魯迅美術學院工業設計學院 杜海濱 趙 妍 胡海權 劉勃崢 焦宏偉
摘要:
研究背景 本設計研究就來源于魯迅美術學院工業設計實驗研究中心，它是中國工業設計領域唯一研究背景 本設計研究就來源于魯迅美術學院工業設計實驗研究中心，它是中國工業設計領域唯一所國家級實驗中心。在實驗中心設計人員研究產品創新的方法，將人體功效學理論導入到產品設計實踐之中。同時實驗中心擁有三維快速打印設備、數控加工中心、平面雕刻設備等儀器，可以幫助設計人員使用不同的材料制作概念產品的實驗模型。這些實驗模型用于測試產品是否符合人體功效學的要求。因此，設計人員在進行各項設計創新時會在實驗中心進行各項人機工效學實驗。
實踐創新 家用手電鉆是針對居家使用環境，為沒有使用電鉆經驗的使用者，如婦女、老人也能輕松自如地完成各項操作而設計的，確保操作安全并輔助使用者解決精確打孔、定位、收納雜
屑等操作。通過對了解或熟練操作手電鉆的用戶調研，發現以用戶為中心的使用問題，并綜合產品創新性設計方法提出解決方案。本文試圖通過使用者行為記錄與分析系統，對適用的受試者人群進行雙手操作分析、使用姿態分析、細節工作分析、時間與動作研究等人因工程研究；同時通過用戶體驗分析、行為意向分析等方式進行使用者主觀感性評估。
信息來源 家用手電鉆的使用功能、組成結構、形態造型、色彩、材質、細節等因素符合易用性評估標準。家用手電鉆有兩個設計特點，第一個是電鉆前端的透明罩，可以收集打孔產生的灰塵、垃圾，保持工作環境清潔；第二個是電鉆前端的形狀使電鉆與打孔面完全貼合，可以增強打孔穩定性。所以這款手電鉆非常適合于無使用經驗者，電鉆在使用時可在打孔面上投射輔助線，幫助用戶進行精確打孔和陣列打孔。
研究結果 經測評得到的數據、圖表，并自創了重影疊加方法對研究成果進行綜合評估，驗證了家用手電鉆所具有的優勢符合易用性使用需求，減少了操作失誤率，增加了使用安全性因素。
結論 這款家用手電鉆被命名為“ 90 Degree”，在2011年獲得德國紅點概念設計獎，成為了具有代表性的解決多種手電鉆使用困難的優秀設計范例。將人因工程理論導入設計實踐，用科學的測評程序與方法來評估產品所具有的價值，而這一過程有利于產品的深入研發和推廣。
關鍵詞：
家用手電鉆 設計創新 人因工程價值 行為記錄與分析方法 易用性評估
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
中圖分類號：TB472
文獻標識碼：A
文章編號：1003-0069(2015)06-0024-04
1 家用手電鉆的設計簡述
手電鉆是一種便攜式小型鉆孔工具，隨著個性化、 DIY在家庭裝飾、裝修中的興起，手電鉆成為了家中必備工具之一。許多女性、青少年、中老年用戶也成為了手電鉆的使用群體，使用現有的手電鉆產品進行工作時，經常要求佩戴膠皮手套、防塵眼鏡、膠布鞋等裝備；在操作過程中需要注意鉆頭的旋轉方向和進給方向；加工結束后不要立即接觸鉆頭，以免燙傷皮膚；對操作中產生的灰塵和雜屑需及時清理，避免進入人眼或呼吸道妨礙工作。此外，因操作不當、防范措施疏漏、缺乏使用經驗經常會對使用者造成誤傷，導致工作失敗。為了避免此類問題繼續發生，我們的設計團隊利用人因工程學的理論和研究方法設計開發出一種新型的家用手電鉆。圖1為家用手電鉆與普通手電鉆的對比圖。
家用手電鉆的設計特點如下：第一，鉆頭前面有一個塑料透明罩，可以將作業過程中產生的雜屑和粉塵收納在罩內，隨時倒出清理，防止灰塵、粉末進入人眼中或吸入口鼻中，無需再佩戴防護裝備；為了更好地增加操作穩定性，防止灰塵外溢，在透明罩前端的鉆頭出入口處添加了一圈橡膠墊；第二，塑料透明罩的正面與操作面貼合，使鉆頭和操作面形成90°垂直夾角，可以增加操作的穩定性和打孔的精準度，防止錯誤操作造成打孔失誤；第三，電鉆頂面的控制按鈕可調節鉆頭的使用方式，電鉆既可以去掉透明罩作為普通電鉆使用，也可以加上透明罩，通過鉆頭伸縮來使用；第四，電鉆可以向打孔面投射打孔基準點，這樣更容易進行定位打孔和陣列打孔；第五，在塑料透明罩上設有標尺，可以輔助測量打孔深度。具體的設計效果圖如圖2所示。
2 家用手電鉆的人因工程實驗
由于這次人因工程的實驗研究對象為手電鉆，需要研究人的因素主要包括：人體上肢、手部、眼睛視閾等；需要研究機器的因素主要包括：功能、結構、形態、色彩、材質、細節等；需要研究環境的因素主要包括：家庭環境。
人因工程實驗的步驟：第一步，設定測試的內容，提出試驗計劃。第二步，邀請三組不同年齡段的使用者，分別為13~25周歲的青少年10名（男女各一半）， 25~50周歲的成年人10名（男女各一半）， 50周歲以上的中老年人10名（男女各一半）。第三步，建立實驗所需模擬場景。第四步，安排實驗所需記錄人員，布置實驗記錄儀器。第五步，準備家用手電鉆的樣機模型。第六步，使用者依次按照自己的習慣在指定間內完成幾個指定的操作動作，記錄人員依次進行記錄。第七步，使用者填寫實驗調研問卷，匯總實驗結果并制作數據表和圖表。第八步，得出實驗結論，對家用手電鉆的樣機模型進行評估。
2.1 家用手電鉆的把手測試
在實驗之前，實驗人員需對使用者的手部進行了多組尺寸測量,如圖表1所示。如圖3所示，在持握狀態下，對手指的最大圍合面積進行測量，從中得到最舒適的圍合面積范圍。由于電鉆把手在使用時與人頻繁接觸，在設計時采用曲線形態，通過由粗到細的變化和形態的轉折，限制了人手在持握電鉆把手時的范圍。為了確保把手的舒適度，在實驗過程中，利用3D打印機打印一個電鉆把手中心橫截面，并安排多名使用者進行持握測試，從中發現問題，進而調整把手的面積，再次打印并進行實驗，使電鉆更易于持握和使用，如圖4所示。
在手持電鉆操作時，手掌因持握工具將產生一定的作用力和反作用力。由于使用手電鉆會產生震動，考慮到手掌的生理因素，需要對進行受力分析，如圖5所示。針對長期使用工具容易造成損傷的手掌區域，需要避免持續、高強度受力。對手掌最佳持握姿態、手腕最佳持握角度、手指最大力度和活動范圍等依次進行測驗，通過把手形態設計、功能按鈕位置設計最大限度地減少使用產品時產生的疲勞，并且更高效地完成操作任務。
2.2 家用手電鉆的定位打孔功能測驗
為了測驗家用手電鉆的各項功能是否合理、有效，我們利用3D打印設備制作了等比例的家用手電鉆樣機模型，如圖6所示，并對使用者的操作情況加以記錄。根據人機工程學對人眼觀察范圍的記錄，人眼以中心視線為基準，向上、向下各30°的夾角范圍為最佳觀察視域區，如圖7所示，其中，以中心視線位置為最佳觀測點，并向兩側削減。當正常的被測試者使用家用手電鉆時，電鉆發射的坐標射線、電鉆透明罩上的觀測打孔深度刻度表、鉆頭位置等需要實時觀察的部位均在最佳觀察視域之內，并靠近中心視線周圍，坐標射線和打孔深度指示標的顏色均為紅色，清晰、醒目方便觀測。
經過在不同情況下使用家用手電鉆進行打孔的實際測試，證實了電鉆的坐標射線、打孔深度刻度表這些設計在電鉆前端透明護罩上的輔助功能確實能夠對打孔起到預想的作用，便于使用者觀察，提高打孔效率。
2.3 家用手電鉆的打孔精度實驗
通過試驗記錄圖片資料可以了解以上幾種操作情況下人體的受力區域主要集中在上肢，其中小臂和手掌受力最多，直接參與不同姿態的操作。經圖8分析，當操作手電鉆的手掌用力方向與鉆頭方向平行時，操作打孔準確度最佳，而且最省力。為了確保操作手電鉆的手掌用力方向與鉆頭方向保持平行姿態，電鉆透明罩的前接觸面設計為平面。經實驗，電鉆透明罩的前接觸面為平面，與操作面貼合，使鉆頭和打孔面成90°夾角，使操作手電鉆的手掌用力方向與鉆頭方向在使用過程中保持平行姿態，這樣的設計可以有效提高打孔準確度。
2.4 家用手電鉆的用戶主觀因素調研
當受試者使用電鉆實驗結束后，需填寫調查問卷，問卷可以研究使用者對電鉆的整體感受。例如“問題1、電鉆的鉆孔控制按鈕給你的感受是： A.更加舒適便于操作 B.與以往產品并無區別 C.不舒適不符合操作需求”；“問題3、電鉆的調節按鈕位于電鉆的正上方中間位置，是否符合操作需求： A.便于操作 B.不便于操作 C.建議設置在其他位置，如____”；“問題6、電鉆的整體造型圓滑、過渡均勻，給你的感受是： A.具有親和力，容易被接受 B.外形美觀，作為購買的因素之一 C.更喜歡棱角分明的產品D.只注重使用性和價格”；“問題8、在使用電鉆是你需要在哪些部位加入如橡膠類軟質有彈性的材質，以增加使用舒適度： A.把手內側 B.把手外側C.按鈕 D.透明罩下部 E.不需要”。
根據用戶的選擇，匯總問卷問題，以數據為實驗結果的標準，再綜合評價每一個題目得分最高的選項是否與電鉆的各項設計相符，假如用戶對電鉆的某一方面存在異議，則需要進行相應的調整，以此作為深化設計的重要參考，如圖9所示。如對問題3匯總30份調查問卷，得到結論：有25人選擇A選項（便于操作）；有3人選擇B選項（不便于操作）；由2人選擇C選項（建議設置在其他位置），其中一人認為調節按鈕位置應更靠近把手的位置，可以延中心線向后移；另一人認為調節按鈕的位置可以設置在電鉆一側。通過對這一問題的調研確定了調節按鈕符合83.3%受試者的使用需求，并且還發現了新的設計可能性。
3 家用手電鉆的人因工程價值評估
該實驗驗證了家用手電鉆的設計創新確實能夠改善現有手電鉆的使用問題，增加操作安全性，提高工作效率。同時，家用手電鉆的研發具有更深層次的價值和效應，可以分為以下幾個方面評估。
3.1 設計創新的引導作用
家用手電鉆的可伸縮鉆頭以及電鉆前面的支撐面創造性地解決了電鉆打孔失誤問題，符合人因工程學對產品的基本要求，并解決了粉塵、雜屑的收納問題。隨著手電鉆內部結構的革新，家用手電鉆的概念將轉變為現實產品，并作為經典案例對電鉆產品的研發起到啟發和引導的作用。同時，家用手電鉆的優勢還在于將多種實用性功能進行整合式設計，對于設計者而言，這是進行設計創新的有效途徑；對于使用者而言，這無疑提供了更多便利，給人更多的關懷；在同類產品中，是更有競爭力的選擇。
3.2 使用方式的規范作用
家用手電鉆的設計力圖為使用者提供一種正確地、安全的使用方式，經人因工程實驗，可以減少操作失誤和對人產生的傷害。同時，通過設計透明塑料護罩在操作方式上引導使用者更準確、安全、舒適地進行作業，將以前需要一定使用經驗才能順利進行的工作簡單化，為更多需要做此類工作且無操作經驗的人提供便利條件。對于青少年用戶，家用手電鉆可以發揮鼓勵使用、鍛煉動手能力、發展創造力的積極作用，消除手電鉆產品的不安全隱患，將以往的被動式使用電鉆轉變成積極、輕松地主動式使用。
3.3 使用環境的優化作用
家用手電鉆設計更好地優化了使用環境，為使用者提供一個干凈、整潔的操作環境。避免了因局部施工使用電鉆工具而影響家庭環境的整潔和衛生，或對一些家庭設施造成不易清理的困難。同時，通過電鉆本身解決的灰塵、雜屑四溢的困擾，可以省去佩戴防塵眼鏡、防護口罩、橡膠手套等繁瑣的程序，更符合家庭環境下使用電鉆的需求。
3.4 社會發展的推動作用
產品設計的每一次革新，都會對社會進步起到一定的推動作用。如同“蝴蝶效應”，一個局部的革新，也許會帶來整個系統的升級。就手電鉆產品而言，從人工手動打孔到電動工具輔助打孔，再到越來越多的先進的電動打孔工具推陳出新，其目的始終是減少人為操作失誤、提高工作效率。隨著人因工程領域知識在產品設計、生產各環節發揮著越來越重要的作用，人們生產、生活環境將不斷地改善，社會生產力也會不斷提高。
