鲁迅美术学院工业设计学院 杜海滨 赵 妍 胡海权 刘勃峥 焦宏伟
摘要:
研究背景 本设计研究就来源于鲁迅美术学院工业设计实验研究中心，它是中国工业设计领域唯一研究背景 本设计研究就来源于鲁迅美术学院工业设计实验研究中心，它是中国工业设计领域唯一所国家级实验中心。在实验中心设计人员研究产品创新的方法，将人体功效学理论导入到产品设计实践之中。同时实验中心拥有三维快速打印设备、数控加工中心、平面雕刻设备等仪器，可以帮助设计人员使用不同的材料制作概念产品的实验模型。这些实验模型用于测试产品是否符合人体功效学的要求。因此，设计人员在进行各项设计创新时会在实验中心进行各项人机工效学实验。
实践创新 家用手电钻是针对居家使用环境，为没有使用电钻经验的使用者，如妇女、老人也能轻松自如地完成各项操作而设计的，确保操作安全并辅助使用者解决精确打孔、定位、收纳杂
屑等操作。通过对了解或熟练操作手电钻的用户调研，发现以用户为中心的使用问题，并综合产品创新性设计方法提出解决方案。本文试图通过使用者行为记录与分析系统，对适用的受试者人群进行双手操作分析、使用姿态分析、细节工作分析、时间与动作研究等人因工程研究；同时通过用户体验分析、行为意向分析等方式进行使用者主观感性评估。
信息来源 家用手电钻的使用功能、组成结构、形态造型、色彩、材质、细节等因素符合易用性评估标准。家用手电钻有两个设计特点，第一个是电钻前端的透明罩，可以收集打孔产生的灰尘、垃圾，保持工作环境清洁；第二个是电钻前端的形状使电钻与打孔面完全贴合，可以增强打孔稳定性。所以这款手电钻非常适合于无使用经验者，电钻在使用时可在打孔面上投射辅助线，帮助用户进行精确打孔和阵列打孔。
研究结果 经测评得到的数据、图表，并自创了重影叠加方法对研究成果进行综合评估，验证了家用手电钻所具有的优势符合易用性使用需求，减少了操作失误率，增加了使用安全性因素。
结论 这款家用手电钻被命名为“ 90 Degree”，在2011年获得德国红点概念设计奖，成为了具有代表性的解决多种手电钻使用困难的优秀设计范例。将人因工程理论导入设计实践，用科学的测评程序与方法来评估产品所具有的价值，而这一过程有利于产品的深入研发和推广。
关键词：
家用手电钻 设计创新 人因工程价值 行为记录与分析方法 易用性评估
Abstract：
Introduction: Household drill design comes from industrial design experimental research center of Luxun Academy of Fine Arts, which is the only national laboratory in Chinese industrial design field. In the center, the designers study product innovative design methods, introduce ergonomics theory into product design practice, and the center can make experimental model of concept product in different material by machine, such as 3D rapid prototyping printer, CNC machines, flat engraving machine, etc. These experimental models can be used to verify whether design comply with ergonomics. Meanwhile the designers make many experiments of ergonomics in the center when design and create new products.
Practice innovation: Household drill is designed for home environment, it helps inexperience users, such as women and the elderly complete the operation easily, and it makes sure that safe operation and assistance users to solve the precise punching, location, storage trash and other operations. According to research among users who can understand or manipulate a drill, the designers find problems of users from the user centric perspective, and then they integrate product innovative design methods to propose solutions. When the designers intend to design the household drill, they attempt using the user behavior record and analysis system, and start ergonomics study in subjects by double hands operation analysis, using gesture analysis, details of work analysis, time and motion study, etc; meanwhile taking advantages of user experience analysis, behavior intention analysis to do user subjective perceptual evaluation.
Sources of information: The functions, structure, shape, color, material,details of household drill should be consistent with the standard of usability evaluation. There are two characteristics in household drill design, the first one is a transparent cover Installed in front of the drill, which can collect the dust, rubbish when drilling and keep the work environment clean. So the drill is applicable for households. When the transparent cover of the drill removed, the drill also can be used as a normal hand drill; the second one is the shape of the drill makes the drill and the drilling datum plane fitting together, thus enhancing the stability in operation. So the drill is best for inexperienced users. When the drill contacts with the datum plane, it can emit the laser ray which helps the user to punch accurately, and make array punch more easily.
Findings: After obtaining the data, charts, and create ghosting superposition method by ourselves, the designers make a comprehensive evaluation on research results; verification advantages of household drill that meets the requirement of usability; reducing operating failure rate; increasing safety factors.
Discussion: The household drill is named "90 Degree", it wined German Red Dot Design Award in 2011, and it has become a representative excellent design example to resolve several of drilling difficult when using drill. We introduce ergonomics theory into design practice, and use scientific program and methods to evaluate the value of products, which is benefit to the development and promotion of products.
Keywords:
Household drill Design innovation Value of ergonomics Behavior record and analysis method Usability evaluation
中图分类号：TB472
文献标识码：A
文章编号：1003-0069(2015)06-0024-04
1 家用手电钻的设计简述
手电钻是一种便携式小型钻孔工具，随着个性化、 DIY在家庭装饰、装修中的兴起，手电钻成为了家中必备工具之一。许多女性、青少年、中老年用户也成为了手电钻的使用群体，使用现有的手电钻产品进行工作时，经常要求佩戴胶皮手套、防尘眼镜、胶布鞋等装备；在操作过程中需要注意钻头的旋转方向和进给方向；加工结束后不要立即接触钻头，以免烫伤皮肤；对操作中产生的灰尘和杂屑需及时清理，避免进入人眼或呼吸道妨碍工作。此外，因操作不当、防范措施疏漏、缺乏使用经验经常会对使用者造成误伤，导致工作失败。为了避免此类问题继续发生，我们的设计团队利用人因工程学的理论和研究方法设计开发出一种新型的家用手电钻。图1为家用手电钻与普通手电钻的对比图。
家用手电钻的设计特点如下：第一，钻头前面有一个塑料透明罩，可以将作业过程中产生的杂屑和粉尘收纳在罩内，随时倒出清理，防止灰尘、粉末进入人眼中或吸入口鼻中，无需再佩戴防护装备；为了更好地增加操作稳定性，防止灰尘外溢，在透明罩前端的钻头出入口处添加了一圈橡胶垫；第二，塑料透明罩的正面与操作面贴合，使钻头和操作面形成90°垂直夹角，可以增加操作的稳定性和打孔的精准度，防止错误操作造成打孔失误；第三，电钻顶面的控制按钮可调节钻头的使用方式，电钻既可以去掉透明罩作为普通电钻使用，也可以加上透明罩，通过钻头伸缩来使用；第四，电钻可以向打孔面投射打孔基准点，这样更容易进行定位打孔和阵列打孔；第五，在塑料透明罩上设有标尺，可以辅助测量打孔深度。具体的设计效果图如图2所示。
2 家用手电钻的人因工程实验
由于这次人因工程的实验研究对象为手电钻，需要研究人的因素主要包括：人体上肢、手部、眼睛视阈等；需要研究机器的因素主要包括：功能、结构、形态、色彩、材质、细节等；需要研究环境的因素主要包括：家庭环境。
人因工程实验的步骤：第一步，设定测试的内容，提出试验计划。第二步，邀请三组不同年龄段的使用者，分别为13~25周岁的青少年10名（男女各一半）， 25~50周岁的成年人10名（男女各一半）， 50周岁以上的中老年人10名（男女各一半）。第三步，建立实验所需模拟场景。第四步，安排实验所需记录人员，布置实验记录仪器。第五步，准备家用手电钻的样机模型。第六步，使用者依次按照自己的习惯在指定间内完成几个指定的操作动作，记录人员依次进行记录。第七步，使用者填写实验调研问卷，汇总实验结果并制作数据表和图表。第八步，得出实验结论，对家用手电钻的样机模型进行评估。
2.1 家用手电钻的把手测试
在实验之前，实验人员需对使用者的手部进行了多组尺寸测量,如图表1所示。如图3所示，在持握状态下，对手指的最大围合面积进行测量，从中得到最舒适的围合面积范围。由于电钻把手在使用时与人频繁接触，在设计时采用曲线形态，通过由粗到细的变化和形态的转折，限制了人手在持握电钻把手时的范围。为了确保把手的舒适度，在实验过程中，利用3D打印机打印一个电钻把手中心横截面，并安排多名使用者进行持握测试，从中发现问题，进而调整把手的面积，再次打印并进行实验，使电钻更易于持握和使用，如图4所示。
在手持电钻操作时，手掌因持握工具将产生一定的作用力和反作用力。由于使用手电钻会产生震动，考虑到手掌的生理因素，需要对进行受力分析，如图5所示。针对长期使用工具容易造成损伤的手掌区域，需要避免持续、高强度受力。对手掌最佳持握姿态、手腕最佳持握角度、手指最大力度和活动范围等依次进行测验，通过把手形态设计、功能按钮位置设计最大限度地减少使用产品时产生的疲劳，并且更高效地完成操作任务。
2.2 家用手电钻的定位打孔功能测验
为了测验家用手电钻的各项功能是否合理、有效，我们利用3D打印设备制作了等比例的家用手电钻样机模型，如图6所示，并对使用者的操作情况加以记录。根据人机工程学对人眼观察范围的记录，人眼以中心视线为基准，向上、向下各30°的夹角范围为最佳观察视域区，如图7所示，其中，以中心视线位置为最佳观测点，并向两侧削减。当正常的被测试者使用家用手电钻时，电钻发射的坐标射线、电钻透明罩上的观测打孔深度刻度表、钻头位置等需要实时观察的部位均在最佳观察视域之内，并靠近中心视线周围，坐标射线和打孔深度指示标的颜色均为红色，清晰、醒目方便观测。
经过在不同情况下使用家用手电钻进行打孔的实际测试，证实了电钻的坐标射线、打孔深度刻度表这些设计在电钻前端透明护罩上的辅助功能确实能够对打孔起到预想的作用，便于使用者观察，提高打孔效率。
2.3 家用手电钻的打孔精度实验
通过试验记录图片资料可以了解以上几种操作情况下人体的受力区域主要集中在上肢，其中小臂和手掌受力最多，直接参与不同姿态的操作。经图8分析，当操作手电钻的手掌用力方向与钻头方向平行时，操作打孔准确度最佳，而且最省力。为了确保操作手电钻的手掌用力方向与钻头方向保持平行姿态，电钻透明罩的前接触面设计为平面。经实验，电钻透明罩的前接触面为平面，与操作面贴合，使钻头和打孔面成90°夹角，使操作手电钻的手掌用力方向与钻头方向在使用过程中保持平行姿态，这样的设计可以有效提高打孔准确度。
2.4 家用手电钻的用户主观因素调研
当受试者使用电钻实验结束后，需填写调查问卷，问卷可以研究使用者对电钻的整体感受。例如“问题1、电钻的钻孔控制按钮给你的感受是： A.更加舒适便于操作 B.与以往产品并无区别 C.不舒适不符合操作需求”；“问题3、电钻的调节按钮位于电钻的正上方中间位置，是否符合操作需求： A.便于操作 B.不便于操作 C.建议设置在其他位置，如____”；“问题6、电钻的整体造型圆滑、过渡均匀，给你的感受是： A.具有亲和力，容易被接受 B.外形美观，作为购买的因素之一 C.更喜欢棱角分明的产品D.只注重使用性和价格”；“问题8、在使用电钻是你需要在哪些部位加入如橡胶类软质有弹性的材质，以增加使用舒适度： A.把手内侧 B.把手外侧C.按钮 D.透明罩下部 E.不需要”。
根据用户的选择，汇总问卷问题，以数据为实验结果的标准，再综合评价每一个题目得分最高的选项是否与电钻的各项设计相符，假如用户对电钻的某一方面存在异议，则需要进行相应的调整，以此作为深化设计的重要参考，如图9所示。如对问题3汇总30份调查问卷，得到结论：有25人选择A选项（便于操作）；有3人选择B选项（不便于操作）；由2人选择C选项（建议设置在其他位置），其中一人认为调节按钮位置应更靠近把手的位置，可以延中心线向后移；另一人认为调节按钮的位置可以设置在电钻一侧。通过对这一问题的调研确定了调节按钮符合83.3%受试者的使用需求，并且还发现了新的设计可能性。
3 家用手电钻的人因工程价值评估
该实验验证了家用手电钻的设计创新确实能够改善现有手电钻的使用问题，增加操作安全性，提高工作效率。同时，家用手电钻的研发具有更深层次的价值和效应，可以分为以下几个方面评估。
3.1 设计创新的引导作用
家用手电钻的可伸缩钻头以及电钻前面的支撑面创造性地解决了电钻打孔失误问题，符合人因工程学对产品的基本要求，并解决了粉尘、杂屑的收纳问题。随着手电钻内部结构的革新，家用手电钻的概念将转变为现实产品，并作为经典案例对电钻产品的研发起到启发和引导的作用。同时，家用手电钻的优势还在于将多种实用性功能进行整合式设计，对于设计者而言，这是进行设计创新的有效途径；对于使用者而言，这无疑提供了更多便利，给人更多的关怀；在同类产品中，是更有竞争力的选择。
3.2 使用方式的规范作用
家用手电钻的设计力图为使用者提供一种正确地、安全的使用方式，经人因工程实验，可以减少操作失误和对人产生的伤害。同时，通过设计透明塑料护罩在操作方式上引导使用者更准确、安全、舒适地进行作业，将以前需要一定使用经验才能顺利进行的工作简单化，为更多需要做此类工作且无操作经验的人提供便利条件。对于青少年用户，家用手电钻可以发挥鼓励使用、锻炼动手能力、发展创造力的积极作用，消除手电钻产品的不安全隐患，将以往的被动式使用电钻转变成积极、轻松地主动式使用。
3.3 使用环境的优化作用
家用手电钻设计更好地优化了使用环境，为使用者提供一个干净、整洁的操作环境。避免了因局部施工使用电钻工具而影响家庭环境的整洁和卫生，或对一些家庭设施造成不易清理的困难。同时，通过电钻本身解决的灰尘、杂屑四溢的困扰，可以省去佩戴防尘眼镜、防护口罩、橡胶手套等繁琐的程序，更符合家庭环境下使用电钻的需求。
3.4 社会发展的推动作用
产品设计的每一次革新，都会对社会进步起到一定的推动作用。如同“蝴蝶效应”，一个局部的革新，也许会带来整个系统的升级。就手电钻产品而言，从人工手动打孔到电动工具辅助打孔，再到越来越多的先进的电动打孔工具推陈出新，其目的始终是减少人为操作失误、提高工作效率。随着人因工程领域知识在产品设计、生产各环节发挥着越来越重要的作用，人们生产、生活环境将不断地改善，社会生产力也会不断提高。
