基于人机工程学的公交车拉手设计

吕中意， 瞿 姚

（成都理工大学工程技术学院，四川 乐山 614000）

随着私家车拥有率的增高，我国城市交通发展面临的交通拥堵、环境污染、交通安全以及能源消耗等压力日益严峻，大力提倡公共交通出行是缓解这些问题的方法之一。公共交通虽价格低廉，但在乘坐舒适度上普遍低于私家车。提高公共交通的舒适度，提升其市场竞争力，是促进“绿色出行、节能减排”的一个有效手段。

“人的因素”在设计中是不能忽视的一个重要条件[1]。在公交车拉手的设计中运用人机学原理，结合手的解剖学特点和立姿生理学等科学知识，使人—机—环境系统相协调，为乘客创造安全、舒适的乘车环境。作者从手柄、连接结构、广告位置、限位卡等造型、布局、材料问题出发，在分析现有产品问题的基础上，提出公交车拉手的改良设计方案。

1 需要解决的问题

我国公交车上的拉手存在两个问题影响了使用的舒适性。第一是拉手一般由吊环织带连接限位卡和拉环，单个垂直悬挂于横杆上，拉手易随着车身的晃动任意摇晃。当交通工具在运动时产生颠簸、摇摆等任何形式的加速运动时，可致使乘客两侧耳石器对外力的作用发生不平衡反应，易导致眩晕[2]。第二，拉手固定长度，地面至拉环高度以成年女性的第 50百分位双手功能上举高为悬挂高度，为1.85米左右，不方便身材相对矮小的乘客使用。

目前，部分同类产品设计专利考虑到了以上问题，但存在如下缺陷：（1）只考虑到了如何减少汽车颠簸和行驶惯性带来的危害，或者不同身高人群使用的问题，没有一个综合解决这两个问题的方案；（2）手抓握处截面常设计为方形或三角形，部分考虑了手指形状，但仍为简单的波浪形状，如图1、图2所示，长时间抓握这类形状的手柄，会带来手部不适，影响乘车舒适度；（3）没有考虑拉手放置广告的问题，忽略了经济效益。

图1 常规拉环造型

图2 常规拉环截面

基于人体静动态尺寸，结合实地测量与乘客调查数据，设计一种改进性公交车拉手，解决现有产品中的两个问题，并避免现存专利中的3个缺陷。

2 人机关系分析

人机关系研究“人一机一环境”系统中人、机、环境三大要素之间的关系。设计的主导应以人为中心，设计的产品要适合人的生理，心理因素，设计应着重研究“物”与“人”之间的协调关系。人体尺寸主要决定人机系统是否方便、舒适、宜人，人体尺度参数是为产品设计中考虑“人的因素”提供的，研究时应用人体测量学、人体力学、生理学、心理学等学科的研究方法，来对人体结构特征和肌能特征进行研究，提供人体各部分的尺寸、体重、体表面积、比重、重心以及人体各部分在活动时相互关系和可及范围等人体结构特征参数；提供人体各部分的发力范围、活动范围、动作速度、频率、重心变化以及动作时惯性等动态参数。在设计时应全面考虑“人的因素”提供的人体结构尺度、人体生理尺度和心理尺度等数据，并将这些数据有效地运用到设计中去，从而设计出适合人使用的产品[3]。2.1 设计原理

图3为本设计原理示意图，左图为数据依据，右图为侧视示意图，左右两个手拉环，通过无弹性的吊带与限位卡连接，限位卡将其呈三角形固定在公家车横杆上，手拉环下端为两个近圆杆连接，可自由转动，当车辆行驶过程中因惯性导致乘客前后摇晃时，三角形的结构可以起到一定的稳定作用，不论朝哪个方向摇晃，相反方向的吊带均可在一定程度上限制摇晃的距离，同时自由转动的连接结构可以有效防止拉手因强制性扭曲而过早断裂。当身高较高的乘客使用时，可将两个拉环卡合而为一，手拉环高度上升100mm，较矮乘客按下卡合键，拉环即松开，高度下降100mm，起到调节拉手高度的作用，有效减轻乘客长时间举起手臂用力抓握造成的疲劳。

图3 本设计原理示意图（单位：mm）

2.2 主要人体尺寸

本产品设计主要考虑成年人立姿双手功能上举高、手掌抓握静动态尺寸。立姿双手功能上举高及手掌宽度尺寸见表1[4]。

表1 立姿双手功能上举高及手掌宽度

立姿手功能高度可以确定拉杆和拉手的最佳高度范围，由于涉及到用力抓握，高百分位数据不适用于小个子乘客，因此，在拉手高度、限位卡卡合位置高度上参考大尺寸设计原则，即只需要一个人体尺寸百分位数作为尺寸上限值的依据，采用第5百分位女性立姿双手功能上举高作为高度上限参考依据，结合高度调节功能，满足更多人群的舒适使用。

手掌厚度指手掌平伸展开，拇指伸出后，掌心至掌背间的垂直尺寸。在样本容量为500，年龄为18岁以上，男女比例为53.4:46.6的一次随机测量中，得到成年人手掌厚度尺寸见表2[5]。

表2 手掌厚度

手拉环的抓握需将手掌伸入环中，在环的尺寸上参考小尺寸设计原则，即只需要一个人体尺寸百分位数作为尺寸下限值的依据，采用第 95百分位男性手掌宽度和第 95百分位手掌厚度数据作为下限值，并考虑冬季戴手套时的余量。

手的抓握动作可以分为着力抓握和精确抓握。着力抓握时，抓握的轴线与小臂基本垂直，稍屈的手指与手掌形成夾握，拇指施力。臂部长时间上举抓握，会使肩、臂、手部肌肉承受静负荷，导致疲劳[6]。因此，拉手的高度应避免手臂长时间呈180°拉伸，并考虑最佳截面，减少手掌压应力。

3 手拉环改进设计

本设计中，手拉环主要包括两个部分：手柄与广告放置位置。手柄的结构是否巧妙是解决拉手能自由上下升降的关键，主要考虑的问题有：

1） 手掌放入的空间大小；

2） 长时间承受拉力；

3） 连接部件能有效卡合两个拉环并实现自由转动。

第3）点是手柄结构设计的核心问题。广告放置主要考虑的问题有：（1）该部件与其它部件的装配；（2）左右两侧拉手卡合；（3）拉手高度要求上升时如何快速卡合和松开。手拉环改进设计方案效果如图4所示。

图4 拉手整体效果图

图5 拉手整体尺寸（单位：mm）

3.1 手柄

对于着力抓握，手掌与手柄接触面积越大，压应力越小，以圆截面或近圆截面手柄为佳。手柄直径太大会减小握力，直径太小会导致疲劳，取30mm～40mm为宜[6]。依据上文中手掌相关尺寸，我国第 95百分位的成年男性手掌宽度为89mm，考虑余量，手握处内宽设置为100mm，内高为33mm，便于快速准确抓握，具体尺寸如图5所示。

为保证车辆前后晃动乘客用力握紧手柄时，手柄不会因为过大的扭力而断裂，手拉环左右两部分可自由转动，并增加10mm*10mm的强化受力部分，如图6、图7所示。手柄连接部件一中部伸出圆柱形部位，卡合入连接部件二的相应位置，卡合示意图如图8所示。

图6 手柄连接部件一（单位：mm）

图7 手柄连接部件二（单位：mm）

图8 连接部件卡合示意图

3.2 广告位置

公交车拉手广告是一种新形式的广告媒体，每台公交车内一般有16-20个拉手，车内空间封闭，乘客难以回避广告画面，受众多为主动接触，可以有效达成广告的立体覆盖和强化受众对品牌的记忆。此外，拉手广告成本低，受众广，广告时间长。富有亲和力的拉手广告不仅能丰富乘车环境，也可以为商家和公交运营单位带来不错的经济效益。

本设计在手拉环上部设置广告卡板，如图4所示，广告页可以放在卡板和手拉环之间，卡板用4个螺钉固定在手拉环上，可以根据需要更换广告内容。广告卡板厚度为3mm，其余尺寸如图9所示。

图9 广告卡板尺寸

图10 卡合键

在手拉环顶部分别设有卡合键和卡合口，当身高较高的乘客需要提高拉手高度时，可将两个拉环合在一起，卡合键插入卡合口中，拉环垂直悬挂，拉手座依然为三角形，既可提高高度，又可满足减轻惯性摇晃的要求。卡合键如图 10所示。

3.3 材质与色彩

造型的几何特征、色彩、材料质感3个方面共同作用，从而形成一个设计形态整体的视觉印象，三者缺一不可[7]。任何一件设计作品，都是由一定数量和种类的材料配合特定的色彩构成的，如果说材料是结构形式和功能的物质载体,那么色彩就是产品审美功能的重要体现。在设计过程中，选用恰当的材料与色彩成为设计成败的重要因素。

作为公共交通中的设施，拉手使用频率高，对安全性和舒适性均有较高要求，同时需兼顾成本。现有公交车拉手材质常为ABS，或聚酸碳脂(PC)。ABS是一种加工性能优良的热塑性塑料，无毒，一般为微黄色，相比PC材料易变形，考虑到广告要能清晰显示，不采用ABS材料。PC材料无色透明，耐热，抗冲击，在普通使用温度内都有良好的机械性能，但耐磨性差，外表容易刮花。ABS工程塑料即PC+ABS，既具有PC的尺寸稳定性和耐冲击性，又兼顾 ABS的优良加工性能，在薄壁和复杂形状制品中使用这一工程塑料，能够保证产品优异的性能。因此，在本设计中，手拉环材料为 ABS工程塑料，采用注塑成型工艺加工。

为保证车辆内色彩的协调，并最大限度地突出手拉环内广告的内容，该产品设计为透明，实际生产中也可根据需要电镀上色。

4 固定件改进设计

固定件包吊带和限位卡，满足固定手拉环和承受使用过程中拉力两个要求，设计中主要考虑以下问题：（1）限位卡在横杆上的固定方式；（2）限位卡和吊带的材质；（3）限位卡在横杆上的分布距离。

拉手通过限位卡合横杆并螺栓紧固的方式安装在横杆上，如图11、图12所示。限位卡主要要求很好的强度和耐冲击性，同样采用 ABS工程塑料注塑成型。限位卡与手拉环之间用防火织带连接，由厦门聚德带业有限公司研发的防火织带具有抗阻燃、高强度、耐高温、耐磨等众多特点，现广大公交公司及地铁公司均采用此类织带作为拉手吊带。

第 5百分位女性立姿双手功能上举高为1741mm，现有公交车横杆高度一般为1800～1850mm之间，当手拉环卡合后，乘客手握高度为1750mm左右，基本满足95%的乘客需求，手拉环打开，高度下降100mm，乘客手握高度为1650mm左右，完全满足乘客的需求，且手臂无需长时间垂直抓握，降低了使用的疲劳。两个限位卡间距为300mm，左右两侧吊带各150mm，如图 1所示。在安装过程中注意测试手拉环卡合上升功能，确保产品的正常使用。

图11 限位卡

图12 限位卡固定方式

5 小 结

生活水平的提高使人们不再满足于产品能不能使用的问题，而是如何才能更加舒适安全地使用，公交车拉手的设计，不仅要考虑功能和造型，必须兼顾乘客使用时的生理要求和环境 要求，作者从这一角度出发，从手柄、连接件、固定件、卡合键等多个方面综合考虑，提出了改进性设计方案，为此类产品的创新提供了一个新思路。

基于人机工程学的产品设计，充分考虑用户，使人性化的设计真正体现出对人的尊重和关心， 是一种人文精神的体现，是人与产品完美和谐结合。

[1]杨明朗, 袁 桃. 基于人机工程学的键盘设计[J].包装工程, 2005, 26(5): 168-170.

[2]李宗密. 列车座椅摆放角度与晕车的人因分析[J].艺术与设计, 2008, (3): 162-164.

[3]姜 楠, 李新媛. 腿障残疾人使用的电动三轮车造型设计[J]. 工程图学学报, 2008,(5): 141-145.

[4]GB 10000-88. 中国成年人人体尺寸[S].

[5]孙 诚. 人类工效学对包装的研究[J]. 包装工程,2004, 25(1): 69-70.

[6]丁玉兰. 人机工程学[M]. 北京: 北京理工大学出版社, 2011.

[7]李 峰, 应放天, 吴 丹. 产品设计中的材料与形态[J]. 包装工程, 2008, 29(4): 93-95.