浅谈女性用电动工具设计中的人机工程要素

钟静雯，李刚，范欣圆，陈立影

（ 昆明理工大学，云南 昆明 650504 ）

0 引言

电动工具是一种由电动机或电磁铁为动力，通过传动机构驱动工作头进行作业的手持式或可移式机械化工具。市场对于该类产品的使用和消费群体的划分主要以工作人群或产品使用领域为主，较多工具设计并不适合女性使用。现代社会中女性已越来越多地参与到以男性为主导的行业之中，因此对于电动工具的设计也应更多地考虑到女性使用者。随着我国电动工具市场细分加速，专属女性使用的电动工具产品设计或是亟待开展的新亮点。

人机工程学是通过研究人——机器——工作环境三者之间的相互作用，从而使产品在生产过程中提高生产效率，保证使用者的安全、健康和舒适性的一门学科。如今大众对于产品的实用性和舒适性要求提升，针对女性特点而设计的电动工具须尽可能满足女性心理与生理需求，让女性消费者在使用过程中获得最大的舒适感。本文以手持式电钻为例进行阐述。

1 概述

电钻是手持式电动工具中较为常见一款产品，其在建筑、装饰、医疗、交通、制造等行业内使用广泛。同时，电钻也在家庭生活中得到普遍应用。

目前市场上的电动工具设计主要偏向男性化，设计风格偏向于机械风格，在人机要素上的考虑也主要以男性消费者为主。由于男性和女性在人机要素方面存在着一定差异，故女性在操作或使用一般的手持式电动工具时难免碰到一些困难。作为一款人机交互的设计产品，手持式电动工具应使得女性在使用时更便捷、更安全。

2 要素分析

女性的生理构造与男性不尽相同。从出生起，男性与女性在生理结构、心理结构上都有着不同的发展方向，手部握力、尺寸等数据也有差距。例如，女性的手长数值平均比男性的手长数值小2 cm，手部握力比男性小约70%。女性的最大握力可达到35．5 kg，男性的最大握力为59．3 kg，但女性握力的持续时间为73．9 s，高于男性 10．8 s。

通过对女性用户的手部尺寸、手腕活动尺寸以及心理差异性对女性用电动工具设计进行分析，在设计时应多参考女性的人机工程学要素，从工具的手柄、按键、色彩、重量等方面有所突破，在外观设计上应更多考虑柔美曲线，符合女性的心理特征。

2.1 手部特点

人体手部的基本位置可分为尺侧偏、桡侧偏、正中、背侧屈和掌侧屈等五个部分。正中位置为手部自然位置，在此位置上手腕力量最大。在工具设计时，应尽可能处于手部正中位置操控工具，以避免由于受力状态不合理而引发的手腕部伤害。

手部骨骼除关节连接还包括肌肉与韧带连接。韧带限制手部关节的活动范围，同时增加关节之间的稳定性。所以，让女性手部在使用产品时获得最大舒适度，就是需要让手腕的各个关节也在舒适范围之内。

手腕关节控制手部的运动范围见图1。图1给出了男性与女性在第5百分位数和第95百分位数手腕活动范围。灰色阴影部分为手腕活动的最佳位置，即手腕运动的最舒适位置。由图1可见，女性和男性在手腕关节的活动范围差异较小。在设计男性与女性通用产品时，腕部的最大活动范围应不超过男性与女性的第5百分位数的最小值，而在针对女性使用的电动工具时，对于腕部的参考值应不超过女性第5百分位数的最小值，以减少手腕的压迫感，保证95%的女性能够更为方便地使用。手操纵力是电钻设计的重要依据，在实施动作时应尽可能在正中位置进行。

图1 手腕关节活动范围

女性手部尺寸见图2。图2中所示女性手部握物宽度平均值为94 mm（LM为P99高个女性；MEAN为P50平均女性；SM为P1矮个女性）。在设计手持电钻的手柄部位时，手柄直径应相对较小，针对不同类型的手柄结构直径应有一定变化。普通手枪式手柄，一般为5 cm～6 cm，直筒式手柄一般为4．06 cm～6．10 cm，拎攀式手柄的最佳跨度为3．56 cm。

图2 女性手部尺寸

2.2 心理特点

电动工具的女性要素可以体现在产品的外观造型上。在工业产品设计的外形中，女性元素归结为曲线元素、色彩元素等。这些元素不仅是具象概括，更主要是它们在极大范围中表现出温馨、柔美等女性魅力，是对女性文化的完美阐述。

首先，女性在选择产品时对外观造型有着较大关注，所以产品视觉形态设计尤为重要。柔美线条、曲面设计、淡雅色彩易受女性青睐，无形中可唤起其女性意识。第二，在电动工具产品的设计上加入流行元素。女性对于当下的流行文化敏感度高于男性，普通电动工具产品的设计风格偏向运动化，配色较为单一，在产品设计上融入新的色彩，线条和造型，以贴近时尚的方式刺激消费。第三，融入情感化元素。在产品之中体现关爱女性、尊重女性，从女性心理特征出发，更好地吸引女性消费者。

3 产品分析

3.1 手柄结构

在操作手持式电钻时，电钻手柄的直径、长度、形状以及结构等因素与操作者手部握力大小、握力持久时间以及操作安全性与舒适性有直接关系。图3所示为某款电钻手柄设计，针对女性使用的电钻手柄直径应适当缩小，考虑将手柄握持部分直径调整为40 mm～50 mm，增加曲线和手指凹槽，同时加大摩擦面，便于抓握。为减轻产品重量，在材质上考虑采用镁合金为内框架替代原本铸铝合金框架，轻便的同时也可增加产品的强度。除此之外，根据实际操作和采用测量肌动电流图(EMG)试验表明，采用聚乙烯基套的手柄可提供舒适、良好的握持面，所以在材料的选择上不做过多的改变。

图3 产品手柄分析

3.2 按键结构

按键位置以及尺寸大小同样也与人机工程学有着密切的联系，应做到操作者不需要进行特定观察即可准确触碰按键位置。按键数量不宜过多，过多按键操作易使得女性操作者在使用过程中造成混乱。按键与按键之间应有足够位置，用不同颜色标出。普通手持式电钻开关板机长度约为21 mm，按键长度过小导致手指的疲劳程度增加，长时间使用该工具时易产生关节疲劳和疼痛。

18至55岁的女性食指近位指关节宽50百分位数数值为17 mm，食指远位指关节宽50百分位数数值为15 mm。在GB/T 14775-1993《操纵器一般人类工效学要求》中，要求圆形按键的食指按压基本尺寸最小为3 mm～5 mm，最大为15 mm，拇指按压基本尺寸最小为18 mm，最大为30 mm。在对女性手持电动工具的按钮设计中应考虑将按键数减少，突出按键的大小和功能，停止、断电按键建议使用红色，需要反复使用的按键颜色尽量采用黑白灰三色。开关键尺寸建议为18 mm～30 mm，因拇指压力最高可达35 N，可有效地避免误触。

3.3 其他功能

对于女性而言，手持式电钻应拓展考虑以下功能：

1）设计粉尘吸收或遮挡装置，可让女性在使用过程中尽量避免吸入粉尘。

2）增加保护断电开关，避免女性因使用不当造成的人身伤害风险。

3）结构简单易于拆卸，同时便于收纳。

4）增加电池续航能力，减少充电次数。

4 结论

本文通过对女性生理与心理特性进行研究，针对女性用户的手部尺寸、腕部活动范围提出了减轻产品重量、缩小手柄尺寸、增加保护措施等改进办法，根据电动工具现有造型设计出发，开发适合女性用户使用的工具产品。相关制造企业应在面向女性使用的电动工具设计中考虑不同的人机工程要素，才能准确地设计出满足现代女性实际需求的电动工具产品。

[1]陆顺平，秦泳元．电动工具发展概况和趋势[J]．电动工具，2005(03)．

[2]吴英杰，郭爱华，孙源伟．手持电动工具人性化设计研究[J]．现代工业经济和信息化，2017(20)．

[3]颜声远．人因工程与设计[M]．哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2011．

[4]张久美．电动手工电钻造型设计的人机设计研究[J]．包装工程，2013(16)．

[5]朱强，秦泳元．人体工程学与电动工具[J]．电动工具，2005(02)．

[6]董佳丽．面向中国家用市场的电动工具的工业设计要素与实践方法研究[D]．苏州大学，2007．

[7]AdewusiS,RakhejaS,MarcotteP,ThomasM.Distributed vibration power absorption of the human hand-arm system in different postures coupled with vibrating handle and power tools[J].International journal of industrial ergonomics,2013(4).

[8]Xiao Hong Lu,Wen Yi Wu,PengZhuoHan,Guang Jun Li,Zhi Cong Zhang.Theindexing precision testing techniques of power tool rest cutter head[J].Applied mechanics and materials,2013(313).

[9]Sesto M,RadwinR,RichardT.Short-term changes in upper extremity dynamic mechanical response parameters following power hand tool use[J].Ergonomics,2005(7).