單晶爐生長體系中的手操器研究

單晶爐生長體系中的手操器研究

如果手機設(shè)備上傳輸?shù)男畔⒛軌蚩煽康亟邮蘸驼_地提供信息，這將直接影響工作效率和操作的舒適度。適合操作者生理尺寸、思維和行為方式的設(shè)計要素顯得非常重要。目前手持設(shè)備的設(shè)計多關(guān)注用戶輸入硬件(如觸摸屏、按鈕、鍵盤)、電源系統(tǒng)、模制塑料零件等部件之間的相互作用,并且考慮各元件成本、尺寸、重量等問題[2~4],但對其人機因素研究較少,也缺少較為系統(tǒng)的分析,需要對人性化設(shè)計方面進行強化。本文以單晶爐生長體系中的手操器為設(shè)計研究對象,該手操器是單晶爐的附屬設(shè)備,屬于低批量手持設(shè)備,專業(yè)化強并與生產(chǎn)安全緊密相關(guān),這種低批量比大規(guī)模產(chǎn)品的設(shè)計面臨的技術(shù)問題更多。本文系統(tǒng)總結(jié)手持設(shè)備基于人機工程學(xué)的設(shè)計原則,以造型的宜用性和用戶需求作為切入點,運用人機工程學(xué)原理提出了具體有效的手操器設(shè)計原則,包括人機尺寸、造型設(shè)計等設(shè)計原則。通過基于人機工程的設(shè)計使操作者能快速識別各項信息并準(zhǔn)確操作,從而提高工作效率。1操縱設(shè)備的設(shè)計手在人類日常生活中具有極其重要的地位,被用來認(rèn)知、了解、改造周圍的環(huán)境,積累關(guān)于事物的知識。手將日常生活中獲得的經(jīng)驗直接運用到與儀器設(shè)備之間的交互活動中,通過設(shè)備來傳輸用戶的操作意識和操作行為,正是這種方式大大提高了操控設(shè)備的可操作性,使其能完成更加復(fù)雜的任務(wù)。由于手掌結(jié)構(gòu)本身的復(fù)雜性,手持設(shè)備類的研究一直都是設(shè)計領(lǐng)域中最具挑戰(zhàn)性的工作。其設(shè)計的難度在于在有限的空間內(nèi)不但要集驅(qū)動、傳動、傳感器及電氣系統(tǒng)為一體來實現(xiàn)操控設(shè)備的功能,還要保證近似人的手指外形尺寸,合適的抓握力及抓握精度。根據(jù)手對工具抓握的不同姿勢,手持設(shè)備可分為指握式工其和掌握式工具。1.1工具的使用方式和平衡配重指握式工具是指以指球肌作為主要工作面,輔助掌部和前臂其他肌肉共同來完成動作的工具,比如筆、鑷子等。指握式工具主要表現(xiàn)為手指運動,肢體活動范圍比較小,但工作精度可以很高。針對指握式工具,在人機關(guān)系設(shè)計時需注意以下幾個方面:由于這種方式的工具受力面積小,所以設(shè)計的重點就在于較小的這個接觸面,比如最常使用的筆,為了減少壓力,在筆套的位置采用小膠套來減壓。根據(jù)生活經(jīng)驗,此類型的工具在長時間使用后,疲勞部位不是手指,而是上臂和前臂肌肉,這說明在這些工具使用時上臂和前臂肌肉處于負(fù)荷狀態(tài),再設(shè)計不能只考慮手部的受力,可通過調(diào)整工具的使用方式,或者在同時工作狀態(tài)下設(shè)計肘部或者腕部支撐。此外此類工具在平衡配重上也要有考慮,最常見的是日常用的筷子,筷子的上半部都會多出一截,這貌似多出來的一截筷子在使用中起到了平衡配重的作用,失去這一部分就缺少了支撐,也達不到使用目的了。由于指握的形式空間限制較大,在這里作為對同類產(chǎn)品的研究參考對象。1.2工具的加害關(guān)系掌握式工具是指由手掌各部分肌肉均參與抓握的工具,掌握式工具的操作一般會由腕部肌肉或者上臂肌肉完成。掌部肌肉主要是保持工具姿勢的作用。因為有上臂部肌肉參與,所以掌握式工具可以發(fā)揮的力量比較大,工具的動作范圍也比較大。手操器這種融合顯示器、用戶輸入硬件、用戶界面軟件、處理元件、電源系統(tǒng)多功能于一身的設(shè)備通常采用這種形式,這也是本文采用的設(shè)計形式。人的手掌并不是一個平面,而是在無名指和小指處處在一個向大拇指處內(nèi)斂的自由度,這個自由度在掌握式工具中體現(xiàn)為手指周向的抓握程度,并且手掌和大拇指位置優(yōu)化設(shè)計在掌握式工具設(shè)計中也是非常重要的。針對這類工具人機關(guān)系之間的協(xié)調(diào)要考慮到以下幾點:1)抓握部位與人手的匹配。掌握式工具的操作方式是掌面和手指周向抓握。所以需要符合抓握工具和手的人機。2)操作活動應(yīng)在手的最佳活動范圍內(nèi)完成。這里的最佳活動范圍不僅指工具能夠容易到達的地方,還需要眼睛視線清楚可見的范圍以內(nèi)。在操作中如果因為操作范圍要求較大需要上臂部外展,應(yīng)盡可能保持上臂的自然下垂?fàn)顟B(tài),以避免上臂長時間外展引起的疲勞,降低作業(yè)效率。3)保持手腕的順直狀態(tài)。在工具設(shè)計時,應(yīng)盡可能保持手腕的順直狀態(tài),當(dāng)手腕長時間處于掌屈、背屈、尺側(cè)偏或撓側(cè)偏時會產(chǎn)生腕部疼痛(圖1),減小腕部力量?？梢酝ㄟ^工具的設(shè)計達到手腕的順直狀態(tài),但同時要考慮工具操作的方向性。4)避免掌心組織受壓力。手持設(shè)備的操作對象是人手,因此其整體造型應(yīng)該和人手的構(gòu)造相關(guān)聯(lián),保證人手持握穩(wěn)定的同時,又不能對其薄弱肌群施以壓力。保證手掌血液循環(huán)良好,神經(jīng)不受過強壓迫。否則,掌心長期受壓會引起疲勞和操作失誤。2工具的危險性強不正確設(shè)計的工具易于引起事故和傷害,長時間和反復(fù)使用設(shè)計有缺陷的工具很可能造成使用者的累積性損傷或腕管綜合癥。據(jù)統(tǒng)計,在美國至少有12.2%非死亡性工傷是由手工工具造成的。僅1977年就有5%~10%的傷害性賠償是由使用手動工具造成的。這表明那些經(jīng)常被使用的,但卻被忽略的手工工具也具有較高的危險性。其人機交互的方式,直接影響著使用者的操作行為,因此設(shè)計的好壞直接關(guān)系著使用者的安全和健康。2.1腳手架與指骨間肌區(qū)的內(nèi)合度手持設(shè)備的操作對象是人手,因此其整體造型應(yīng)該和人手的構(gòu)造相關(guān)聯(lián),保證人手持握穩(wěn)定的同時,又不能對其薄弱肌群施以壓力。手的肌肉豐富,其中最豐富的部位是手上的指球肌、大魚際肌和小魚際肌,而最少的部位是掌心肌肉和指骨小魚際肌末梢,但此位置血管和神經(jīng)分布較密集,所以在較大力量操作掌握式工具時要避免在掌心部造成很大的壓力,妨礙血液循環(huán)引起局部缺血導(dǎo)致麻木、刺痛等,由此引起疲勞和操作不準(zhǔn)確。當(dāng)手握持手柄時,肌肉豐富的指球肌區(qū)、大魚際肌區(qū)和小魚際肌區(qū)應(yīng)當(dāng)與手柄表面緊密貼合,以便發(fā)力握牢手柄。而掌心區(qū)和指骨間肌區(qū)與手柄表面之間應(yīng)留有空隙,從而改善掌心和指骨間肌集中受力狀態(tài),可以通過評測手掌面與手柄表面的貼合程度來間接評測手柄的舒適度。根據(jù)上述分析,手柄的形狀設(shè)計應(yīng)避免手柄形狀絲毫不差地貼合于手的握持部分,尤其是不能緊貼掌心,操作者握住手柄時掌心處略有空隙。如果掌心受壓,勢必會影響人手的靈活性和準(zhǔn)確性,所以手持設(shè)備的背面設(shè)計最好不要有鼓起,以減少壓力和摩擦力的作用。通過對原手操器的造型分析發(fā)現(xiàn),其機殼背部大幅度凸起,或許是為了增大摩擦,但經(jīng)過訪問工廠操作人員,證實這種形態(tài)并不利于使用。凸起的棱面在長時間的持續(xù)操作狀態(tài)下給手掌增加了壓力,使手掌發(fā)紅,也就是說已經(jīng)對血管肌肉組織造成了壓迫。所以針對這一嚴(yán)重缺憾對其進行改良設(shè)計實驗,并將設(shè)計方案通過快速成型技術(shù)出模(圖2),再對這一模型進行觀察、評測手掌上若干典型區(qū)域與手操器背板表面的貼合程度,進行調(diào)查結(jié)果表明相比夸張凸起的背板這種圓滑柔和的背板設(shè)計使用起來更加舒適(圖3)。2.2人體尺寸設(shè)計的分類在應(yīng)用人體尺寸數(shù)據(jù)時應(yīng)注意的要點:1)弄清使用者和操作者的狀況:設(shè)計的任何產(chǎn)品都是針對一定的使用者來進行設(shè)計的,因此在設(shè)計時必須分析使用者的特征,包括性別、年齡、種族、體型、身體健康狀況等。2)確定所設(shè)計產(chǎn)品的類型:在涉及人體功能尺寸的產(chǎn)品設(shè)計中,設(shè)定產(chǎn)品功能尺寸的主要依據(jù)是人體尺寸百分位數(shù)。在GB/T12985-1991標(biāo)準(zhǔn)中,依據(jù)產(chǎn)品使用者人體尺寸的設(shè)計上限值(最大值)和下限值(最小值)對產(chǎn)品尺寸設(shè)計進行了分類,凡涉及人體尺寸的產(chǎn)品設(shè)計,首先應(yīng)按照該分類方法確認(rèn)所設(shè)計的對象是屬于哪一類型。3)選擇人體尺寸百分位數(shù):產(chǎn)品可按其重要程度涉及人的健康、安全的產(chǎn)品和一般工業(yè)產(chǎn)品兩個等級。在確認(rèn)設(shè)計產(chǎn)品等級后,選擇人體尺寸百分位數(shù)的依據(jù)是滿足度。人機工程學(xué)設(shè)計中的滿足度是指所設(shè)計的產(chǎn)品在尺寸上能滿足多少人的使用。4)確定功能修正量:大部分人體尺寸數(shù)據(jù)是裸體或使穿背心、內(nèi)衣、內(nèi)褲時靜態(tài)測量的結(jié)果。設(shè)計人員選用數(shù)據(jù)時不僅要考慮操作者的穿著情況,而且還應(yīng)該考慮其他可能配備的裝置,如手套、頭盔、靴子及其他用具。也就是說在考慮有關(guān)人體尺寸時必須在所測量的人體尺寸上增加適當(dāng)?shù)闹b修正量。5)確定心理修正量:為了滿足人們“求新”、“求美”、“求奇”等心理要求,一般在產(chǎn)品功能尺寸上附加一項心理修正量,心理修正量一般是通過被試者主觀評價表的評價結(jié)果進行統(tǒng)計分析求得心理修正量。2.3人工手部結(jié)構(gòu)參數(shù)手持設(shè)備是一種通用性產(chǎn)品,手持設(shè)備的人機關(guān)鍵尺寸主要是寬度、長度。據(jù)UKHSE報道,手持設(shè)備中平均每年超過25%的傷害是由手把持造成的?？梢娛直囊擞眯栽谑殖衷O(shè)備設(shè)計中占重要地位,此處作本文研究重點。手柄直徑大小取決于工具的操作姿勢和手的尺寸,設(shè)計時需要滿足大多數(shù)人的需求。單晶硅生產(chǎn)加工屬于是高強度作業(yè),該手操器的使用者作業(yè)基本為男性工人。所以在此采用男性的人機數(shù)據(jù)為主要依據(jù)。1)由于操作形式為握式,所以把手柄長度主要取決于手掌寬度(表1)。采用50個百分位男性手掌寬度為104mm,根據(jù)人機尺寸應(yīng)用原則求手操器手把長度約為104+3(穿衣修正量)+5(心理修正量)=112此處穿衣修正量為工人佩戴手套的參數(shù),心理修正量可設(shè)為把手處防滑墊及防滑紋理參數(shù),因此合適的把手長度最佳尺寸為100mm~120mm。2)由于操作形式為握式,所以手柄寬度主要取決于手掌長度,在持握狀態(tài)下手掌呈現(xiàn)彎曲運動,手掌受力部分主要集中在拇指指根與其他四指第二節(jié)關(guān)節(jié)處,這一部位的尺寸和手掌寬度成相似比例。在此依然采用手掌寬度為參照,其尺寸可以用第50個百分位數(shù)據(jù)作為基本尺寸(表2),成年人50百分位不含拇指的手寬為82mm。根據(jù)人機尺寸應(yīng)用原則求手操器手把寬度約為82-3(穿衣修正量)-5(心理修正量)=74由于手指周向向內(nèi)的抓握力,因此要減掉各修正量,最終設(shè)定手操器寬度控制在74mm~80mm,超過這個范圍時,手指的靈活性被過分限制,既不利于操作按鍵,也降低了握持的舒適程度,寬度過窄時,會限制手操器內(nèi)部元件的尺寸,同時也缺乏了心理修正,使使用者缺乏安全感。3手操器的設(shè)計評價手持式工具除了要具有功能強勁、外形美觀之外,其操作的舒適性更是決定其是否被廣大用戶接受的一個重要因素。對于手持式工具,除了第2節(jié)的關(guān)鍵尺寸要保證外,手柄的表面形態(tài)是決定其舒適性的關(guān)鍵因素。采用用戶評價的研究方法來探討不同設(shè)計方案的可用性和舒適度。外形設(shè)計要符合四指握持拇指操作的習(xí)慣,同時也要考慮左右手操作的問題。設(shè)計之初為突破原有的呆板造型,曾嘗試不對稱的形態(tài)設(shè)計如圖4所示。設(shè)計評價采用對使用者的深度訪談。通過工廠操作技術(shù)人員對該設(shè)計的評價表明這種方案滿意度比較差,主要原因是考慮到使用者有的用左手進行操作,有的左右手交替工作等,所以其外形要求左右對稱。最終方案的手操器設(shè)計成前寬后窄的形式,寬大的前端方便安排顯示屏幕,窄小的后部方便握持。棱角部分用圓弧過渡。這樣既能滿足手持設(shè)備功能和操作的要求,又能從外觀視覺和整體握持感上讓用戶覺得舒適。同時,此類操控設(shè)備在針對機器操作的時候通常不會一直用眼睛盯著去看,需要配合觸覺來完成交互的,如圖5。外輪廓上下殼體不同的設(shè)計以及手掌周向抓握的向上傾角弧度,易分辨正反,易抓握,有效地避免了使用者的誤操作。此外色彩在產(chǎn)品設(shè)計中的應(yīng)用,會引起人們心理、情緒、情感及認(rèn)知上的變化,給人不同的心理感受。設(shè)計師可以通過色彩來表現(xiàn)產(chǎn)品的特質(zhì),吸引用戶的眼球,同樣可用色彩調(diào)節(jié)來避免不利的影響,提高工作效率。具體針對手操器來說,手操器的工作氣氛平靜,因此色彩不宜過于刺激與興奮,也不宜過于沉悶,應(yīng)使操作者在工作時心情