)=4.77，p=0.014，η2=0.631。进行两两比较，使用剪刀手时，四种长度筷子握筷位置均无显著差异；使用钳子手时，20cm分别与22cm(p=0.008)、24cm(p=0.007)、26cm(p=0.004)差异显著。其他无显著(见图3)。

3　实验二　不同长度筷子在不同握筷姿势下运动特性研究

本实验要求被试对不同长度的筷子夹取不同食物进行评价，分别从绩效、主观评定和手臂运动等角度分析不同长度的筷子是否适合不同握筷姿势下对不同食物的夹取，从而进行完整的评价。此外，本实验收集运动学数据，建立拟合用筷动作的手臂关节运动模型。

3.1实验方法

采用4×2×3的混合设计。自变量为筷子长度(20cm、22cm、24cm、26cm)、握筷方式(钳子手、剪刀手)和不同食物(花生米、带壳花生、蛤蜊)。其中，握筷方式为被试间变量，筷子长度和食物为被试内变量。因变量为绩效、主观评价和运动学指标。

3.1.1被试

与实验一被试相同。

3.1.2实验材料和仪器

在室内灯光照明环境下进行。实验场景如图4所示。A盘中放置食物，花生米、带壳花生或者蛤蜊，B盘为空盘。被试坐在桌子前，运动指标通过加拿大NDI公司生产的Optotrak Centus运动测量系统获得。方法为：在右手臂上粘贴红外标记器(marker点)，Optotrak3020系统能动态、实时地记录下红外标记器的坐标，通过API和Visual Studio编程获得Marker点的运动情况。Optotrak3020测量的RMS精度为0.2mm，采样频率为200Hz。

图4实验情景示意图

图5中标注了手臂marker点的位置。第1、2点在筷子顶上，主要收集筷子的运动轨迹。第3点在肩关节，第4点在肘关节，第5点在腕关节上，第6点在垂直于手腕的刚体上，第7点在手掌外侧，与第5、6点同一平面，第8点在腰带上。这样，第3、4、5点构成肘关节角度，第8、3、4构成肩关节角度，第6、5、7点构成手腕角度。通过这些点的测量，可以把筷子夹取的动作分解为各个关节角度的变化。

图5　手臂贴marker点情景图

3.1.3任务与程序

被试被告知按照平常习惯使用筷子。在实际使用筷子夹取食物的过程中，我们有时将手肘靠在桌面上，有时将手肘悬空。为了在实验中对被试的用筷运动进行一定程度的控制，我们要求其把手肘靠在桌面上。被试分别用20cm、22cm、24cm和26cm长的筷子夹取不同种类食物(花生米、带壳花生、蛤蜊)。每种食物被分别放置在A盘中，被试被要求尽快用筷子将食物从A盘不断夹取到B盘中，连续夹取40秒。这样共需要进行4×3次，每次40秒。每进行完40秒后，被试休息2分钟，填写这次的主观评价问卷。主试记录40秒内被试转移到B盘食物的数量，作为绩效。整个运动中手臂上marker点的数据被记录。

3.1.4主观评价问卷

实验问卷为自行编制，主要是考察手指、手腕、手肘和肩膀的舒适度，为5点量表。量表包括四个问题，分别是“任务中，我的手腕没有不适的感觉”、“我的手肘在任务中，感到很不舒服”、“因为这个任务，我的肩膀很难受”、“在任务过程中，我的手指很舒适”。以往研究并未细分到关节的舒适度。本研究主要结合运动指标进行评价，考察使用中的舒适性问题。问卷调查的顺序随机，对于每个维度单独分析。

3.2结果

实验二的结果部分均是以筷子长度、夹取任务为被试内变量，握筷方式为被试间变量进行混合方差分析，主效应显著事后检验采用Bonferroni方法。对绩效、主观评价、运动指标的每个因变量指标，只报告显著的结果。

3.2.1绩效

绩效方面，筷子长度主效应显著，F(3,48)=5.83，p=0.002，η2=0.085。两两比较发现，20cm筷子的绩效显著好于22cm(p=0.008)、26cm(p=0.015)，24cm筷子也显著好于22cm(p=0.017)、26cm(p=0.002)。夹取任务的主效应显著，F(2,32)=87.86，p<0.001，η2=0.384。两两比较发现，带壳花生任务好于花生米(p<0.001)和蛤蜊(p<0.001)，花生米好于蛤蜊(p=0.003)。握筷方式的主效应显著，F(1,16)=13.81，p=0.002，η2=0.463，钳子手绩效更好。筷子长度、任务和握筷姿势的交互作用显著，F(6,96)=2.94，p=0.011，η2=0.155。简单效应分析表明，夹花生米时，握筷方式和筷子长度交互作用显著(p=0.011)。其他无显著(见表1)。

总的来说，从绩效来看，20cm和24cm绩效好于22cm和26cm。夹取带壳花生绩效最好，花生米次之，蛤蜊最差。剪刀手绩效差于钳子手。

表1　各种处理下的绩效平均数与标准差

3.2.2主观评价

手指、手腕、手肘和肩膀舒适度的主观评价中，手腕舒适度中任务主效应显著，F(2,32)=10.50，p<0.001，η2=0.396。进行两两比较，夹取花生米显著优于蛤蜊(p=0.012)，夹取带壳花生显著优于蛤蜊(p<0.001)。手肘舒适度方面，任务主效应显著，F(2,32)=2.80，p=0.005，η2=0.148。两两比较，夹取蛤蜊优于带壳花生(p=0.001)。筷子长度与任务的交互作用显著，F(6,96)=3.79，p=0.002，η2=0.191。进行简单效应分析，在夹取花生米时，24cm筷子显著好于20cm(p=0.019)和26cm(p=0.019)的筷子。夹取带壳花生时，24cm筷子显著好于26cm筷子(p=0.016)。夹取蛤蜊时，24cm筷子也显著好于26cm筷子(p=0.018)。肩膀舒适度方面，任务主效应显著，F(2,32)=8.10，p<0.001，η2=0.336。两两比较发现，夹取花生米好于夹取带壳花生(p=0.004)，夹取蛤蜊也好于带壳花生(p=0.002)。手指的舒适度方面，任务主效应显著，F(2,32)=14.23，p<0.001，η2=0.471。两两比较发现，夹取带壳花生好于花生米(p<0.001)和蛤蜊(p=0.001)。其他不显著(见图6)。

图6用不同长度的筷子夹取三种食物时手腕、手肘、肩膀、手指的舒适度得分(误差线是标准误)

3.2.3运动指标

运动指标通过两个方面描述，一个是肘关节、腕关节、肩关节的关节角度值，表明基本的姿势；另一个是各个关节角度变化的标准差，表明关节动作的变化情况。图7为用不同长度的筷子夹取三种食物时肘关节、腕关节、肩关节的关节角度平均值。

图7用不同长度的筷子夹取三种食物时肘关节、腕关节、肩关节的关节角度平均值(误差线是标准误)

对各个关节基本角度的方差分析结果表明，肘关节的任务主效应显著，F(2,32)=5.45，p=0.009，η2=0.254。两两比较发现，夹取蛤蜊时的肘关节角度显著大于带壳花生(p=0.001)。腕关节的关节角度方面，筷子长度、夹取任务、握筷方式三者的交互作用显著，F(6,96)=3.17，p=0.05，η2=0.166。简单效应分析表明，夹花生米时，握筷方式和筷子长度交互作用显著(p=0.05)。其他都不显著。肩关节的关节角度方面没有显著。也就是说，夹取蛤蜊比夹取带壳花生肘关节的关节角度更大。

对各个关节的关节角度变化标准差的方差分析表明，肘关节关节角度变化标准差的筷子长度主效应显著，F(3,48)=7.38，p<0.001，η2=0.316。两两比较发现，20cm与22cm的筷子(p=0.002)、24cm的筷子(p=0.005)、26cm的筷子(p=0.002)差异显著，20cm最大。肘关节的任务的主效应显著，F(2,32)=11.22，p<0.001，η2=0.412。两两比较，夹取花生米小于夹取带壳花生(p=0.001)和蛤蜊(p=0.001)。肘关节的任务与握筷姿势交互作用显著，F(3,48)=4.06，p=0.027，η2=0.202。简单效应分析发现，剪刀手中，带壳花生大于花生米(p=0.001)，蛤蜊也大于花生米(p=0.003)。

腕关节关节角度变化标准差的任务主效应显著，F(2,32)=24.15，p<0.001，η2=0.602。两两比较，带壳花生大于花生米(p<0.001)，蛤蜊也大于花生米(p<0.001)。腕关节的筷子长度与握筷姿势交互显著，F(3,48)=3.46，p=0.023，η2=0.178。简单效应分析发现，钳子手用20cm筷子显著小于22cm(p=0.004)、24cm(p=0.023)和26cm(p=0.047)的筷子。

肩关节关节角度变化标准差的任务的主效应显著，F(2,32)=11.24，p<0.001，η2=0.413。带壳花生大于花生米(p<0.001)，也大于蛤蜊(p=0.004)。其他不显著。

也就是说，比起使用其他长度的筷子，使用20cm筷子时肘关节活动更大。钳子手使用20cm筷子时腕关节活动最小。在夹取带壳花生和蛤蜊时，肘关节、腕关节的关节角度变化显著大于花生米。肩关节在夹取带壳花生时关节活动最大。

3.2.4模型构建

所有Optotrak设备采集的运动数据均采用Matlab软件分析，并利用Butterworth函数滤波。根据运动指标收集的数据，对所有被试各种条件下的肘关节、腕关节、肩关节各个关节的关节角度和关节角度变化标准差进行计算(见表2)，并根据三个关节的关节角度值建立了拟合用筷的关节运动模型，如图8所示。其中黑色粗线条为躯干和手臂，圆圈为关节，腕关节旁边交叉线条为筷子。肩关节角是大臂与躯干之间的夹角，肘关节角是大臂和小臂之间的夹角，腕关节角是手掌与小臂正交线的夹角。阴影部分是用筷过程中各个关节角度的活动范围。

表2　关节角度以及变化(单位°)

图8关节角度示意图

4　讨　论

本研究是一篇应用研究，具有一定的实践意义和理论价值。方法上，本研究通过搜集筷子使用过程中的运动学数据，对筷子的日常使用进行工效学分析，并建立了拟合用筷动作的手臂关节运动模型。相较于前人研究筷子使用的问卷法、实验法，本研究的运动学指标在方法论上是一大突破和创新。另外，本研究综合主观测量和运动学测量等指标，得出一些具有普遍意义的结论，如钳子手握筷位置较为靠近筷子后端，24cm的筷子在绩效和舒适度上具有优势，使用20cm的筷子时肘关节活动更大等。这些研究发现，为今后儿童、残疾人、外国人等人群的用筷训练提供了理论依据，也为生产筷子的厂家生产和设计筷子提供了一定的参考，具有一定的应用价值。最后，我们在实验二中建立了拟合用筷动作的手臂关节模型，为后续研究用筷过程中采用的认知策略以及工具对人的影响奠定了一定的基础。研究使用了绩效、主观评价和运动学数据三大指标，未来将考虑与生理学指标相结合，对用筷方式进行进一步的工效学测量。

4.1握筷姿势与握筷位置

实验一结果表明，剪刀手握筷子位置更加靠前，钳子手较为靠近筷子后端。实验二表明，使用钳子手夹取食物的绩效好于剪刀手。这也可能是以往研究(Ho & Wu,2006)推崇钳子手的原因。此外，从实验一结果可以看出，和其他长度的筷子相比，钳子手使用20cm的筷子时握筷位置显著靠后。原因是20cm的筷子较短，这样如果要保证筷子尖端有较大开合以便夹取不同物体，钳子手就必须要靠后握。

4.2不同长度筷子的优劣

从绩效看，20cm和24cm筷子绩效好于22cm和26cm。手肘舒适度方面，使用24cm的筷子舒适性更好，而使用20cm筷子时肘关节活动大于24cm的筷子。综合比较，24cm的筷子在绩效和舒适度上占有优势，这进一步验证了之前的研究结论(Hsu & Wu,1991)。事实上，筷子越长，越不灵便，但是手的运动越小。而筷子越短，越灵活，但是手的运动更大。因此24cm的筷子是绩效和舒适性综合较好的长度。

4.3绩效、主观评价和运动指标

绩效与舒适性是工效学评价的两个重要标准。就任务难度而言，夹取带壳花生最容易，花生米次之，蛤蜊难度最大，实验二中的绩效部分验证了这一点。在舒适性上，夹取蛤蜊时，手腕较不舒服，而夹取蛤蜊的手肘舒适度却优于带壳花生。肩膀舒适度方面，夹取蛤蜊的舒适度优于带壳花生。手指舒适度方面，夹取带壳花生时舒适度优于蛤蜊。关节角度变化标准差的指标中，夹取带壳花生时肘关节、腕关节、肩关节的关节活动显著大于花生米。一般来说，关节角度变化较大，说明动作不稳定，更容易产生疲劳。然而，实验二中的运动指标显示，在夹取带壳花生和蛤蜊时，肘关节和腕关节的关节活动都较大，但是从主观评价上来看，并非二者都不舒适。可能是因为在夹取带壳花生和蛤蜊时，关节拧转和用筷角度的不同导致舒适性不同。

4.4关节运动模型

本研究考察了用筷过程中手臂各关节的运动变化情况。从结果看，肩关节的关节平均角度最小，腕关节次之，肘关节张开角度最大。我们用角度的标准差表征动作变化幅度，结果表明，肩关节的活动最小，腕关节次之，肘关节活动最大。我们在用筷任务中，主要依靠肘关节的开合来实现食物的取放，肩关节和腕关节只是辅助。而上臂、前臂和手围绕基本姿势(也就是平均关节角度)震荡。事实上，这一结果可以推广到一般性的流水线作业或者桌面作业任务。本研究的数据模型对于人工智能、机器手臂仿真算法等有一定作用。

5　结　论

(1)剪刀手与钳子手握筷位置不同，钳子手较为靠近筷子后端。

(2)绩效方面，钳子手优于剪刀手。

(3)相比于其他长度筷子，24cm的筷子在绩效和舒适度上都有优势。

(4)对各关节的舒适性评价和运动学指标评价表明，不同握筷姿势下完成不同任务时各个关节的舒适性不同，配合运动指标可以对用筷过程进行完整解释。

(5)筷子使用中，肩关节的关节平均角度最小，腕关节次之，肘关节最大。运动过程中手臂围绕基本姿势震荡运动，肘关节的运动幅度最大，腕关节次之，肩关节最小。

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Abstract

Chopsticks are most commonly used by Chinese and even Asians,however few studies have been conducted based on the ergonomic analysis.Eighteen undergraduate students participated in the current experiments.In Experiment 1,the positions of the using chopsticks were recorded.In Experiment 2,participants grasped different food with markers on joints stick.They filled the questionnaires after each task,and the performance of tasks was also noted.Results showed that(1)The position was different between pincers pinching and scissors pinching,the position of pincers pinching was closed to the stern of chopsticks.Different postures have their own advantages and disadvantages;(2)It was different in comfort degree for different joints when using chopsticks;(3)The amplitude of elbow joint was the largest,wrist joint was the second,and the shoulder joint was the smallest.

Ergonomic Analysis and Joints Movement Model during Chopsticks Using

YANG TingZHONG Ya-zhenLIU Mo-hanTANG Ri-xin

(Department of Psychology,Nanjing University,Nanjing 210023,China)

scissors pinching,pincers pinching,chopstick,motor analysis

国家自然科学基金(31571131)。

B849

A

1006-6020(2016)-02-0127-10

**通信作者：唐日新，男，南京大学应用心理学系副教授，硕士生导师，E-mail:trxtrx518@nju.edu.cn。