基于人机工程学的牙刷设计2.docx

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基于人机工程学的牙刷设计2

基于人机工程学的牙刷设计-2

基于人机工程学的牙刷设计

牙刷产业的市场调研

中国是世界上牙刷生产量最大的国家，以及牙刷使用量最大的国家。

2004年产量约为35亿支,中国大陆消费量为730595900支（约7.3亿支，约合人民币15亿元）；2005年产量约为50亿支，中国大陆消费量为890036200支（约8.9亿支，约合人民币18亿元）；截止2006年7月的产量约为28亿支，中国大陆消费量为565603100支（约5.6亿支，约合人民币12亿元）。

　　2004年中国大陆人均牙刷消费量为0.56支（1.18元），2005年中国大陆人均牙刷消费量为0.68支（1.41元）。

换句话说，2004年中国人平均21.4个月换一支牙刷，到了2005年，中国人平均17.6个月换一支牙刷。

这个趋势看来比较乐观：

中国人在过去2年中牙刷更换频率增加了21%。

按这样的趋势，到2012年，中国大陆牙刷消费量将达到2617753529支（约26亿支），是2005年的2.92倍；到2014年，中国大陆牙刷消费量将达到5235507059支（约52亿支），是2005年的5.84倍，和2005年中国大陆牙刷产能基本一致。

根据2006年7月统计结果，中国大陆牙刷平均零售价格为2.13元，2005年同期为2.07元，价格同比增长2.9%。

按这样的价格增长趋势，中国大陆到2011年的牙刷消费金额约为68亿元人民币，到2014年的牙刷消费金额约为148亿元人民币。

如此大的产业集群及消费情况表明，牙刷的合理设计对于行业来说显得十分重要。

随着人们生活水平的提高，人们对自己的身心健康日益重视。

“病从口入”这句话早已成为人们的口头禅，人们都知道对自己所吃的东西把好关。

但是，人们却忽视了“病从口入”的另一个方面，那就是口腔卫生的问题。

我们知道，口腔是人消化系统中的第一道关，牙科疾病将直接影响到人的消化。

有关牙科专家指出，牙科疾病还会引起心、脑、脊柱等身体其他部位的一些疾病。

据统计，我国超过70％的人有这样或那样的牙科疾病。

可见，维护口腔卫生是非常重要的。

牙刷设计的人机工程学分析

刷牙是我们日常保持口腔清洁、健康的重要方法之一。

它能消除口腔内软白污物、食物碎片和部分牙面菌斑，而且有按摩牙龈作用，从而减少口腔环境中致病因素，增强组织的抗病能力。

刷牙对于预防各种口腔疾病，特别是对于预防和治疗牙周病和龋病等具有重要的作用。

牙齿是人类赖以生存的重要器官，它是构成咀嚼器官的主要部分，也与语言、容貌和健康有密切关系。

要想拥有一口健康漂亮的牙齿，除了养成良好的刷牙习惯和正确的刷牙方式外，备有一把设计合理的牙刷也是至关重要的。

尤其是在牙刷的人机工程学上要考虑得尽量周到。

于是，本文对目前市场上的牙刷进行了调查分析，把重点放在人机工程学上，对牙刷进行改进设计。

刷牙是保持口腔清洁的重要措施，它的作用是除去牙齿上的残存的食物，又不损伤牙龈组织。

每一种牙刷都是针对某一使用者群体（如儿童、老人）而设计的，它不可能适用于所有的使用者，所以，选择一把适合自己口腔情况的牙刷就显得非常重要了。

（1）牙刷的刷头要适合个人口腔的大小，不宜过大，刷毛不能过硬、过密、过长。

（2）少年儿童、老年人或牙周病患者，应选用较软的牙刷。

（3）吸烟、爱饮浓茶者，色素容易沉积于牙面，应选用中等硬度牙刷。

（4）戴有固定正牙器或口腔内有固定修复体者，要在口腔科医生指导下选用特制的异形牙刷，如“V”形牙刷（刷毛毛束排列呈V形）。

牙刷的日常保护

选择好一把适合自己口腔情况的牙刷后，还要懂得保护牙刷的方法。

（1）牙刷使用后要注意清洁，尽量甩掉刷毛上的水分，然后将刷头向上放于漱口杯中，置于干燥通风处。

不宜放于密闭的牙刷盒中。

（2）尼龙丝牙刷毛可以制成不同的软硬度，弹性好，对牙齿的清洁作用及牙龈按摩作用均佳。

经久耐用，而且干得快，因而多被采用。

但尼龙丝受高温易变形，所以不能用高温水洗，更不能用煮沸的方法消毒。

（3）发现刷毛卷曲时应及时更换。

现有牙刷分析

A.电动牙刷是以电能为动力使刷头运动的一类牙刷。

电动牙刷按刷头运动方式可分成三类：

（1）传统的横向移动式牙刷（可同时伴有纵向移动）

（2）新颖的旋转式牙刷（可有顺时针和逆时针旋转两种）

（3）高频超声振动电动牙刷

B.旋转式电动牙刷：

主要由防护罩、牙刷头、永磁式直流檄电机、手柄盒等组成。

牙刷头的刷毛束沿周围单排交错分布，刷毛束之间保持2—5倍刷毛束直径的间隙。

牙刷头是可装卸的。

在使用过程中．牙刷头旋转．刷毛只有部分圆周面与牙齿接触，这种牙刷对清洁齿面效果明显，但对牙齿邻面的清洁效果不佳。

C.超声波电动牙刷：

超声波是指超出人耳可听频率段（20－20000Hz）的声波。

目前已在半导体清洗、眼镜清洗等方面得到了广泛应用。

超声波牙刷采用最容易渗透人体的1600000HZ声波，可有效清除各种细小污垢。

但超声波的振动声会使人产生不适。

手动牙刷即无任何特殊装置的普通牙刷。

握柄的角度是手动牙刷设计研究中的重点。

手动牙刷的刷毛排列：

近年来的一些文献显示刷毛的排列及刷头与手动牙刷的刷毛排列有以下几种：

十字交叉式、高低交错式、锯齿状、垂直平齐式及专用于正畸病人的凹槽式。

有研究认为，刷毛呈十字交叉排列的牙刷与垂直排列的牙刷比较，前者对邻面间隙和龈沟的清洁效果好，且对牙龈损害小。

手动牙刷的刷柄与刷头所呈的角度：

最常见的牙刷为直柄牙刷，此外，还有带有前倾角、后倾角的牙刷。

电子牙刷是刷头能够提供电子来破坏菌斑，从而达到保护牙齿的一类牙刷。

电子牙刷所产生的电子与菌斑内的H＋结合，使H＋浓度下降，PH值上升，从而降低菌斑的产酸力。

磁疗牙刷是通过牙刷产生的磁场影响菌斑内乳铁质和转移铁，从而破坏菌斑，同时还能促进牙周血液循环的一类牙刷。

磁疗牙刷对牙龈炎的改善作用较手动牙刷好。

综上所述，目前的研究结果倾向于认为电动牙刷去菌能力优于手动牙刷，旋转式电动牙刷较侧向移动式清洁效果显著；超声电动牙刷除机械去菌斑作用外，声微流现象是其去菌斑

的另一重要机制

（1）刷毛、刷头与刷柄

天然猪鬃：

天然毛鬃牙刷比较柔软，其清洁效果及吸附牙膏较好，不伯热水烫，但干得很慢，不如尼龙丝刷毛美观，使用时间也较短。

一般牙龈易出血的人宜选用刷毛较软的牙刷。

尼龙丝：

因为尼龙丝毛牙刷对牙齿的清洁作用及按摩作用均佳，弹性好且耐磨，所以尼龙牙刷的应用更加广泛。

①尼龙纳米粘土复合材料

尼龙纳米粘土复合材料是在尼龙里面添加了一种特殊的纳米粘土复合材料，使得尼龙的强度、韧度等物理性能大大提高。

主要产品包括尼龙6、尼龙66等四大系列产品，有直径0.18mm－0.3mm各种规格。

抗菌牙刷丝等新产品已进入小批量生产。

“高露洁”、“两面针”、“芳草”等著名品牌牙刷的牙刷丝就采用此种材料。

②PBT纤维

PBT纤维是聚对苯二甲酸丁二酯纤维的简称。

PBT纤维具有一下一些特点。

a．它具有很好的抗倒毛性，以及良好的耐久性、尺寸稳定性和较好的弹性，且弹性不受湿度的影响。

b．具有良好的染色性能，色牢度优良。

c．具有优良的耐化学药品性、耐光性和耐热性。

③聚丙烯刷丝（PP）

采用纺丝级聚丙烯切片纺制，质轻、硬度高、弹性好，耐较高温度且无毒副作用，色泽艳丽经久不退，适宜做工业刷和民用生活用刷。

规格为：

直径0.20一0.30mm。

④尼龙1010

尼龙1010是中国独有的有机化工原料，无毒无臭，透明洁白。

用尼龙1010切片纺丝成形的牙刷丝透明光亮，无色差，丝条均匀，弹性好，耐折挠，不易倒毛，质地刚柔相济。

规格有：

直径0.2mm，直径0.25mm和直径0.30mm三种。

（2）刷毛质地

从刷毛的质地上来说．有硬毛牙刷与软毛牙刷，还有中硬混合牙刷。

硬毛牙刷对牙齿的清洁效果较好，但对牙齿的磨损作用和牙齿的损伤也较大；软毛牙刷能进入牙龈边缘以下及邻面间隙去除菌班，但对较厚的菌斑则不能完全去除。

中硬混合牙刷，硬毛可有效清洁，中性毛可按摩牙龈。

（3）刷柄材质、形状

刷柄材质塑料、橡胶

刷柄侧面形状内弯直线外弯

（4）刷毛排列

目前市场上出现的牙刷，有四排毛、三排毛和二排毛三种。

刷毛最多的50束，最少的14束。

一般牙齿健康的成年人，以选用四排毛的牙刷为宜。

这种牙刷刷毛弹性好，洁齿力强，刷牙时省力。

儿童最好选用两排毛NJL童牙刷。

其牙刷丝较软，能较好地保护儿童乳牙发育。

有牙病的人或老年人应选择三排毛牙刷。

这种牙刷刷头小，刷毛较软，使用时不伤牙龈，轻巧灵活。

牙刷刷毛的排列也各不相同，有直线形、锯齿形、波浪形和v形。

这些排列形式都能较好地消除牙齿缝隙间的食物残渣。

牙齿比较整齐的可选用直线形牙刷；牙齿不太整齐的人最好选用v形牙刷。

直线形REACH,Oral-B经典型，流线型黑人灵活锥形、Oral-B接触型

锯齿形三笑No.D2001，No.D2016，Oral-B先导型，Colgate先驱型、全效型、旋风型、多功能波浪形，两面针No.L1，甜甜笑No.T9009，黑妹

波浪形三笑No.D2002，No.998，Crest防蛀伴侣，Colgate适齿波浪形、超感型，梦仕No.MS-8010

V形梦仕No.MS-8004，甜甜笑No.T9005，黑人“晶莹按摩”

（5）刷头形状

方形三笑No.D2005

圆拱形REACH，黑人“晶莹按摩”

椭圆形三笑No.2016,Orai－B，Colgate，两面针，黑妹，Crest

三角形三笑No.D2002，佳洁士;

钻石形三笑No.998，三笑No.D2001，Colgate旋风型

3、尺寸统计

全长188.3mm10.8mm

握柄长109.2mm8.9mm

前柄长79.1mm10.3mm

刷头长30.7mm5.06mm

刷毛长11mm1.2mm

牙刷操作分析

1、人手腕部的受力特征

腕部的形态分为挠侧偏、尺侧偏、背侧屈、掌侧屈和正中五种形态，正中为自然形态。

其余四种状态均为非自然形态。

正中位置是手的自然位置。

在此位置，手的腕部受力状态最佳，因此，在进行牙刷设计时，应尽可能使手处于正中状态操纵牙刷。

2、刷牙方式分析

人手具有极大的灵活性。

单就抓握动作而言，也有多种方式。

其中主要的三种形式是前倾式、后倾式和无角度式。

根据人手腕部的受力特征，刷洗牙齿内侧，尤其是刷内侧后半部时，刷柄前倾时，人手腕部接近自然位置，手腕感觉最舒适。

刷柄后顿时，手腕处于尺（挠）侧偏状态，感觉最不舒适。

刷洗外侧牙面时，牙刷沿着牙床垂直的方向上下移动。

刷柄后倾时，人手腕部接近自然位置，手腕感觉员舒适。

刷柄前倾时，手腕处于尺（挠）侧偏状态，手腕感觉最不舒适。

刷洗上下咬合面时，直柄牙刷手腕感觉最舒适。

刷洗前表面时，牙刷颈部后倾时，手腕感觉最舒适。

考虑到牙齿内表面，尤其是内表面后半部最难清洁，故应按该位置考虑刷头与刷柄的夹角。

在此位置，采

用颈部前倾式牙刷剧柄，手的腕部受力状态较合理。

颈部前倾式牙刷刷柄虽然解决了前牙内面、牙齿内表面后半部的清洁问题，但是，由于沿齿缝方向清洁内、外表面齿间邻面时，刷柄的施力和刷头的阻力之间存在旋转力矩，致使手难于稳定地持握牙刷。

特别是在狭小的牙床高度空间内，频繁、枯燥的上下移动动作极易造成腕部、小臂、大臂和精神疲劳。

在刷洗外侧牙面、上咬合面以及前表面时，手的腕部还无法保持顺直状态，使得腕部受力更加恶化。

如能将刷头设计成沿齿缝方向的电动旋转式，就可以克服手动牙刷的这一致命弱点。

靠刷头的旋转来完成牙刷沿齿缝方向的相对运动，达到清洁齿间邻面的效果。

这样，就可以避免在狭小的牙床高度空间内频繁的上下移动所造成的疲劳；同时，也可以大大提高洁齿的效率

刷牙方法

刷牙方法有横刷法、贝斯法、旋转法等。

横刷法因为被认为是造成契状缺损的重要因素之一，已渐遭淘汰。

贝斯法使用最为广泛，清除牙颈部及齿龈沟内菌斑的效果好，且对牙龈有良好的刺激。

贝斯刷牙法：

首先在刷牙齿的内（舌腭）、外（唇颊）两面时，将刷毛与牙齿长轴成45度角轻压，刷毛尖端进入牙与牙龈交界的牙龈沟内，水平颤动6-8次，颤动距离约1-2毫米；在刷上下前牙内面时，可将牙刷竖起，用刷头尖端的刷毛作水平或垂直颤动6-8次；然后，在刷牙齿的咬合面时，要加一定的压力，使牙刷毛尖端能进入咬合面的窝沟间隙中，沿牙弓的方向水平运动，第三，应注意不要遗漏牙列中最末端牙的末端轴面（靠近咽喉的那面），牙刷头尽量向里放，旋转刷头即可刷到。

旋转式刷牙法：

首先，从牙龈往牙冠方向旋转刷。

刷前牙唇面、后牙颊面和后牙舌腭面时，牙刷毛束的尖端朝向牙龈，即上牙朝上，下牙朝下。

牙刷毛与牙面呈45度角。

第二步，将牙刷朝冠向作小环形旋转运动。

第三步，顺牙缝刷洗，即可将各个牙面刷干净。

刷前牙舌腭面时，牙刷毛束尖直接放在牙齿的舌腭面，上牙向下拉，下牙向上提，刷后牙咬合面时将刷毛放在咬面上，前后来回刷。

改良贝斯法：

以上两种方法结合使用，是目前认为比较有效的刷牙方法。

刷牙时间和次数

国内外有关资料表明，科学刷牙的最佳次数和时间是每天刷牙三次，每次都在饭后3分钟后刷，同时每次刷牙3分钟。

这是因为饭后3分钟正是口腔齿缝中细菌开始活动并对牙齿产生危害的时刻。

正确的刷牙时间和次数对口腔的健康起着至关重要的作用。

3、刷牙压力及压强

刷牙的压力指刷头对牙面的正压力。

刷牙压强指牙刷与牙面接触后，刷毛单位面积上所具有的力。

刷牙压力大小因人和牙刷而异，儿童用力一般小于成人，电动牙刷所施之力小于手动牙刷。

使用多大压力较为适当呢？

Hasegawa等提出最适力的概念，他们认为最适力指清洁效果最佳，牙龈无疼痛感亦不出血时的刷牙压力。

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。

牙刷尺寸计测

1、计测对象选择

计测群体的选择与牙刷的使用群体应相同。

例如，可以选择15－55岁的男女作为使用群体和计测群体。

2、计测项目选择

（1）手部：

主要包括拇指指幅、把握长度、把握直径、最大展曲角、最小展曲角、张弯最大角、张弯最小角、牙床弯度和牙床高度。

（2）齿部：

主要包括牙床弯度和牙床高度。

3、统计计测值

名称平均值标准差

拇指指幅19.77mm1.47mm

把握长度121.9mm3.5mm

把握直径13mm1.2mm

展屈最大角183.18°3.38°

展屈最小角130.96°2.814°

最大张弯角249.34°3.708°

最小张弯角114°2.43°

牙床弯度22.6°1.071°

牙床高度15mm2.6mm

现状分析

每颗牙有五个面、即颊、舌、咬合及两个邻面。

设计的牙刷应保证这五个面都能刷到。

刷牙的方法、刷牙时间的长短、压力大小均是影响清洁效果的重要因素。

但是通过调查市场上存在的牙刷，普遍存在的问题就是不能使牙床的各个面刷到，总是存在死角，而且牙刷的尺寸、角度如果设计不合理，人在使用的时候就会产生肌肉的过度劳累。

牙刷设计的改进设想

根据前面对牙刷的现状分析，目前新设计的具体方向是设计出可以翻转刷毛的牙刷，同时要求尽量可替换刷头，解决经常更换牙刷带来的不必要的浪费。

考虑到刷牙时沿齿面上下移动清洁齿缝为主要操作动作，发现普通的牙刷不能让牙齿的各个部分刷到，总是存在未触碰到的面。

这个问题的产生是来自刷头是平直的，没有考虑到牙床的弯曲。

再者为了保证手腕处于自然的顺直状态，避免刷牙内侧时腕部受静态肌力，刷柄采用内弯式。

据统计，牙床弯度在20°－25°之间，新设计应采用的内弯角度最好为12°左右。

因为过大的弯角，会使刷头和刷面之间产生较大的力矩，造成刷牙动作不稳定，这就是我的设计方向。