基于人机工程学的小型操控机械手柄结构设计研究

引言：

小型操控机械广泛应用于家电控制、小型工具、医疗辅助设备等领域，手柄作为直接接触人体的操作部件，其设计质量与用户操作体验、长期使用健康密切相关。传统手柄设计多侧重功能实现，忽视人机工程学适配性，易导致手部疲劳、操作失误等问题。因此，以人机工程学为指导优化手柄结构，成为提升小型操控机械使用体验与安全性能的关键。

一、人机工程学在小型操控机械手柄设计中的核心适配维度

人机工程学对小型操控机械手柄设计的指导，核心是实现“手柄结构”与“人体手部”的精准适配，需围绕三个关键维度展开，确保设计既符合生理特征，又适配操作需求。

1.1 手部生理特征适配

人体手部存在明显的生理差异与结构限制：手掌尺寸（长度、宽度、厚度）、手指活动范围（指间夹角、屈伸幅度）、握持发力点（掌心凹陷区、指腹受力区）是核心适配指标。例如，手柄直径需匹配多数用户的手掌围度，过粗易导致指关节紧绷，过细则需过度用力握持；手柄曲面需贴合掌心自然弧度，避免掌心局部受压过大，减少长时间操作后的肌肉酸痛。同时，需考虑手部骨骼与肌肉的运动规律，手柄按键布局应处于手指自然屈伸范围内，避免手指过度伸展或蜷缩。

1.2 操作行为习惯适配

用户操作小型机械时的行为习惯具有规律性，手柄设计需与之适配：一是操作姿势适配，如手持小型工具时多为“半握拳式”握持，手柄需预留手指活动空间，避免阻碍手指自然摆放；二是操作频率适配，高频使用的按键（如启停键）应设置在手指最易触碰的位置，减少寻找按键的时间与动作幅度；三是操作力度适配，根据不同功能按键的使用需求，调整按键触发力度。

1.3 作业场景需求适配

小型操控机械的作业场景差异，对ٸ手柄结构提出特殊要求：在潮湿、油污环境（如厨房小家电、小型机械工具）中，手柄需设计防滑纹理，且表面材质需耐脏易清洁；在移动作业场景（如手持测量仪器）中，手柄需轻量化设计，同时通过重心平衡优化，避免长时间手持导致的手臂疲劳；在精密操控场景（如医疗辅助设备）中，手柄需具备稳定的操作反馈，帮助用户感知操作是否到位，提升操控精度。

二、当前小型操控机械手柄结构设计的现存问题

对照人机工程学的适配要求，当前小型操控机械手柄结构设计仍存在三方面突出问题，制约了使用体验与操作安全性的提升。

2.1 形态适配性不足，忽视手部个体差异

部分手柄采用“标准化直筒型”或“单一曲面”设计，未考虑不同用户的手掌尺寸差异：例如，同一手柄对手掌较大的用户可能过细，需过度用力握持；对手掌较小的用户则过粗，手指无法自然环绕，导致握持稳定性差。同时，手柄与掌心的贴合度不足，部分区域（如掌心外侧、指根处）存在明显缝隙或过度压迫，长时间操作易引发手掌局部肌肉劳损。

2.2 握持力分布不均，操作疲劳问题突出

手柄结构设计未优化受力分布，导致握持时手部受力集中于局部区域：例如，手柄直径过细时，握持力集中在指腹，易导致指腹血液循环不畅；手柄表面无弧度过渡时，指关节处受压过大，长期使用易出现关节酸痛。此外，部分手柄按键触发力度设置不合理，高频按键力度过重，或按键行程过长，进一步加剧了手指操作疲劳，降低了操作效率。

2.3 安全设计缺失，易引发操作风险

部分手柄未结合人机工程学设计安全防护结构：一是防滑性能不足，光滑表面在手部出汗或接触油污时易打滑，导致机械失控；二是操作反馈模糊，按键无明显的“触发感”，用户无法判断操作是否生效，易出现重复操作或误操作；三是无防误触设计，关键功能按键（如急停键）与常用按键距离过近，或无凸起、颜色区分，易在慌乱中误触，引发安全隐患。

三、基于人机工程学的小型操控机械手柄结构设计策略

针对现存问题，结合人机工程学的适配维度，需从“形态设计、受力优化、安全强化”三个层面，制定小型操控机械手柄的结构设计策略，实现“舒适、高效、安全”的设计目标。

3.1 形态仿生设计：适配手部生理特征

采用“仿生学”思路优化手柄形态，实现与手部的自然贴合：一是基于大量用户手掌尺寸数据（如手掌长度 75-100mm 、手掌宽度 60-80mm ），设计“变径曲面型”手柄，手柄中部直径稍粗（适配掌心凹陷区），两端直径稍细（适配手指握持区），且整体呈现自然的弧形过渡，确保不同尺寸手掌均能稳定握持；二是在手柄握持区设计“指槽纹理”，根据手指自然摆放位置预留浅槽（深度 1-2mm 、宽度与指腹匹配），引导手指定位，减少握持时的手部微调动作，提升握持稳定性；三是优化手柄长度，结合操作姿势确定合理长度（通常为 100-150mm ），避免过长导致手臂过度伸展，或过短导致握持不稳固。

3.2 握持力优化：降低操作生理负荷

通过结构设计平衡手部受力，减少操作疲劳：一是优化手柄直径与重量，根据常用操作姿势确定直径（通常为 30⋅40mm ），确保握持时手部肌肉处于放松状态，同时采用轻量化材质，将手柄重量控制在 50-100g ，降低长时间手持的手臂负担；二是调整按键布局与参数，将高频按键设置在拇指、食指自然触碰范围内（距离手柄端部 20-30mm ），按键触发力度设定为 5-10N，行程控制在 1.5-2mm ，确保手指操作轻便、有明确反馈；三是在手柄表面覆盖“软质防滑材质”（如硅胶、橡胶），既提升握持舒适度，又通过材质弹性分散局部受力，减少手部压迫感。

3.3 安全强化设计：规避操作风险

结合人机工程学设计安全防护结构，提升操作安全性：一是增强防滑性能，在手柄握持区设计“网格状”或“条纹状”防滑纹理（深度 0.5-lmm ），增大手部与手柄的摩擦力，同时选择疏水材质，避免潮湿环境下滑脱；二是强化操作反馈，通过按键结构设计（如采用金属弹片）确保按键触发时有清晰的“咔嗒声”或触感反馈，让用户明确感知操作状态，减少误操作；三是设计防误触结构，关键安全按键（如急停键）采用凸起设计（高于表面 3-5mm ），或使用醒目的红色、黄色区分，且与常用按键保持 15mm 以上距离，降低误触概率，同时在手柄端部设计“防滑凸起”，避免手部在操作中向前滑动，确保握持安全。

结语：

基于人机工程学的小型操控机械手柄结构设计，核心是实现“人-机-环境”的和谐统一。通过形态仿生适配手部生理特征、优化握持力分布降低疲劳、强化安全设计规避风险，既能提升用户操作舒适性与效率，又能保障使用安全，符合现代小型操控机械“人性化、精细化”的发展趋势。未来设计中，还可结合用户行为数据与智能化技术，进一步优化手柄结构，如通过可调节直径、自适应按键力度等设计，满足更多元化的用户需求，推动小型操控机械人机交互体验的持续升级。

参考文献：

[1]张声国.基于人机工程学的机械改良设计[J].中国战略新兴产业,2022(16):160.

[2]刘继文.基于人机工程学的抗疲劳汽车座椅设计研究[J].科研,2021,(007):00266-00266.