手的解剖学及手工具设计原则

手的解剖学及手工具设计原则手工具的操作主要是利用手指、手掌、腕部及手臂共同完成的，因此有必要对手部构造及其运动机能作进一步的了解。操作设计不良的手工具会导致多种上肢职业病甚至全身性伤害。为了避免手工具引起的伤害，最有效的方式即从工具的人机性设计着手。因此本章将先对手部的解剖学进行了解，并收集了人体测量学的相关数据，结合手工具设计原则综合整理，作为气钉枪手柄设计的理论依据。2.1手部解剖学特征良好手工具的设计，应建立在手部基本功能的理解之上。人手是由骨、动脉、神经、韧带和肌腱等组成的复杂结构，由27块骨头组成，从前肢末端开始，整只手是由腕骨关节及腕骨（8块）、掌骨（5块）及指骨（14块）所组成。腕关节的骨骼与前臂的两只长骨，桡骨和尺骨相互联结（图2-1）。桡骨联结的是拇指这边的手腕，而尺骨联结的是小指这边的手腕，也就是说，位于拇指侧的是桡骨，位于小指侧的是尺骨。图2-1桡骨与尺骨由于腕关节本身的结构缘故，手掌只能做二轴的运动。在垂直面上，为掌屈和背屈（图2-2）；在水平面上，则为尺偏和桡偏（图2-3）。背屈动作角度可达75°～80°，掌屈动作则可达85°～90°；尺偏动作可达35°～37°，桡偏动作则可达15°～20°。图2-2掌屈和背屈图2-3尺偏和桡偏控制腕部运动的肌群替手部提供两项功能，即手部的初步定位和稳定腕部，以作为手部的工作台面。手部的运动机能由以下两大部分肌群所构成：⑴前臂肌群又称外来肌群，其始于前臂而中止于手部之所有肌肉总称。其主要机能为提供手腕与手指完成各种相关运动的能量。依据机能解剖可分为两大肌群：一为完成前臂掌侧屈曲、旋前等相关运动所需的屈曲/旋前肌群；另外一为完成前臂背侧伸展、旋后等相关运动所需的伸展/旋后肌群。手臂运动肌肉包括肱二头肌、肱肌、肱桡肌、肘肌、旋前肌与旋后肌等。⑵手部肌群又成为内部肌群。是起始端与终止端都发生在手部内部的所有肌肉的总称。其中最丰富的部位是手上的指球肌，大鱼际肌和小鱼际肌，而最少的部位是掌心肌肉，布满神经末梢的部位是指骨间肌（图2-4）。图2-4手部肌肉的示意图因此，手掌不宜承受过大的压力。施加的压力过大，会对手掌上的肌肉造成伤害，容易引起擦伤、麻木或手指的轻微刺痛。所以在设计手柄的形态时，应使手柄被握住部位与掌心和指骨间肌之间留有空隙，从而改善掌心和指骨间肌集中受力状态，保证手掌血液循环良好，神经不受过强压迫。如果掌心长期受压会引起疲劳和操作不准，甚至引起难以治愈的痉挛。因此，手柄的截面形态应该符合手掌的生理结构。传统的把手是圆形的截面（图2-5），不符合手抓握时的自然状态。这种不稳定的抓握使手柄很容易从手上滑落；三角形的截面（图2-6）手柄局部太宽，不易握紧。同时，手柄的转角压迫了手掌,影响了手部的血液流动；接近椭圆的截面（图2-7）是最理想的形态，适合工具工作的方向性，同时手握时有足够的摩擦力，最适合手的抓握[18]。图2-5圆形截面图2-6三角形截面图2-7椭圆截面2.2手的人体测量学特征为了使各种与人体尺寸有关的设计对象能符合人的生理特点，让人在使用时处于舒适的状态和适宜的环境之中，就必须在设计中充分考虑人体的各种尺度，因而也就需要了解一些人体测量学方面的基本知识。人体测量学【1】是一门新兴的学科，它通过测量人体各部位尺寸来确定个体之间和群体之间在人体尺寸上的差别，用以研究人的形态特征，从而为各种工业设计和工程设计提供人体测量数据。人机工程学范围内的人体形态测量数据主要有两类，即人体构造尺寸和功能尺寸的测量数据。人体构造上的尺寸是指静态尺寸；人体功能上的尺寸是指动态尺寸，包括人在工作姿势下或在某种操作活动状态下测量的尺寸。其目的是为设计师在确定产品与人相关的空间尺寸、视觉显示装置的最佳位置和工作面的高度等时提供相应的参考数据，使所开发出的产品尽可能地适合大多数人群使用。人手的尺寸、握力随人的大小、性别、种类有较大的差别。国内外对人手进行了大量的研究，测定了大量的数据。表2-1列出了一般欧美人赤手时人手各部分的数据。图2-7分别表示男性、女性、大身材、中等身材和小身材紧握球形或圆柱手柄时的数据【19】。表2-1手部测量数据（单位：英寸）项目平均数 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 差手长7.630.45拇指食指握围时的手长4.680.40手掌正向时的手宽3.480.22手掌围8.260.54手执握时的手掌宽4.010.31a）男性b）女性图2-7人手握物时手掌的尺寸（单位：英寸）LM—大身材MEAN—中等身材SW—小身材2.3手柄人机界面的分析与研究2.3.1人机界面的概念人机界面是人机工程学的又一研究范畴，它表示人与产品之间互相作用的“面”，所有人机对话都发生在这个作用面上。在人机间信息、物质及能量的交换中，一般是以人为主动的一方。首先是人感受到机器及环境作用于人感受器官上的信息，经过大脑综合、分析、判断，最终作出决策。同时，人将自己的决策信息传递给机器，实现人与产品之间的信息传递【1】。界面存在于人与物的信息交流中，甚至可以说，存在人与物信息交流的一切领域都属于界面，它的内涵要素是极为广泛的。当越来越多的设计师努力设计各类产品的人机界面的时候，他们此时已不再把人、机、环境相互孤立开来，而是把它们作为一个系统（称为人机系统），着重考虑产品的特征如何与人的生理和心理相适应。因此，产品设计领域讲的人机界面是人机系统中人与产品进行交互的操作方式，即用户与产品互相传递信息的媒介，其中显示装置向人正确传递产品的信息，控制装置通过人的肢体运动向产品传达相应的控制信息。因此人机界面设计的合理，能减少人为失误，提高使用安全性，并提高操作得舒适性。2.3.2手柄人机界面设计的分析手柄的人机界面是手与手柄之间的相互作用，操作手柄这一行为是外界环境和人共同作用的结果。在这里，外界环境就是手柄的形态、纹理等因素。当使用者接触到手柄的时候，它的形态、纹理以及周围的物体等都会刺激着大脑储存这些信息并作出判断，然后他们会根据过去的使用经验、生理上的自我保护意识等处理这些信息并作出判断【20】。在这个过程中他们不断地调整手与手柄的接触方式和接触面的大小，直到感觉满意为止。当操作方式确定下来后，他们就开始连续地输出行为。如果在操作手柄过程中，使用者感到极不舒适，那么就应该考虑改善外部环境了，也就是说要改良手柄的形态、纹理等因素。因此，我们在设计手握式产品时，最令人关心的因素之一就是产品与手之间的接触面，即人机界面，而手柄就是这种界面。手柄的设计直接影响着产品功能的发挥和产品舒适性的体现。2.3.3手工具的累积性伤害与预防在使用手握式工具工作时，通常局部施力与工作手臂，从手、腕、前臂、上臂、肩至头部。使用设计不当的手握式工具会导致多种上肢职业病甚至全身性伤害，这些症状如腱鞘炎、腕道综合症、腱炎和网球肘等，一般统称为重复性累积损伤病症。腱鞘炎是由初次使用或过久使用设计不良的工具引起的。如果工具设计不恰当，引起尺偏和腕外转动作，会增加其出现的机会，重复性动作和冲击震动使之加剧。当手腕处于尺偏、掌屈和腕外转状态时，腕肌腱受弯曲，如时间长，则肌腱及鞘处发炎。腕道综合症是一种由于腕道内正中神经损伤所引起的不适。手腕的过度屈曲或伸展造成腕道内腱鞘发炎、肿大，从而压迫正中神经，使正中神经受损。它表征为手指局部神经功能损伤或丧失，引起麻木、刺痛、无抓握感觉，肌肉萎缩失去灵活性。因此，工具必须设计适当，避免非顺直的手腕状态。网球肘是一种肘部组织炎症，由手腕的过度桡偏引起。尤其是当桡偏与掌内转和背屈状态同时出现时，肘部桡骨头与肱骨小头之间压力增加，导致网球肘。狭窄性腱鞘炎（俗称扳机指），是由手指反复弯曲动作引起的。在类似扳机动作的操作中，食指或其他手指的顶部指骨须克服阻力弯曲，而中部或根部指骨这是还没有弯曲。腱在鞘中滑动进入弯曲状态的位置时，施加的过量力在腱上压出一沟槽。当预伸直手指时，伸肌不能起作用，而必须向外将它扳直，此时一般会发出响声。为了避免扳机指，应使用拇指或采用指压板控制。上述累积性损伤，其形成原因都是由于不适当压迫上肢软性组织所导致。这些组织包括肌腱、韧带、神经与血管等。由于这些伤害多半是经年累月重复的微小伤害所累积而成的，所以很容易被人们所忽视，等到发现病痛时，往往已成为较为难治愈的永久性伤害。其实这些累积性损伤的发生，都可以通过人机工程的方式加以预防以及补救。具体方式如下：⑴降低手腕振动或施力的频率⑵使用正确的姿势⑶使用适当的工具在工具设计时要充分考虑人机工程学原则，使手部及手臂在最舒适的状态下进行工作，降低累积性损伤的发生。关于手工具设计的一般原则在下一部分将加以详细阐述。2.3.4手工具设计原则手工具必须能与手部配合，才能保持适当的手腕和手臂姿势，并能安全使用。在使用时，施力才能不会造成身体负荷过重。良好的手工具除了使用方便与高效之外，还能够降低累积性伤害，以保护使用者的健康。而关于手工具设计已有大量文献可参考，因此经过归纳，一些普遍性原则【1、3、18】如下：⑴宁可弯曲手工具的手柄，也不要弯曲手腕手腕顺直操作时，腕关节处于正中的放松状态，但当手腕处于掌屈、背屈、尺偏等别扭的状态时，就会产生腕部酸痛、握力减小，如长时间这样操作，会引起腕道综合症、腱鞘炎等症状。因此工具的设计，宜尽量保持手腕与前臂正直，避免手腕及手臂的弯曲与尺偏。一般认为，将工具的把手与工作部分弯曲10°左右，效果最好。弯曲式工具可以降低疲劳，较易操作，对于手腕部有损伤者特别有利。⑵选择所需力量相配合的手柄直径与形状手柄直径大小取决于工具的用途和手的尺寸。一般手柄比较合适的直径是：着力抓握30-40mm，精密抓握8-16mm。手柄的截面形状应尽量让手掌与之有较多的接触面积。对于着力抓握，把手与手掌的接触面积越大，则压力越小，因此圆形或椭圆形截面的手柄较好。但是圆形截面的手柄在操作时容易在手中造成转动现象，因此以椭圆形为较好。⑶手柄长度应大于10cm以上手柄的长度主要取决于手掌宽度。手掌一般在71-97mm之间（5％女性至95％男性数据），因此合适的手柄长度为100-125mm。⑷以动力代替肌力动力驱动可以减少人力和重复性的需求，因此可以减低发生累积性伤害的风险。但改以动力驱动时却可能会增加手工具的重量，从而增加使用时手部的负荷。另外，由于在高频率重复使用食指容易导致扳机指，因此扳机要宽大，建议扳机的最小长度为50mm，同时还要考虑容指空间。⑸减少对手部组织产生压迫操作手握式工具时，有时常需要用手部施相当的力。如果手柄设计不当，会在掌部和手指处造成很大的压力，妨碍血液在尺动脉的循环，引起局部缺血，导致麻木、刺痛感等。因此，好的手柄设计应该具有较大的接触面，使压力能分布于较大的手掌面积上，减小应力，并使手柄的着力面落在较不敏感的区域。手柄设计还应减少棱角避免有凸点，尽量不要设计凹槽，太大或太小的凹槽，都会造成手部局部压力产生，应使接触面更平顺，使压力分散。⑹手工具重量应保持在低水平当工具重量较大或操作姿势不正确时，提举工具和操作很容易造成骨骼肌肉的损伤。在理想状况下，工具应该单手操作，一般手工具应尽量不超过2.3kg，而重量在0.9kg到1.75kg之间，操作者感觉最舒适，特别是对于重复使用的工具重量不要超过1KG。原则上，工具的重心应该穿过手抓握的中心（图2-8），这样就不会引起操作者手腕和手臂的旋转，从而不需要克服扭力，就不会引起手及手臂的疲劳。图2-8重心穿过手抓握中心的图⑺设计左右手皆可使用的工具人们使用工具时，用手都有习惯。人群中约90％的人惯用右手，其余10％的人惯用左手。由于大部分工具设计时，只考虑到右手操作，这样对小部分使用左手者将非常不便。因此，应考虑设计左右手可使用的工具，除了提高左手使用者的效率外，而且也可以让惯用右手者在右手疲劳时，以左手替换。另外在设计手柄时还需要注意到表面贴层，为确保手柄有较好的抓握感，手与手柄之间必须有足够的摩擦力，要避免光滑贴层或抛光的手柄。如橡胶纹路的手柄可有效地减少用力，并防止工具滑出手掌。表面贴层的形式除了受形态的影响外，更重要的是从操作者的手与工具手柄之间的接触面进行考虑（图2-9），对于与手柄有直接接触或用力的表面尽可能的采用贴层以减少工具带来的冲击力。推荐手柄采用塑料或合成橡胶，尖锐边或轮廓可以用胶垫覆盖。图2-9手与工具手柄之间的接触面2.3.5最佳手柄直径建议对于最佳手柄直径，许多文献的研究结果并不互相吻合，因此针对适合于手柄直径的研究结果综合整理建议如下表2-2【9、11、21。22、23】。表2-2最佳手柄直径研究结果研究者建议直径 说明 关于失联党员情况说明岗位说明总经理岗位说明书会计岗位说明书行政主管岗位说明书 Rigby（1973）38-51mm根据生理肌电图现实，厚度为51mm时，肌电活动能力最低Hertzberg（1973）65mm推荐最佳直径为65mmGreenberg和Vhaffin（1977）50mm发现较为适当的握把直径为50-85mm，推荐最佳直径为50mmEastmanKodak公司（1983）40mm推荐最佳握把直径为40mmFranksson和Winkel（1991）50-65mm50-60mm研究指出，男性在55-65mm，女性在50-60mm直径间，可产生最大之抓握力Mital和Karwowski（1991）20-50mm一般从事着力抓握时最佳握把直径为25-55mm石裕川、傅鑫凌，王茂骏等（1996）38-50.8mm探讨18-30岁之间的年轻男女在不同施力姿势下对施力能力的影响中发现，当握把直径在38-50.8mm时，男女皆可产生较大的握力CallyS.Edgren等（2004）38.1mm把手直径在38.1mm时，不论男女性，都能产生最大的抓握力朱强和秦泳元（2005）50-60mm对于手枪式的手柄，一般以50-60mm为佳国际劳动办公室25.4-38.1mm国际劳动办公室在出版物《手工具设计中的人体工程学原理》中建议，电锤手柄直径为25.4-38.1mm对于手柄最佳直径的研究，各学者提出的建议归纳起来最佳直径范围在38-51mm之间。因此在本研究中，由于气钉枪属于动力工具，顾及到手柄与手部要有较多的接触面以减少对手部的作用力，因此在后面的研究中，将手柄的直径设计为宽38mm高45mm的椭圆形。2.4本章小结本章主要从手部的解剖学出发，阐述了手的人体测量学特征、手工具设计的原则及手工具操作的累积性伤害等，而且从人机界面的角度出发，分析了手与手柄的人机界面，这些分析不仅说明了手柄设计的重要性，并为手柄的研究设计提供了很好的理论基础。