基于人机工程学的厨刀改良设计

姚艳龙，姚甜静，姜亚杰

（安阳工学院机械工程学院，河南 安阳 455000）

0 引言

随着生活品质的提高，人们对生活中的产品也有了较高的要求，厨房用品与人们的生活密切相关，也越来越受到重视。厨房刀具的正确选用可以给人带来良好的烹饪体验。但是现在市场上的厨刀存在很多人机方面的问题，使人们在切菜的时候，体验感很差，长时间作业后，会出现手疼、胳膊酸的问题，甚至引发一些手部关节疾病。因此，以人机工程学为理论依据，针对厨刀使用过程中存在的问题，对厨刀进行改良设计，具有重要的现实意义。

1 手握式工具设计中的人机工程学要求

厨刀是一种常见的手握式工具，这类实用工具在日常生活中，能够帮助人们增加动作范围、力度，提高了工作效率。但如果手握式工具的设计不合理，导致人们在作业或日常生活中长久使用设计不良的手握式工具和设备，会造成很多身体不适、损伤与疾患，降低工作效率，甚至使人受伤致残，增加了人们的心里痛苦与医疗负担。因此，手握式工具的设计必须考虑其中的人机工程学要求。

1.1 便于施力

由于手握式工具在使用过程中需要频繁施力，因此，手握式工具必须便于施力，否则就容易引起疲劳，影响操作效率。而人们在操作活动中，肢体所能发挥的力量大小除了取决于人体肌肉的生理特征外，还与施力姿势、施力部位、施力方式和施力方向有密切关系。因此，手握式工具的设计，必须尽量保证人们能够以便于施力的姿势进行使用，才能提高操作效率而又不易引起疲劳。

1.2 保持手腕处于顺直状态

人们的抓握姿势严重影响着工具的人机合理性。在使用抓握式工具时，当手腕处于顺直状态时，腕关节处于正中的放松状态，但当手腕处于掌屈、背屈、尺偏等别扭状态时，就会产生腕部酸痛、握力减小，如果长时间这样操作，会引起腕道综合征、腱鞘炎等症状。

丁玉兰在《人机工程学》一书中对传统和改进的两种钢丝钳的使用操作进行了实验对比和分析[1]。图1是使用传统设计的钢丝钳与改进设计的钢丝钳患腱鞘炎人数的比较，传统设计的钢丝钳造成掌侧偏，而改良设计使握把弯曲，操作时可以不必采取侧偏的姿势，就能维持手腕的顺直状态。在传统钳用后第10到12周内，患者显著增加，而改进钳使用者中没有此现象。

图1 使用不同的钢丝钳后患腱鞘炎病人数比较

手握式工具的把手进行这种弯曲式设计，可以降低疲劳，较易操作，对于腕部有损伤者特别有利。

1.3 把手形状与手的生理特征相适应

手是人体进行操作活动最好的器官之一，手握式工具需要频繁与人手进行接触和交互。如果长时间使用不合理的操作把手，可使操作者产生痛觉，出现老茧甚至变形，并影响劳动情绪、劳动效率和劳动质量。因此，操纵把手的形状除了应满足操作要求外，还应符合人手的结构、尺度以及触觉特征。

手握式工具操纵把手的设计，主要应该考虑到把手的形状与手的生理特征相适应。就手掌而言，掌心部位肌肉最少，指骨间肌和手指部位是神经末梢遍布的区域。而指球肌、大鱼际肌、小鱼际肌是肌肉丰满的部位，是手掌上天然的减振器。如图2（a）所示，设计把手形状时，应避免将把手丝毫不差地贴合于手的握持空间，更不能紧贴掌心。把手的着手方向和振动方向不宜集中于掌心和指骨间肌。因为长期使掌心受压受震，可能会引起疲劳和操作不准确，甚至会引起难以治愈的痉挛。图2（b）-（g）是不同把手形状与人手生理结构关系示意图，其中（e）（f）（g）中的把手形状直接与人手掌心紧密接触，长时间使用会引起手部不适，甚至造成损伤。而（b）（c）（d）中把手形状的设计既符合人手的结构、尺度等生理特征，也在把手与掌心之间留了一定的空间，符合人手掌心的触觉特征，是较好的设计。

图2 手的生理结构及把手形状设计

1.4 把手尺寸符合人手尺寸的需要

要设计一种合理的把手，必须考虑手掌宽度、手握粗度、持握状态和触觉的舒适性等。通常，把手的长度必须接近和超过手掌宽度，使手在握柄上有一个活动和选择的范围。把手的径向尺寸必须与正常的手握尺寸相符或小于手握尺度。如果太粗，手就握不住把手；如果太细，手部肌肉就会过度紧张而疲劳。

2 传统菜刀的人机工程学问题

本课题针对传统厨刀进行了问卷调查。根据问卷结果，不少人群反映在使用厨刀时，存在手部姿势不舒适的问题，长时间使用会出现手腕酸痛的现象。这是因为传统菜刀的手柄与刀片大多都在一条直线上，人们在进行切菜动作时，腕部会处于抬起落下的扭转状态，这就导致手腕频繁处于一个尺偏的状态；另一方面，由于传统菜刀的刀片与手柄的衔接处理不好，导致人们在切菜时，食指和拇指也会一直抵在刀背或刀的侧棱上，长时间使用会对手部造成磨损等伤害。

另外，问卷调查结果显示，由于传统菜刀的刀片裸露在外，有30%的被试者对于菜刀的安全问题存在心理恐惧，担心菜刀因为存放不当，而造成意外事故。

本设计对厨刀使用中存在的这些问题进行分析，根据人机工程学知识对这些问题进行针对性的改良设计，力求设计一款舒适、健康的厨刀。

3 基于人机工程学的厨刀改良设计

3.1 厨刀改良设计的施力分析

传统厨刀在使用时，手部的施力方向与阻力方向不在同一条直线上，这就导致人们在使用时必须手腕下压，虎口施力，而无法直上直下均匀施力，否则把手会向下旋转产生力矩而使厨刀向上翘起，如图3左图所示。

图3 厨刀施力示意图

为了避免传统厨刀的这个问题，如图3右图所示，把厨刀把手和刀刃做一定的弯折处理。这样厨刀的用力与阻力在同一条直线上，不会产生使厨刀旋转的力矩，并且这样的设计使厨刀的施力集中在刀刃中部，增加单位长度上的切削力，避免消耗多余的力，提高操作效率。另一方面，根据人机工程学知识可知，把手的弯折处理也能使手腕处于顺直状态，当工具的把手与工作部分成10°左右的夹角时，效果最好。

根据厨刀施力分析与人机工程学知识，本设计综合考虑厨刀施力方向与手腕状态，取刀柄与水平面的角度为12℃，并且将刀刃部分也设计成弧形，这样既保证了刀刃的阻力与用力共线，同时，也在一定程度上缓解了在使用菜刀时手腕的不断弯曲，如图4所示，人在使用厨刀时，手臂自然下垂，保持手腕顺直，处于放松状态，改善了施力的状态，减小了腕部的负荷，保证了用刀动作的流畅。

图4 改良厨刀施力示意图

3.2 厨刀把手造型与尺寸设计

本设计的刀柄外形与人手持握的弧线形吻合，手柄的截面近似椭圆形，使人在持握的时候，握感更强，更加舒适、便于施力。刀柄前端的凸起，可以防止刀从手中脱落。刀刃与刀柄之间采用一段过渡，避免拇指食指与刀棱直接接触受到较大的局部压力，以及与金属直接接触带来的不适感。

对于厨刀把手的尺寸设计，其设计要素主要包括把手的长度、直径、截面形状等，把手尺寸的设计主要基于人机工程学中人的手部生理尺寸进行设计。①把手长度：把手的长度取决于使用者的掌宽，性别不同也会略有差异。通常，把手的长度必须接近和超过人体手掌宽度，故应以男性大尺寸掌款为设计依据。根据国标GB10000-88《中国成年人人体尺寸》，18-65周岁男性95百分位手宽为89cm，一般来说，手握式工具把手的长度尺寸在100-125mm之间,本设计厨刀把手长度取105mm，使刀柄的长度满足多数人的需求。②把手直径：对于厨刀而言，把手的直径直接影响着握感舒适性。把手直径根据不同情况，一般接近于使用者的手握尺寸。本设计的把手直径取25mm，既保证了使用时的握感，又不会因为刀柄太粗从手中脱落。③截面形状：刀柄的截面形状为椭圆形，外形更加圆润，增加了与使用者手掌的接触面积，也加强了使用者的舒适度且不易脱落。厨刀把手尺寸及形状如图5所示。

图5 厨刀把手尺寸及形状

3.3 厨刀的安全问题

厨刀是准备食材的过程中必要的工具，并且很容易被随意放置，导致发生了很多严重的伤害。此外，根据问卷调研结果，厨刀裸露的刀片、锋利的刀刃，一定程度上都会让人产生恐惧感。本设计经过对厨刀的改良，将原本厨刀的刀片设计成可收缩的刀片。在不使用时，可以将刀片旋转收回刀壳里，避免因为厨刀的存放不当，导致意外发生，并减轻了锋利刀刃给人们带来的恐惧感，在外观上看起来也更加轻巧。

4 总结

本设计基于人机工程学原理对厨刀进行了改良设计，使厨刀在使用过程中更加的高效、舒服、安全。在保持菜刀使用功能的前提下，本设计主要对厨刀的造型进行重新设计，以解决长期使用厨刀过程中手部受到的损伤。但是，本设计也存在一定的不足，比如：由于刀片较窄，本设计改良厨刀不适用于大块肉类等食物的切割，其定位仅适用于青菜、水果等较易切割的食物。