基于形态转化的模块化电动工具设计研究

刘晓东 钱峰 王文广

关键词：形态转化;模块化;电动工具设计

电动工具发展至今已经趋于成熟，其在实用性与专业性上都达到较高的水平，在功能多样化上也在不断探索。随着电动工具向着多功能、低成本方向发展，传统设计方法急需不断的迭代和更新，从而使新产品的开发更好的满足用户需求。目前，电动工具在模块化与形态转化设计上都有着新的尝试，这些方法的提出都为功能多样化提供了可能性。本文通过两种设计方法结合的方式进行尝试，探究形态转化与模块化结合的可能性，寻求电动工具多功能化设计的新方式。

1 形态转化与模块化概述

1.1 形态转化概述

“形态转换”（Trans-formation）是指系统为了执行新功能或改变当前的功能属性值，自身“形态”改换的行为[1]。在自然界与人类生产生活中可以利用形态转化改变自身特性以应对不同情况。产品的功能与形态有着密切联系，其形态优劣决定了其对用户需求的影响。一个事物具有同时存在的多形态，这类似于量子力学中的“态叠加原理”，即如果A1 和A2 都是体系的本征态，那么根据薛定谔方程可知C1A1 + C2A2 也是体系的本征态。通过该方程我们可以类比得到产品多种不同形态的叠加，也是产品的一种形态[2]。因此，在理论上任何客观存在的事物都存在多重形态。形态转化的特点在于它不会破坏产品的完整性，其组件不会在数量上产生变化，亦不用准备用于替换作用的功能模块。但是，其形态在转换的过程中是连续的，部件之间不允许存在中断的状态。

1.2 模块化概述

自20 世纪中期西方一些国家开始提出“模块化”的概念，起初致力于工程技术领域的模块化设计在短短几十年里就被广泛应用于各个领域。模块化在现代化中成为了广泛的概念，成为在方法论上分析和解决复杂问题的哲学性的新思考方法。从系统的观点出发，研究系统的构成形式，用分解和组合的方法，建立模块体系，并运用模块组合成系统的过程，即为模块化[3]。从这个观点看，系统由各种功能模块组成，产品可作为系统中的模块，也可作为模块组成的系统。从这个意义上说，在工业设计方面，可以为产品的开发和设计开辟新的途径。

2 电动工具概述

电动工具是一种由电磁旋转式或往复式小容量电动机通过传动机构带动作业装置工作头进行工作的手提式或移动式的生产工具[4]。电动工具种类繁多、功能多样，因其具有方便携带、功能多样、操作简易、效率高、强度低等特点而被广泛应用于高铁建设、船舶制造、汽车工业、航天航空、木业加工、金属加工等生产领域。

从德国FEIN 公司造出第一台电动工具起，电动工具的发展经历了四代，在材料、电子技术、电池、及永磁材料等方面都在不断更新，并在20 世纪80 至90 年代逐渐完善并大量发展。从电动工具设计新态势来看，国外对于DIY 级别的产品在功能上有了更多样化的创新，国内以小米为代表的企业打破了传统电动工具固有的造型，赋予其新鲜的造型血液。且国内外各大企业都开始尝试将模块化与形态转化应用到电动工具的功能创新设计当中。

3 基于形态转化的模块化电动工具设计流程

3.1 形态分析与功能模块分解

通过研究角磨机与手电钻的形态从而确定其整体功能与各个功能模块的功能。对行业代表性六个品牌的角磨机与手电钻进行调研，总结出市面上最常见的角磨机形态，其形态区分在于有无副手柄，并且手柄作为一个单独的功能模块可以拆卸。电钻均近似手枪的形态，并且触发功能的方式均为扣动扳机。可以对角磨机和手电钻进行整体功能和单独功能模块的分析。

直观上看角磨机输出轴和输入轴呈90°夹角，因此其角磨片的轴线方向会垂直于机身的轴心线，这种形态能大程度提高手部对角磨机的控制，减少摩擦力引发的操作事故。但是与机身轴心方向垂直且与角磨片轴线方向垂直的摩擦力会因机身固有长度而在手部放大，因此角磨机左侧可以安装一个该摩擦力方向的手柄，用来稳定角磨机。将其拆分成各个功能模块，可以分为三个大的模块，分别为机身、机头、手柄，分别对应的是动力输出功能、打磨与抛光功能、固定功能。细分主要功能组件如下：开关、主轴锁、照明灯、挂绳、换挡开关、保护罩等等。

手电钻在整体上的造型和功能一目了然，其形态与手枪相似，承受的是电机轴心方向的力，实现的是钻孔、拆装螺丝等功能。手枪由虎口来承受开枪带来的后坐力，同时虎口起到了一个旋转中心的作用，旋转中心与后坐力方向不相交，枪口易产生上抬，需要除拇指与食指以外的手指来固定手柄以防止枪口上扬。手电钻使用时受到的反作用力与手枪后坐力方向一致，因此手电钻的形態接近于手枪。将其拆分成大的功能模块，可以分为机身和钻头，手柄虽然与机身是一体，但它具有单独的功能。细分主要功能组件还有正反转开关、可调速控制开关、变速开关、扭矩旋钮等等。

3.2 形态转化

结合对角磨机与手电钻的形态分析与模块分解，运用形态简化的方法，对产品的形态采取直观上的研究。列举市面上具有代表性的六款角磨机和手电钻，解除部分人机工程学对形态的约束，将其概括成几何形态，见表1。

借此可以很直观的看出它们在形态上的相似之处，如图1 所示。依据形态转化概念，设想角磨机的副手柄与手电钻的主手柄相互融合，由一个手柄代替两个手柄的功能。因此机身主体与手柄可以结合为整体作为形态转化的主体对象进行研究。

3.3 模块化设计实施

根据已划分的功能和形态转化研究形成整体的功能模块，可以确定主要模块包含：A 机身与手柄的结合体、B 钻头、C 打磨机头、D 加长握把（新增模块）、E 电池。具体功能划分如图2 所示。

依据形态转化研究可知，A 的形态基本确定，从功能输入输出关系来看，A 为B 或C 提供动力，E 为A 提供电能，D 为新增模块，弥补A 在角磨机状态下的漏洞，同时几乎所有功能模块都附着于A。

根据图可知，A 对B、C 两个部件是功能的输出，A 对D、E是功能的输入，各个功能模块围绕A 进行发散。A 的基础造型基本确定，B、C、D、E 要在形态上适应A，其基础造型要根据布局确定，可将A 定义为主动型模块，B、C、D、E 定义为被动型模块。根据功能分析和各部件之间关系，对5 个模块进行组合，形成数个组合方案，将其划分为手电钻和角磨机两种形态进行对比研究，如图3 所示。

3.4 设计评价量表

针对这六种模块化组合方式，对左侧和右侧两种形态进行组合，可以形成9 组形态转化组合，分别为X1-Y1、X1-Y2、X1-Y3、X2-Y1、X2-Y2、X2-Y3、X3-Y1、X3-Y2、X3-Y3 采用五点量表法对重组后的造型在简易性、安全性和实用性上进行评估，通过权重打分的方式，设置5 分级量表，1 分为“微弱”，3 分为“一般”，5 分为“极强”，1—5 分满足度正向依次递增。向60 名典型用戶发放问卷，受访者包括低学历使用电动工具频繁的与高学历的能够对电动工具在工业设计、机械设计等方面做出评价的人群。收回有效问卷54 份，其中男性34 人、女性20 人，年龄为21—52 岁。对收回的问卷进行处理，得出一组数据，如表2 所示。

经过综合评价，初步得出组合X1-Y3 综合得分最高。在后期的创意迭代设计中会延续X1-Y3 的组合方式进行设计。

3.5 设计方案实施

3.5.1 人机设计

依据上文研究所得到的数据，能够得到一个概括的模型，其约束了人机设计的范围，同时指引了其设计方向。通过观察产品使用时与手密切接触的部位，可以明确需要考虑人机设计的两个部位：新增手柄和机身手柄。

手柄作为电动工具中接触最多的部位，在电动工具的人机设计中起着重中之重的作用。据UKHSE 报道，平均每年超过25%的伤害是由把手造成的[5]。改善电动工具对手部的伤害是手柄人机工程学研究的重点。针对手柄的人机设计，应着重考虑形状、倾斜角度与形态。

1） 手柄尺寸设计。其中在尺寸方面手柄跨度是研究手柄人机工程学的重要因素， 在早期研究中主流采用肌电图（electromyogram，EMG）去测试握持电动工具手柄时人手臂肌肉的活动情况。不同电动工具的手柄，功能形式不同，存在不同的最佳手柄跨度。已有研究表明，手枪式的手柄，一般最佳手柄跨度为5cm—6cm，直筒式的为4.06cm—6.10cm [6]。因此，在手柄跨度上控制在这个范围内最佳。

2） 手柄形状与倾斜角度设计。虽然在电动工具使用中，主要接触部位为手指和手掌，但是手腕为主要受力部位。在虎口处设计凹槽，会将受力主体转向虎口，从而保护手腕。在作业施力的过程中，尤其在高度作业时，大部分的力都集中在虎口上，避免了手指、手掌长期受压。并且在电动工具设计中不会出现手指凹槽，人手的尺寸都不相同，会导致部分人群手指的不吻合，这样会加大压力和振动带来的危害。

倾斜角的设计要依附于关节连线角度，手柄的轴线方向应与指关节连线方向大致平行，这样才会形成最舒适的握姿。根据瑞典阿特拉斯· 科普柯公司出版的《当代人体工程学的工具》中推荐的最佳角度通常为70°，如图4 所示 [7]。

3.5.2 色彩设计

色彩本身并没有情感，在自然界中色彩只是客观存在着一种物理现象，其与物体本身能够反射光的波长有关。色彩所具有的情感来源于人们生活中的经验，长期积累的经验促使形成色彩上的共感。这些感觉包括动感、温度感、重量感、硬度感、重量感、距离感等等。往往色彩的纯度、明度、饱和度以及色相对这些感觉都有或多或少的影响，同时色彩共感对使用电动工具时的心理状态也有着微妙的影响。

不同人之间色彩共感也存在着微妙差异，针对色彩的饱和度、纯度以及明度对于运动感、重量感、硬度感的影响进行调研，对20—50 岁人群进行调查，发放问卷40 份，收回有效问卷38 份，调研数据如图5 所示。

电动工具作为一种特殊的作业工具，其自身具有一些特定的属性，包括危险性、力量感、重量感、操作具有循环往复性等。因此在电动工具色彩设计上可以根据这些特征进行取舍。调查研究结果显示，高饱和度、高纯度以及高明度在视觉上更具运动感和硬度感，而重量感较差。色彩的硬度感可提供电动工具视觉上的坚固感，间接提升用户的安全感;低重量感能够降低用户心理上的疲惫感;色彩的运动感是一种力量的体现，能够降低用户使用电动工具时的松懈感，间接降低操作事故的发生概率。因此，在进行电动工具色彩设计时，可以适当的使用高饱和度、高纯度以及高明度的色彩。

3.5.3 产品设计创意迭代

以确定的组合形式为基础进行外观造型创意，由设计人员通过发散、汇聚及讨论，获得相应的角磨机与手电钻的雏形创意方案，如图6 所示。设计人员依据这两种电动工具在人机工程学、色彩、尺寸上的要求以及实际操作中的稳定性、作业效率等要求，对设计方案进行评估筛选及迭代，获得更明确的设计方案，最后进行细致的草图绘制，如图7 所示。

设计人员继续优选创意方案并利用计算机辅助方法，对设计方案进行二维平面设计方案的精细化表达及三维数据构建，手电钻与角磨机的计算机辅助设计如图8 所示。

4 结语

产品的功能是产品形态的依据，产品的形态要依附于功能而存在。在一个产品的开发和设计过程中，为实现多种功能，必定会形成多重形态。利用形态转化与模块化结合的思路，在产品设计阶段实施形态转化设计，并结合模块化设计的方法进行应用探索，为电动工具在功能多样化设计上提供参考。电动工具的发展方向以专业化为主，在功能的转化与多功能化创新上有着巨大的空缺，电动工具在多功能化方向上还存在广阔的前景。