基于人机工程学的手持海洋水质分析仪设计

2023-07-26黄天杨

装备制造技术 2023年5期

黄天杨

（广东海洋大学机械工程学院，广东湛江 524000）

对海洋的开发带来巨大经济效益的同时，也对海洋环境造成了不同程度的破坏，例如赤潮现象频发[1]，而海洋生态环境监测数据的获取和分析，是进行海洋生态环境保护的基础。从某种程度上，海洋环境监测的能力，直接影响着海洋资源利用和海洋环境保护的成败[2]。多少年来，国内水质分析仪的设计都只停留在模仿国外相似产品的基础之上，缺少自己的独创设计[3]。虽然国内海洋水质监测仪器设备通过多年的研发，在技术水平等方面缩短了与美国等国家先进企业的差距，但是在整体造型设计、人机工程等方面依然落后。为此，本文以人机工程学理论为基础，开展手持海洋水质分析仪的人机分析与设计实践。

1 手持式仪器设备的人机原则

人机工程学是通过研究人、机器、工作环境三者之间的相互作用，从而达到在生产中提高效率，保证人的安全、健康和舒适目的的学科[4]。手持式仪器设备是人们日常工作与生活中常见的产品类型之一，其不当的设计与使用则会增加肌肉骨骼疾病的患病率和风险[5]，因此，良好、合理的手持式仪器设备设计是人们提高工作效率、避免相关损伤的重要保证。手持产品设计很重要的一个目的是保证手在使用过程中的舒适性[6]。

为了提高操作者的工作效率，保证使用者的健康，手持工具必须满足4 点一般原则：（1）工具必须有效实现预定功能；（2）工具必须与操作者身体成适当比例，使操作者发挥最大效率；（3）工具必须按照不同性别作业者的力度和作业能力设计；（4）工具要求的作业姿势不能引起过度疲劳[7]。

此外，设计手持式仪器时，还应该遵循以下解剖学因素：

（1）避免静肌负荷。当使用工具时，臂部需要上举或长时间抓握，这会使肩、臂及手部肌肉处于静态施力，引起疲劳，降低操作效率。因此，在设计工具时，为了使手臂尽可能的自然下垂，操作时处于较自然的水平状态，减少抬臂产生的静肌负荷，应将工具的工作部分和把手部分设计成弯曲式的连接过渡式。

（2）保持手腕处于顺直状态。当手腕处于掌屈、背屈、尺偏等别扭状态时，就会产生腕部酸痛、疲劳，时间过长，则会导致腕管综合症等，而手腕处于顺直作业时，腕关节处于正中的放松状态，能保证工作效率和身体部位的健康，因此，通常将手持工具的把手和工作部分弯曲10°左右，效果最佳。

（3）操作手持设备作业过程中，有时需要用手施加较大的力，此时如果手持设备设计不合理，会在掌部和手指等肢体处造成较大的压力，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。为此，一个良好的手持设备把手设计应该具有较大的手掌接触面，使压力较均衡地分布于手掌面积上，减少压力，毕竟手持设备的握把舒适度会随着手持设备形状大小而不同[8]；或将压力作用于不太敏感的区域，如拇指与食指间的虎口位。

（4）避免手指重复动作。在操作手持仪器时，如果用食指操作扳机式控制器过渡频繁时，就会导致扳机指症状。设计时应尽量避免食指作这类动作，而以拇指或指压板控制代替。

2 水质分析仪人机分析

2.1 水质分析仪概述

海洋水质分析仪是用于海洋水质检测分析的一种仪器，水质分析仪主要采用离子选择电极测量法来实现精确检测，可对海水的盐度、叶绿素浓度、溶解度、pH、色度、酸、碘、氧化物、硝酸盐等参数进行分析检测。其广泛运用于环境保护、生产控制等，应用场域包括河流、海洋、养鱼场等。当前水质分析检测仪器主要采用了水质自动监测技术、生物监测技术和遥感监测技术，如生物传感技术等，例如Xiong 等[9]设计的水质检测仪运用透明度好、材质均匀的材料作为载体，融合北斗定位和GPRS 无线网络技术，Fuiko 等[10]则基于毛细管电泳原理研发设计了水质分析仪。目前，先进的便携式水质分析仪器主要采用分光度法进行水质分析，其波长可达到300 ～900 nm 之间[11]。

2.2 水质分析仪人机分析

通过对国内外各品牌典型水质分析仪产品的人机研究分析，总结出结论：在整体人机造形尺寸上，现有水质分析仪产品可归纳分为小巧、圆润、方正、笨重等四种外观造型，见图1。小巧型尺寸造型的水质分析仪产品多为便携式，适用场景灵活，可移动性最强；方形和圆形的水质分析仪大多为桌面式，只能实现短距离位移，移动性较弱；大尺寸笨重型分析仪大多放置于大型实验室、工厂等环境，对环境空间有较高的要求，多为固定式。无论是便携式小尺寸小巧型还是固定式大尺寸笨重型水质分析仪，其外观尺寸设计同使用环境均存在一定关系，但总体而言，其尺寸合理性和整体协调性不够，整体造型风格不够现代简约。在人机操作界面上，大部分分析仪的操作控制区域按键在布局设计中的人机工程学因素考虑欠佳，见图2。在人机信息显示界面方面，除了极少数的圆润型分析仪在设计时有考虑到人机，将数据显示屏进行一定斜切面的设计外，小巧型、方正型和笨重型的分析仪信息显示屏设计均未进行合理人机考量，各检测数据在显示屏上的显示大小、排列布局、数字色彩与屏幕背景之间的关系等大都忽略了人的视觉特性要求，这增加了用户查看检测数据时的疲劳和误读率，降低了认读和工作效率，见图3。

图1 水质分析仪外观造型分析

图2 水质分析仪操作界面

图3 水质分析仪信息显示界面

3 手持海洋水质分析仪造型设计的人机原则

3.1 人体尺寸的分析选择

（1）用户的确定。产品是给相关用户使用的，尤其是产品的直接操作者，因此在设计过程中必须清楚产品用户的性别、年龄、身体尺寸等。这些用户特征是手持海洋水质分析仪整体尺寸、显示与操作区域等布局设计时考虑的重要依据。根据前期研究确定了分析仪的主要使用人群为海上作业的专业技术人员。这类用户以男性居多，年龄主要分布在25-50 岁之间。

（2）人体百分位的选择。人体测量的数据常以百分位数Pk 作为一种位置指标、一个界值。一个百分位数将群体或样本的全部测量值分为两部分，有K%的测量值等于和小于它，有（100-K）%的测量值大于它。在GB/T 12985-91 标准中，依据产品使用者人体尺寸的设计上限值（最大值）和下限值（最小值）对产品尺寸设计进行了分类[12]。凡涉及人体尺寸的产品设计，首先应按照该分类方法确认所设计的对象是属于哪一类型。最后根据所设计产品在尺寸上能满足多少人使用的满意度作为人体尺寸选择百分位数的依据。

（3）修正量的确定。现有人体尺寸数据大多是在裸体或穿着单薄贴身衣物的条件下静态测量所得。在分析仪设计时，数据选用应该结合人在实际生活工作中的需要，将衣帽、手套等相关服饰配件尺寸考虑进去，适当增加着装修正量。同时，为了满足人们“求美”“求奇”等心理需求，也应该在产品功能尺寸上增加心理修正量。

3.2 信息显示与操作界面的人性化

把设计的中心转移到对人的关注，以人为中心的界面设计将会给产品设计带来新的设计理念和方法[8]。根据一般手持设备的布局构成，可将水质分析仪的人机界面划分为三大区域模块：持握区域、操作区域和分析数据显示区域。为了使得整个作业过程更加的方便、高效、舒适，分析仪的整体设计应遵循人机界面设计原则，具体如下：（1）数据信息显示区域的人机合理性。为了方便认读，减少误读率和操作认读效率，分析仪的数据显示内容布置设计，应该按人的视觉特性排列：人眼的观察效率以左上方为最优，其次是右上方，左下方，而以右下方为最差；同时，人的视觉习惯是自左至右、自上而下和顺时针方向向圆周运动扫视。（2）操作控制区域的按键布局设计应根据其重要性、功能性及便利性进行。（3）持握部件、操作区域同整体风格的统一性。手持海洋水质分析仪的操作区域和持握区域的整体造型和布局的设计应该同产品整体风格相统一，在造型、线型、色彩等方面应具有关联性。

3.3 造型与人机的合理

在分析仪的设计过程中应将操作者生理特征，尤其是手部特征与仪器设备的特征相匹配，尽可能做好操作省力、方便，减少误操作，最大程度的降低作业者的疲劳，比如，按键位置安排、形状设计必须符合手形和满足使用时的自由切换，尽量选择在操作方便的位置[13]。此外，产品造型是连接品牌形象和用户的一个关键部分，是一款产品价值体现的重要因素[14]。在设计水质分析仪时，应根据现有市面上多样的外观造型风格，结合设计要求，应充分考虑现代产品简洁流行等趋势，在满足功能的前提下，结合黄金分割比例、形式美法则等，使得产品的整体线型尽可能大气，符合设计潮流与现代审美要求，也可从功能模块需求考量造型设计，例如Lin 等[15]介绍的由检测模块和显色反应模块组成的多参数原位水质分析仪。

4 手持海洋水质分析仪造型设计与分析

应用Rhinos 与Keyshot 等计算机辅助设计技术设计完成的手持海洋水质分析仪造型设计方案效果见图4，整体造型设计达到了预期的效果，外观大气、简洁，符合人机工学。结合上述手持海洋水质分析仪造型设计的人机原则，来分析该设计方案的整体造型设计。

图4 手持海洋水质分析仪设计方案

4.1 手持海洋水质分析仪构成与设计要求

本次研究设计的手持海洋水质分析仪主要由内部的电路板模块、电池模块、定时器模块、传感器模块和外部的LED 显示屏、充电端口、按键、电源开关等部件构成。通过分析现有产品状况，设计一款基于人机工学的手持水质分析仪。产品要适用于海上作业环境，在造型和色彩上与现有市场产品区尽可能区隔，并考虑防滑等设计要求。

4.2 手持海洋水质分析仪的人体尺寸数据应用

分析仪作为一种专业性产品，整体的长度和宽度是其主要的尺寸。分析仪握持部分的整体尺寸大小取决于手掌尺寸，根据前期研究得知，该仪器的主要用户为男性，属于Ⅲ型一般工业产品。在此，采用男性P50 的手掌长度尺寸104 mm 作为分析仪产品手持部位长度设计的依据，同时，增加分析仪操作者穿戴手套的功能修正量3 mm 和心理修正量5 mm，最终得出分析仪手持部位长度的最小功能尺寸为107 mm，最佳功能尺寸为112 mm。男性P50 的手掌宽度尺寸为80 mm，手握式操作仪器，手指向内弯曲，在进行功能尺寸设定时应该减去相应修正量，最终得出分析仪手持部位宽度的最佳功能尺寸为72 mm。

4.3 手持海洋水质分析仪的人机信息显示界面设计

在设计LED 数据显示屏的内容信息显示布局时，严格遵循了人的视觉特性和人眼的观察效率规律，将PH 值等重要分析显示数据信息设计在显示屏中上方，并根据其重要性进行了从上到下不同数据尺寸的变化排列设计，大大提高了认读效率，数字色彩采用米白色与深灰的LED 屏幕背景形成对比，在营造稳重安静氛围的同时也增强了认读效率。此外，LED 数据显示屏作为整个产品的核心区域，设计时也充分考虑了相关人机性能，将手持部分和显示区域呈15°倾斜设计，使得查看水质分析数据和操作按键时更加的符合人机，提高了操作的便利和舒适性，缓解了作业者的操作疲劳。

4.4 手持海洋水质分析仪的人机操作界面设计

根据功能重要性和误操作因素，结合人的视觉特性等人机性，将分析仪的各功能菜单键等设计在产品手持部位上端，其整体轮廓同显示屏和产品整体弧形特征相呼应；同时为了防止误操作，将仪器操作过程中使用频率相对较低的开关按键布局于产品手持部位的中下端，并以符合手指曲面的内凹弧面设计，增强其人机性；此外，硅胶按键、纹理防滑橡胶机壳，提升了操作和手持的舒适性，充分考虑了操作时的人机性，大大提高了工作效率。

4.5 手持海洋水质分析仪的外观设计

产品外观设计的要素包括形态、色彩和材质，其合理的组合配置是良好外观的重要保证。在具体设计时，考虑了设计原则，在造型上，该方案打破了现有市场上水质分析仪的冰冷刚直或过于圆润的设计风格，手持式、小型化的设计实现了使用和携带的便利性。整体造型以直线为主，显示屏曲线轮廓、机身前壳曲面过渡轮廓和操作按键等曲线轮廓的融入，恰到好处，打破了原有人们对这类仪器设备冰冷的印象，极具亲和感，整体外观具有现代感和一定的独特性。在色彩上，考虑到品牌的差异性及同行业产品差异化等的设计要求，色彩方案摒弃了白色、蓝色等色调，而选用黄色和深灰作为主色调，黄色的大胆使用极大地增强了产品在海上作业环境中的识别度，使人印象深刻。在材料上，前壳采用黄色工程塑料，配以硅胶按键，侧面及后壳采用深灰色纹理防滑橡胶，增强了操作和手持的舒适性。