基于人机工程学的新型自动铅笔设计研究

王婧菁

摘要：使铅笔外形更加契合手部的正确握笔姿势，解决铅芯易断折的问题，有效提升使用舒适度、提高铅芯的利用率、节约资源。通过分析现有的铅笔结构，对握笔姿势进行测试、进行基础草模制作、利用Rhino及Solidworks软件对自动铅笔的结构及外观进行改进设计，得到了自动铅笔内部结构三维装配模型及外观渲染效果图。新型自动铅笔的设计依据人机工程学理论，使得使用手感更舒适;改变铅笔内部结构从而提高铅的利用率，节约资源、减少环境污染;满足学生及其他专业人士对产品的使用需求。

关键词：人机工程学 自动铅笔 新型 防断

中图分类号：TB472文献标识码：A

文章编号：1003-0069（2019）09-0008-04

前言

在日常工作和学习中，自动铅笔为人们带来了极大便利，提高了铅笔的使用率和资源的利用率，与此同时，自动铅笔也存在着一些设计上的缺陷，如造型不符合人机工程学及铅芯易断折等问题。本研究针对上述问题对自动铅笔进行了外观及结构的改进设计，使铅笔更加适合手部的正确握笔姿势，从而提高使用舒适度和安全性。同时，对内部结构进行再设计有效解决了易断折的问题，提高铅笔的利用率，达到有效减少重复补铅、节约资源的目的。

一、普通自动铅笔存在的人机问题和使用缺陷

（一）造型简陋导致的长期握笔疲劳

正确的写字握笔姿势应为食指尖与笔尖一寸，笔与纸面呈600倾斜，笔杆靠于食指指根关节凸起，如图1。大部分使用者握笔姿势不正确导致指关节酸痛，长期握笔姿势不正确还会导致近视、驼背、写字效率低等问题。

通常情况下自动铅笔笔杆设计成直线形，这样的造型有时会导致使用者会采取错误的握笔姿势，产生疲劳，造成使用时的不适，如图2。

（二）铅芯残留导致的浪费问题

自动铅笔的出铅方式大致分为以下四种：坠铅式、旋转式、脉动式、和自动补偿式。

坠铅式靠铅芯重力自动出铅芯;旋转式靠旋转传送铅芯，如图3;脉动式（也称揿动式），如图4、5。靠揿动输送铅芯，揿动又分为—次揿动式和二次揿动式，一次揿动式即一次出铅芯，二次揿动式，第一次揿动笔嘴伸出笔杆，第二次揿动使铅芯伸出;双卡头揿动式，采用双卡头结构，缩短了卡头和笔嘴端部距离，使自动铅笔内残留8-15mm的铅芯，需用—支整铅芯将其顶出，方可继续书写。但在顶出过程中，很可能因为铅芯位置没有对齐而发生铅芯断裂，浪费了更多的铅资源。自动补偿式（自动出芯）无须旋转或脉动装置，可自动补偿铅芯，持续书写。虽然市面上有几种自动铅笔设计原理很好，但在实际使用过程中，这些自动铅笔的效果都不是很完美，有时候这些结构精密、价格昂贵的自动铅笔出现故障很难修复。

（三）意外掉落导致的产品使用寿命减短

现有的自动铅笔内部空仓和双卡头结构，一旦自动铅笔意外掉落会造成铅芯多处断裂，需要浪费时间更换铅芯;对于结构精密的自动铅笔，严重情况下会使内部结构发生变形、偏移等，造成不可逆的损坏;人为拆卸也会使铅笔结构出现难以复原的问题，降低了铅芯使用率及铅笔寿命。

（四）储铅量少导致的效率问题

就普通自动铅笔而言，因受到出铅方式的限制，一般仅可携带2-3根备用铅芯，过多的铅芯导致自动铅笔卡铅从而影响使用寿命。同时，内部碰撞也会造成铅芯断裂，本就使用率不高（每根铅芯浪费8～13mm）的铅芯在断裂后要浪费双倍甚至更多。自动铅笔的使用者学生或设计师占比最多，储钱量少，铅芯使用率低直接影响了使用者的工作效率。

二、基于使用者的产品分析

自动铅笔类的文具产品的受众人群以下面例举的三类人群为主，其中普通学生和艺术考生对自动铅笔的需求量最大。经调查，该类人群自动铅笔的铅芯平均使用净长度在70mm/天，以標准50mm长的铅芯为标准，大约为1.4根/天。受众群体的分类及使用需求如下：

1.普通学生常用的自动铅笔类型为0.5/0.7的2B铅芯、HB铅芯，或者选用宽头的机读卡填图铅笔。

2.艺术考生对铅笔的使用类型要求会更高，从9H到9B共1O种铅芯型号的铅笔可能均有涉及。普通自动铅笔只能携带—种型号的铅芯，多功能铅笔可携带—种到三种型号的铅芯，但是内部结构不可拆卸，13选定将无法更换型号。

3.从事设计工作的人群，对于多功能笔的需求会更普遍一些，通常情况下会选择携带铅笔芯和圆珠笔配合使用。

普通铅笔携带铅芯的单一且储铅量少，使用者会经常忘记及时填充铅芯，造成使用上的不便，且铅芯型号较多，使用时需要同时携带数支铅笔，容易造成遗忘或丢失，均降低了使用者的工作效率。另外，从自动铅笔的尾部填充铅芯可能因为铅芯断裂无法迅速出铅，大部分人都选择用手捏着铅芯，从铅笔头插入铅芯继续使用，如此复杂而频繁地更换铅芯也给使用者造成了糟糕的交互体验，不符合人机交互的原则。

三、新型自动铅笔结构设计分析

鉴于以上问题，现提出如下设计解决办法，如图6。

（一）内部结构可拆卸自由组合

新型自动铅笔的内部结构设计成可拆卸可更换，如图7，同时携带多种铅芯，方便使用者根据具体需求（如软硬程度，粗细程度等）选择合适的铅芯型号的铅管，如图8，并自由组合在一起使用，提高使用的便捷性，优化用户体验。

（二）多边形铅管组合增加储铅量

利用左轮手枪的原理，设计了多边形铅管组合，如图9、10，加大储铅量，方便填装铅芯，简化换铅芯的操作过程以提高使用效率。普通的自动铅笔在不影响使用的情况下可携带2-3根铅芯，而新型的自动铅笔在铅道内可存放2-3根铅芯，铅管内也可存放4-6根备用铅芯，每支自动铅笔可放置三个铅管，存放18-27根铅芯。当然使用者可根据自己的需要增加或减少储铅以便于书写轻松。

（三）旋转轴更换铅管变换铅芯型号

笔帽和笔身以一端开口为十字的旋转轴，如图11，和卡槽连接，如图12、13，应用多颜色模块笔设计原理设计旋转轴解决铅管固定和旋转问题。使用者可通过转动笔尾确定笔管的位置，每转动到一根铅管的正确位置，限位卡槽会发出“咔”的声音提示使用者可以推出铅管使用该铅管中的铅芯。

（四）卡槽限位控制铅芯推出距离

新型自动铅笔放弃传统自动铅笔的结构，改成以手动推动装置，如图14，利用刻刀的卡槽限位结构，如图15，解决固定铅芯和控制铅芯的推出距离，如图16、17，利用压力传动方式将铅芯推出铅道使铅芯可以用到最后1mm，节约铅资源，且结构结实耐用，铅芯被包裹在铅道中，即使意外掉落也不会因为空仓和双卡头结构引起铅芯断裂，可持续使用。

四、新型自动铅笔外观设计分析

（一）产品材质及配色

新型自动铅笔的外观设计针对年轻化群体，将笔身表面进行光滑处理，达到类似于烤漆的表面效果，同时在笔帽下部和调节按键处使用与笔身完全不同的颜色使得整支铅笔更加跳脱。在色彩方面，如图18、19，选择了较为清新的淡蓝色与淡粉色，同时也针对不同的使用人群使用了更为简洁的黑白两色，如图20。针对目标用户，在设计中选择较为简洁的风格可以适用于更广泛的年龄层，整体效果直观大方。

（二）产品功能

1.启动铅笔的笔尖设计

笔头和笔杆设计为一体，并固定金属滑道，保护铅芯不会因使用不当发生断裂，可以有效防止断铅。根据JIss 6005标准所规定的铅芯直径，现有自动铅笔铅芯最大直径为2ram，因此配合铅芯尺寸，铅管的出铅口也应满足最大铅芯直径。

2启动铅笔的推动装置设计

基于人机工程学设计铅笔外形，参考正确的握笔姿势让被测试者进行握笔测试，推动笔杆距离测试。计算出握笔时拇指、食指、中指的位置，如图21。提高使用手感让使用者在握笔时处于最舒服的状态，以及拇指在推动铅芯滑动装置时的承受距离。铅芯长度调节的按键位于自动铅笔向上的一面，辅以下部的手握凹槽，依托于反复的测试与测量，在调解过程中自然流畅。由于可以大量储存铅芯导致笔杆相较正常自动铅笔更粗，手握凹槽设计的更深，以达到在使用过程中不会因笔的直径增大而导致手部不适。考虑到使用签字铅笔的手中人群大部分是学生，因此根据人机尺寸计算原则，选择拇指能承受的最小范围加减修正值作為推动装置的实际距离，如图22。

3.其他功能设想

经统计，直径大于1.5cm的书写工具设计笔夹通常不会被使用，新型自动铅笔没有为用户预设笔夹，而采用在尾部金属区域可以自行增加笔夹的选配零件的形式，使得使用可以更加个性化，将无用的设计降至最少。

结论

新型自动铅笔的结构设计不仅可以防止断铅现象，还可以防止堵塞，降低故障出现概率，从而提高自动铅笔的工作效率和铅芯的利用率。根据设计方案，利用现有多铅管结构，改变铅管尺寸，容纳0.5mm、0.7mm和1mm等不同尺寸的铅芯，提高自动铅笔的使用范围，也可将不同硬度的铅芯放在固定的铅笔管中，扩大使用人群的范围。

基于人机工程学设计的铅笔外观，不仅保护铅管，延长铅笔使用寿命，还可以在一定程度上纠正使用者的握笔姿势，缓解因为握笔姿势不正确引起的疲劳。

自动铅笔作为学生的笔盒中必备文具之一，其设计是否合理关于使用安全、舒适度、易用程度、可持续等，本文从人机工程学的角度研究再设计自动铅笔，将人机工程学的理论融合在实际设计中，使设计更加情感化。另外，该设计解决了铅芯易断折的问题，有效提高铅芯的利用率、顺应了可持续发展的战略理论，为日常生活中节约铅资源贡献绵薄之力。