雨伞设计中人机工程学分析

摘要：雨伞的功能是供人遮雨，就发挥雨伞的功能作用而言，把人看作雨伞的组成部分是完全合理的人在使用中所需要支出的肢体动作和雨伞的结构是有一定的密切关联的。对于具体的结构设计我们需要进行系统的分析，从人机工程学的角度去分析与人直接接触的伞的结构设计和人——伞交互活动。

关键词：

人机工程学、雨伞、结构

一、人----雨伞系统组成

雨伞的功能是供人遮雨，就发挥雨伞的功能作用而言，把人看作雨伞的组成部分是完全合理的。因此，人在使用雨伞时组成了人—雨伞系统，该人—雨伞系统中的人—雨伞界面关系可由（图一）来进行分析。

1.人与支撑部件关系

支撑部件主要有伞柄、伞把手、伞骨穆头等。伞柄是伞的主心骨,支撑着整个伞。

从人机关系来看，伞柄、伞把手、伞骨穆头等的位置和大小，以及它们之间的相互关系，与手持雨伞人的手握位置和肌肉的动作有着密切的联系。伞把是人撑伞时手握的部位，是关乎手握雨伞的舒适度，人在什么情况下才能平稳地拿住伞；伞柄的压簧什么时候能很省力地按捏，人在收缩伞柄的时候，什么时候伞骨穆头的位置是符合人所需要的长度，这些都是决定于人体特性的设计参数。

2. 人与撑开部件关系

撑开部件主要有伞骨、伞骨关圈等，构成伞面的支架。伞骨是支撑整个伞面的,它能折叠能撑开,便于携带。为了能在使用时省力就该在伞骨、伞骨关圈、键钮之间的关系来找关键。如伞骨的张开的大小，伞骨的高度，伞骨关圈上键钮的大小是否符合手按键钮时的舒适度。

3.人与遮雨部件关系

伞面是伞中最重要的部分,担负着遮雨的责任，而伞面与伞骨的关系是支撑与被支撑的关系，支撑骨架、伞面骨架和水平骨架套在同一个光圈上，连成一个整体的雨伞伞骨支架，并贴合着伞面。伞面的张开大小、弧度，关系着人在伞下不被淋湿。雨伞在使用时与人的关系密切，因此影响雨伞的人体因素也很多。

二、影响雨伞性能的人体因素

雨伞在使用时与人的关系密切，因此影响雨伞的人体因素也很多。

1．人的体格因素

一般人的最大肩宽为486 99%，为了更好的防雨，伞面的直径是该数据的两倍（1000），使人在伞下有单手活动范围（上臂长313 50%）。(图二)（图三）

为手臂在伞面下可以有足够的空间活动

一般伞面的深度在20cm左右，一般人的头全高（249 99%），伞面的深度不能挡住眼睛的视线，它与人手握的高度有密切的关系，而手握雨伞的高度影响着伞面是否挡住了视线。（图四）

不同的人用不同的伞柄长度，是在不同的情况下使用，一般都根据人的需求来收缩伞柄的节数。（图五）（图六）是伞的伞柄是四节伸缩活动

2.人的上肢肌力

人打开伞的主要原动力来源于人的上肢肌力，当人握着伞把手，右手捏住伞骨关圈，推开时用的省力程度，主要取决于伞骨结构中主伞骨，支伞骨，铰接座的灵活程度。伞柄内设计了一件压簧，应用作用力和反作用力的原理，收起伞时压簧受到了挤压力，在打开伞时，压簧释放了挤压力，成为伞自动打开的动力。伞柄的压簧，人在使用时，手按压簧受到了挤压力，这关乎拇指的肌力。伞柄的长度关系到人是否能在风雨中稳稳地拿住雨伞，是人的上肢肌力得到最好的释放。

3．人的手和握力

影响雨伞的平衡性的人的因素主要是人的手和握力，男性和女性，成年人和儿童，手的大小和握力都不相同。为了长时间握伞而不致使手有酸痛的感觉，希望只用最大握力的10%左右和舒适的把手便能得到必要的稳定性和持久性。

三、雨伞设计结构要素分析

雨伞设计中不仅仅只考虑上面的要素，雨伞本身的设计要素更要关注

1.伞柄

人最舒适的关节活动：前臂长的弯曲在145°范围内。（前臂长 237 50%）肘高离眼（眼高减肘高减前臂长 535 50%）298，所以伞柄长一般在50-60cm之间是人最舒适的高度。（图七）（图八）

伞把的大小要与手的大小成一定的比例，为了考虑折伞时能很好的把伞骨包容好，伞把的高度一般设计在手掌的二分之一高，一般在2cm-5cm，伞把的圈大小，一般在手指的长度范围内，使人能握着舒服且握得牢，这样一来手握伞把时就能很灵活的转动它，以便在使用中更换动作。伞把一般都是以塑料材料来制成的，一般它是长杆型、圆筒型两类，表面是镀了一层光滑的膜，使它更美观。折收雨伞时把伞骨支条收在伞把圆筒里面。（图九）（图十）这是手握伞把时手的通常姿势和伞骨收进伞把的圆筒中的图示。

伞骨关圈是伞在撑开时能否灵活的关键，它连接着伞柄与伞骨的部分，也是伞骨关圈扣在伞柄的设置处，使它可以轻松地扣在伞柄的口子上。在这里有一个压簧，伞的压簧灵活程度影响着伞在关闭时人所用的力，现在的伞骨关圈改变了之前的易裂不防潮的竹子材质，换成了现在的硬塑料材质， 即减轻了重量，提高了性能，又增加了美观性。关圈的大小根据伞柄最大的半径来定。（图十一）是伞骨和伞柄的铰接处

伞柄穆头的灵活程度关乎着人在收缩伞柄时要出的力，要考虑用一定的手部肌力来推拉伞柄。它是用不锈钢或铜片做成的小半圆，利用弹簧来进行挤压收缩，以达

到收缩伞柄的效果。伞柄的半径是半径在5-10mm左右，上大下小，互相贴合。（图十二）是人在收伞时，左手握住伞骨关圈，右手掌心推伞把，来收起伞柄，这里就考虑到了伞柄穆头的灵活设计，还有伞柄关节之间的贴合度。

2.伞骨

伞骨结构主要由主伞骨、支伞骨、铰接座组成。伞骨的材质主要是用木头、竹子、金属等材料制成，现在普遍用的是金属材料。伞骨大致可分为：铁骨、钢骨、铝合金骨、纤维骨、树脂骨，我们最经常见的是8骨的铁骨和钢骨。8骨10骨在雨伞和晴雨伞上用的比较多．但是为了降成本现在有很多晴雨伞在用7骨做。6骨7骨在遮阳的超轻的伞上用的比较多。材质大多用铝合金骨’纤维骨’树脂骨。但铝合金骨’纤维骨’树脂骨的价格比较高，所以经常用在高档伞上。高档伞讲究款式，在设计伞的时候会考虑伞型问题。不会去考虑用伞骨的多少来降低成本，所以晴雨伞伞骨多的好一些，遮阳的超轻的伞不用考虑伞骨的多少。

伞骨是由支撑骨架、伞面骨架和水平骨架套在圆环上并依次通过下接头、上接头和活动接头固定的。伞骨关圈上的键钮在设计时要注意拇指按在上面的舒适度，使人很轻松的出力。伞的伞骨能收起来成为直线状态，是三角形的内角和是180度的原理，打开支撑伞是三角形的稳定性的原理。

雨伞骨结构主要由主伞骨，支伞骨，铰接座组成，其特征在于：在主伞骨与支伞骨相连接的铰接座部位，分别在呈Ｕ形伞骨的凹槽内予以注胶射出形成一包复位及铰接座，该铰接座与主伞骨一体成型，并供支伞骨一端铆接固定，主伞骨被包复体所容置，在铰接座两侧主伞骨凹槽内，以及在主伞骨周缘予以注胶射出数个环状体，该环状体与主伞骨一体成型。（图十三）（图十四）是伞骨的组成部和伞骨结构与伞骨关圈的连接部分

上图图示人在使用雨伞时手的动作和雨伞张开的过程：右手握住伞把，左手按住伞骨关圈，往上推，伞柄拉长，伞骨张开。以上图上所示雨伞从折叠到张开的形态变化。（图十五）（图十六）（图十七）

3.伞面

伞面的制作材料有塑料布、油布、绸布以及经久耐用的尼龙布等。伞面要不漏水,主要靠的是雨伞整体的物理结构,当整个伞面张开的时候,起物理张力是很大的,就是说伞的面料被很强的拉力拉开,布料每根结构绳之间的间距变的很小,雨滴落在上面,由于雨滴表面的张力,很难透过这样小的孔隙,而伞的大部分地区都有一个斜度,而由于雨滴的重力的斜向分力大于摩擦力,就使得雨滴沿着斜向分力的方向划落。

伞面的形态不是平面的，而是成一定的角度向下，雨伞的伞面形状根据伞骨支架的弧度变化。伞面形状种类繁多，下面几个是比较普遍的形状。伞面弧度一般在30°—60°左右，人在半包围的圆里可以挡住不同方向来的雨滴，并能很好地挡住雨水。

（图十八）（图十九）（图二十）是伞的常见伞面类型

四、结论

人机工程学在雨伞设计中的应用是很重要的，这不仅仅是人--雨伞系统的有机结合，也是人在使用雨伞过程中必不可少的体验，而影响雨伞性能的人体因素人的上肢肌力和人的手、握力在雨伞设计中有明显的密切关系。雨伞设计结构要素的了解分析让我们在此基础上更深层次的去研究人机工程学的知识并发现和改善我们的使用工具—伞。

参考文献：

【1】中华人民共和国国家标准 中国成年人人体尺寸标准GB10000-88 国家技术监督局1988年12月10号批准 1989年7月01号实施

【2】《人机工程学》 丁玉兰 北京理工大学出版社 2005年1月

雨伞设计中的人机工程学分析