牙刷的人机工程设计与改良.docx

人机工程学牙刷设计（华北理工大学，机械工程学院，河北 唐山 063009）摘 要 牙刷是人们日常生活的必需品，是人们为了保持牙齿健康及口腔清洁而设计的，它已是生活中司空见惯的设计产品。人们每天都要使用它，刷牙可减少口腔内细菌,减少对牙齿的侵蚀。在人们的生活中起到了极其重要的作用，而他在设计中反应出许多人机工程学的问题，牙刷的设计好坏会给我们的牙齿带来一定的影响，进而影响人们的身体健康。关键字 人机工程 牙刷 口腔 1引言在个人口腔卫生保健的诸多方法中，每日刷牙是预防牙齿疾病最基本、最有效的方法，也是最常用的口腔保健措施。掌握正确刷牙方法，可以有效去除菌斑和软垢，并借助牙刷的按摩作用增进牙龈组织的血液循环系统和上皮组织的角化，从而有助于增强牙周组织对局部刺激的防御能力，维护牙龈的健康。现代社会传统的牙刷已逐步被具有新型刷头、刷毛和刷柄设计，更适合清除残存在牙齿之间及牙齿边缘的食物和菌斑的要求的人性化牙刷所取代。2 刷牙过程的人机关系刷牙时，主要靠手部用力，同时带动前臂及上臂绕肩关节摆动，由手与手臂共同完成操作。因需要手控制牙刷在狭小的空间内对多个牙齿表面进行清理操作，完成短距离移动、转动、摆动等动作，虽然用力不大，但对手部操作的灵活性要求较高。根据Hasegawa等人提出最适力的概念，实验结果显示4—5岁儿童刷牙时，最适力为3N，成人最适力为3-4N。在这里，主要通过刷毛和刷头、牙刷颈部控制来调整人们刷牙的力度，避免伤到牙龈。在刷牙的过程中，从口腔后部最难清洁的牙齿内为表面处开始，在口腔后半部牙齿与前面牙齿的转角（尖牙及双尖牙）处，牙刷的运动方向由直线运动转为眼齿面的弧线运动（如图1）。 3 牙刷主要设计3.1 牙刷前柄设计1前柄尺寸为了保证手腕处于自然的顺治状态，一般采用内弯式。设计采用内弯角度为12度左右。如果弯角过大会使刷头和刷面产生较大的力矩，造成刷牙动作不稳定。根据牙刷的前柄长度可知刷头高=前柄长*tan12=65*tan12=16mm。2前柄材料为保障颈部拥有足够使用强度的同时拥有良好的弹力性能，采用TPE包裹PP的设计，并采用桥形减震装置，吸收过大的用力（如图2）。 图23.2 牙刷后柄设计1后柄尺寸在设计制作牙刷的时候，应该充分考虑到使用者的手部尺度，也就是牙刷合理的长度，宽度，厚度，以及各个功能部分的比例关系。握柄主体采用不对称圆弧形设计, 防止旋转,使得在刷牙过程中不会产生疲劳与把握的不适应。根据人体的标准尺寸（如表1）可知手宽取95%为89mm，从大拇指把住的地方开始算握柄，为了增大摩擦，一般有稳住拇指的阻力设计。并且握柄的长度都比手宽多10-20mm，所以取115mm。2 后柄材料高档牙刷手柄的热塑性弹性体（TPE）KSE5050。KSE5050此款材料具有以下特点：与PCTA和PETG基体粘接力强、手感细腻、抓握力强、无毒无味、易加工等特点，并已取得FDA认证 表1?3握柄直径成人手的长度取95%为196mm，人类握柄最有力的接触长度一般比手的长度少30-40mm，而手的厚度为18-20mm，求得握柄的直径为10-15mm。3.3 头部设计1牙刷的刷头包括刷毛与置毛基座部分， 主要在口腔内运动， 刷头的的形状对刷牙的效果有很大影响。刷毛太大， 运动不变， 对口腔内下颌前齿内、 舌两侧等狭小部分的清洁效果不佳。儿童的口腔小， 乳牙釉质矿化较差， 应使用柔软刷毛的小刷头牙刷， 以免刺破牙龈。由于口腔后部空间狭小，特别是在清洁后齿各面时，需在狭小空间舒适的完成前后、上下弧线、 斜线运动， 根据这一运动特点， 刷头的形状宜采用近椭圆形并做修缘处理。 根据有关人体尺寸，结合植毛工艺要求，适用于成人的刷头尺寸宽度应为 11~15 mm， 长度为 18~35 mm较为合理2 由人体标准尺寸，后槽牙牙宽约为0.8～1.1mm，牙刷应比其略宽 应设计宽度为1.2厘米。牙刷头长度应当伸到后槽牙尾端时，人手指还距离牙齿大约2厘米。牙刷头高度应等于人在疲劳度很小情况下张嘴后上下牙垂直距离的一半，约为一厘米。人的舌头无数个凸起的味蕾很容易藏污纳垢， 滋生引起口腔异味的细菌，所以用硅胶做牙刷头的底部材料可在刷牙时按摩清洁牙龈及舌苔。表面做成颗粒状，深度清洁。底板应做成稍带弧度，使刷毛略呈放射状，与口腔接触面增大。3.4刷毛的设计 刷毛直接与牙齿接触，借助牙膏的作用， 达到清洁牙齿的目的。刷毛是体现牙刷清洁功能的最主要部分， 因此刷毛的材料、 形态、 排列方式直接影响到刷牙的舒适性和清洁效果。 图3 刷毛丝尖端轮廓1 刷毛材料天然鬃毛用做刷毛材料，虽然具有柔软、吸附牙膏效果等特点，但是因其干燥、寿命短已被丝条美观、易干、视觉清爽的耐力丝（尼龙b12）所替代。这种新型的刷毛材料通过丝尖的磨毛加工，可以做成各种形状（如图3）