人機工程學——5控制器及手動工具設計

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人機工程學——5控制器及手動工具設計簡介
第五章 控制器及手動工具設計 5.1 控制器概述 5.1.1 控制器的類型 控制器是指人通過某種裝置操縱控制一台機器或一個設備系統的專用機具。控制器的類型很多,分類方法也不盡相同。一……
人機工程學——5控制器及手動工具設計正文

第五章 控制器及手動工具設計

5.1 控制器概述

5.1.1 控制器的類型

控制器是指人通過某種裝置操縱控制一台機器或一個設備系統的專用機具。控制器的類型很多,分類方法也不盡相同。一般來說,常見的分類方法有以下幾種:

1)按運動方式分

旋轉控制器 如曲柄、手輪、旋塞、旋鈕、鑰匙等。

擺動控制器 如開關桿、調節桿、槓桿鍵,撥動式開關、擺動開關、踏板等。

按壓控制器 如鋼絲脫扣、按鈕、按鍵、鍵盤等。 滑動控制器 如手閘、指撥滑塊等。

牽拉控制器 如拉環、拉手、拉圈、拉鈕等。

2)按功能分

開關控制器 用簡單的開或關就能實現啟動或停止的操縱控制。常用有按鈕、踏板、手柄等控制器。

轉換控制器 用於把系統從一個工作狀態轉到另一個工作狀態的操縱控制。常用的有手柄、選擇開關、選擇旋鈕、操縱盤等控制器。

調整控制器 用於使系統的工作參數穩定地增加或減少。常用有手柄、按鈕、操縱盤和旋鈕等。

緊急停車控制器 用於要求在最短時間內產生制動效果,啟動要十分靈敏,具有“一觸即發”的特點。所用的控制器與開關控制器基本相同,但此類控制器,無論是在儀錶盤上還是在控制台上,都不宜與開關控制器布置在一起,以免緊急操作時發生混亂。

3)按人體操作部位分

手動控制器 凡是用手操作使用的裝置都屬手動控制器。如各種旋鈕、按鍵、手柄、轉輪等

腳動控制器 凡是人用腳操縱的裝置都屬於腳動控制器,如腳踏板和腳踏鈕等

5.1.2控制器設計的基本原則

1 應根據人體測量數據、生物力學及人體運動特徵進行設計。對操作力、操縱速度、安裝位置、排列布置應按第5百分位能力來設計,使適合於大多數人使用。

對要求快速而準確的操作,應設計和選用手指或手操縱的控制器:按鈕、按鍵、手閘、槓桿鍵、撥動或擺式開頭

對於用力較大的操作,則應設計成手臂或下肢操縱的控制器

2. 控制器的運動方嚮應與預期的功能和產品的被控方向相一致。即:顯示和控制的相合性。

控制器向上或順時針方向轉動 從功能角度:應表示向上或加強

從被控角度,應表示機器設備向上或向右轉動

當被控元件運行是上下直線運動時,控制器也應做上下直線運動

當被控元件轉動時,控制器宜採用手輪,如汽車轉彎,宜採用圓形方向盤

3. 應盡量利用控制器的結構特點(彈簧、槓桿原理),或利用操作者身體部位的重力進行控制。對於連續性或重複性的操作,應使身體用力均勻,而不應只集中於某一部位用力,以減輕疲勞和避免產生單調厭倦感

4. 應盡量設計和選用多功能控制器,以節省控制面板空間,並減少手的運動和加強視覺與觸覺辯認。 多功能滑鼠

5.2 控制器設計的生物力學基礎

5.2.1手操縱力

手操縱力的大小與人體姿勢、著力部位、用力方向和用力方式都有關係。

在設計控制器時,操縱力所依據的指標應當低於一般人的力量水平,而按照力量較弱的人的水平進行設計。

當然也不是用力越小越好。如果操縱桿絲毫沒有阻力,就很容易被碰移,而且操縱時,操作者不能從動作中感覺出操縱量的大小,從而影響操作的準確性。

(1)坐勢操縱時的手操縱力 手臂操縱力的一般規律是:左手的力量小於右手;拉力大於推力;手臂處於側下方時,推、拉力量都較弱;手臂處於正下方時,其向上和向下的力量都較大,且向下的力量大於向上的力量(圖6.20)。圖6.20 手臂的操縱力測試圖

(2)站姿操作時的手操縱力 圖6.21為站立操作姿勢時,手臂在不同方位角度上的拉力和推力。從圖可知,手臂的最大拉力產生在肩的下方180度和肩的上方0度的方向上。同樣,推力最大的方向是產生在肩的上方0度方向上。所以,以推拉形式操縱的控制裝置,安裝在這兩個部位時將得到最大的操縱力。圖中還為站姿操作的把手設計提供了適宜的設計參數

圖6.21 站立時的

 

推力與拉力(N)(根據體重50kg的人所示)

5.2.1.1手操縱力---握力

一般人的右手握力約380N,左手握力約350N(圖6.22)。

但是,一般青年男子右手瞬時最大握力有560N,左手有430N。

握力與手的姿勢和持續時間有關,當持續一段時間后,握力顯著下降,如保持lmin后,右手平均握力約280N,左手約250N。圖6.22 握力、

5.2.1.2 拉力和推力

在站姿手臂水平向前自然伸直的情況下,男子平均瞬時拉力為703N,女子平均瞬時拉力為386N(圖6.23)。

當手作前後運動時,拉力(向後)要比較推力(向前)大[圖(a)]。瞬時最大拉力可達1100N,連續操作的拉力最大約300N。

當手作左右方向運動,則推力大於拉力,最大的推力約400N[圖(b)]。圖6.23 推力和拉力

5.2.1.3 扭力

圖6.24為雙臂作扭轉的三種不同操作姿勢,

直立操作時平均扭力男子為389±130N,女子為204±80N。

屈身操作時平均扭力男子為555±249N,女子為272±141N;

彎腰操作時平均扭力男子為962±342N,女子為425±200N。

5.2.2 腳操縱力

腳出力的大小,與人的姿勢、腳位置和方向有關。

下肢伸直時的腳力大於彎曲時的腳力。坐姿有靠背支撐時,腳出力最大。

立姿時腳的出力比坐姿時的出力大。一般坐姿時,右腿最大蹬力平均可達2620N,左腿為2410N。

據測定,膝部伸展角度在130°-150°或160°-180°之間時,腿的蹬力為最大。

腳處於不同位置上所產生的最大蹬力見圖6.25。在坐姿的情況下,腳的伸出力大於屈曲力。圖6.25 腳的蹬力

5.2.4手操作時合理的軌跡範圍

當一隻手操作時,應在水平面內向外60度。的直線方向;

兩隻手同時操作時,應在水平面內兩側分別約30度的直線方向

若用於精確調整,則以沿中軸線方向為好[圖(c)]。

5.3 手動控制器設計 

5.3.1人的上肢及手活動範圍

人的手部是感知觸覺信息的主要部位,也是操作、使用產品的主要部位。因此,手的結構尺寸、活動範圍(也稱控作空間)以及施力等因素是設計手動控制器的主要依據。

(1)人的上肢及手的活動範圍 人的上肢活動範圍的測定,是以人的站點固定不動,以肩關節為圓心,手臂長為半徑所劃出的球面形空間。若兩臂同時活動,則其空間範圍即為一個近似的橢球體(圖6.27),圖中陰影區是推薦的最佳活動範圍。

手在空間的最大作業範圍一般定為,以減去手掌長度后的手臂為半徑所畫的圓弧範圍。

凡在這個範圍內布置作業,一般均可保證人作業時,能很好地抓握操縱控制器和進行其它工作。

圖6.28是手掌活動範圍的兩視圖,圖6.29給出的是正常人的手部結構尺寸。

5.3.2常用的操縱裝置

見圖5-8, 參閱表5-18

5.3.3 手控操縱裝置設計

1. 觸覺功能和觸覺特性-不太敏感、適應迅速、有立體感

2. 操縱手把的設計

設計合理的手把,應考慮下述幾點

(1) 手把的形狀應與手的生理特點相適應,見圖5-9

(2 )手把的形狀便於觸覺對其進行識別,見圖5-10

(3)尺寸應符合人手尺度的需要,見圖5-11

3. 適宜的用力範圍,參閱表5-19,表5-20

4. 操縱器的適宜尺寸,與人體尺度的關係參閱表5-21,見圖5-12

5.3.4 手動控制器的造型尺度

①旋鈕 旋鈕是用手指捏住擰轉來實現控制的,根據功能要求,旋鈕可以旋轉一圈(360°),一圈以上或不滿一圈,可以連續多次旋轉,也可以定位旋轉。

旋鈕的形狀,可分為圓形旋鈕、多邊形旋鈕、指針形旋鈕和手動轉盤等,其中圓形旋鈕是最常用的(圖6.30)。

圓形旋鈕還可做成兩個或三個同心成層旋鈕。但要設計得當,否則操作時容易產生上下層旋鈕的無意碰觸干擾(圖6.31)。

圖6.32給出了按操縱力要求的旋鈕設計尺寸。

②按鍵 按鍵是用手指按壓進行操作的。一般按鍵突出盤面高度

 

為5-12mm,升降行程為3-6mm,鍵與鍵的間隙不小於0.6mm。按鍵設計一般應避免圖6.33所示幾種情況

③操縱桿 操縱桿是手握住進行操作的。由圖6.34可看出,掌心部位肌肉最少,指球肌,大、小魚際肌的肌肉最豐富,是手部的天然減震器。因此,在設計操縱桿手柄時{尤其是振動性強的手柄}要防止形狀絲毫不差地貼合於手的握持空間,尤其是不能貼緊掌心。如果掌心長期受振,很容易引起生理疲勞,甚至引起痙攣。

圖6.34 操縱桿握桿與手掌的關係

5.3.4 手動控制器的造型尺度

④曲柄(也稱搖把) 它具有快速迴轉和連續調節的特點,一般用於需要較大控制力操縱的控制器。曲柄的直徑一般為25-75mm,曲柄的長度愈大,則旋轉半徑越大,即佔據的操作空間也大。

⑤手輪 手輪的功用相當於雙手操作的旋鈕,若將手輪按上握把,其功用與曲柄類同(圖6.35)。因此,總體上看,手輪和曲柄具有某些相似的特點和適宜使用的場合。它們的主要區別在於一個是雙手操作為主,一個則以單手操作為主。一般來說,手輪的轉輪宜取直徑在150-250mm之間,握把的直徑宜取在20-50mm之間。單手的操縱阻力為20-130N,雙手操縱阻力可適當加大,但最大不宜超過250N。

⑥撥動開關 一般用於快速接通、斷開和快速就位的場合(圖6.36)。

撥動開關的操作力推薦為2-5N,用手指操作時最大用力為12N左右,用全手操作時的最大用力為21N左右。

為了迅速可靠地識別撥動手柄的動作位置,可把它的一半塗上顏色,或用特殊的記號或字母來表示各種動作的位置。

5.3.5 控制器的編碼設計

隨著機器設備日趨複雜,控制器的數目及形式也相應增多,為了保證快速、準確地進行操作,人機學者對控制器的編碼問題也進行了卓有成效的研究。下面列出5種編碼形式供設計者參考。

①形狀編碼 將控制器按控制功能及其聯想製成各具特色的形狀,即稱為形狀編碼。形狀編碼的主要目的是,便於操作者在盲定位操作(眼睛不看)時能進行有效的區分和準確定位。

圖6.44是某國空軍常用的控制器編碼。

②位置編碼 按控制器安裝位置及分區布局的不同來進行區分,稱為位置編碼。控制器的位置編碼按照一定的規律進行標準化布局設計,對於快速準確地操作具有重要意義。

③大小編碼 根據控制器的功能要素將控制器的形狀作長度、面積、體積等因素的區分稱大小編碼。一般來說,較大的長度比較小的長度給人的感知信息要更準確些。

④顏色編碼 控制器的顏色編碼一般不能單獨使用,要與形狀等編碼合併使用。顏色只能靠視覺辨認,並且只有在比較好的照明條件下才不致被誤認,所以使用範圍受到限制。用於控制器編碼的顏色一般只是紅、黃、橙、藍、綠五種。

⑤標號編碼 在控制器上或其側旁,用文字或某種符號標明其功能。但它需要一定的空間和較好的照明條件,並要求標號簡明易辨。

5.4 腳動控制器

5.4.1 人的下肢及腳的活動範圍

在操作過程中,一般在下列情況時考慮選用腳控制器:需要連續進行操作,而用手又不方便的場合;無論是連續性控制還是間歇性控制,其操縱力超過50~150N的情況;手的控制工作量太大,僅用手控制不足以完成控制任務時。

(1)人的下肢及腳的活動範圍

人的下肢活動範圍分立姿和坐姿兩種情況。

由於人在立姿狀態下操作時,下肢要承受全身的重量,並要保持人體的平衡和穩定,所以只能用一隻腳操作。

相比之下,坐姿顯然要優於立姿。

圖6.37和圖6.38分別列出了立姿和坐姿狀態下肢和腳的範圍和尺寸,可供設計時參考。

圖6.37 立姿狀態下腳操作適宜範圍(mm)

圖6.38 坐姿狀態下肢及腳適宜活動範圍

5.4.2 腳控操縱器的設計

1. 適宜的操縱力,參閱表5-22

2. 腳控操縱器的尺寸

3. 腳踏板結構形式的選擇,見圖5-13

5.4.3 腳動控制器的造型尺度

腳動控制器主要有腳踏板

 

和腳踏鈕兩類。在設計和選用腳動控制器時,首先要確定人的操作姿勢。一般來說,在立姿和坐姿的選擇中應盡量採用坐姿。因為坐姿狀態下人體容易保持平衡,而且容易出力。用於精確操作時,坐姿顯然優於立姿。若採用坐姿操作時,還要進行單腳操作或雙腳操作的綜合權衡,進而確定腳動控制器的形式。

①腳踏板 腳踏板可分為雙腳操作和單腳操作兩種。雙腳操作的腳踏板主要有往複式和迴轉式兩種形式(圖6.39)。單腳操作的腳踏板主要有腳踏式和腳踩式兩種(圖6.40)。

圖6.39 雙腳操作的腳踏板  圖6.40 單腳操作的腳踏板

圖6.41列出了立姿、坐姿和立、坐姿交替操作時的腳踏板設計參數,可供設計和選用時參考。

在用力大小、速度和準確度方面,一般人的右腳都優於左腳。但是,對於操作頻繁、容易疲乏,且不是很重要的操作,應考慮兩腳能交替操作。當操縱力過大時,工作座椅也應作相應改動,見圖6.42。

②腳踏鈕 是替代手動按鈕的一種腳動控制器,見圖6.43所示。

腳踏鈕的主要功用一般僅限於開或關的簡單操作程序。

由於腳踏鈕尺寸較小,在盲踏場合不易踏准,因此僅限於操作空間過小不宜採用腳踏板的情況下使用。

在大多數情況下,腳踏鈕已被腳踏板取代。如牙科醫生使用的磨牙器開關,即是僅完成開或關的簡單操作程序的腳動控制器。

5.5  手握式工具設計

工具是人類四肢的擴展,人們在工作生活中一刻也缺少不了工具,但我們使用的各種手握式工具還有很多沒有考慮人機工學的設計因素,其形狀和尺度不符合人手使用時的生理需要;

而隨著科技的發展,大量新型的手握式現代電子產品也層出不窮,這些產品的形態本身除了美學因素外與產品操作的易用性、舒適性、安全性等人機工學性能有很密切的聯繫。

所以從人機工學的角度研究手握式工具的設計,使其形態與尺度符合人生理和心理需要,有很重要的意義。

5.5.1 手握式工具設計的生理基礎

5.5.1.1人手的構造

人手是由骨、動脈、神經、韌帶和肌腱等組成的複雜結構。

5.5.1.2  前臂與人手

大多數使手和腕活動的肌肉位於前臂。前臂和手部肌肉分成兩組一組使腕活動,另一組使手指活動。

人手指的動作由前臂的腕骨伸肌和屈肌控制,這些肌肉由跨過腕道的腱連到手指。

5.5.1.3  手腕構造與動作

手腕道由手背骨和相對的橫向腕韌帶形成,通過腕道的還有各種動脈和神經。

腕骨與前臂上的橈骨及尺骨相連,橈骨連向拇指一側,而尺骨連向小指一側,自然狀態尺骨和撓骨平行,當他們交錯時完成手腕旋轉。

腕關節的構造與定位使其只能在兩個面動作,這兩個面各成90度,一面產生掌屈與背屈,第二個面產生尺偏與橈偏。

5.5.2 與手工具有關的疾患

5.5.2.1  腱鞘炎

腱鞘炎是由長期重複尺偏或腕外轉動作引起的。重複性動作和衝擊震動使之加劇。當手腕尺偏、掌屈和腕外轉動狀態時,腕肌腱受彎曲,肌腱和腱鞘之間經常發生摩擦,從而導致水腫、纖維性病變,引起則肌腱及鞘處發炎。

工具設計應避免操作時手腕尺偏掌屈和腕外轉。

5.5.2.2  腕道綜合症

腕道綜合症是一種由於腕道內正中神經損傷所引起的不適。手腕過度屈曲或伸展造成腕道內腱鞘發炎、腫大,從而壓迫正中神經,手指局部神經功能損傷或喪失,引起麻木刺痛、無抓握感覺,肌肉萎縮失去靈活性。

工具設計應避免操作時非順直的手腕狀態

5.5.2.3  網球肘

是一種肘部組織炎症,由手腕過度橈偏引起。尤其是當橈偏與掌內轉和背屈狀態同時出現時,肘部橈骨頭與肱骨小頭之間的壓力增加,導致網球肘。表徵:患者會在用力抓握或提舉物體時感到肘部外側疼痛。運動員,瓦工、木工、家庭主婦及其他需要頻繁屈伸手和腕的工種職業,都容易發生這種病。

工具設計應避免操作時手腕過度橈

 

偏。

5.5.2.4  扳機指

扳機指是由類似扳機動作的操作中,是由手指反覆彎曲動作引起的。表徵:早期癥狀是手指酸痛不適,嚴重時伸肌不能起作用,手指末節不能圈屈與伸直。欲伸直手指時,須向外將它扳直。

工具設計應避免操作時使拇指或採用指壓板控制。

5.5.3 手握式工具設計原則

5.5.3.1  一般原則

1)必須有效地實現預定的功能

2)必須與操作者身體成適當比例,使操作者發揮最大效率

3)必須按照作業者的力度和作業能力設計,所以要適當地考慮到性別,訓練程度和身體素質的差異

4)工具要求的作業姿勢不能引起過度疲勞

5.5.3.2  避免靜肌負荷

當使用工具時,臂部必須上舉或長時間抓握,會使肩、臂及手部肌肉承受靜負荷,導致疲勞,降低效率

解決:水平面上使用直桿式工具,的工作部分與把手 總部分做成彎曲式過渡,使手臂自然下垂。

5.5.3.3  保持手腕處於順直狀態

當使用工具時手腕處於掌屈、背屈、尺偏等彆扭狀態時,會產生腕部酸痛,握力減小,嚴重時會引起腕道綜合症、腱鞘炎。

5.5.3.4  避免掌部組織受壓力

如果工具使用時在掌部和手指處造成很大壓力,妨礙血液在尺動脈的循環,引起局部缺血,導致麻木,刺痛感。

1.好把手應具有較大接觸面,使壓力能分佈於較大的手掌面積上,減小應力;或者使壓力作用於不太敏感的區域,如拇指與食指之間的虎口位。

2. 如沒有特殊的作用,最好不留指槽,因人體尺寸不同,不合適的指槽會造成某些操作者手指局部的應力集中。

5.5.3.5  避免手指重複動作

如果反覆用食指操作扳機式控制器時,就會導致扳機指,氣動的工具或觸髮式電動工具時常會出現。

設計時應盡量避免食指做這類動作,而以拇指或指壓板代替。

5.5.4 手握式產品設計案例分析-----滑鼠的人機設計

1964年,美國科學家道格拉斯·恩格巴特(Douglas Englebart)博士發明了滑鼠,他製作的滑鼠是一隻小木頭盒子,工作原理是由它底部的小球帶動樞軸轉動,並帶動變阻器改變阻值來產生位移信號,把移動距離及方向的信息變成脈衝送給計算機,信號再經計算機處理,屏幕上的游標就可以移動,從而達到指示位置的目的。

蘋果將滑鼠設計工作委派給青蛙設計公司,但他們更多的是給它以幾何美學的改進,而沒有依照人機工學設計。

各種工具的人機工學設計,在本質上就是使工具的使用方式盡量適合人體的自然形態,在操作時沒有任何扭曲和不自然的姿勢。

這樣就可以使用工具的人在工作時,身體和精神不需要任何主動適應,從而盡量減少使用工具造成的疲勞,而更舒適更安全更高效。

滑鼠的人機工學設計,主要就是滑鼠的造型設計,而研究這個問題,首先需要研究在操作滑鼠時有關的人體結構及其自然狀態。

5.5.4.1  與操作滑鼠有關的人體結構

與操作滑鼠有關的人體結構包括: 前臂、手腕、手掌、手指

前臂:尺骨和撓骨交錯完成手腕旋轉

手腕:的腕骨轉動使手可仰俯

手掌:由兩組肌群組成,一是拇指屈肌和外展肌組成的肌群,一個是小指屈肌和展肌組成的肌群,這兩個肌群之間的有一個溝壑,對於不同的人這條溝的深度和寬度是不同的。而在這條溝內部,則是人手主要神經和血管所走的地方。

手指:結構結構比較簡單,每個手指包括三個指節,並在一定範圍可作橫向展開。

5.5.4.2  人體結構的自然狀態

1.前臂:尺骨和撓骨接近平行的狀態,當前臂和手平放在桌面時,上臂和手掌呈接近垂直的傾斜狀態,使用掌外側觸及桌面(豎滑鼠)這種狀態下,前臂主要肌肉和血管不會發生扭曲,所以即便長時間保持這個姿勢,也不會出現肌肉疲勞和缺氧情況,曾經有企業退出”豎著“使用的滑鼠,但由於和大多數人的使用習慣不合而沒有普及開來。

一般

 

普遍誤解為手掌與桌面平行,手臂由於自重平放在桌面上而得到放鬆的姿勢是自然的,但是,這樣放置時前臂已經彎曲大約90度(如上圖),加重使用疲勞,易導致CIS(腕骨綜合症),損傷使用者肢體。

2. 手腕  經試驗證明,當人的手腕呈”仰起“狀態時,則”仰起“的夾角在15~30度之間是最舒服狀態,超過這個範圍,則前臂肌肉處於拉緊狀態,而且也會導致血液的流動不暢。受其影響,上臂的三頭肌及三角肌也都會同時受到力牽拉的作用,人的肩關節也會一直處於強直狀態。

3.手掌  最自然的狀態就是半握拳狀態,而滑鼠的造型設計,實際上就是要盡量貼合這個形態,包括三個方面:

1)要使滑鼠外殼貼緊人手掌的兩個主要肌群拇指肌群和小指肌群,貼不緊會有握不住的感覺 ;但又不要有壓迫,受壓迫會導致手掌處於疲勞狀態, (握持感)(不壓迫)

2)滑鼠外殼緊貼掌弓而又不壓迫它,也就是滑鼠外殼要貼緊手掌中間的那條“溝”,如果不貼緊,那麼手心會有“懸空”的感覺,而如果壓迫了它,因為下面是手主要動脈和神經的必經之地,時間長了以後會導致手缺氧。

3)滑鼠最高點應在手心而非其後的掌淺動脈弓(否則會造成有壓迫感)

在手掌心稍靠後的部位,剛好是供應五個手指血液和營養的掌淺動脈弓的位置。 如果動脈受壓過久,時間長了會產生麻木酸痛的感覺,並使手指缺氧產生疲勞感 如果手長期處於強迫狀態,手指的靈活度也將受到很大的影響。

4 手指:五指均不懸空且呈150度左右自然伸展狀態,指肚處於微動開頭

5.5.4.3 四代微軟IE滑鼠的設計變化

人機工學造型本身的設計思想就決定了針對某一種人設計的產品可能完全不適應另一部分人,這裡明顯的例子就是東西方人手型的差異。大多數歐美滑鼠設計都是針對西方人的一部分雅利安人種設計的。這導致按照雅利安人手型設計的人機工學滑鼠,對中國人使用時卻很不人機,我們用四代微軟IE滑鼠的造型變化來說明。

IE1和IE2的外殼造型是非常接近的,這兩款滑鼠造型是最為典型的歐美式手型造型,但對於中國人,這樣的“人機工學”滑鼠可以算作一場惡夢。

與我們東方蒙古利亞人種相比,雅利安人的手有這樣幾個主要特點。

1. 雅利安人的手比較大

手的絕對尺寸大,因為他們的平均身高要比蒙古利亞人高得多,歐美男士身高在180以上的佔60%,女士170以上佔55%,而亞洲男士身高175以下佔65%以上,女士在165以下佔70%。

四肢與身長的比例高,同樣身高的中國人和英國人,英國人手也比中國人的大。

2. 同等手掌尺寸下,蒙古利亞人的手掌更平,具體的說,雅利安人的掌弓要比蒙古利亞人的更寬、更深。

3. 同等手掌尺寸下,雅利安人的手指更長,而且蒙古利亞人中,相當比例的人小指明顯較短,而雅利安人小指與其他手指比例高得多。

低於平均身高的歐洲人士的手都比標準體形的亞洲人手長2-3CM,手心深1-2cm

上圖IE1滑鼠購於2000年,滑鼠已經嚴重磨損,而從磨損中正好可以看出其設計的不合理。其使用著的手在中國人來說已經算大的,但握持的部位明顯靠後,按鍵磨損處在根部而不是微動開關所在的前部。

IE1尺寸極大,為了正常按鍵就需要手的位置向前移,但這樣就帶來兩個後果一是此時手腕隨之前移變成了懸空狀態,而且手腕的夾角超過了30度,而另一個後果就是此時滑鼠的最高點處於淺動脈弓位置,壓迫主血管。

5.4.4.4太陽花滑鼠設計案例

問題提出:

滑鼠是一種普通的產品,但西太平洋的Toiva國際工業設計中心設計的太陽花滑鼠的外形非常獨特。其全面推向大陸市場后,迎得了消費者的好評。

其原因:太陽花滑鼠優質的品質、時尚的外形及專為亞洲人設計的特有流線造型獲得消費者們的一致好評。

這裡有一個半公開

 

的秘密:那就是作為太陽花的產品設計中心—Toiva國際工業設計中心專門從事人體工程學、消費習慣、審美觀方面的研究,特別是針對不同人種的人體工程學研究、不同地方的消費習慣、不同地區人們審美觀的差異的研究並針對這些差異性專門為亞洲人設計了一系列的滑鼠產品

從這些圖片中我們可能會感覺到很強烈的對比:

目前歐美市場上的主流滑鼠的色彩都以黑、白灰為主,看起來比較穩重,並且個頭及流線造型的弧度都較大;在顏色搭配方面也比較統一,各個品牌之間的變動非常小。

太陽花的滑鼠在色彩方面相對來說比較艷麗,基本上以藍、深藍、玫瑰紅、珍珠白及銀白為主,並且滑鼠的個頭較歐美的滑鼠要小得多,即便是大滑鼠,其個頭也比歐美主流滑鼠稍偏小,弧度也要小。

為什麼會有這麼大的區別呢 ?

1、歐美人士更喜歡色彩沉穩、線條粗獷、造型不張揚的產品;

2、亞洲人更喜歡色彩艷麗、線條柔美、造型時尚的產品;

3、他們之間身高的區別導致手型的巨大差異。

(歐美人士的手掌心平均要比亞洲人的手掌心深1-2CM,而且手要長3-4CM。)見下列圖形

標準體形亞洲人(174CM)的手 標準體形歐洲人(178CM)的手

低於平均身高的歐洲人士的手都比標準體形的亞洲人手長2-3CM,並且歐美人的手心明顯要比亞洲人的手心深。所以歐美的一些品牌產品,如羅技、微軟等滑鼠個頭特別大,並且後背非常弓,因為如果太平,歐美人士握上去后,手掌心就會有懸空的感覺。

1、亞洲人握歐美人士的大滑鼠很勉強,整個手都放在滑鼠上,並且手心也非常貼合滑鼠後背,但是,他的腕關節被抬高了,使手背與桌面的夾角大於30度。

(根據人體工程學原理,人的手背同桌面保持在15-30度夾角的半握拳狀才是人體的最佳休息狀態)可見,他們的腕關節並沒有得到完全放鬆,腕關節部位及手的前臂部位的伸肌群還處於強直的受力狀態,受其影響,上臂的三頭肌及三角肌也都會同時受到力牽拉的作用,人的肩關節也會一直處於強直狀態。

2、另外,亞洲人握歐美滑鼠時,其滑鼠的最弓背處剛好處於手掌心的靠後部分,並且手部的受力集中於手掌心稍後側。從人體解剖學得知,在手掌心稍靠後的部位,剛好是供應五個手指血液和營養的掌淺動脈弓的位置。(見上圖) 如果動脈受壓過久,時間長了會產生麻木酸痛的感覺,並使手指缺氧產生疲勞感 如果手長期處於強迫狀態,手指的靈活度也將受到很大的影響。

專為亞洲人設計的太陽花滑鼠

它是根據173CM以上人士為調研對象設計的滑鼠,它在外形設計方面較之歐美的滑鼠要小一點,並且流線型的弧度也要平緩一些針對亞洲人手的特點,其滑鼠的後背夾角設計成150度。見下圖。

這樣手背同桌面呈現15-30度,從而使腕關節和肩關節呈現自然放鬆狀態,同時手握滑鼠的受力點恰好位於手心稍靠指關節處,從而避開了位於掌心靠後側的掌淺動脈弓,使的手指在點擊按鍵時會非常自如。

太陽花大型滑鼠還有一項絕佳設計在於他的弓背部分的兩側,我們可以看到以“天梭”滑鼠為代表的太陽花大滑鼠其弓背脊樑部分較之歐美人士所用的滑鼠要窄,這正好跟亞洲人的手型相吻合。

人的手掌心兩側有兩大肌群即拇指屈肌和外展肌及小指屈肌組成的肌群,在兩個肌群指間有一條溝壑。如果手型較大,這條溝壑就會寬一些,如果手型較小,則這條溝壑就會相對較窄。太陽花天梭滑鼠的這種窄背設計恰好同亞洲人的手型完全吻合

太陽花鐵甲騎士中型滑鼠

專為身高160-173CM亞洲人設計的,這種身高的人在亞洲佔了大約60%以上的人口比例。

太陽化鐵甲騎士在後背與手的掌心完全貼合,既不出現空隙,也不使手掌肌群受壓,這樣不僅腕關節得到放鬆,並且掌指關節及指間關節的韌帶也會處於放鬆狀,食指和中指能夠輕鬆自如的點擊按鍵。

專為160CM以下的

 

亞洲人(主要是女性)設計,因為考慮到大部分是女性用戶,所以在外形設計和色彩的搭配上面專門研究了亞洲女性的審美觀並量體裁衣,迷你鼠、貝貝鼠外形不僅小巧可愛,而且在色彩方面以淺藍、玫瑰紅、珍珠白為主體色,並搭配有質感的金屬按鍵,配淡藍色的發光滾輪。

滑鼠設計分析與欣賞

----手機規格的人體工學分析

根據現代人對手機的使用習慣來看,手機在操作方式上與手的接觸是最密切的,因而手機的人體工學分析中最重要的對象是手。手指的操作是一項精細運動,手指的運動需要多組細小的肌肉和神經參與,醫學專家指出,經常鍛煉手指有利於大腦的鍛煉。人體工學專家Hunt指出,拇指機能占手掌40%,食指和中指20%,其餘兩指10%,因此手機人體工學評估應將機能高的手指列入考量。在手機使用過程中,拇指的使用頻率最高,手機正面的按鍵都由拇指來控制,側面按鍵則會由拇指或食指控制,極少機會中指也會參與。[2]

由於人種特徵的不同,東亞黃色人種的手掌要小於歐美白色人種。一般來講,中國男性手掌長度範圍在17.5--20cm之間,寬度在8--9cm之間;女性手掌長度範圍16--18cm之間,寬度在6.5--8cm之間。

由於手掌大小的限制,因此手機寬度小,在手機的單手開蓋過程中,會有利於拇指的操作;手機的長度短,在手機的單手閉合操作過程中,會有利於食指的按動上蓋動作。不過矛盾的是,由於拇指與手機按鍵需要一個合適的接觸面積,導致手機的寬度不能做得太小,否則,按鍵面積的減小會導致操作困難與手感的下降,一般來說,男性機的寬度如小於43mm,則手感會下降;女性機的寬度如小於38mm,手感會下降。

對於手機的厚度,無論是從攜帶的角度,還是從握持的角度來看,薄相對於厚來說,都具有優勢。雖然也許有人會認為厚的握在手上感覺會更飽滿,但是從現代人所需要攜帶的越來越多的便攜工具的角度來看,我們認為,在可能的情況下,手機需要做到儘可能的薄。在目前市場同類產品比較的情況下,手機厚度如小於18mm,則能感到有顯著的薄的感覺。

5.6其它控制器

5.6.1 遙控器

可以遙控電視的手錶

5.6.2 聲音控制器

5.6.3 光控制器

5.6.4 人體感應控制器

人體感應控制器:適用範圍於安防、家用電器開關、自動龍頭、大小便感應沖水器、免觸式感應開關等。

1. XR-4D多譜勒人感模塊

功能描述:這是一塊微距離多譜勒人體感應器,當人的手靠近它立即產生高電平輸出。利用此模塊可以做出許多智能化感應產品

技術參數:

工作電壓:DC 3~9V

感應距離0.5 ~25厘米

輸出時間1~60秒(隨機) 靜態

功耗200uA-350uA

尺寸30x25x10mm

適用範圍:安防、家用電器開關、自動龍頭、大小便感應沖水器、免觸式感應開關等。

價格:16元/片

2. XR—3A方向型人感模塊

特點:能識別人走動的方向而產生兩個通道信號。例如:沖廁器,人進如廁不沖水;人出來才沖水。又如:迎賓器,人進商場發出“您好!歡迎光臨!”,人出來發出“謝謝!再見!”。再有:空調機送風控制器,採用逆向性,實現不吹人的空調。電風扇送風控制器,採用順向性,跟蹤人吹風。製作防盜器可以實現主人出去不會報警,小偷進入觸發報警。

技術參數:與XR—2B類似。

外觀尺寸56X42X10mm

 價格:35元/片

3. 飲水機微波感應器原理

普通的家用飲水機打開加熱電源后,不管房間內有沒有人,或者不論是白天還是夜晚都一直處於加熱、保溫狀態,加熱罐內的純水被長時間反覆加熱,不但不利於健康而且還相當費電。筆者針對上述缺點對普通的家用飲水機加以改造,利用微波感應原理使飲水機能自動探測房間內有無人員活動,同時判斷房間內的人員是否只是短暫經過,再自動控制加熱功能,使飲水機具有智能化和

 

節電功能。

4. 紅外感應電子設備 ,

實現關閉等智能化自動控制。  產品使用該控制器能自動,無需人體接觸實施按,壓,抬,拉等動作,徹底解決傳統手動潔具易產生病菌交叉感染的問題,使用便捷,是傳統手動潔具的替代產品。

超小型紅外線控制技術應有於其他領域,還可調整為自動打號機,藥品顆粒分裝機,汽車流量檢測系統等產品。

特點:

反應迅速可靠,控制功能智能化;不受外界交流雜訊的干擾。

性能穩定;使用壽命長;低功耗處理技術;長期工作免維護。

體積小巧;裝拆方便。

可根據用戶要求隨時改變設計格式。

使用範圍:

洗手用水籠頭。

自動烘手機,自動洗手液機

大小便池。

感應門,自動扉。

家庭室內報警。

延伸資料

本世紀最偉大的10種人機界面裝置回顧

今天人類的生活片刻也離不開機器。人與機器的和平共處比任何時候都更顯重要。而要做到這一點,人與機器的交流必須通暢無阻。設計最精巧的人機界面裝置能夠讓人根本感覺不到是它賦予了人巨大的力量-此時人與機器的界線徹底消融,人與技術合為一體。以下是10種產品被專家們認為是本世紀最偉大的人機界面裝置。

擴音器

擴音器的問世使得人們不僅在乘坐地鐵或去郊外遠足時能夠欣賞自己喜愛的音樂和廣播節目,而且還能聆聽以電子手段保存下來的早已與世長辭的人的聲音以及大自然中根本不存在的種種奇妙聲音。在電影院里,擴音器所營造的聲的世界將觀眾們帶入一個想象的世界。擴音器亦是本世紀所有具有個性魅力的公眾人物與大眾溝通的重要工具。

擴音器是1915年發明的,從那以後一代又一代的技術人員為它的完善做出了不懈的努力。今天,隨著錄音設備和存儲技術的飛速發展,用美國著名擴音設備生產企業Bose公司研究員威廉?R?舒特的話說,擴音器“反而成為家庭音響系統中最薄弱的一環”。他說:每當我在家中欣賞音樂的時候,根本沒有辦法做到想象自己是坐在音樂廳里。擴音技術還做不到這一點,原因何在,尚不得而知。

按鍵式電話

按鍵式電話業務是美國電話電報公司在1963年11月正式開通的。幾乎所有初次接觸按鍵式電話的人都認為它遠勝於轉盤式電話。貝爾實驗室的研究人員為使這種新產品為人們所接納,真可謂絞盡腦汁。他們實驗了16種按鍵排列方式,交叉式的,圓盤式的,不一而足。他們還在電話機的大小、形狀、按鍵的間距、彈性甚至與手指尖接觸的部位的外形上作了大量的文章。

節省撥號時間只是按鍵式電話的設計初衷之一,實際上從一開始技術專家就抱著一個把新式電話機設計成一種遙控數據輸入設備的目的。正是從這一設計思想出發,研究人員在1968年又在鍵盤上增加了“*”鍵和“#”鍵。雖然研究人員的部分設計思想-如通過電話機來控制家用電器的開關-迄今尚未實現,但是按鍵式電話畢竟開創了語音數據通信的新時代。

方向盤

最初的汽車是用舵來控制駕駛的。舵不能說不好,但是它會把汽車行駛中產生的劇烈振動傳導給駕駛者,增加其控制方向的難度。當發動機被改為安裝在車頭部位之後,由於重量的增加,駕駛員根本沒有辦法再用車舵來駕駛汽車了。方向盤這種新設計便應運而生,它在駕駛員與車輪之間引入的齒輪系統操作靈活,很好地隔絕了來自道路的劇烈振動。不僅如此,好的方向盤系統還能為駕駛者帶來一種與道路親密無間的感受。

但是最初設計方向盤的人沒有能夠預見到在汽車車速越來越快的今天,一旦發生車禍,方向盤卻成了造成駕駛員喪命的罪魁禍首。五十年代,不帶方向盤的概念型汽車相繼問世,可是消費者對這種汽車一點也不感興趣。畢竟,沒有方向盤的汽車根本就不成其為汽車。

磁卡

今天在許多場合我們都會用到磁卡,如在食堂就餐,在商場購物,乘公共汽車,打電話,進入管制區域等等,

 

不一而足。在西方,人們遺失了錢包之後,往往擔心的不是錢包里的現金,而是各種用途的磁卡。

70年代早期,帶有磁條的信用卡在美國問世,極大的提高了信用卡購物時的驗證效率,一下子便受到零售商的青睞。美國的信用卡行業因此進入

一個高速增長期。有人問,目前陸陸續續問世的各種“智能卡”會不會取代磁卡呢?專家認為暫時是不會的。他們指出,晶元型的智能卡只適用於某些特定的領域,與磁卡並不發生衝突,更何況取代磁卡的終端設備投放代價高昂,誰也不會願意這麼做的。

交通指揮燈

交通指揮燈是非裔美國人加萊特?摩根在1923年發明的。此前,鐵路交通已經使用自動轉換的燈光信號有一段時間了。但是由於火車是按固定的時刻表以單列方式運行的,而且火車要停下來不是很容易,因此鐵路上使用的信號只有一種命令:通行。公路交通的紅綠燈則不一樣,它的職責在很大程度上是要告訴汽車司機把車輛停下來。

開車的人誰也不願意看到停車信號。美國夏威夷大學心理學家詹姆斯指出,人有一種將剎車和油門與自尊相互聯繫的傾向。他說:駕車者看到黃燈亮時,心裡便暗暗作好加速的準備。如果此時紅燈亮了,馬上就會產生一種失望的感覺。他把交叉路口稱作“心理動力區”。如果他的理論成立的話,這個區域在佛羅伊德心理學理論中應該是屬於超我(supere go)而非本能(id)的範疇。

新式的紅綠燈能將闖紅燈的人拍照下來。犯事的司機不久就會收到罰款單。有的紅綠燈還具備監測車輛行駛速度的功能。

遙控器

據說,遙控器的開發源於人們對於電視商業廣告的反感。美國頂峰(Zenith)公司的總裁尤其痛恨電視節目頻頻被廣告打斷的現象。在他的領導下,頂峰公司在1950年開發出了世界上第一個遙控器。這個遙控器是有線的。頂峰公司再接再厲,在1955年又研製了世界上第一個使用光學感測器的無線遙控器,後來又發明了超聲波遙控器。紅外線遙控器則是到了八十年代初才問世。這時遙控器的價格變得非常低廉,誰都能買得起。

今天遙控器已經成為家電產品的標準配置,市場上銷售的99%的電視機和100%的錄像機都配置有它。對了伴著遙控器長大的一代人來說,手持遙控器從一個頻道換到另一個頻道正是電視給他們帶來的歡樂之一。

陰極射線管

陰極射線管(CRT)是德國物理學家布勞恩(Kari Ferdinand Braun)發明的,1897年被用於一台示波器中首次與世人見面。但CRT得到廣泛應用則是在電視機出現以後。電視出現於本世紀20年代,到了50年代在西方得到全面普及,如今電視更是無所不在。據統計,美國人平均每天要觀看7個小時的電視。

當然,看電視是一種被動接受。但是當CRT顯示器上顯示出的是一幅計算機的操作界面,情況就大不相同了。我們可以與之互動、交流,此時顯示器便成為我們可以加以利用的一種手段。隨著互聯網的蓬勃興起,許多人患上了“上網成癮症”,這種社會現象從一個側面充分反映出今天越來越多的人寧願坐在CRT的面前,而不願意做其他任何事情。

液晶顯示器

電視機和計算機屏幕可向人們展示容量龐大的可視信息。然而它們擁有一個共同的缺點:體積太大。因為它們都需要一個陰極射線管作顯示器。液晶顯示器的發明使得人們可以將顯示器攜帶在身邊。

雖然液晶早在1888年就已經被奧地利植物學家Frederich Reinitzer所發現,但是人們直到1977年才將其用作顯示用途。當時Hoffmann-La Roche發明了“螺旋向列液晶顯示器”並申請了專利。這種顯示器現在被普遍用於計算器和電子手錶。80年代,每個像素都由一個晶體管控制的有源矩陣液晶顯示器研製成功,有力地推動了筆記本電腦、微型電視機和攜帶型DVD播放機的發展。

雖然液晶顯示器還存在顯示速度慢和視角受限等技術缺陷,但是技術專家指出,以

 

薄、平著稱的液晶顯示器5年內必將淘汰目前普遍使用的又笨又重又佔位置的CRT顯示器。

滑鼠/圖形用戶界面

道格拉斯·恩格爾巴特在60年代發明了滑鼠和圖形用戶界面。他曾這樣說過:“我當初發明滑鼠的時候,幾乎誰也不相信人們會願意坐在計算機顯示器跟前進行在線操作。”

但是,滑鼠和圖形用戶界面在70年代在施樂公司的帕羅奧爾托研究中心(PARC)的努力下得到了進一步的完善,80年代在蘋果公司的努力下,它終於完成了走向大眾的進程。至此,顯示在計算機屏幕上的內容在可視性方面大大改善,人們再也不用象從前一樣需要記憶計算機文件的名稱和路徑。由於圖形用戶界面減輕電腦操作者的記憶負擔以及提供了一個良好的視覺空間環境,計算機終於發展成為一種工作場所。美國學者史迪文·約翰遜在《界面設計》一書中盛讚恩格爾巴特的發明“為普及數字化革命所作出的巨大貢獻是其他任何在軟體上所取得的進步所不能比擬的。”

條形碼掃描器

1992年2月,美國前總統喬治?布希獲贈一個用於超級市場的條形碼掃描器。據說,布希當時說了句:“ 這東西真是奇特!”但是請注意,令布希感到驚嘆不已的並不是這種早在1974年就已經問世的掃描技術。他感嘆的是當時他手中拿的那種新式掃描器居然能夠掃描被撕成7張碎片的條形碼。

條碼掃描器第一次實際應用是在美國俄亥俄州特洛伊市的馬什超級市場,掃描的是10小包一袋的口香糖。此前,條碼掃描器經過了一個漫長的開發過程。掃描器對商家最初的吸引力是它的掃描結果非常準確。但是激光能夠讀取大量信息,包括所售商品的類型、時間和組合。如今,零售商存儲的數據量以兆兆位計,對每筆交易都要進行記錄,這些信息都將返回給分銷商。條形碼大大提高了供應鏈的通信效率,以至於有些商店要在商品銷售以後才付款。

 

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