人机工程学剪刀设计

人机工程学中剪刀设计研究

摘要：本文从人的生理特征出发，根据人机工程学的相关原理，分析了手工剪刀在 使用过程中存在的问题，并给出了解决的方法。

关键词：人机工程学、手工剪刀、裁缝剪刀。

图一 图二

正文：

一、工具与人机工程学

应用人机工程学原理进行手工工 具设计的意义和作用 手工工具例如榔头、钳子、剪 刀、扳手等是人们在日常生活和某 些特定的工作中经常要用到的一些 工具，它们的主要的作用区域是手、 腕、 臂以及上肢部分， 如果设计不当， 给使用者带来的累积损伤疾病（指 由于不断重复使用身体某部分而导 致的肌肉、骨髓的疾病）是十分严 重的。在美国，与工作有关的上肢 损伤（WUEDS）( 劳动统计部（BLS） 定义为累计损伤疾病 ) 占到所有与 工作有关的肌骨损伤的 11%，上肢 累积的损伤疾病占职业疾病的比例 超过 60%，其中与手部工具有关的 损伤超过 26 万例，相关的医疗费用 高达 4 亿美元。 通过应用人机工程学原理对手 工工具的使用方式、使用状态以及 造成累计损伤疾病原因的分析，一 方面可以提高工作效率和质量，另 一方面可以提高安全性、减少疲劳 和压力，增加工作的满意度和改善 生活的质量。 为了更好地研究手工工具与人 的上肢间的关系，我们先引入一些 人 机 工 程 学 的 概 念。 人 体 的 上 肢 系 统 主 要 包 括： 肩、 大 臂、 小 臂、 腕、手和骨、肌肉、腱、韧带、神 经，为了更好地描绘关节的运动， 1988 年 Putz Anderson 提出了如下 一些术语： （1）曲腕 桡向偏差（radial deviation） ：手 沿大拇指方向腕部弯曲； 尺骨偏差： （ulnar deviation） ： 手沿小指方向腕部弯曲。

（2）关节弯曲、伸展 弯曲：减小相邻骨之间角度的 运动； 伸展：增大相邻骨之间的运动。 下面我们以手工剪刀为例进行 具体的分析。 2. 手工剪刀的种类 手 工 剪 刀 是 指 长 度 在 20c m 以 内，单手使用的剪刀。它通常应用 于剪纸、剪毛发、剪树枝等生活或 工作活动中。 之所以限制手工剪刀的长度在 20c m 以内，是根据 G B10000-88 的 标 准，95% 的 男 子（18-60 岁 ） 手 长小于 196cm，95% 的女子（18-60 岁）手长小于 183c m。因此，20c m 可以保证绝大多数人的使用要求。

二、人机工程学因素的分析

在手工剪刀的使用过程中，手 部的骨、肌肉、关节、肌腱和韧带 是最容易受到累计损伤疾病困扰的 部 位， 骨 与 肌 肉 间 通 过 腱 来 连 接， 骨与骨之间通过关节来连接，骨与 关节之间通过韧带来连接。当使用 如图所示的1和2式的剪刀时， 由于把手处尺寸的限制，通常有两 种 使 用 方 式： 大 拇 指 放 在 A 位 置， 食指中指放在 B 位置，这种使用方 设计实践 Design Practice 总第188期 2008 12 115 式一般来讲是比较舒服的，但是在 剪一些厚的东西时，这种使用方式 不易控制方向性，而且大拇指的 G 部位，中指的 K 部位以及食指的 I 部 位会明显地感到压迫感和灼热感， 这是由于大拇指与食指中指的开合 为剪力的来源，而大拇指的 G 部位 受力最为明显，K 部位和 I 部位则是 由于人手用力张紧时受到

B 部分的 压迫而受力，与此相对应的骨位为 图 2/ d 中的 D、E、F 点。长时间处 于这种作业状态下会对腱组织造成 损伤，引发肌腱炎和腱鞘炎。 第二种使用方式为大拇指在 A 位置，中指和无名指在 B 位置，食 指则在 B 位置的外侧靠前。这种使 用方式保证了使用过程中对方向性 的控制，但是同样的，它仍会对手 部组织带来损伤，由于作用部位的 不同，相应的受损伤的部位转移到 了 G、J、K 部位，对应的骨位为图d 中的 C、D、F 点。 图 2所示的这把剪刀，它抬 高了大拇指工作时的位置，使得大 拇指的掌骨与腕骨之间的关节弯曲， 减小了骨与骨之间运动的摩擦，对 保护手指关节是有利的。同时，它 的下半部的施力处为一平面，这样 也可以减小施力时手指部位的受力， 对食指、中指、无名指也起到了保 护的作用。 图 1所示的剪刀是早期的样 式，也是使用最为普遍的样式。这 种剪刀的手部作用空间比较大，除 大拇指外的其余四只手指受力比较 均匀，但大拇指的受力比较明显： 首先为了保证方向性，大拇指的远 节指骨和中节指骨间的关节伸展， 长时间地保持这一姿势对关节处的 韧带不利；其次，受力部位由手指 转移到了手掌内侧的 L 部位，长时 间的作用或是高强度的作用都会对 肌肉组织产生影响。由于小拇指所 能产生的力为最小，所以在把手的 底 部 有 一 个 凹 形， 整 个 成 一 S 形， 除了和手形相吻合外，还可增强稳 定性，此外还有增强把手美观的作 用。把手上部的 S 形对 L 部位也有 同样的作用。 人的手指的作用力的大小从大 拇指到小拇指依次减弱，其它的使 用方式都没有上述两种方式合理， 因此对于其它的使用方式也就不再 进行分析。

三 、可考虑的解决方案

通过上述手工剪刀使用过程中 人机工程学因素的分析，可以得出 导致手部的累积损伤疾病的原因主 要来自两个方面：组织压迫和手指 的重复活动。为了有效地减

小组织 压迫和手指的重复活动，可以从以 下几个方面着手：首先可以适当增 大手部受力面同剪刀把手的接触面 积，对于图 2 来讲，就是要增大与 G 部 位 的 接 触 面 积， 对 于 图 1来， 除 了 增 大 与 G 部 位 的 接 触 面 积 外， 还要增大 B 部分上部与手指的接触 面积 , 同时应尽可能地保证下部作 用手指在同一平面上，这也是为了 增大受力面，减小对下部作用手指 的组织压迫。 其次，相对固定大拇指的位置。 这样做能够减少大拇指各关节的运 动摩擦，同时还可以增强对方向性 和稳定性的控制。但是应避免对大 拇指的 H 部位形成压力，可 以考虑使用指环的形式，同时加大 指环与大拇指的接触面积，这样既 可以保证对方向的控制性，还可以 减少对大拇指的压力。 最后，抬高把手上大拇指的作 用位置，如图2那样，这样做 使大拇指的掌骨与腕骨之间的关节 弯曲，减小了骨与骨之间运动的摩 擦，同时缩短了大拇指与其余二指 的 作 用 距 离， 减 小 了 做 功 的 距 离， 对保护手指各关节也是有利的。

四、结束语

目前，人机工程学的原理已经 应用到与人有关的方方面面，本文 只是针对手工剪刀的设计作了分析， 需要说明的是，在设计手工工具时， 仅仅考虑手的要求是不够的，还要 了解人体各部位的生理特点，设计 合适的工具，以减少作业对人体造 成的损伤 。

参考文献：

[1] 杨君顺《普通人机工程学》 陕西科技大学咸阳，2000。

[2] 孙林岩主编： 《人因工程》 ，中国科学技术出 版社，北京，2005。