防塵定位式家用手電鉆的人因設(shè)計(jì)

賈舒媛 王浩煒 常智權(quán) 唐周 董學(xué)文 馬繼許 閆本忠 向明森

摘要：本文主要從傳統(tǒng)電鉆的安全性、舒適性、打孔精度三方面進(jìn)行分析和優(yōu)化。為傳統(tǒng)手電鉆設(shè)計(jì)了防塵罩，主要用于收集打孔產(chǎn)生的廢屑，防止灰塵危害操作者的健康和阻礙操作者的操作。為傳統(tǒng)手電鉆設(shè)計(jì)了定位裝置及刻度，使操作者更方便地打出垂直于墻面的孔，并且能很容易了解所打孔的深度。同時(shí)運(yùn)用人因工程的相關(guān)知識(shí)對(duì)傳統(tǒng)手電鉆的手柄進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，使手柄更加符合人的生理和心理特性。

Abstract： This home electric drill is mainly analyzed and optimized from the three aspects about safety， comfort and drilling precision in this paper. The dustproof cover is designed for the traditional hand drill， which is mainly used to collect the waste material produced by punching holes and prevent the dust from harming the operator's health and the operation of the operator. The positioning and scale device are designed for the traditional hand drill， making it easier for the operator to type the hole perpendicular to the wall， and it is easier to understand the depth of the perforation. At the same time， using the knowledge of human factors engineering to redesign the handle of the traditional hand drill， the handle is more consistent with the human physiological and psychological characteristics.

關(guān)鍵詞：人因工程；手電鉆；防塵定位

Key words： human factors engineering；home hand electric drill；dust-proof and positioning

中圖分類號(hào)：TB472 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2018）10-0097-02

1 緒論

根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，全世界每年消耗的大量電動(dòng)工具中，有80%是由我國工廠生產(chǎn)并組織出口的。電鉆類產(chǎn)品，是電動(dòng)工具中的常規(guī)產(chǎn)品，同時(shí)也是需求量最大的電動(dòng)工具類產(chǎn)品。據(jù)了解，手持式電動(dòng)工具，特別是那些內(nèi)裝有不平衡質(zhì)量旋轉(zhuǎn)部件的工具，如帶有曲柄連桿活塞沖擊裝置的工具及裝有偏心裝置的工具，運(yùn)動(dòng)時(shí)都會(huì)產(chǎn)生較大的振動(dòng)。操作這些工具時(shí)，振動(dòng)會(huì)傳導(dǎo)到操作者的手、腕部和肩部，而引起的手臂振動(dòng)病早在1957年就被列為我國法定的職業(yè)病之一，也稱為局部振動(dòng)病，并典型表現(xiàn)為發(fā)作性白指。除此之外，傳統(tǒng)的手持電鉆還存在安全措施不到位、打孔精度不高等問題。隨著手持電鉆在電動(dòng)工具的廣泛應(yīng)用，其產(chǎn)生的危害越來越受到人們的關(guān)注。

2 家用手電鉆的人因設(shè)計(jì)

博世手電鉆是在市場非常暢銷的品牌，本研究以博世GSR120型手電鉆為研究對(duì)象進(jìn)行人因設(shè)計(jì)。本次優(yōu)化不涉及電鉆內(nèi)部結(jié)構(gòu)，不改變其相關(guān)功能單位及整體尺寸。博世GSR120型手電鉆的外形如圖1所示。

2.1 防塵罩設(shè)計(jì)

針對(duì)傳統(tǒng)手電鉆無法防塵的缺點(diǎn)，本研究為傳統(tǒng)手電鉆設(shè)計(jì)了防塵罩，此防塵罩將有效收集打孔產(chǎn)生的廢屑，并且防止灰塵危害操作者的安全。防塵罩效果圖如圖2所示。

根據(jù)人體手部尺寸數(shù)據(jù)，女性第五百分位的手長為159mm，在使用打孔時(shí)，操作者需要用左手握持該裝置。為了該裝置能夠被大多數(shù)操作者握持，該裝置的大圓直徑設(shè)計(jì)為100mm，其周長為314mm，能夠滿足大多數(shù)用戶掌握的圓弧的角度大于180°。同時(shí)該防塵罩需要其擁有足夠大的空間來容納廢屑。

在大圓同一軸線上開一個(gè)直徑的10mm的小孔的目的是方便電鉆的鉆頭進(jìn)出。同時(shí)10mm的孔為高速旋轉(zhuǎn)的鉆頭和防塵罩預(yù)留了安全空間，保證了防塵罩與鉆頭不會(huì)接觸。

在大圓同一平面下方設(shè)計(jì)一塊擋板。擋板的主要作用是收集廢屑，保護(hù)操作環(huán)境。擋板的上邊緣距離圓軸線10mm，防止擋板干擾鉆頭的進(jìn)給，下邊緣和防塵罩的大圓面重合。擋板的上邊緣有60°的傾斜角，方便廢屑劃入廢屑收集區(qū)。

透明的材質(zhì)是為了方便操作者觀察電鉆的運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)能使操作者很直觀的了解廢屑收集區(qū)的剩余空間，及時(shí)倒掉廢屑收集區(qū)的廢屑。防塵罩的三維模型如圖2所示。

2.2 定位裝置設(shè)計(jì)

針對(duì)傳統(tǒng)手電鉆無法確定打孔深度以及不能保證所打孔垂直于墻面的問題，本研究設(shè)計(jì)了用于定位的輔助裝置。

該定位裝置由一個(gè)圓柱和一個(gè)套環(huán)組成。該圓柱的直徑為10mm，長度為200mm，套環(huán)的內(nèi)圓的直徑為10mm，套環(huán)厚度的2mm，寬度為10mm，套環(huán)的另一端連在電鉆外殼上。該圓柱的作用相當(dāng)于一根導(dǎo)軌，保證手電鉆的進(jìn)給方向垂直于墻面，所以導(dǎo)軌的表面必須光滑，不易磨損。該導(dǎo)軌可采用不銹鋼皮制作，套環(huán)可以采用硬質(zhì)塑料制造，減輕操作者的負(fù)擔(dān)。導(dǎo)軌上可有5mm寬的尺度，可以根據(jù)套環(huán)的所在位置計(jì)算出孔的深度。

圖3展示的是合并過后的防塵定位裝置，新的裝置更加符合人的人因工程的相關(guān)知識(shí)。將兩個(gè)輔助裝置合并為一個(gè)，防塵罩的大端面和導(dǎo)軌的端面重合，導(dǎo)軌的軸線和防塵罩的軸線在同一平面上，導(dǎo)軌與防塵罩的外圓面相切，且在防塵罩擋板的正上方，這樣整個(gè)系統(tǒng)不會(huì)因?yàn)槭蛛娿@的重力而影響所打孔的精度。除此之外，合二為一的組合裝置減小了新產(chǎn)品的復(fù)雜程度，方便操作者裝配、打孔、存放。合并后的防塵定位裝置整合了防塵和定位的功能，導(dǎo)軌和防塵罩的大端面相結(jié)合，保證了導(dǎo)軌始終垂直于墻面，手電鉆在套環(huán)的輔助下平行于導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)，所以能使所打的孔垂直于墻面。

2.3 手柄優(yōu)化

根據(jù)相關(guān)資料顯示，掌握式工具的手柄的直徑一般在30-50mm之間，手柄的長度一般在90-125mm之間，把手長度主要取決于手掌寬度，以男第95百分位的數(shù)據(jù)計(jì)算，考慮的操作者可能佩戴手套，取功能修正量20mm，心理修正量取10mm。因此，手柄截面的周長取值為120mm。

根據(jù)實(shí)際情況，針對(duì)傳統(tǒng)手電鉆的手柄設(shè)計(jì)沒有參考人因工程的相互知識(shí)，本研究優(yōu)化后的手柄能有效地減小震動(dòng)對(duì)人體的傷害，使操作者握持更舒適，打孔時(shí)更省力。確定的手柄的基本形狀，如圖4所示。

優(yōu)化后的手柄的截面呈橢圓狀，手柄軸線與手電鉆主軸成70°夾角，手柄的長度為120mm，手柄截面為橢圓形狀，可以防止手柄與手掌完全貼合，使操作者在握持時(shí)手掌與手柄之間有一定空隙，減小手電鉆的震動(dòng)對(duì)人體的傷害。手柄上部過度圓滑，目的是保護(hù)手掌虎口位置。

手柄與主軸夾角為70°。操作者在握持此手部時(shí)，手腕處于順直的狀態(tài)，可以有效減小操作者的疲勞程度，以及患腕道綜合征的可能性，同時(shí)手柄與主軸成一定夾角有利于操作者對(duì)手電鉆施力。

底部截面周長為180mm，底部截面略大于中間截面，其目的是方便操作者握持，當(dāng)手電鉆和手臂順直向下提著電鉆的時(shí)候有效防滑，防止電鉆墜落到地上。手電鉆把手整體曲線流暢，沒有尖角和指槽，有效保護(hù)操作者手掌不受劃傷，以及能夠滿足不同人群使用。手柄相對(duì)于軸線有一定向前的彎角，進(jìn)一步提高人手的舒適度。

3 評(píng)價(jià)

本研究以傳統(tǒng)手電鉆為研究對(duì)象，在安全方面，為傳統(tǒng)手電鉆設(shè)計(jì)了防塵罩，主要用于收集打孔產(chǎn)生的廢屑，防止灰塵危害操作者的健康和阻礙操作者的操作。在打孔精度方面，本文為傳統(tǒng)手電鉆設(shè)計(jì)了定位裝置及刻度，使操作者更方便地打出垂直于墻面的孔，并且能很容易了解所打孔的深度。在舒適性方面，本文運(yùn)用人因工程的相關(guān)知識(shí)對(duì)傳統(tǒng)手電鉆的手柄進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，使手柄更加符合人的生理和心理特性；減小手柄與手掌的接觸面積，從而減少震動(dòng)對(duì)操作者的傷害。

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