產品設計規範

1.確認需求

目標在設計出符合仿生掌上形 DV ，其特點為具有誘人符合人 因設計外觀與最佳機能。達到使操作者在握持掌上型 DV 時，

以最穩定與舒適握持達成拍攝工作 ，這開發設計案的重點在於 握持「舒適」和「穩定」機能，

2.需求對象

設計對像是18~60 歲手掌無缺陷之人

2.1.2 概念設計

1.問題分析

要決定握持「舒適」和「穩定」機能的系統產品需求性必須加 以分析，這個設計案的目的在於減少應力集中於某一處造成拍 攝時易抖動與手掌酸痛。

自十九世紀工業革命以來，產品無論在社會需求、心理需求、

乃至環境需求上迭有變遷，然而「產品的存在價值是為了滿足 需要」，設計要素三大重點「工學 、 人體工學 、 美學」[11]

以掌上型DV 為例說明：

(1).工學需求:操作穩定能力：「重量、尺寸、形式、材料選用」

(2).人體工學需求:握持舒適特色：「重量、尺寸、形狀、材質及

反作用力」

(3).美學需求:給人視覺和觸覺上舒服感

2.2 手部生物力學

生物固體力學利用材料力學、彈塑性理論、斷裂力學的基本理論 和方法，研究生物組織和器官中與之相關的力學問題。在近似分析中，

人與動物骨頭的壓縮、拉伸、斷裂的強度理論及其狀態參數都可應用 材料力學的標準公式。

人的手就像多用途的工具，能隨時與環境產生互動，也就是設計 師想要深入瞭解、模仿的；手的抓握動作可定義為:手施力於物體，並 且產生作用。Iberall(1997) [12]對於手部的握持做出下麵三點解釋:

(一)、所施的力能夠維持物體於穩定狀態。

(二)、能夠移動、旋轉物體。

(三)、抓握過程中產生知覺，進而瞭解物體的狀態，並且隨時和環境 產生互動。

手部運動的基本條件為運動協調（coordination）和穩定(stability) 而在操作時，手部的相關肌群同時扮演著制動(mobiizing)及穩定 (stability)兩種作用的角色，首先對手部生物力學進行探討，以了解手 部的結構及機能。

2.2.1 手指與手掌結構分析

人類的手掌主要是由骨骼、血管、神經、韌帶與肌腱等所構成 的，是一個多功能、敏感且動作精確的器官。手部的骨骼結構大致包 括有、手腕骨、掌骨及指骨等， 其骨骼的組成(如圖2.2)[13]。

圖2.2 手指與手掌結構圖(胡明一, 1995)

(1)手指與手掌結構分析

手指的運動包含側偏、屈曲以及伸展運動，側偏運動僅存在於骨關 節的掌指關節，手指的屈曲與伸展運動則存在於掌指關節、近端指間 關節與遠端指間關節，其中手指伸展運動作用的肌群有伸指肌以及背 側骨間肌、蚓狀肌；而手指屈曲運動作用的肌群有屈指深肌、屈指淺 肌以及掌側骨間肌、蚓狀肌，蚓狀肌的作用是在掌指關節處使手指屈

曲，在指間關節處使手指做伸展的動作[14]。

(2)腕部結構分析

手腕為一個構造相當雜複的關節，其中包括了許多的肌腱、神經 與血管，以支援手部的一切活動。腕道是位於手腕的空穴，由許多小 骨骼與韌帶所組成，這條管道的一邊是手背骨骼，另一邊則是橫腕韌 帶，這條管道就是所謂的腕道(Carpal Tunnel)。通過腕道的組織包括橈 動脈、尺動脈與正中神經等一大束脆弱的解剖結構：此外，還包括通 過橫腕韌帶外面與腕部豆狀骨內側的尺動脈與尺神經。負責手掌抓握 的肌腱與正中神經通過腕道，而負責展開手掌的外展肌腱則行經手腕 背部 [15]。腕部是手部功能的關鍵，手部及腕部的運動非常複雜，全 身並無其他組織器官能相比擬，腕關節的骨骼與前臂的尺骨與橈骨相 互聯結，橈骨聯結於手腕拇指側，而尺骨則聯結於手腕小指側。因手 腕關節結構，手掌只能做兩軸的運動。垂直面上為掌屈(Palmar Flexion) 與背屈(Doris Flexion)，水平運動平面則為橈偏(Radial deviation)與尺偏 (Ulnar deviation)(圖2.3)[16]，背屈的動作角度可達75°~80°，掌屈的動 作則可達85°~90°，尺偏動作可達35°~37°，橈偏動作則可達15°~20°[17]

圖 2.3 手腕關節之活動(李開偉,1999)

2.2.2 手部與握把介面操作探討

上羽康夫提及(1985) [18] 手部運動機能分類乃根據拇指與其他各指位 置上的差異，及運動目的之不同，而區分為五類：

（1） 觸壓：最基本的運動機能。

（2） 勾握（Hook Prehension）：手指屈曲，姆指不參與抓握，

例如公事包的提攜。

（3） 精細握持（Precision Handing）：手的中指關節輕度屈曲，

以指尖和拇指間握持，這是日常使用最多的運動機能。

（4） 摘取（Pinch）：物體主要由拇指和食指或中指指尖挾持。

（5）緊握（Power Grip）：這是最強的握物方式，表示手指在最

強的屈曲位，部與物體的大小及形狀有最大的密合程度，

應力會集中於掌心。

事實上，此一分類與kroemer(1986) [19] 對「手部與把柄尖之耦合」

所作之分類，極為類似：(如圖2.4)

1.手指觸摸 2.掌觸 3.指腹捏握 4.指尖捏握

5.拇指腹捏握或鉗握 6.拇食指側捏或側捏 7.三指捏握或書寫握捏 8.拇指尖包覆

9.指掌包覆 10.力握

圖2.4 手部運動機能分類 kroemer(1986)

根據 T. Iberall,1997 [20] 所做的手抓物各種姿勢研究大體上可規劃成 三大類

1.掌心抓握(palm opposition) 2.指端抓握(pad opposition) 3.側面抓握(side opposition)

圖 2.5 總合姿勢變化確認研究

Wells(2001) [21]整理分類出六種手部的抓握(如圖2.6)，大致可分為圓 握(Cylindrical/Prismatic Grips)、側握(Side OppositionGrips)、指尖握

(Grips withPulp/Tip Contact)、鉤(Hook)、圍繞(Enclosure)及壓(Press) 等 的類型。

圖2.6 手部抓握的類型(Wells, 2001)

2.3 模擬軟體介紹

本研究的機構模擬軟體是採用 COSMOS 是SRAC（Structural Research & Analysis Corporation）推出的一套強大的有限元分析軟體來 做手掌模擬器抓握時動作模擬【22】。SRAC 一直至力於有限元CAE 技 術的研究和發展。它能夠讓使用者快速地在電腦上建構好產品的虛擬 模型，完整地等效模擬出實際機構動作情形。也可以做參數化的設定，

藉由更改設計參數，模擬出不同機構動作情況，並找出最佳的設計，

進而縮短了產品開發的時程、減少成本、提升設計品質，能夠克服傳 統上依賴機器設備實作出成品所必須消耗的時間與金錢等缺點，也相 對地提升了市場的競爭優勢，迅速得到分析結果，從而最大限度地縮 短設計週期，降低測試成本，提升產品性量，加大利潤空間。

COSMOS這套運動機構模擬軟體相當強大，主要功能模組有︰

COSMOSWorks 、COSMOSDesignSTAR、COSMOSMotion、

COSMOSFloworks、COSMOSM GeoStar，其中COSMOSWorks 、 COSMOSMotion、 COSMOSFloworks 做為標準插件集成在

SolidWorks 中，整個的使用界面完全是Solidworks 的風格，只須簡單 的操作，便可進行分析。而在本研究所使用的模組基本上是由在 SolidWorks裏完成3D建立與組裝後如圖2.7，輸入COSMOSMotion中完 成手掌模擬器抓握動作模擬分析如圖2.8，所以本研究模擬在設計參數 的變化大多是外觀形狀的變化，相對的CAD與CAE 的整合是很重要 的，藉由兩者的設計與分析找出符合人因工程產品，可縮短產品開發 的時間與金錢。

圖2.7 在 SolidWorks 裏建立 part 與 assy

圖2.8 在 CosmosMotion 模擬

第三章 研究方法

產品受到各種新技術及觀念的影響，產品設計所要考慮的因素 益形複雜。因此，傳統的設計方法已不符時代需求，漸漸取代的是結 合人體工學、生物力學等，符合操作舒適安全有效率以創新設計法 配 合電腦輔助設計的資訊化系統。而本研方法就是以結合人體計測值產 品創新設計法則，建立3D 手掌模擬器並以CAE軟體模擬手姿勢與受 力，以協助產品設計者或相關設計者分析修正並加快其設計與成本。

3.1 研究流程與步驟

圖3.1 為本研究握把創新設計與虛擬測試平台研發流程架構圖

[23]，本論文研究的理論與設計架構重心是依循上述圖3.1 的研究流程

與步驟進行握把的創新設計，首先是資料的收集，包括目標產品DV 選定與相關資料庫的建立，然後是依據人體計測相關資料來建構模擬 器，之後將依照基本參數化DV 握把幾何模型建構，將影響 DV 握把 握持穩定的設計因素列出就設計因素參數化後，輸入手掌模擬器內進 行動作模擬，並將模擬結果依握把設計法則評估模組來判定是否符合 DV 握把設計原則，若是判斷 NG 則再從新改變影響 DV 握把握持穩 定設計因素的參數輸入手掌模擬器內進行動作模擬，如此循環模擬達 到符合DV 握把設計原則 OK 則跳出。

圖3.1 研究方法握把創新設計與模擬測試平台研發流程架構流程圖[鄭璧瑩ＣIDM Lab 2007”[23]]

目標產品選定

3.2 目標產品選定-「掌上型DV」

本研究選定數位「掌上型DV」作為研究案例，「掌上型DV」

是近年來發展相當快速的消費性電子產品，用於汰換週期逐漸縮短，

提高了設計需求量，且主體造型與操作適合進行虛擬手部運動模擬，

故選擇掌上型DV作為對象，各部位定義說明如下圖(3.2)所示:

圖3.2 DV各部位說明圖

3.3 相關資料庫之建構

建立包括目前現現有掌上型DV主體架構與手握持姿勢之探 討、人體手掌計側值、基本握把設計原則歸納等資料庫。

3.3.1

掌上型DV資料整理 1. 市場現有機種整理

掌上型DV數位攝影機是近年發展相當快速的消費性電子產品。目 前市面上各大廠(SANYO，CANON，JVC，AIPTEK …等) 的產品調 查如下(圖3.3）所示。

SANYO AIPTRK JVC

SAMSUNG CANON DIGLIFE

SONY PANASONIC

HITACHI

圖3.3 市場現有機種

2. 樣式分析

依據現有「掌上型DV」資料，目前樣式可區分成 1.直握式 (圖3.4) 2. 橫握式 (圖3.5)。

圖3.4 直握式

圖3.5 橫握式

樣式特性說明 (表3.1)

本體型式 特性說明

直臥式

此類型體機都比較小型，無須再增加手背環帶幫助 握持，但因體積小其他按鍵不易擺放同一區，操作 較無法靈活。

橫握式

此類型體機相較大型，須曾加手背環帶幫助握持，

其體積面積夠大所以按鍵擺放較ㄧ致，操作上較順 暢。

直立式又可分鏡頭與本體組合成90°、125°、或可旋轉這3種如圖3.6 所 示

圖3.6 鏡頭與本體組合種類

90° 125° Rote 90°

3.3.2

手掌模型建構參考資料整 1.人體計測手掌 2D 尺寸探討

設計是在使構想更加具體化，其結果輸出能滿足人類的求，

具有形、結構及所應具有的功能。由於本研究重點不在人體計測上，

故所建立人因資料庫的計測資料，引用自行政院勞委會「台灣地區勞 工人體計測資料庫」[24] 裡的資料詳細完整，故本研究以此為依據。 圖（3.7）~ 圖（4.5）及 表（3.2）~ 表（3.4）的數據將做為後續手部 模擬尺寸及動作之來源。

(A) (B) (C) 圖3.7 手掌測量 (A)手長 (B)手掌長 (C)食指長 [24]

表3.2 手部長度的尺寸資料 [24]

在文檔中 3C產品握把創新設計法則之探討 (頁 21-0)