基于GQFD的手持工具人機工程設計研究

［收稿日期］ 20220314

［基金項目］ 湖北省引進國外人才和智力項目（鄂科技發資（2020）10號文）

［第一作者］ 程文婷（1984-），女，江西南昌人，湖北工業大學副教授，研究方向為產品設計。

［通信作者］ 李" 慧（1998-），女，河南信陽人，湖北工業大學碩士研究生，研究方向為工業設計。

［文章編號］ 1003-4684（2024）03-0086-07

［摘" 要］ 為優化手持工具的用戶使用體驗，提出一種將基于灰色關聯分析的質量功能展開（GQFD）與人機工程相結合的設計方法，并將其應用于手持工具的產品研發中。 首先采用非參與式觀察法觀察用戶行為并獲取用戶需求，并依據手持工具的人機工程設計原則將用戶需求轉化為對應的設計要素；再運用GQFD構建設計質量屋，對用戶需求與設計要素的相關關系度進行量化評價，分析設計要素重要度，從而明確重點設計目標；最后根據人機工程學的原理和方法，對重點設計目標進行分析設計，得到最終的設計方案。將該方法應用于德國Prym公司的手工鉗改良設計項目，設計結果不僅滿足了用戶使用需求，而且提升了用戶體驗，為手持工具類產品的創新設計提供一種新的研究思路。

［關鍵詞］ 手持工具； 質量功能展開； 人機工程； 灰色關聯分析； 用戶需求

［中圖分類號］ TB47" ［文獻標識碼］ A

手持工具是人類最基本的生存和生活工具，從石器時代發展至今已有數萬年的歷史。目前，手持工具已被廣泛應用于各行業領域及日常生活中，具有操作靈活簡便、使用安全可靠，易維護等優點［1］。芬蘭工具品牌Fiskars的經典剪刀設計“Orange Fiskars”是世界上最暢銷的剪刀，其手柄的手指握持面較寬，可使力均勻分布，提高作業時的舒適度。紐約品牌OXO的“GOOD GRIPS”家用削皮刀最初為患有關節炎的人群設計，手柄的設計綜合了美學和人機工程學原理［2］，并充分符合通用性原則。德國Prym公司是一家以生產家用縫紉工具為主的家族企業，其“Prym love”系列產品綜合考慮了左右手用戶，旨在符合人機工程學的基礎上提升用戶日常生活中進行手工DIY活動的體驗。上述案例對手持工具的設計具有一定的指導意義，手持工具設計應在滿足用戶需求以及產品功能的前提下，同時符合人機工程學，以達到良好的用戶體驗。

1" 基于灰色關聯分析的質量功能展開概述

1.1" 質量功能展開

質量功能展開（quality function deployment， QFD）可將用戶需求與產品設計需求相聯結，為產品設計提供依據，是一種將顧客或市場的要求轉化為設計要求、零部件特性等的多層次演繹分析方法［3］。早期的QFD多應用于汽車、等領域，近年來也逐漸在包括設計制造，醫療保健等不同領域得到應用。在設計領域，熊偉等［4］針對產品創新設計方案的評價問題，以QFD為研究框架，提出一種設計方案評價模型。Sousa Zomer等［5］等將QFD運用于產品服務系統概念設計中，將用戶需求轉化為產品和服務的工程指標，來支持設計以及概念的評估和選擇。張妮等［6］通過對QFD進行改進，研究出一種分析產品可持續設計中設計要素重要度的方法。

1.2" 灰色關聯分析

灰色關聯分析（grey relational analysis，GRA）是一種分析系統中因素關聯程度的方法［7］。通過灰色關聯度，能清楚地獲取因素之間的關聯程度，從而判斷出主次因素［8］。目前灰色關聯分析已被應用于生物、工程風險評估、地理以及設計等多領域之中。

1.3" 基于灰色關聯分析的質量功能展開

GQFD是指在QFD的基礎上引入GRA。通過GRA對QFD進行改進。質量屋（house of quality， HOQ）是QFD的核心工具，由于原始的HOQ是由少量QFD專家采用模糊不確定的語言信息以及離散型標度對用戶需求及其對應的設計要素進行關聯度評價打分［9］，較難實現對用戶需求和設計要素之間關系的準確賦值評價，因此得到的設計要素權重值的準確性較低［10］。面對“小樣本”、“貧信息”等研究問題，引入GQFD，利用灰色關聯分析實現通過少數樣本數據獲取較精確的結果。同時用灰關聯矩陣替代傳統質量屋模型中的關系矩陣，能降低人為因素所帶來的的干擾性，確保最終獲取的設計要素權重結果是更加客觀和精確的［11］。Xiong Wei等［12］針對傳統的RPN評價過程中未考慮用戶需求從而導致設計缺陷的問題，提出將QFD與熵權法以及灰色關聯分析相結合的研究模型。Hao-Tien Liu等［13］在研究過程中，首先確定用戶需求，再通過灰色關聯分析對QFD進行改進，使最終獲得的設計要素權重結果更加準確。Yazdani等［14］針對復雜系統的決策問題，提出了將QFD與灰色關聯分析集成的多屬性決策模型。

2" 集成GQFD和人機工程的手持工具創新設計方法

2.1" 方法概述

在QFD與人機工程學結合的研究領域，可將QFD的需求轉化功能與人機工程學的具體設計實現方法相結合。QFD可將顧客或市場的需求轉化為產品的設計要素，而人機工程學能夠為設計師與工程師提供人機關系方面的具體設計依據和科學理論數據［15］。已有一些學者們在QFD與人機工程結合領域開展了研究。王秋惠等［16］以QFD為理論基礎，將其與人因工程設計相結合，對餐館服務機器人進行設計，提升了餐館服務機器人的可用性。R.Ginting等［17］從QFD與人機工程相結合的角度進行研究，完成了一種新型切割工具的產品開發，降低了使用疲勞度。

本文將GQFD與人機工程相結合進行研究，創建適用于手持工具的產品設計方法。其具體研究流程見圖1。

圖 1" 設計流程

2.2" 方法步驟

1）觀察分析用戶行為，獲取用戶需求，并轉化為設計要素用戶使用產品的行為直接反映了用戶的內心需求［18］。

在通過用戶行為分析獲取用戶需求后，需要進行用戶需求到設計要素的轉化。對于手持工具設計來說，手柄或手握部分的人機工程設計是較關鍵的設計點，因此擬從工具主體和工具手柄兩個方面確定設計要素。將“手柄尺寸”“手柄造型”“手柄材質”“整體造型”作為基礎設計要素進行分析，在后續的實際設計應用中，可根據具體的手持工具產品進行設計要素的對應補充。

2）建立灰色系統和灰色關聯矩陣" 在獲取用戶需求以及設計要素后，邀請專家采用1～9分制的打分標準對二者進行重要度打分評估，最不重要為1分，最重要則為9分。對打分結果進行匯總整理，依據各項設計要素和各項用戶需求分別建立比較數列和參考數列，從而構成灰色系統。設用戶需求參考數列為

Ai=（ai（1）， ai（2），…， ai（n））， （i=1，2，…，s）

人機工程設計要素比較數列為

Bj=（bj（1）， bj（2），…，bj （n））， （j=1，2，…，m）

對兩個數列分別進行零化處理

A0i=ai（n）-ai（1），（i=1，2，…，s），B0j=bj（n）-bj（1），（j=1，2，…，m）

Asi=∑n－1k=2a0i（k）+12a0i（n）（1）

Bsj=∑n－1k=2b0j（k）+12b0j（n）（2）

Ai與Bj的灰色絕對關聯度εij為

εij=1+Asi+Bsj1+Asi+Bsj+Bsj－Asi（3）

然后對Ai和Bj進行初值化處理，使之無量綱化及歸一化后再進行零化處理［10］，得到 A′i0和B′j0，帶入式（1）和式（2）。

Ai與Bj的灰色絕對關聯度rij為

γij=1+A′si+B′sj1+A′si+B′sj+A′si－B′sj（4）

Ai與Bj的灰色綜合關聯度ρij為

ρij=θεij+（1－θ）γij（θ=0.5）（5）

計算可得灰色綜合關聯矩陣

ψ=（ρij）s×m=ρ11ρ12…ρ1mρ21ρ22…ρ2mρs1ρs2…ρsm（6）

3）計算用戶需求的絕對權值λ

若k，i∈{1，2，…，s}滿足：ρkj≥ρij（j=1，2，…，m），則稱Ak優于Ai，記為Akgt;Ai；

若k，i∈{1，2，…，s}滿足：∑mj=1ρkj≥∑mj=1ρij（j=1，2，…，m），則稱Ak準優于Ai，記為Ak≥Ai。以此計算得到對應的用戶需求重要度排序：Ai1oAi2o，…，oAis，其中o∈{gt;，≥}，進一步求出絕對值。

若Ailgt;Ail+1，計算用戶需求的重要度權值為

λil=n－l+1（7）

若Ail≥Ail+1，計算用戶需求的重要度權值為

λil=n－l+μ（8）

其中，μ為重要程度，通常取值為μ=0.5。

4）構建質量屋" 根據得到的用戶需求、用戶需求絕對權值、設計要素及灰關聯矩陣構建HOQ，再根據原始的HOQ方法分析出設計要素權重及其排序。依據設計要素的重要度排序，確定接下來的重點設計目標。

5）依據人機工程學原理進行設計" 在得到重點設計目標后，依據人機工程學的原理、方法以及數據信息等進行設計，從而得到最終的設計方案。

3" Prym手工鉗改良設計實例

現以德國Prym公司的手工鉗改良設計項目為例，驗證本文提出的將GQFD與人機工程相結合的設計方法的可用性和有效性。

Prym公司設計并生產了Prym love縫紉工具系列產品，該系列包括：布料切割器、裁縫剪刀、標記筆，Prym手工鉗等工具以輔助手工DIY活動。Prym手工鉗（圖2）的主要功能為幫助使用者安裝以及緊固衣服上的各種紐扣等。此次項目的設計任務為對Prym公司現有手工鉗進行改良設計。設計目標為在滿足已有產品的功能需求下，融合人機工程學概念，優化其產品功能、造型以及結構，以達到提升用戶使用操作體驗的目的。

圖 2" Prym手工鉗原型產品

3.1" 基于GQFD的設計要素分析

1）獲取用戶需求" 邀請20-30、30-40和40-50歲三個年齡階段的手工愛好者共10人對Prym手工鉗原型產品進行用戶使用行為測試。采用非參與式觀察法對用戶使用行為流程進行觀察，挖掘用戶的潛在需求。在用戶使用測試結束后，采用訪談法獲取用戶的直接需求。

圖 3" 用戶需求

對需求進行綜合分析總結，并從人機工程學的角度（包括尺寸大小，通用性原則等），將用戶需求進行精簡梳理，獲得最終的用戶需求，見圖3。

在獲取用戶需求后，對用戶需求進行層次展開。此次設計的整體目標作為目標層，并將目標層劃分“S1主體”和“S2手柄”兩個層次的準則層，再將包含S1和S2兩個層次的準則層細分展開為包含了12個用戶需求層次的子準則層，分層結果，見表1。

2）確定設計要素" 在得到用戶需求后，現將其轉化為對應的產品設計要素。根據前文分析，手持工具包含“手柄尺寸”“手柄造型”“手柄材質”“整體造型”四個基礎設計要素。而本次設計實踐產品Prym手工鉗屬于手動作業工具。其工作原理是通過傳動機構將人手施加的力轉化為工具輸出的作用力。不同的施加方式需通過不同的傳動機構進行力的傳輸，因此，增加“施力方式”和“傳動機構”兩個設計要素。同時，在使用Prym手工鉗進行作業時，刀架的臨界位置決定了可使用的刀具規格范圍，因此，將“刀架和刀具”也作為本次設計的設計要素。最終總結出包括：B1手柄尺寸、B2手柄造型、B3手柄材質、B4刀架和刀具、B5施力方式、B6整體造型、B7傳動機構和B8布料空間，共8個主要的設計要素。

3）建立灰色系統和灰色關聯矩陣" 得到用戶需求和設計要素后，再通過GQFD對其進行分析，獲取設計要素重要度。

選取Atelier Papenfuss設計公司的工業設計師以及Prym公司的工業設計師和結構設計師共10人作為專家人員對用戶需求Ai和設計要素Bj分別進行打分。

根據公式（6）可以計算出用戶需求Ai和設計要素Bj的灰色綜合關聯矩陣ψ。將用戶需求設為參考序列為A1、A2、A3、A4、A5、A6、A7、A8、A9、A10、A11、A12、設計要素作為比較序列為B1、B2、B3、B4、B5、B6、B7、B8、通過式（1）～式（4）計算得到最終灰色綜合關聯矩陣，即：

ψ=0.7420.3450.7740.3230.6770.3220.6750.4310.5760.7430.5590.6970.5870.5760.6510.4650.7780.3860.4230.3140.7140.5860.8760.4330.6870.7740.6730.7890.7930.6670.6230.5770.7730.4140.5450.8790.7450.4760.7790.7690.9140.7710.7430.3030.6690.3730.9160.3890.5030.8780.9140.7140.7410.7860.7420.5690.5690.7550.8220.4810.6660.6760.5640.4470.8680.7880.6230.3450.3780.9140.6620.3410.4450.4120.3220.7350.8870.2530.3650.7710.5670.3570.7650.4770.3630.5590.4010.3720.5810.7550.4190.3120.5590.4140.4530.354

4）計算相應用戶需求的絕對權值排序

∑8j=1ρ1jgt;∑8j=1ρ10jgt;∑8j=1ρ11jgt;∑8j=1ρ3jgt;∑8j=1ρ9jgt;∑8j=1ρ6jgt;∑8j=1ρ12jgt;∑8j=1ρ8jgt;∑8j=1ρ4jgt;∑8j=1ρ5jgt;∑8j=1ρ2jgt;∑8j=1ρ7j

從而可以得出

A1≥A10≥A11≥A3≥A9≥A6≥A12≥A8≥A4≥A5≥A2≥A7

根據式（8），取μ=0.5，計算得到Ai的絕對權值λi：（λ1，λ2，λ3，λ4，λ5，λ6，λ7，λ8，λ9，λ10，λ11，λ12）=（11.5，1.5，8.5，3.5，2.5，6.5，0.5，4.5，7.5，10.5，9.5，5.5）。

5）構建質量屋

在獲取用戶需求的絕對權值以及灰色綜合關聯矩陣后，建立HOQ。HOQ通過直觀的矩陣框架，來清晰明了地展示需求的轉換過程，確保產品設計的過程不與用戶需求相脫離［19］。根據表1的用戶需求展開表以及用戶需求絕對權值，建立HOQ的左墻；將設計要素作為HOQ的天花板；灰色綜合關聯矩陣構成HOQ的房間，表示用戶需求與設計要素之間的關系；最后根據式（9）計算設計要素權重，并進行排序，構成HOQ的地下室［20］，見圖4。

Wj=∑ni=1λiψij（9）

式中：λi為第i個用戶需求的絕對權值；ψij為灰色關聯矩陣中第i個用戶需求與第j個設計要素間的關系賦值；Wj為第j項設計要素的重要度。

從圖4的設計要素質量屋可得出，“B1手柄尺寸”、“B2手柄造型”、“B5施力方式”和“B7傳動機構”這幾個設計要素所占權重排序較高，在后續設計中應重點分析研究。

圖 4" 質量屋

3.2" 重點設計要素人機工程設計分析

根據上文中質量功能展開所得到的結果，現從人機工程角度對重要的設計要素進行分析研究。從最終結果來看，手柄尺寸、手柄造型、施力方式、傳動機構是權重較大的設計要素，因此，對這幾個設計要素進行重點分析。

3.2.1" 手柄造型與操作方式分析" 手持工具的手柄造型與工具的操作方式緊密相關，因此筆者將手柄造型與操作方式結合在一起進行研究。

通過對市場上現有同類產品進行搜集和分析，發現同類產品在操作方式主要分為三大類：鉗式操作、按壓式操作以及旋轉式操作。基于這三種操作形式，提取出三種基礎造型作為Prym手工鉗改良設計初步方案，見圖5。

圖 5" 三種操作方式

省力是提高用戶使用舒適度和使用體驗所必須要考慮的。通過對三種設計方案進行施力分析，得出旋轉式最為省力，其次為按壓式，最后為鉗式。但旋轉式工具在使用時，會因為旋轉方向的不同造成左利手與右利手用戶的使用差異，不符合人機工程學中的通用性設計原則。故將按壓式操作作為基礎設計方案。

3.2.2" 手柄尺寸分析" 手持工具的尺寸設計是基于人體手部的尺寸和活動范圍而定的。手柄的直徑數據取決于不同的作業要求和手掌的尺寸大小，根據作業要求，可分為著力抓握手柄與精確抓握手柄。本文中所討論的Prym手工鉗屬于著力抓握工具。對于著力抓握，手柄直徑一般為30～40 mm。在一般的產品設計中，涉及人體尺寸的部分可通過人體尺寸百分位數進行確定［21］。因此，通過查詢人體手部尺寸百分位圖表，女性手握周長第5百分位數到男性手握周長第95百分位數的尺寸范圍為110～155 mm，則手柄直徑范圍為35～50 mm。如果手柄的直徑過大，手掌與手柄接觸面積增大，導致手掌的握力減小，不利于對工具的控制，導致工作效率降低。而如果手柄的直徑過小，在握持時手指的彎曲力度加大，容易產生疲勞感。因此綜合考慮，手柄直徑大小取平均值40 mm。

手柄的長度尺寸取決于手掌的寬度尺寸，通過查表，女性手寬（到拇指）第5百分位數到男性手寬（到拇指）第95百分位數的尺寸范圍為82～117 mm，為符合通用性原則，使大小手用戶都能使用，因此取最大值，考慮到操作修正量，則手柄的長度至少為120 mm。

3.2.3" 傳動機構分析" 研究傳動機構將更有利于優化施加力，現對按壓式的傳動機構進行分析。按壓式在使用時，可選用三連桿傳動機構或非圓齒輪傳動機構。

三連桿在傳動時，其作用力隨操作桿移動的路徑增大而持續增大，而非圓齒輪傳動機構在操作桿移動的路徑到達一個定值后，作用力開始逐漸減小。非圓齒輪傳動機構傳動精度較高，但非圓齒輪在設計制造時比較困難，且易磨損，因此成本較高。而三連桿機構設計制造較為簡單，成本較小，耐磨損。壓扣工具作為一種常用的家用手持工具，其對傳動精度要求不高，且在生產制造時應控制制造成本。故本次動力系統選用撥桿傳動機構進行傳動。

3.2.4" 其他分析" 通過對人機工程設計要素所映射的重點零部件設計要素進行分析，現已確定設計方案的基本結構和尺寸，見圖6。接下來對一些產品細節和產品材質進行分析設計。

圖 6" 設計方案基本結構和尺寸

1）產品細節" 在使用工具時，使用者可以將手覆蓋在手柄進行按壓施力，也可抓握手柄進行按壓施力。但當手抓握手柄時，手柄與其下部的主體框架之間應有一定的容手空間。

2）產品材質" 金屬和ABS材質是工具主體最主要的選擇。由于本文研究的工具，在使用的過程中要不斷受力，且作為家用產品，應做到經久耐用，因此選用金屬材料作為機身的主要材料。根據本產品的實際需要，并從價格強度等多方面綜合考慮，選擇質量較輕的鋁合金作為機身的主要材料，以達到輕巧穩定的目的。同時，工具在使用時產生的沖擊振動往往會引起使用者的不適，因此手柄的表面部位可采用一定厚度的TPE材質，該材質較為柔軟，且具有一定的彈性，能夠起到減震緩沖的作用。

3）產品色彩" 手持工具通常采用紅色、橘色、黃色、等與白色搭配。經過綜合分析，最終選擇了橘色作為產品主體色彩，搭配白色，并配以灰色為輔色。

3.3" 最終設計方案

通過上文中對產品的造型、尺寸、材質和色彩的分析，得到產品的最終方案（圖7）。

圖 7" 設計效果

在使用方式上，原型工具只能通過手部擠壓工具的手柄進行施力，操作方式費力且單一。因此改良設計方案設計了多種操作方式方便用戶進行使用。可使用手掌覆蓋手柄表面，進行按壓施力；也可通過手掌握住手柄進行施力；亦可通過手柄下方的置手空間，結合手柄本身進行上下相對方向進行擠壓施力，見圖8、9。

圖 8" 操作1

圖 9" 操作2

根據前文的一系列設計分析，得到了最終的改良設計方案。現對最終方案進行總的設計點概述，見圖10。

圖10" 設計說明

3.4" 設計驗證

在完成本次Prym手工鉗改良設計項目實例后，為驗證本文中提出的結合GQFD和人機工程的手持工具創新設計方法的有效性，擬對改良后的設計方案進行用戶使用測試。首先通過3D打印技術制作產品外觀模型，再根據預留的結構孔安裝三連桿等零部件結構，最終完成改良設計方案樣機模型的制作，見圖11。

圖11" 樣機模型

在樣機模型制作完成后，邀請用戶進行使用測試。由于本次設計為在原有產品基礎上的改良設計，為突出改良前后的對比性，并且為了保證結果的真實客觀性，邀請10名從未使用過Prym原型鉗的用戶分別使用Prym原型鉗和改良設計的樣機模型。并在使用結束后，邀請用戶從“使用體驗感”“使用舒適度”“省力度”“造型美觀性”“操作多樣性”和“普遍適用性”六個角度對原型鉗和改良方案進行打分，確保用戶能夠從多方面對二者進行綜合評判。采用1～5分制的打分標準對二者進行重要度打分評估，最差為1分，最好則為5分，最終的評估結果，見圖12。圖12" 用戶使用評價

評估結果表明，用戶對于改良后方案的綜合評價優于原型產品。在“使用體驗感”“使用舒適度”“操作多樣性”這三個方面的評價更是遠優于對原型產品對應方面的評價、由此可見采用改良后的工具進行操作時，用戶的整體舒適性和使用體驗感都有所提高，從而驗證了本文所研究的結合GQFD和人機工程的手持工具創新設計方法的可行性和有效性。

4" 結束語

手持工具在使用過程中，使用者需手握工具持續工作相當長的時間，如果設計不合理，不僅會導致工作效率降低，而且會使用戶的手部產生疼痛感，或引起生理上的病癥，給用戶帶來不好的使用體驗。因此，手持工具設計須在實現用戶需求和預期功能的同時充分考慮到操作的舒適性。本文提出融合GQFD和人機工程的手持工具產品開發設計方法，以Prym壓扣工具實際項目為例，在通過觀察用戶行為獲取用戶需求的基礎上，運用基于灰色關聯分析的質量功能展開，構建設計質量屋，對用戶需求以及對應的設計要素進行分析以及重要度評估；依據所獲參數并結合工具使用時的特征分析進行人機工程設計，完成了優化產品功能、造型以及結構，提升用戶使用操作體驗的設計目標。本文通過將GQFD與人機工程結合，為手持工具產品設計提供了一種新思路。在后續研究中可考慮將GQFD以及人機工程與其他設計方法相結合，并運用于不同類型的產品設計中。

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Research on Ergonomic Design of Hand-held Tools based on GQFD

CHENG Wenting1，LI Hui1 ，Andreas Papenfuss2

（1 School of Industrial Design， Hubei Univ. of Tech.， Wuhan 430068， China; 2 Atelier Papenfuss， Weimar 99423， Germany）

Abstract： In order to optimize the user experience of hand-held tools， the combination of quality function deployment based on grey relational analysis （GQFD） and ergonomics is applied to the product development of hand-held tools. Firstly， use non-participatory observation methods to observe user behavior and obtain user needs， and according to the ergonomic design principles of hand-held tools， the user needs are transformed into corresponding design elements; then use GQFD to construct a house of design quality， quantitatively evaluate the correlation between user needs and design elements， analyze the importance of design elements， so as to clarify the key design goals; finally， according to the principles and methods of ergonomics， the key design objectives are analyzed and designed， and the final design scheme is obtained. This method is applied to the improvement design project of manual plier of Prym Company in Germany. The design result not only meets the needs of users， but also improves the user experience， providing a new research idea for the innovative design of handheld tool products.

Keywords： hand-held tool；quality function deployment；ergonomics；grey relational analysis；user needs

［責任編校： 閆" 品］