基于人机工程学左手专用尖嘴钳的设计

徐 妍，焦万铭，张 超，徐江燕

(北京科技大学天津学院，天津 301830)

人机工程学是研究人、环境和机械设备三者之间相互作用的学科。它通常指的是研究如何使机械设备系统、人机系统、人机环境系统的设计更好的反应人体形态学。工业设计中，也经常把人机工程学的理论作为产品改进的基础和参考因素[1]。

不同的工作环境对应不同手持工具，也应该存在多种形态，设计时应该依据人体解剖学。人手是由骨骼、动脉和静脉、软组织、神经和肌肉组成的复杂结构，这些肌肉通过肌腱、软组织连接到手指。当一个人操作工具时，手臂必须长时间举起或抓握，这将会导致肩膀、手臂及手部肌肉承受静负荷，导致疲劳并降低作业效率[2]。如锤子、剪刀、扳手、钳子之类的手工工具如果设计不合理，会导致使用者对疾病造成累积损害，由此产生肌肉和软组织疲劳疾病。图1为人类左手手掌肌肉示意图。

图1 人类左手手掌肌肉示意图

传统钳子的大部分握柄主要是钢。使用时，手会有很强的摩擦力，并用钳子挤压，这会使手指疼痛。同时当手接触钢接触时，会产生冰冷、钢铁般的感觉，自然会产生与钳子的心理距离。这种材料的使用偏离了“以人为本”的设计理念。因此，有必要用一种更加柔软的材料来代替它。但选择既实惠又实用的柔软材料，将钳子的把手部分整个包裹起来，塑料部分与钢铁部分得不到完美的结合。使用者在使用钳子时力量也会受到限制，所以考虑在钳子的塑料上进行橡胶包裹，不仅使钳子把手部分和钢制部分组合得更好，而且使整个钳子更加美观，给用户带来心理上的舒适感和亲和力。柔软的材质也减少了摩擦力，手部磨破的情况得到缓解。

钳子的造型需从形状、长度、直径、弯曲度四个方面研究设计。对产品形态设计时，适当的附加功能的设计也能满足人们的额外需求，使得产品更具人性化[3]。

1 左手专用钳子现状调查

目前，左手工具的数量远不足右手工具的数量，现在左手产品大致可以分为剪刀、厨房用具、园林用具、笔、文具、体育用品和乐器等。剪刀和其它工具中有最典型和最常用的左撇子类型，还有左手面包刀、开瓶器，尺子、削皮器等。

笔者面向社会对500人做了抽样调查，调研结果如下：

人们对钳子的使用还是存在着一些反感，对于钳子的看法也是冰冷的，充满隐患，人们对于左手专用工具的认知不多。在钳子的功能、用途等设计上，要依据人机工程学原理，并对使用者进行区分，从而设计出更加符合人体力学的手工工具。

2 基于人机工程学设计左手专用尖嘴钳

2.1 左手专用钳子草图设计

钳子是一种用来固定或扭曲、弯折和切断电线的工具。形状呈V形，通常包括三个部分：手柄，钳腮和钳头。

传统钳子的部件为对称的线性结构。以直线姿势操作时的手腕状态与人体工学手腕保持平直状态。一般认为，将手柄与工作部分弯曲 10°左右，这种状态下的效果最佳。故针对钳子的结构，对钳子的材质及手柄部分进行改良，对手部尺寸进行分析，通过查阅资料得到以下数据。

表1 掌骨处手掌宽度及掌骨处抓握空间(cm)

表2 含拇指手掌宽度及手总长(cm)

很多学者通过设计实际的产品来体现人机工程学的原理与概念，在诸多产品造型的设计、操作空间设计及操作界面设计中都取得了良好的成果，积累了许多宝贵的经验。其中常用的设计方法大致有以下三种：1)人体参数法；2)调查法；3)模型法。

根据上述几种方法，和前期的市场调研结果，将现有的两种最常用的钳子进行仿真模拟，以便于进一步的设计与改进。现阶段最常用的两种钳子就是老虎钳和尖嘴钳。如图2、图3所示：

图2 老虎钳模型

图3 尖嘴钳模型

针对于调研结果，男女使用钳子的比例、类型以及用途来看，男性比重大，对于剪切、夹断等用途使用情况更多。相对于老虎钳，尖嘴钳可以做到剪切铁丝、电线，也可以进行小零件的紧固、装配，是电工常用的钳子之一。本文选择尖嘴钳进行更深一步的研究与改进。

2.2 钳子外形改进的必要性

把手形状应与手的生理特点相适应。就手掌而言，掌心部位肌肉最少，指骨间肌和手指部分是神经末梢满布的区域、而指球肌、大鱼际肌、小鱼际肌是肌肉丰满的部位，是手掌的天然减振器[4]。设计时，必须考虑手掌长度、手握粗度、握持状态和触觉的舒适性。通常，把手的长度要接近和超过手掌的长度，使手在握柄有一个活动和选择的范围。把手的径向尺寸必须与正常手握尺度相符或小于手握尺度。如果太粗，手就握不住把手；如果太细，手部肌肉就会过度紧张而疲劳。另外，把手的结构必须能够保持手的自然握持状态，以使操作灵活自如。把手的外表应平整光洁，以保证操作者的触觉舒适性[4]。

2.3 钳子手柄长度尺寸的确定

设计合理的手柄首先应与手的生理特点相适应，这样才能安全舒适地使用。设计的目标之一是使用钳子时，用尽可能最小的力来夹断物品。要降低手部单位面积受到的压力，可以适当增大手部受力面同钳子手柄的接触面积，而弧形手柄与手的形状特征更为贴合。

钳子为双把手工具，其操作方式是大鱼际肌与四指抓握及大拇指的按压，其设计时需考虑到把手直径、长度、形状、弯角等多种因素。

把手直径大小取决于工具的用途与手的尺寸。对于剪切铁丝，直径大可以增大扭矩，但直径太大会减小握力，降低灵活性与作业速度，并使手指第一个骨节弯曲加大，长时间操作导致骨节疲劳。比较合适的直径是：着力抓握(30～40)mm，精密抓握(8～16)mm.为了使用户得到更加舒适的体验选取12 mm的直径。

把手长度主要取决于使用者的手掌宽度。掌宽一般在(71～79)mm之间，因此适合的把手长度为(100～125)mm.钳子为简易的杠杆装置。综合考虑后选取较大的把手长度120 mm.

2.4 钳子手柄形状的确定

在使用者使用钳子时，用力最大的是拇指，然后是食指、中指，而力量最小的是小指。为使大拇指因用力而变得扁平，手柄设计应注重大拇指部位的特征。拇指指球肌和大鱼际肌为主要的受力部位和操作，增大这两个部位与把手的接触面积。考虑长久摩擦可能造成皮肤磨损、伤害身体健康，因此拇指的相对稳定性和方向性也非常重要。因此设计适当的固定拇指位置也是有必要的。

把手的截面形状对于着力抓握影响很大，把手与手掌接触面积越大，则压应力越小，因此圆形截面把手较好。考虑到工具放置时的平稳性，以及设计后产品抓握的舒适性，把手的截面选择为复杂界面，结合矩形和圆形的特性，设计出更加防滑且舒适的产品。对于剪切线材，采用丁字形把手，可以使握力增大50%，其最佳直径为25 mm.

根据人手握持时各手指必要的肌肉张弛性，各指能有效地间歇替换握持，并能平稳的握持住钳子，手指夹持表面都应能最大面积地与工件表面接触，使握持力和摩擦力最大。因此，钳子的手柄最好设计成手指间隔开握持的状态，手指内面和两侧面都与钳子柄部充分接触。考虑到钳子使用时，如果设计为对称结构，会加重手腕部的弯曲，所以对于手柄的设计采用不完全对称结构。

钳子的钳脚设计除应符合上面提到的原理，还应符合生产加工特性和使用特性。在原理上钳子手柄尽可能通过附加到钳子手柄上的钳脚来实现。将套柄的材料、造型作为设计重点。生产的套柄一般都是比较简洁的设计外形。套柄在使用特征上一般应符合人体的工程学原理，同时又符合测试极限性原则。这样，一般尺寸比较长的10寸以上，钳子的钳脚一般设计成直线型，或成圆弧型，但两脚顶距离应有限定，应符合极限测试。而曲线型套柄的设计，便于适合套柄更大的杠杆握力比，又适合测试极限要求，更有效适合手的工程学特性。图4为钳子钳脚结构示意图。

图4 钳子套柄结构示意图

基于本文设计的使用者为左手人，对于钳脚的选择应该更加侧重在人机工程学理论的应用，对于上下钳脚可以采用不同的设计来解决直线对称型结构造成的问题。

2.5 钳柄握持空间和钳口张角

根据不同人手的尺寸和不同的使用用途，人手适合的握持空间和握持力是不同的。因手柄空间尺寸的不同设计和杠杆比例映射，钳口张角应满足不同需求的钳子。钳子在较大空间握持时应施与较小的握力，这样利于人手的机能，即限定了钳子应有较高的配合，使用灵活等性能。例如常规钳子的张角20°就可满足夹持和剪切工件的功能。图5为钳子手柄的抓握空间和握力示意图。从图可知当抓握空间宽度为(45～80)mm时抓力最大。而当把手内弯时，宽度为(65～80)mm.由于男女的差异，设计的左手钳子主要针对男性使用，所以抓握空间选取稍大为78 mm.

图5 钳子手柄的抓握空间和握力示意图

2.6 钳头样式选取

钳头直接与工件夹持接触，接触的表面积、空间的限度和型体等直接影响到钳头的设计功用。直接夹取工件时，据空间和夹持力大小的难易程度，直嘴式钳头可分别用凹弧侧边、直线侧边和凸弧侧边来有效夹持工件。当空间内需要弯向夹取工件时，可采用弯嘴式钳头；当工件型体有特定限制，则可根据要求选择钳头不同的截面来更好的实现夹取，如扁形截面、半圆弧截面、圆截面、扁圆截面等，图6为钳子的钳头结构示意图。

图6 钳子的钳头结构示意图

对于钳头的形状，考虑到左手钳的受用范围，本文没有设定某一特定工作领域或更精密的工作方式。根据直嘴型钳头可以满足大部分的工作，对于工作环境的要求也不是特别的严苛。所以选取最为常见的直嘴型钳头。

2.7 钳子刃口选取

钳子的剪切刃口功用如下：带偏刃(标准)的剪切钳适用于所有软或硬线种类。带小偏刃的剪切钳适合于钢琴丝(硬钢丝)以外的所有软或硬线种类。不带偏刃的剪切钳仅适合于剪切软材料，例如：铅、塑料和软金属丝线。图7为钳子刃口功用示意图。

图7 钳子刃口功用示意图

对于钳子刃口的选择，选取最为常用的带偏刃的钳口，因为该刃口的实用性较其他刃口更为广泛。

2.8 钳子铰接方式选取

叠腮式绞接钳子，在钳子顶部相互对接安装，不需要进行铣削加工和铆接；单腮式绞接钳子，对接合部需进行铣削加工，铣削一半厚度，使两片钳子相互插入安装；穿腮式绞接，一个手柄开有沟槽，让另一个手柄从该沟槽穿过，并在接合部绞接；滑腮式绞接钳子，设置了滑槽便于对钳口大小进行调节；平行腮式铰接钳子，如钳头为尖、钢、斜和扁的平腮钳，适于剪切和夹持平稳的双杠杆结构；锁腮式铰接钳子，适于需要更加省力的工件操作，应用了四杆机构的自锁特性。图8为钳子的铰接结构示意图。

图8 钳子的铰接结构示意图

结合左手钳的用途、实用性和经济性，钳子铰接方式选取为单腮式铰接的方式，这样的铰接方式在工厂中的加工更为常见。

2.9 钳子夹持面的选取

钳子夹持过程中，钳子施力的大小和方向以及作用的受力方向直接影响工件的夹持效果。为夹带孔的工件，一般不需要纹齿，而夹持平板的则需要纹齿，夹持圆弧形的则要在夹持面上先定型。夹工件较大的，应选择相应的大面积表面的夹持面钳子，方形、尖形、鸭嘴形和圆嘴形等夹持面。

根据工件的位置和受力的取向，夹持面可选取直线齿、斜线齿和网纹齿的钳子来夹持。图9为钳子夹持面的结构示意图。

图9 钳子夹持面的结构示意图

本文设计的左手钳主要为电工用的尖嘴钳，参照现有的电工钳的夹持面，考虑到夹持面对实际操作上的影响。夹持面选取直线齿、锥形的钳子。

2.10 钳子的弹性结构

一般的钳子需要持续一定的时间来反复夹持或剪切，可利用弹性结构来实现钳子复位功能，例如钳子上安装弹簧、板簧、扭簧、记忆合金和电子等回位功能的零部件，来达到节省手活动的效果。对于左手钳的设计中考虑在柄套部分安装板簧来达到用后回弹的效果，减少手部的用力，实现更为舒适的用户体验。

3 左手尖嘴钳三维模型的建立

根据收集的现有钳子的尺寸及前文所述设计方向，选取8寸尖嘴钳尺寸作为参考仿制钳身模型，利用Solid works软件中进行3D建模。

表3 钳子尺寸参数表(cm)

在设计过程中，改变钳子传统的对称结构，增大钳头与钳子把手的弯曲角度，来获得更加舒适的手握状态。更改手握部分的尺寸与弯曲度，得到改良后的钳子。图10改良后的整体结构。

图10 改良后整体结构

基于人机工程学的原理，对左手钳柄套进行绘制，完成左手钳上手柄的建模，并对其进行进一步修改。图11为柄套的基本结构。

图11 柄套的基本结构

在设计制作过程中将拇指位置进行定位，在钳子的形状以及安全性上也进行了设计。图12为左手钳上柄套。

图12 左手钳上柄套

对于下柄套的制作方法，相对于上柄套而言更为简单，主要区别在于，下柄套的四个手指的定位。图13左手钳下柄套。

图13 左手钳下柄套

左手钳各零部件的整合如图14所示。

图14 左手专用尖嘴钳

将模型用3D打印机进行实体打印，3D打印效果如图15所示。

图15 左手专用尖嘴钳3D打印模型

4 结论

本文基于人机工程学理论，在问卷调查结果分析的基础上，在设计过程中充分考虑了如下设计方向：手握部分不能够出现尖角棱角、手柄部分不能过硬、手柄部分如果有凹槽会与手掌更加贴合、在使用过程中手腕经常弯曲，把手不能太长或太短，基于三维建模技术，设计出一款左手专用尖嘴钳，可为今后左手手持工具的设计提供必要的思路。