基于人機(jī)工程學(xué)的新型自動(dòng)鉛筆設(shè)計(jì)研究

王婧菁

摘要：使鉛筆外形更加契合手部的正確握筆姿勢，解決鉛芯易斷折的問題，有效提升使用舒適度、提高鉛芯的利用率、節(jié)約資源。通過分析現(xiàn)有的鉛筆結(jié)構(gòu)，對(duì)握筆姿勢進(jìn)行測試、進(jìn)行基礎(chǔ)草模制作、利用Rhino及Solidworks軟件對(duì)自動(dòng)鉛筆的結(jié)構(gòu)及外觀進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，得到了自動(dòng)鉛筆內(nèi)部結(jié)構(gòu)三維裝配模型及外觀渲染效果圖。新型自動(dòng)鉛筆的設(shè)計(jì)依據(jù)人機(jī)工程學(xué)理論，使得使用手感更舒適;改變鉛筆內(nèi)部結(jié)構(gòu)從而提高鉛的利用率，節(jié)約資源、減少環(huán)境污染;滿足學(xué)生及其他專業(yè)人士對(duì)產(chǎn)品的使用需求。

關(guān)鍵詞：人機(jī)工程學(xué) 自動(dòng)鉛筆 新型 防斷

中圖分類號(hào)：TB472文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-0069（2019）09-0008-04

前言

在日常工作和學(xué)習(xí)中，自動(dòng)鉛筆為人們帶來了極大便利，提高了鉛筆的使用率和資源的利用率，與此同時(shí)，自動(dòng)鉛筆也存在著一些設(shè)計(jì)上的缺陷，如造型不符合人機(jī)工程學(xué)及鉛芯易斷折等問題。本研究針對(duì)上述問題對(duì)自動(dòng)鉛筆進(jìn)行了外觀及結(jié)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計(jì)，使鉛筆更加適合手部的正確握筆姿勢，從而提高使用舒適度和安全性。同時(shí)，對(duì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行再設(shè)計(jì)有效解決了易斷折的問題，提高鉛筆的利用率，達(dá)到有效減少重復(fù)補(bǔ)鉛、節(jié)約資源的目的。

一、普通自動(dòng)鉛筆存在的人機(jī)問題和使用缺陷

（一）造型簡陋導(dǎo)致的長期握筆疲勞

正確的寫字握筆姿勢應(yīng)為食指尖與筆尖一寸，筆與紙面呈600傾斜，筆桿靠于食指指根關(guān)節(jié)凸起，如圖1。大部分使用者握筆姿勢不正確導(dǎo)致指關(guān)節(jié)酸痛，長期握筆姿勢不正確還會(huì)導(dǎo)致近視、駝背、寫字效率低等問題。

通常情況下自動(dòng)鉛筆筆桿設(shè)計(jì)成直線形，這樣的造型有時(shí)會(huì)導(dǎo)致使用者會(huì)采取錯(cuò)誤的握筆姿勢，產(chǎn)生疲勞，造成使用時(shí)的不適，如圖2。

（二）鉛芯殘留導(dǎo)致的浪費(fèi)問題

自動(dòng)鉛筆的出鉛方式大致分為以下四種：墜鉛式、旋轉(zhuǎn)式、脈動(dòng)式、和自動(dòng)補(bǔ)償式。

墜鉛式靠鉛芯重力自動(dòng)出鉛芯;旋轉(zhuǎn)式靠旋轉(zhuǎn)傳送鉛芯，如圖3;脈動(dòng)式（也稱撳動(dòng)式），如圖4、5。靠撳動(dòng)輸送鉛芯，撳動(dòng)又分為—次撳動(dòng)式和二次撳動(dòng)式，一次撳動(dòng)式即一次出鉛芯，二次撳動(dòng)式，第一次撳動(dòng)筆嘴伸出筆桿，第二次撳動(dòng)使鉛芯伸出;雙卡頭撳動(dòng)式，采用雙卡頭結(jié)構(gòu)，縮短了卡頭和筆嘴端部距離，使自動(dòng)鉛筆內(nèi)殘留8-15mm的鉛芯，需用—支整鉛芯將其頂出，方可繼續(xù)書寫。但在頂出過程中，很可能因?yàn)殂U芯位置沒有對(duì)齊而發(fā)生鉛芯斷裂，浪費(fèi)了更多的鉛資源。自動(dòng)補(bǔ)償式（自動(dòng)出芯）無須旋轉(zhuǎn)或脈動(dòng)裝置，可自動(dòng)補(bǔ)償鉛芯，持續(xù)書寫。雖然市面上有幾種自動(dòng)鉛筆設(shè)計(jì)原理很好，但在實(shí)際使用過程中，這些自動(dòng)鉛筆的效果都不是很完美，有時(shí)候這些結(jié)構(gòu)精密、價(jià)格昂貴的自動(dòng)鉛筆出現(xiàn)故障很難修復(fù)。

（三）意外掉落導(dǎo)致的產(chǎn)品使用壽命減短

現(xiàn)有的自動(dòng)鉛筆內(nèi)部空倉和雙卡頭結(jié)構(gòu)，一旦自動(dòng)鉛筆意外掉落會(huì)造成鉛芯多處斷裂，需要浪費(fèi)時(shí)間更換鉛芯;對(duì)于結(jié)構(gòu)精密的自動(dòng)鉛筆，嚴(yán)重情況下會(huì)使內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變形、偏移等，造成不可逆的損壞;人為拆卸也會(huì)使鉛筆結(jié)構(gòu)出現(xiàn)難以復(fù)原的問題，降低了鉛芯使用率及鉛筆壽命。

（四）儲(chǔ)鉛量少導(dǎo)致的效率問題

就普通自動(dòng)鉛筆而言，因受到出鉛方式的限制，一般僅可攜帶2-3根備用鉛芯，過多的鉛芯導(dǎo)致自動(dòng)鉛筆卡鉛從而影響使用壽命。同時(shí)，內(nèi)部碰撞也會(huì)造成鉛芯斷裂，本就使用率不高（每根鉛芯浪費(fèi)8～13mm）的鉛芯在斷裂后要浪費(fèi)雙倍甚至更多。自動(dòng)鉛筆的使用者學(xué)生或設(shè)計(jì)師占比最多，儲(chǔ)錢量少，鉛芯使用率低直接影響了使用者的工作效率。

二、基于使用者的產(chǎn)品分析

自動(dòng)鉛筆類的文具產(chǎn)品的受眾人群以下面例舉的三類人群為主，其中普通學(xué)生和藝術(shù)考生對(duì)自動(dòng)鉛筆的需求量最大。經(jīng)調(diào)查，該類人群自動(dòng)鉛筆的鉛芯平均使用凈長度在70mm/天，以標(biāo)準(zhǔn)50mm長的鉛芯為標(biāo)準(zhǔn)，大約為1.4根/天。受眾群體的分類及使用需求如下：

1.普通學(xué)生常用的自動(dòng)鉛筆類型為0.5/0.7的2B鉛芯、HB鉛芯，或者選用寬頭的機(jī)讀卡填圖鉛筆。

2.藝術(shù)考生對(duì)鉛筆的使用類型要求會(huì)更高，從9H到9B共1O種鉛芯型號(hào)的鉛筆可能均有涉及。普通自動(dòng)鉛筆只能攜帶—種型號(hào)的鉛芯，多功能鉛筆可攜帶—種到三種型號(hào)的鉛芯，但是內(nèi)部結(jié)構(gòu)不可拆卸，13選定將無法更換型號(hào)。

3.從事設(shè)計(jì)工作的人群，對(duì)于多功能筆的需求會(huì)更普遍一些，通常情況下會(huì)選擇攜帶鉛筆芯和圓珠筆配合使用。

普通鉛筆攜帶鉛芯的單一且儲(chǔ)鉛量少，使用者會(huì)經(jīng)常忘記及時(shí)填充鉛芯，造成使用上的不便，且鉛芯型號(hào)較多，使用時(shí)需要同時(shí)攜帶數(shù)支鉛筆，容易造成遺忘或丟失，均降低了使用者的工作效率。另外，從自動(dòng)鉛筆的尾部填充鉛芯可能因?yàn)殂U芯斷裂無法迅速出鉛，大部分人都選擇用手捏著鉛芯，從鉛筆頭插入鉛芯繼續(xù)使用，如此復(fù)雜而頻繁地更換鉛芯也給使用者造成了糟糕的交互體驗(yàn)，不符合人機(jī)交互的原則。

三、新型自動(dòng)鉛筆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

鑒于以上問題，現(xiàn)提出如下設(shè)計(jì)解決辦法，如圖6。

（一）內(nèi)部結(jié)構(gòu)可拆卸自由組合

新型自動(dòng)鉛筆的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成可拆卸可更換，如圖7，同時(shí)攜帶多種鉛芯，方便使用者根據(jù)具體需求（如軟硬程度，粗細(xì)程度等）選擇合適的鉛芯型號(hào)的鉛管，如圖8，并自由組合在一起使用，提高使用的便捷性，優(yōu)化用戶體驗(yàn)。

（二）多邊形鉛管組合增加儲(chǔ)鉛量

利用左輪手槍的原理，設(shè)計(jì)了多邊形鉛管組合，如圖9、10，加大儲(chǔ)鉛量，方便填裝鉛芯，簡化換鉛芯的操作過程以提高使用效率。普通的自動(dòng)鉛筆在不影響使用的情況下可攜帶2-3根鉛芯，而新型的自動(dòng)鉛筆在鉛道內(nèi)可存放2-3根鉛芯，鉛管內(nèi)也可存放4-6根備用鉛芯，每支自動(dòng)鉛筆可放置三個(gè)鉛管，存放18-27根鉛芯。當(dāng)然使用者可根據(jù)自己的需要增加或減少儲(chǔ)鉛以便于書寫輕松。

（三）旋轉(zhuǎn)軸更換鉛管變換鉛芯型號(hào)

筆帽和筆身以一端開口為十字的旋轉(zhuǎn)軸，如圖11，和卡槽連接，如圖12、13，應(yīng)用多顏色模塊筆設(shè)計(jì)原理設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)軸解決鉛管固定和旋轉(zhuǎn)問題。使用者可通過轉(zhuǎn)動(dòng)筆尾確定筆管的位置，每轉(zhuǎn)動(dòng)到一根鉛管的正確位置，限位卡槽會(huì)發(fā)出“咔”的聲音提示使用者可以推出鉛管使用該鉛管中的鉛芯。

（四）卡槽限位控制鉛芯推出距離

新型自動(dòng)鉛筆放棄傳統(tǒng)自動(dòng)鉛筆的結(jié)構(gòu)，改成以手動(dòng)推動(dòng)裝置，如圖14，利用刻刀的卡槽限位結(jié)構(gòu)，如圖15，解決固定鉛芯和控制鉛芯的推出距離，如圖16、17，利用壓力傳動(dòng)方式將鉛芯推出鉛道使鉛芯可以用到最后1mm，節(jié)約鉛資源，且結(jié)構(gòu)結(jié)實(shí)耐用，鉛芯被包裹在鉛道中，即使意外掉落也不會(huì)因?yàn)榭諅}和雙卡頭結(jié)構(gòu)引起鉛芯斷裂，可持續(xù)使用。

四、新型自動(dòng)鉛筆外觀設(shè)計(jì)分析

（一）產(chǎn)品材質(zhì)及配色

新型自動(dòng)鉛筆的外觀設(shè)計(jì)針對(duì)年輕化群體，將筆身表面進(jìn)行光滑處理，達(dá)到類似于烤漆的表面效果，同時(shí)在筆帽下部和調(diào)節(jié)按鍵處使用與筆身完全不同的顏色使得整支鉛筆更加跳脫。在色彩方面，如圖18、19，選擇了較為清新的淡藍(lán)色與淡粉色，同時(shí)也針對(duì)不同的使用人群使用了更為簡潔的黑白兩色，如圖20。針對(duì)目標(biāo)用戶，在設(shè)計(jì)中選擇較為簡潔的風(fēng)格可以適用于更廣泛的年齡層，整體效果直觀大方。

（二）產(chǎn)品功能

1.啟動(dòng)鉛筆的筆尖設(shè)計(jì)

筆頭和筆桿設(shè)計(jì)為一體，并固定金屬滑道，保護(hù)鉛芯不會(huì)因使用不當(dāng)發(fā)生斷裂，可以有效防止斷鉛。根據(jù)JIss 6005標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的鉛芯直徑，現(xiàn)有自動(dòng)鉛筆鉛芯最大直徑為2ram，因此配合鉛芯尺寸，鉛管的出鉛口也應(yīng)滿足最大鉛芯直徑。

2啟動(dòng)鉛筆的推動(dòng)裝置設(shè)計(jì)

基于人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)鉛筆外形，參考正確的握筆姿勢讓被測試者進(jìn)行握筆測試，推動(dòng)筆桿距離測試。計(jì)算出握筆時(shí)拇指、食指、中指的位置，如圖21。提高使用手感讓使用者在握筆時(shí)處于最舒服的狀態(tài)，以及拇指在推動(dòng)鉛芯滑動(dòng)裝置時(shí)的承受距離。鉛芯長度調(diào)節(jié)的按鍵位于自動(dòng)鉛筆向上的一面，輔以下部的手握凹槽，依托于反復(fù)的測試與測量，在調(diào)解過程中自然流暢。由于可以大量儲(chǔ)存鉛芯導(dǎo)致筆桿相較正常自動(dòng)鉛筆更粗，手握凹槽設(shè)計(jì)的更深，以達(dá)到在使用過程中不會(huì)因筆的直徑增大而導(dǎo)致手部不適?？紤]到使用簽字鉛筆的手中人群大部分是學(xué)生，因此根據(jù)人機(jī)尺寸計(jì)算原則，選擇拇指能承受的最小范圍加減修正值作為推動(dòng)裝置的實(shí)際距離，如圖22。

3.其他功能設(shè)想

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，直徑大于1.5cm的書寫工具設(shè)計(jì)筆夾通常不會(huì)被使用，新型自動(dòng)鉛筆沒有為用戶預(yù)設(shè)筆夾，而采用在尾部金屬區(qū)域可以自行增加筆夾的選配零件的形式，使得使用可以更加個(gè)性化，將無用的設(shè)計(jì)降至最少。

結(jié)論

新型自動(dòng)鉛筆的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅可以防止斷鉛現(xiàn)象，還可以防止堵塞，降低故障出現(xiàn)概率，從而提高自動(dòng)鉛筆的工作效率和鉛芯的利用率。根據(jù)設(shè)計(jì)方案，利用現(xiàn)有多鉛管結(jié)構(gòu)，改變鉛管尺寸，容納0.5mm、0.7mm和1mm等不同尺寸的鉛芯，提高自動(dòng)鉛筆的使用范圍，也可將不同硬度的鉛芯放在固定的鉛筆管中，擴(kuò)大使用人群的范圍。

基于人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)的鉛筆外觀，不僅保護(hù)鉛管，延長鉛筆使用壽命，還可以在一定程度上糾正使用者的握筆姿勢，緩解因?yàn)槲展P姿勢不正確引起的疲勞。

自動(dòng)鉛筆作為學(xué)生的筆盒中必備文具之一，其設(shè)計(jì)是否合理關(guān)于使用安全、舒適度、易用程度、可持續(xù)等，本文從人機(jī)工程學(xué)的角度研究再設(shè)計(jì)自動(dòng)鉛筆，將人機(jī)工程學(xué)的理論融合在實(shí)際設(shè)計(jì)中，使設(shè)計(jì)更加情感化。另外，該設(shè)計(jì)解決了鉛芯易斷折的問題，有效提高鉛芯的利用率、順應(yīng)了可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略理論，為日常生活中節(jié)約鉛資源貢獻(xiàn)綿薄之力。