便攜式塑料水杯的人因工程分析與設計

劉俊艷 時蒙蒙 馬肖 秦頌

摘?要：為提高便攜式塑料水杯的實用性、增強人們對便攜式塑料水杯設計的滿意度，文中在詳細分析了100份調查問卷的基礎上，根據人因工程理論對便攜式塑料水杯進行了分析與設計。從人因工程的角度，借助主成分分析法，得到影響人們對杯子滿意度的色彩、形狀、容積等主要因素;采用曲線擬合的方法，對各主要影響因素的詳細參數與相應滿意的人數進行擬合，預測人們滿意度最大時各詳細參數的數值;將得到的具體參數值與國家規定的標準范圍進行比對，從而從人因工程學角度設計出既符合實用性又符合大眾滿意度的新型便攜式塑料水杯;經過分析得出容量為500 mL，杯口直徑為4.8 cm，杯身直徑為6 cm，杯身高度為16 cm的水杯是人們較為歡迎的水杯設計參數。人因工程的應用能夠較好的提高工藝產品設計的附加值，值得在工業設計領域深度推廣與應用。

關鍵詞：人因工程學;便攜式塑料水杯;主成分分析法;曲線擬合法

中圖分類號：TB 47

文獻標識碼：A?文章編號：1672-7312（2020）04-0362-07

Abstract：In order to improve the usefulness of portable plastic cups，enhance peoples satisfaction with the design of portable plastic cups，a portable plastic cup was designed by using the human factors knowledge.Based on the detailed analysis of 100 questionnaires，the main affections of peoples satisfaction with cup were set up by using mathematical model to analyze its principal component.The main factors are color，shape，volume.Secondly，the detailed parameters of the main factors of satisfaction with the corresponding number of people was fitted by using curve fitting methods based on the questionnaire，which further detail forecast values for each parameter maximum satisfaction of the people.Finally，the specific parameter values with standard range of national regulations were compared，and based on human factors，a new type of portable plastic cup was designed which is consistent not only with practicality but also with the public satisfaction.The analysis result shows that the water cup with capacity of 500 mL，mouth diameter of 4.8 cm，body diameter of 6 cm and height of 16 cm is a popular design parameter.The application of human factor engineering can improve the added value of process product design，which is worthy of further promotion and application in the field of industrial design.

Key words：human factors;portable plastic cups;principal component analysis;curve fitting

0?引言

人因工程學從人的生理、心理等特征出發，研究人-機-環境系統優化，以達到提高系統效率，保證人的安全、健康和舒適的目的[1]。國內外研究者普遍應用模糊數學、層次分析、系統分析、決策、預測、模擬仿真等方法解決人因問題[2]。楊帆[3]通過調研問卷分析、控制器件選型、控制器件的分類與分級、人機界面幾何參數的確定、操縱臺布置的人機工程準則等一系列過程設計完成符合人因工程的司機室操縱臺;王茜[4]以人因工程學原則和相關工效學標準為依據，創建了一種符合軌道交通控制運營需求的控制中心布局設計方法;曲林川[5]將人因工程學與EON軟軟件的模擬仿真平臺應用到艦船駕駛室布置設計和評價中。賴李李[6]、曹學晨[7]等應用人因工程學對特殊人群使用的智能座椅進行了優化設計，宋海冰[8]、杜訓剛[9]和鄧方[10]等把人因工程技術應用在多媒體講臺和起重機械的優化設計中。Jean-Yves Dantan[11]應用人因工程設計原理，通過功能行為結構框架和行為模擬改進工業制造系統;黃鵬鵬[12]、田瑾[13]、沈維蕾[14]和祝琳[15]等基于人因工程學，對公交車中座椅結構、扶手高度、車內色彩及空氣質量、報站系統及車內環境提出優化建議。

產品設計除滿足基本功能需求外，從人因工程學角度將符合讓人的生理、心理的因素考慮其中，會提高產品附加值。隨著生活消費水準的提升，人們對便攜式塑料水杯的要求不僅只關注在其實用性的上，對體現生理特征、心理感受的性能、外觀等因素更加重視。

目前，學者們對水杯的研究在塑料水杯制造工藝、塑料水杯安全性、面向特定對象的水杯設計以及智能功能方面有相應的成果。李凝[16]等從工藝方面研究塑料杯的成型;方志清[17]等從水杯使用安全性方面研究塑料杯的溶出物質;顧炎輝[18]等對目標兒童進行研究，分析國內外兒童水杯設計的異同，著重從兒童不同年齡段特質及審美心理、生理方面探討水杯的設計;Zhang Shengyang[19]、莫慧芳[20]等從單片機技術角度研究了智能水杯的設計;李燕[21]從23位帕金森患者使用水杯的困難中研究適合該病患使用的水杯構造。

學生是便攜式塑料水杯的主要消費群體，以上研究中少有從人因工程角度對便攜式水杯的研究，為彌補這一不足，通過對100名使用便攜式水杯的大學生進行問卷調查，運用人因工程學的基本原理及必要的數學模型，考慮人的生理、心理等因素，對便攜式塑料水杯各詳細參數進行設計，進而主要面向大學生等青年群體設計出一款新型、簡潔的、更適合攜帶的塑料水杯，使其在上課、工作等學習生活過程中，得到更滿意的使用效果。

1?便攜式塑料水杯設計分析主要因素

通過對100份調查問卷所得數據進行分析、總結，得到影響水杯設計感的因素是色彩、形狀、容積及厚度4個因素（表1）;對于色彩，有38人將其排為第1位，有46%的人將其排為第2位;對于杯形，有36的人將其排在第1位，42%的人將其排在第1位;20%的人將容積排在了第1位，68%的人將其排在第2位;42%的人將厚度排在了第2位。

根據表2可知，色彩、形狀、容積3個因素的累計貢獻率在α3時已經達到了99.97%，接近于1，所以舍棄最后一個“厚度”因素，選取這色彩、形狀、容積3個主要因素來研究（表3）。

根據人因工程學，人通過視覺獲得高于80%的信息，而人的視覺生理作用是色彩感覺的必需，色彩可以引起人心理上的反應、壓抑、愉悅等感受[23];對于杯子的色彩，文章從杯身的“色調”，色彩的“明度”，色彩的“透明度”3個方面詮釋杯子“色彩”這一指標;對于杯形，主要從杯身的高度，杯蓋的螺紋設計，杯身的防滑設計3個方面來評價;杯子的容積杯口直徑、杯身直徑來評價。

2?確定主要因素設計參數

運用曲線擬合方法[24]，詳細研究符合大眾滿意度的杯身色彩明度、杯身透明度、杯蓋的螺紋數、杯子的容積及杯身手握處的深高等具體參數。

2.1?杯身色彩的明度的確定

明度是色彩的組成部分之一，是指色彩的明暗程度，與物體表面色彩的反射率有關。對于顏料來說，在色調與純度相同的顏料中，白顏料的反射率最高，在其他顏色中混入白色，可以提高混合色的反射率，也就是提高了混合色的明度，混入的白色越多，明度越高，而黑顏料卻恰恰相反，混入黑色越多，明度越低。在本次的調查問卷設計中，我們一共調查了100名同學，將白色的明度定為0分，黑色的明度定為100分;這里需要特別說明的是，此處明度的分值劃分與人因工程學中無色彩系里明度等級的劃分不同;因為被調查者并對明度等級的專業知識不足，故采取人們對黑白習慣的評價方式，從0分到100分進行色度等級的劃分，白色0分對應人因工程學中無色彩系里明度等級10級（白），100分對應人因工程學中無色彩系里明度等級的0級（黑）;分析得到以下數據，見表4。

通過利用數學工具，編程對表中人數及明度進行曲線擬合。通過做出的散點圖（圖1）可知，在對其進行4次擬合時，殘差值最小，得到的擬合曲線最準確。100位顧客對明度的喜好，由0至100呈橫向“s”，先減后增再減。最高點在（53.85，15.07），說明100 位顧客在杯子杯體的明度方面更偏愛的明度為15.07。

2.2?杯身色彩透明度的確定

透明是物質透過光線的性質或情況。通過透明的玻璃窗，我們能看到對面被遮擋的事物。透明度特指礦物透光的能力。文中將透明度從0分到100分劃分為不同程度，通過對問卷的數據處理得到表5。

依據問卷統計數據，通過利用數學工具和編程對表中人數及透明度進行曲線擬合。通過分析做出的散點圖可知，在對其進行8次擬合時，殘差值最小，得到的擬合曲線最準確。8次擬合曲線及殘差值散點圖如圖2所示，100位同學對于杯身透明度的選擇，呈不規則的波浪線型。最高點出現在（52.51，18.5）處，這說明100位同學更偏愛杯身透明度為18.5的杯子。

2.3?容積的確定

容積是指容器所能容納物體的體積。在杯子設計中，水杯的容積大小間接體現了水杯的大小。由上文分析可知，水杯的容積大小是影響大家對杯子選擇的重要影響因素之一。此次問卷設計中，將杯子的容積分為7個具體數值，通過對調查問卷所得的數據進行分析，得到相應容積所對應的人數，見表6。

通過利用數學工具，編程對表中人數及杯子容積進行曲線擬合。通過做出的散點圖可知，對其進行4次擬合時，殘差值最小，得到的擬合曲線最準確。4次擬合曲線及殘差值散點圖如圖3所示，曲線剛開始升高較快，隨后達到最高點后開始緩慢下降，所以隨著杯子容積的增加，對應的人數先增加后減少，在容積為541.3 mL時，人數達到最大值。即此時的杯子容積的大小符合大多數人的需求喜好。

2.4?杯口直徑的確定

杯口的直徑影響使用者在喝水時水杯的傾斜程度。相同傾斜程度下，杯口過大，杯中水易灑出，杯口過小，水杯內壁不易清洗。通過對100位顧客的問卷調查，得出了以下數據，見表7。

依據問卷統計數據，通過利用數學工具，編程對表中人數及杯口直徑進行曲線擬合。通過做出的散點圖可知，對其進行5次擬合時，殘差值最小，得到的擬合曲線最準確。5次擬合曲線及殘差值散點圖如圖4所示，100位顧客對杯口直徑的選擇是近似呈二次函數分布的。最高點為（4.856，35.48），這說明，100位顧客在購買杯子的時候更偏向于選擇杯口直徑為5 cm的杯子。

2.5?杯身橫截面的直徑的確定

杯身橫截面的直徑大小，是杯子形狀的重要 影響因素之一，同時影響著大家使用杯子時的手感。杯身橫截面的直徑過大，則在手握水杯時，會使人感到吃力，長時間手握，容易感到疲勞。杯身橫截面的直徑過小，則在手握水杯時，需要用力握緊，以防滑落，此時也會增加人手握杯子時多承受的負荷。在此，將杯身橫截面的直徑大小分為7個數值，通過對問卷得到的數據進行分析，得到大家滿意的直徑大小。杯身直徑及相應人數見表8。

通過利用數學工具，編程對表中人數及杯身直徑進行曲線擬合。通過做出的散點圖可知，對其進行二次擬合時，殘差值最小，得到的擬合曲線最準確。二次擬合曲線及殘差值散點圖如圖5所示，隨著杯身橫截面直徑大小的增加，對應的人數先增加后減少，在杯身直徑為6.244 cm時，對應的人數達到最大值;所以杯身直徑為6.244 cm時，符合被測者大多數人的喜好。

根據人因工程學抓握空間參數（圖6），建議沒有把柄的杯子的大小一般說來直徑在65 mm左右比較合適，從人的平均身高在170～175 cm之間，人們的能握住的手掌長度一般是在200 mm左右，而握起直徑在65 mm左右的杯子是比較合適的;從杯子的視覺上來說，杯子的高度在160 mm左右對杯子的視覺觀賞性是比較好的尺寸，符合人因工程學的要求。

2.6?杯蓋的螺紋數的確定

在對便攜式塑料杯進行人因工程設計時，杯蓋的螺紋數一定程度上影響著大家使用杯子時所需消耗的體力及使用杯子時的滿意度。若螺紋數較多，則在擰開杯子或擰緊時，需要花費的時間及力氣較大，使得大家使用時的滿意度較低。若螺紋數較少，則杯蓋在擰緊后，容易松開，影響杯子使用的方便性，同時也存在著一定的安全隱患;盛裝熱水時容易灑出，燙傷使用者，因此，不符合人因工程設計的原則。

同時，杯蓋螺紋數跟水杯的防漏設計也有緊密聯系。如果水杯的杯蓋設計不夠嚴密，則杯子就會漏水，為了防止漏水可以增大杯蓋和杯身的緊密連接性，有的水杯設計在杯蓋上有4個小爪，可以更好的抓緊杯身，密封性能好，保溫性能強，而多數防漏水設計則采用在杯帽上采用螺紋設計，在旋轉杯蓋時以增大杯蓋與杯身的連接性以達到防漏水設計。為此，通過調查問卷，尋求既符合人因工程設計原則的、又滿足大眾需求的杯蓋螺紋數。分析得到螺紋數與對應人數（見表9），隨著螺紋數的增加，相應的人數先增加后減少，當杯蓋的螺紋數為3.174時，此時對應的人數最多，通過查閱相關文獻，此時該螺紋數符合人因工程設計中的安全性原則，因此，當螺紋數為3.174個時，既符合大眾的需求，也符合人因工程設計的原則。

通過利用數學工具，編程對表中人數及螺紋數進行曲線擬合。通過做出的散點圖可知，對其進行5次擬合時，殘差值最小，得到的擬合曲線最準確。5次擬合曲線及參差值散點圖如圖7所示。

2.7?手握處防滑設計曲線擬合

從杯子的自身構成上來說，杯子外壁的中間部分和杯子蓋子不得過于光滑。一般都是握住杯子外壁的中間位置，當有時人不小心把杯蓋扭得過緊時，如果蓋子外壁太過于光滑，那么人們就要很費力的才能打開杯子的蓋，按照杯子的人機工程學上的關系，在杯蓋和杯子的中部外壁裝飾出游一些凹凸圈的紋理，或者采取特別的凹凸裝飾設計，增大手掌與杯身的摩擦力。

文中采用的是水杯杯身為曲線型彎曲狀以增大摩擦力，而且杯身的弧度，使手能更好的握住杯身，所以手握處橫截面半徑與手握處距杯底高度之比，在很大程度上影響著杯子的形狀以及使用時的手感。當其比值為0時，表示杯子為直筒式設計，杯身并未向內凹陷，此時手握杯子需要較大的握力。當其比值較大時，表示杯身向里凹陷，類似葫蘆形，手握杯子喝水時，較為省力。通過對問卷的數據進行分析，得到該比值與人數的相關關系表，見表10。

通過利用數學工具，編程對表中人數及比值進行曲線擬合。通過做出的散點圖可知，對其進行8次擬合時，殘差值最小，得到的擬合曲線最準確。8次擬合曲線及殘差值散點圖如圖8所示，喜歡直筒式杯身設計的人數為10人，當比值為0.003 78時，滿意的人數最多。隨著比值的繼續增加，相應的人數逐漸遞減。因此，得到符合大眾需求的比值為0.003 37。

3?總體設計

結合人因工程的有關數據，及曲線擬合分析，設計出的新型便攜式塑料水杯如圖9所示。得出比較符合大家的要求的杯子的尺寸的基本數據為：容積550 mL，杯身直徑為6 cm，杯身高度為19 cm，杯口直徑為4.8 cm，杯口螺紋數為3個，手握處弧度為0.3 cm，且手握處離杯底高度為10 cm。

4?結論

1）以大學生常用的便攜式水杯為研究對象，從人因工程學的角度為便攜式水杯設計提供了一種設計思路，并根據數據分析得出一組被大學生消費者關注便攜式塑料杯子設計指標與相應參數，以期為相似產品設計提供一定的參考。

2）人因工程的應用提高產品附加值。產品設計過程中應以人為本，充分考慮人的因素;充分分析消費群體的心理喜好，以及人的身體生理特性，利用人因工程學人體測量的數據支持產品設計，增加產品附加值。

3）人因工程學助力產品升級。隨著社會發展，技術的創新，人的基本需求發生了變化，人們對產品的需求從基本的功能性需求向舒適、可靠、安全、美觀、品味等多方面需求的滿足轉變，人因工程學為工業產品設計提供了將產品與人有機結合的方法與思路，除了增加產品使用價值外，其廣泛應用更將推動工業設計行業的產品與設計升級。

參考文獻：

[1] 馮?陽.與時俱進的人類工效學[J].南京工業大學學報（社會科學版），2004（04）：71-76.

[2]郭?伏，孫永麗，葉秋紅.國內外人因工程學研究的比較分析[J].工業工程與管理，2007（06）：118-122.

[3]楊?帆.HXD3D型電力機車司機室操縱臺人因工程設計[D].大連：大連理工大學，2018.

[4]王?茜.基于人因工程的軌道交通控制中心布局設計研究[D].北京：北京交通大學，2018.

[5]曲林川.交互式艙室人因工程布置仿真設計研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學，2019.

[6]賴李李，魏鸛蓉，張?娜，等.基于人機工程學的多功能殘障人輪椅設計與仿真[J].人類工效學，2019（02）：54-61.

[7]曹學晨，閆?龍，張?鴻，等.基于人因工程學的智能座椅設計[J].科技與創新，2019（03）：21-24.

[8]宋海冰，林?怡，洪增強.基于人因工程學的新型多媒體講臺優化設計研究[J].科技與創新，2018（22）：124-125.

[9]杜訓剛.人因工程學在起重機械設計中的應用[J].內江科技，2020（03）：21-22.

[10]鄧?方.金屬帶鋸床人機工程設計與應用研究[J].技術與應用，2020（01）：150-151.

[11]Jean-Yves Dantan，Ismail El Mouayni，Leyla Sadeghi，et al.Human factors integration in manufacturing systems design using function-behavior-structure framework and behaviour simulations[J].CIRP Annals-Manufacturing Technology2019（68）：125-128.

[12]黃鵬鵬，伍松松. 基于人因工程的公交車內設施環境分析與改善[J].人類工效學，2015，21（05）：62-66.

[13]田?瑾，馮國紅.人因工程在哈爾濱公交車上的應用[J].森林工程，2013，29（03）：108-109+127.

[14]沈維蕾.基于人因工程學的座椅設計與評價[J].機械工程師，2005（10）：72-73.

[15]祝?琳.人因工程在校車內設施環境中的應用[J].技術與創新管理，2018（05）：537-542.

[16]李?凝，宣仲義，黃?生.基于CAE技術的塑料水杯注塑模設計及成型分析[J].機械工程師，2017（01）：30-33.

[17]方志青，林?野.氣相色譜-質譜法測定塑料水杯浸出液中16種鄰苯二甲酸酯[J].食品與機械，2014（02）：78-80.

[18]顧炎輝，何?瀟，基于用戶分析的兒童水杯設計[J].工業設計，2019（07）：51-52

[19]ZHANG Sheng-yang，ZHOU Jia-le，GUO Zong-hao，et al.Design of an intelligent drinking cup[J].Artificial Intelligence and Robotics Research，2019，8（02）：83-89.

[20]莫慧芳.基于STM32單片機控制的智能水杯設計[J].自動化技術與應用，2019（08）：139-143.

[21]李?燕.試論帕金森患者使用的水杯構造和使用方略[J].醫學食療與健康，2019（06）：281-281.

[22]王小娟.基于主成分分析法的西藏文化產業社會效益評價研究[J].西藏民族大學學報：哲學社會科學版，2019（01）：23-31.

[23]郭?伏，錢省三.人因工程學[M].北京：機械工業出版社，2007.

[24]劉利敏，吳敏麗.基于Matlab的最小二乘曲線擬合[J].福建電腦，2019（08）：9-12.

（責任編輯：張?江）