Документ из ИПС "Кодекс"


ИНСТРУМЕНТЫ
     

T.M. Fraser

     
     Обычно инструмент включает головную часть и ручку, иногда вал, а в случае механизированного устройства и корпус. Поскольку инструмент должен удовлетворять требованиям многочисленных пользователей, возникают конфликты, которые могут быть решены путем компромисса. Одни из этих конфликтов возникают в связи с ограничениями в способностях пользователя, а другие связаны с самим инструментом. Однако необходимо помнить, что ограничения, вводимые человеком, являются неотъемлемыми и в значительной степени неизменными, в то время как форма и функции инструментов подвергаются определенным изменениям. Таким образом, чтобы внести желаемое изменение, необходимо уделять основное внимание, главным образом, форме инструмента, и, особенно, взаимодействию между пользователем и инструментом, в частности, его ручкой.
     
Характер захвата
Широко распространенные характеристики захвата были определены в виде силовой хватки, точной хватки и крюковой хватки, при помощи которых могут быть выполнены практические все виды деятельности, осуществляемые человеком вручную.
При силовой хватке, например, такой, которая используется при забивании гвоздей, инструмент удерживается захватом, образованным частично согнутыми пальцами и ладонью, при этом противодавление создается большим пальцем. При точной хватке, например, при такой, которая используется при регулировании установочного винта, инструмент сжимается сгибающей мышцей пальцев и противостоящим большим пальцем. Модификацией точной хватки является хватка карандаша, которая не требует объяснений и используется для сложной работы. Точная хватка требует только 20% силы силовой хватки.
     
Крюковая хватка используется в тех случаях, когда ничего, кроме удерживания не требуется. При крюковой хватке объект подвешивается на согнутых пальцах при поддержке или без поддержки большого пальца. Тяжелые инструменты должны проектироваться так, чтобы их можно было переносить при помощи крюковой хватки.
     
Толщина захвата
Для точной хватки рекомендуемая толщина рукоятки колеблется от 8 до 16 миллиметров (мм) для отверток и от 13 до 30 мм для ручек. Для силовой хватки, применяемой вокруг более или менее цилиндрического объекта, пальцы должны охватывать более половины окружности, но пальцы ладони и большой палец не должны пересекаться. Рекомендуемые диаметры имеют диапазон от 25 до 85 мм. Оптимальный размер, изменяющийся в зависимости от размера руки, составляет, вероятно, приблизительно 55-65 мм для мужчин и 50-60 мм для женщин. Лица с маленькими руками не должны выполнять повторяющиеся действия, основанные на силовой хватке, с ручкой, диаметр которой превышает 60 мм.
     
Сила захвата и размах пальцев руки
Использование инструмента требует силы. Помимо удерживания самая большая сила применяется для использования инструментов, действующих как перекрестный рычаг, например, щипцы и дробильные инструменты. Эффективная сила при дроблении является функцией силы захвата и требуемого размаха инструмента. Максимальный функциональный размах между концом большого пальца и концами хватающих пальцев в среднем составляет 145 мм для мужчин и 125 мм для женщин, плюс этнические изменения. Для оптимального размаха, которые колеблется от 45 до 55 мм как для мужчин, так и для женщин, сила захвата для одиночного кратковременного действия колеблется около 450-550 ньютон для мужчин и 250-300 ньютон для женщин, но для повторяющихся действий рекомендуемая сила ближе к 90-100 ньютон для мужчин и 50-60 мм для женщин. Многие обычно используемые зажимы или щипцы находятся вне пределов мощности одной руки, особенно для женщин.
     

Если речь идет о ручке отвертки или аналогичного инструмента, возникающий вращательный момент определяется способностью пользователя передавать силу ручке, и таким образом он определяется как коэффициентом трения между рукой и ручкой и диаметром ручки. Нетрадиционная форма ручки практически не влияет на возможность приложения вращательного момента, хотя острые углы могут вызывать дискомфорт и, в конце концов, повреждение тканей. Диаметр цилиндрической ручки, который допускает самый большой вращательный момент, составляет от 50 до 65 мм, в то время для сферы этот показатель колеблется от 65 до 77 мм.
     
Ручки
     
Форма ручек
Форма ручек должна максимизировать контакт между кожей и ручкой. Она должна иметь, как правило, сплющенное цилиндрическое или эллиптическое сечение с длинными закруглениями и ровными плоскостями или сферическим сегментом, соединенными вместе таким образом, чтобы соответствовать основным контурам руки по время хватки. Из-за присоединения к корпусу инструмента ручка может также иметь форму скобы, в T или L-форме, но та часть, которая соприкасается с рукой, должна иметь базовую форму.
     
Пространство, охватываемое пальцами, конечно, имеет сложную форму. Использование простых кривых является компромиссом, цель которого состоит в том, чтобы обеспечить многообразие форм разных рук и разных степеней сжатия. В этой связи нежелательно вводить никакого контурного соответствия между сжатыми пальцами и ручкой, имеющей поднятия и понижения, рифли и выемки, поскольку, в действительности, эти изменения не будут соответствовать значительному количеству рук и могут на практике после истечение продолжительного периода вызвать травмы, связанные с давлением на мягкие ткани. В частности, углубления, превышающие 3 мм, не рекомендуются.
     
Модификацией цилиндрического сечения является шестиугольное сечение, которое представляет особое значение при проектировании инструментов или приборов малого калибра. Треугольные или квадратные сечение также использовались с разной степенью успеха. В этих случаях края должны скруглены во избежания травм, вызванных давлением.
     
Поверхность и текстура ручки
Не случайно в течение тысячелетий дерево было основным материалом для ручек инструментов, отличных от дробильных инструментов подобных щипцам или зажимам. Помимо его привлекательного вида древесина всегда была под рукой и легко обрабатывалась неквалифицированными рабочими. Она имеет такие качества, как эластичность, фрикционная сопротивляемость, относительная легкость по сравнению со многими другими материалами, проводит тепло, что делает ее очень привлекательным материалом для этого и других видов использования.
     

В последние годы все более распространенными для большинства инструментов являются металлические и пластмассовые ручки, последние, в частности, используются для легких молотков и отверток. Вместе с тем, металлическая ручка передает больше силы руки, и желательно, чтобы она была покрыта резиной и пластиковой оболочкой. Поверхность ручки должна быть слегка сжимающейся, если это целесообразно, непроводящей и гладкой, а площадь поверхности должна быть максимизирована, чтобы обеспечить распределение давления по возможно большей поверхности. Рукоятка из пенистой резины использовалась для сокращения восприимчивости к усталости и нежности руки.
     
Фрикционные характеристики поверхности инструмента колеблются в зависимости от давления, прикладываемого рукой, характера поверхности и загрязненности жиром и потом. Небольшое количество пота повышает коэффициент трения.
     
Длина ручки
Длина ручки определяется критическими размерами руки и характером инструмента. Для молотка, используемого одной рукой, например, при силовой хватке, идеальная длина колеблется от минимум 100 мм до максимум 25 мм. Короткие ручки неудобны при силовой хватке, поскольку ручка короче 19 мм не может быть охвачена большим и указательными пальцами и неудобна для любого инструмента.
     
В идеале, для силового инструмента или для ручной пилы, отличной от ажурной пилы или лобзика, ручка должна соответствовать на уровне 95.5 перцентили ширине сжатой руки, оказывающей на нее давление, а именно она должна составлять 90-100 мм по длиной оси и 35-40 мм по короткой.
     
Вес и баланс
Вес не является проблемой для точных инструментов. Для тяжелых молотков и силовых инструментов вес между 0.9 кг и 1.5 кг является приемлемым, при этом максимальным считается вес в 2.3 кг. Если инструмент весит больше, чем рекомендуется, он должен поддерживаться механическими средствами.
     
Если речь идет об инструменте для ударных работ, например, о молотке, желательно снизить вес ручки до минимального веса, совместимого со структурной силой, и перенести весь вес на головную часть инструмента. В других инструментах баланс должен быть равномерно распределен, если это возможно. В инструментах с небольшой головной частью и большими ручками это может быть невозможно, но вес ручки должен постепенно снижаться по мере увеличения размера головной части и стержня инструмента.
     
Значение перчаток
Иногда дизайнеры не учитывают, что инструменты не всегда используются голыми руками. Обычно перчатки одевают для безопасности и комфорта. Перчатки безопасности редко бывают большими, однако перчатки, которые носят в холодных климатических условиях, могут быть очень тяжелыми, что может не только снижать ответную реакцию, но также и способность схватывать и держать. Носка шерстяных и кожаных перчаток может добавить 5 мм к толщине ручки и 8 мм к ширине ручки в районе большого пальца, в то время как тяжелые рукавицы добавляют от 25 до 40 мм соответственно.
     

Использование рук
Большинство населения в западном полушарии предпочитают использовать правую руку. Некоторые люди в равной степени владеют обеими руками, но все люди умеют владеть в большей или меньшей степени любой рукой.
     
Хотя число левшей невелико, тем не менее, в тех случаях, когда это целесообразно, присоединение ручек инструментов должно позволить использовать его людям, владеющим как левой, так и правой рукой (примерами могут послужить позиционирование второй ручки в силовом инструменте или колец для пальцев в ножницах или зажимах), если только это не является очевидно неэффективным, как в случае винтовых задвижек, которые спроектированы с учетом использования мощных супинирующих мышц предплечья правшей, что не допускает их использование левшами с равной эффективностью. Этот вид ограничения должен быть принят, поскольку введение резьбы, удобной для левшей, не является приемлемым решением.
     
Значение пола
Вообще, женщины обычно имеют меньший размер руки, меньшую хватку и приблизительно на 50-70% силы меньше, чем мужчины, хотя, конечно, некоторые женщины, которые находятся в верхней части перцентильного распределения имеют большие руки и больше сил чем некоторые мужчины, находящиеся в нижней части перцентильного распределения. В результате этого, существует значительное, хотя и неопределимое число лиц, главным образом женщин, которые имеют сложности в работе с различными ручными инструментами, которые были спроектированы с учетом их использования мужчинами, включая особенно тяжелые молотки и тяжелые щипцы, а также металлические режущие, гофрирующие и зажимающие инструменты и машинки для зачистки проводов. Использование этих инструментов женщинами может потребовать нежелательного использования двух рук, вместо одной. Поэтому на рабочем месте, где работают люди обоих полов, очень важно обеспечить, чтобы инструменты были удобных размеров и удовлетворяли требованиям не только женщин, но и мужчин, которые находятся в нижней части центильного распределения размеров рук.
     
Специальные соображения
Ориентация ручки инструмента, где это возможно, должна обеспечивать соответствие используемой руки естественной функциональной позиции руки ладони, а именно, такой, при котором запястье допускает более половины супинации, оттянуто на и слегка выгнуто назад, в то время как мизинец практически полностью согнут, другие пальцы согнуты меньше, а большой палец отодвинут и слегка согнут. Такая позиция ошибочно называется позицией рукопожатия (При рукопожатии запястье не супинируется больше чем на половину). Комбинация аддукции и выгнутости назад для запястья с различным уровнем гибкости пальцев порождает угол сжатия около между длинной осью руки и линией, проходящей через центральную точку петли, создаваемой большим и указательным пальцами, т.е. поперечной осью кулака.
     
При переводе руки в положение локтевого отклонения, то есть в положение, при котором рука согнута в сторону малого пальца, как это бывает при использовании стандартных щипцов, создается давление на сухожилия, нервы и кровеносные сосуды внутри структуры запястья, что может привести к потере трудоспособности в результате теносиновита, синдрома кистевого туннеля и аналогичным заболеваниям. Изгибая ручку и держа запястье прямо (т.е. сгибая инструмент, а не руку), сжатия нервов, мягких тканей и кровяных сосудов можно избежать. Хотя этот принцип давно признан, он не использовался широко производителями инструментов или публикой. Он имеет частное приложение при проектировании инструментов, использующих действие поперечный рычага, а также ножей и молотков.
     
Щипцы и инструменты, использующие поперечный рычаг
Специальное внимание необходимо уделить форме ручек щипцов и аналогичных приборов. Традиционно щипцы имели закругленные ручки равной длины, при этом верхний изгиб соответствовал изгибу ладони руки, а нижний изгиб напоминал изгиб согнутых пальцев. Если инструмент держать в руке, ось между ручками находится на линии с осью тисков щипцов. Следовательно, при работе необходимо держать запястье, максимально отклонив локоть, то есть, согнув его в сторону мизинца, совершая при этом вращательные движения. В этом положении использование сегмента тела ладонь- запястье- рука очень неэффективно и приводит к напряжению сухожилия и суставных структур. Если действие является повторяющимся, то это может привести к повреждению, вызванному высокой нагрузкой.
     
В последние годы появились новые и эргономически более приемлемые варианты щипцов, решающих эту проблему. В этих щипцах ось ручек наклонена под углом приблизительно относительно оси тисков. Верхняя ручка пропорционально длиннее, при этом их форма соответствует ладони и ее угловой стороны. Передний конец ручки имеет поддержку для большого пальца. Нижняя ручка более короткая, имеет хвостовик или закругленный выступ, а передний конец и кривая соответствуют согнутым пальцам.
     
В то время как вышеуказанные изменения довольно радикальны, некоторые эргономические усовершенствования внести сравнительно легко. Если требуется силовая хватка, то важнее всего сделать боле толстыми и слегка сплющенными ручки, обеспечить опору для большого пальца со стороны головной части ручки и некоторую выпуклость с другой стороны. Если это изменение не включено в дизайн, оно может быть достигнуто путем упаковки базовой металлической ручки в фиксированный или отделяемый непроводящий футляр, изготовленный из резины или соответствующего синтетического материала, возможно загрубелым для улучшения осязательного качества. Выемки ручек для пальцев нежелательны. Для повторного использования может быть желательно включить легкую пружину в ручку для распрямления ее после сжатия.
     
Те же принципы применяются к другим инструментам с поперечным рычагом, в частности, в отношении изменения толщины и плоскости ручек.
     
Ножи
Для общецелевого ножа, т.е. для ножа, который не используется посредством хватки, характерной для кинжала, желательно создать угол в между ручкой и лезвием, чтобы снизить напряжение на соединительные ткани. Размер и форма ручек должны соответствовать в общих чертах размерам и формам ручек для других инструментов, но для учета разных размеров рук было предложено использование ручек ножей двух размеров, а именно, одного - для удовлетворения нужд пользователей, соответствующих 50-95 перцентилям, а другой - для пользователей, соответствующих части распределения между от 5 до 50 перцентилями. Чтобы ручка позволяла прикладывать силу, насколько возможно, ближе к лезвию, верхняя часть ручки должна включать приподнятую опору для большого пальца.
     
Ножевой ограничитель необходим для предотвращения соскальзывания руки на лезвие. Ограничитель может иметь несколько форм, например, форму хвостовика или закругленного выступа, составляющего от 10 до 15 мм длиной, выступающего вниз от ручки или находящегося по прямым углом к ней, или форму перегородки, включающей тяжелую металлическую петлю, идущую с передней к задней стороне ручки. Подпорка для большого пальца также помогает предотвратить соскальзывание.
     
Ручка должна соответствовать общим эргономическим руководствам, при этом поверхность должна быть устойчива по отношению к действию жира.
     
Молотки
Требования, предъявляемые по отношению к молоткам, за исключением тех, которые относятся к сгибанию ручки, были в значительной степени рассмотрены выше. Как отмечено выше, вынужденное или повторяющееся сгибанием запястья может вызвать повреждение тканей. Сгибая инструмент вместо запястья, можно уменьшить подобное повреждение. Что касается молотков, то исследовались разные углы, но оказалось, что сгибание головной части вниз на может увеличить комфортность, если не производительность.
     
Отвертки и шаберы
К ручкам отверток и других инструментов, которые держат аналогичным образом, например, шаберов, напильников, ручных стамесок и т.д., предъявляются те же требования. Каждый их них иногда используется при помощи точной или силовой хватки. Каждый из них основывается на функции пальцев и ладони руки для стабилизации и передачи силы.
     
Общие требования к ручкам уже были рассмотрены. Как было обнаружено, наиболее традиционной эффективной формой ручки отвертки является модифицированный цилиндр, имеющий форму купола со стороны приема ладони и слегка расширяющийся в месте, где ручка соединяется со стержнем, чтобы обеспечить опорку концам пальцев. Таким образом, вращательный момент применяется в значительной степени при помощи ладони, которая поддерживается в контакте с ручкой при помощи давления, прикладываемого со стороны руки и фракционного сопротивления кожи. Пальцы, хотя и передают некоторую силу, играют скорее стабилизирующую роль, которая менее утомительна, поскольку требуется меньшее приложение силы. Таким образом, купол головной части становится очень важным при проектировании ручки. Если существуют острые края или борозды на куполе или в том месте, где купол соединяется с ручкой, то либо на руке образуются мозоли, и она повреждается, либо передача силы осуществляется менее эффективно, и пальцы быстрее устают. Вал обычно имеет цилиндрическую форму, но был внедрен и треугольный вал, который обеспечивают большую устойчивость для пальцев, хотя его использование может быть более утомительным.
     
Если отвертка или другое зажимное устройство используется так часто, что это может привести к травмам от слишком большой нагрузки, ручной привод должен быть заменен на силовой при помощи ремней над головой в таком виде, чтобы его можно легко использовать, не мешая работе.
     
Пилы и силовые инструменты
Ручные пилы, за исключением лобзиков и легких ножовок, где ручка, напоминающая ручку отвертки, является наиболее приемлемой, чаще всего имеют закрытую рукоятку пистолетного типа, прикрепленную к лезвию пилы.
     
Ручка, главным образом, представляет собой петлю, в которую помещаются пальцы. Петля обычно представляет собой прямоугольник с закругленными концами. Чтобы можно было использовать перчатки необходимо, чтобы внутренние размеры составляли приблизительно 90 до 100 мм в длину и 35-40 мм в ширину. Ручка со стороны контакта с ладонью должна иметь сплющенную цилиндрическую форму, о которой уже упоминалось, чтобы сложные изгибы разумным образом соответствовали ладони и согнутым пальцам. Ширина между внутренним и внешним изгибом должна быть приблизительно 35 мм, а толщина не должна быть более 25 мм.
     
Любопытно, что функция хватания и удерживания силового инструмента очень похожа на функцию удерживания пилы, и, следовательно, наиболее эффективной ручкой будет ручка аналогичная той, которая используется в силовых инструментах. Рукоятка пистолетного типа, широко распространенная в силовых инструментах, похожа на открытую ручку пилы со сторонами, которые искривлены, а не спрямлены.
     
Большинство силовых инструментов включают ручку, корпус и головную часть. Размещение ручки играет большую роль. В идеале, ручка, корпус и головная часть должны бать на одной линии, чтобы ручка крепилась к задней части корпуса, а головная часть выступала спереди. Линия действия - это линия вытянутого указательного пальца, при этом головная часть эксцентрична по отношению к центральной оси корпуса. Однако, центр массы инструмента находится перед головной частью, в то время как вращающий момент таков, что он создает вращательное движение корпуса, которое рука должна преодолеть. Следовательно, было бы лучше поместить главную рукоятку непосредственно под центр масс таким образом, чтобы, если необходимо, корпус выступал вперед как за рукояткой, так и перед ней. В качестве альтернативы, особенно в случае дрели, вторая рукоятка может помещаться под долотом таким образом, чтобы долото можно было использоваться любой рукой. Силовые инструменты обычно используются при помощи спускового крючка, вставленного в верхний передний конец ручки и приводимого в действие указательным пальцем. Спусковой крючок должен быть спроектирован таким образом, чтобы он мог приводиться в действие любой рукой. Он должен включать легко перезагружаемый блокировочный механизм, чтобы приводить в действие силу, когда это необходимо.