基于壓痛耐受力的手柄接觸面人機形態(tài)設計

1、基于壓痛耐受力的手柄接觸面人機形態(tài)設計摘 要：為使手柄接觸面形態(tài)設計具有更好的生理學和力學基礎，從而提高手柄的人機性能，從人體疼痛感知 特性出發(fā)，在模擬實驗室中對160名受測者進行手掌壓痛耐受力實驗$將壓痛耐受力數據作為外載荷，采用能量 優(yōu)化模型對手柄接觸面人機形態(tài)進行初步設計并獲得標準靜態(tài)曲面，采用骨粒串主導的曲面變形技術和Dexmo 手部動作捕捉設備，對標準靜態(tài)曲面進行變形并完善手柄形態(tài)設計方案$實驗和評價結果表明，新方案比傳統(tǒng)提 手手柄具有更大的工作接觸面積和更高的主客觀舒適性，顯著提高了人在工作時的單手提力$關鍵詞：壓痛耐受力；接觸面人機形態(tài)設計；人機工程；手柄設計Handle con

2、tact surface man-machine shape design based on tenderness toleranceAbstract： To make the handle contact surface shape design have better physiological and mechanical basis for impro0 ving the man-machine performance of handle，160 samples were subjected to palm tenderness tolerance test based on the

3、pain perception characteristics. The tenderness tolerance data was used as the externa 1 load，and the energy opti0 mization model was applied to preliminarily design the man-machine shape of the handle contact surface. The bone surface0oriented surface deformation technology and Dexmo hand motion ca

4、pture device were used to deform the standard static surface，and the handle form design was implemented.The experimental and evaluation results showed that the new program had a larger working contact area，higher subject i ve and object i ve comfort，and a sin0 gle hand weight capacty was significant

5、ly improved. Man-machine shape design method of handle contact surface based on pain tenderness tolerance provided a more scientific basis for shape design of handle.Keywords:tenderness tolerance; contact surface man-machine shape design； ergonomics; handle design=引言手柄接觸面設計是產品人機形態(tài)設計領域最復 雜的研究課題之一(1)，

6、主要原因為：手掌曲面形狀 十分復雜；手掌曲面在不同工作姿態(tài)下也會產生 相應的變形；工作時受到外部機械壓力，手掌曲面 會發(fā)生復雜變形，即接觸變形；疼痛感是接觸面主 觀人機評價的重要因素，手掌的感知神經末梢豐 富，疼痛感知閾值較低，對疼痛等不良感受的感知更 加靈敏$因此，手柄接觸面設計具有曲面形狀復雜、 曲面變化豐富、舒適度要求高、不適感知靈敏等 特點$目前，計算機輔助接觸面人機形態(tài)設計主要 有兩種方法：基于人體形狀尺寸的設計方 法3-5，利用不同的測量方式對人體數據進行采集 并擬合曲面，再進一步考慮人體曲面的接觸形變， 利用遺傳算法等對初步生成的曲面進行修正和優(yōu) 化，這種方法更適用于人體不發(fā)生接

7、觸變形或變 形輕微的接觸面人機形態(tài)設計；基于接觸面壓 力的設計方法，以接觸面壓力作為設計驅動因素, 通過測量接觸面壓力數據，采用形態(tài)映射、能量 優(yōu)化等方法求解曲面方程，來進行接觸面的人 機形態(tài)設計，該方法更全面地考慮了人體因接觸 變形導致的自身形狀變化，更符合接觸面人機形 態(tài)設計的實際情況。為減輕用戶痛感，避免局部組織損傷，更好地達 到提升產品人機的主觀舒適性和客觀安全性的目 的，本文在考慮人體接觸變形的基礎上，進一步考慮 壓強分布的合理性，完善疼痛耐受力測量方法并進 行實驗，使用疼痛感作為曲面建模的虛擬載荷，提出 一種基于壓痛耐受力的手柄接觸面人機形態(tài)設計方 法,旨在獲得更加合理的手柄接觸面

8、人機形態(tài)，從而 根據手掌各部分疼痛耐受能力的不同更加科學地分 配接觸面的機械壓力。1疼痛感知特性和耐受力實驗要點L1疼痛感知特性疼痛研究國際協(xié)會定義，疼痛是與實際或潛在 的組織損傷相關聯的不愉快的感覺和情感體驗 根據定義可知，由手柄接觸面產生的手掌痛感并非 源于手掌組織的真實損傷，應屬主觀心理預警范疇, 因此個體之間的疼痛閾值和疼痛耐受能力存在主觀 差異。影響個體疼痛耐受力的因素包括年齡、社會 文化背景、個人經歷、個性心理特征、情緒、注意力、 疲勞程度、溫度等。1.2手掌壓痛耐受力實驗要點手掌壓痛耐受力實驗的目的是通過壓力測量設 備采集引起手掌各點疼痛感知的機械壓力數據，根 據人體的疼痛感知特

9、性，為更科學有效地采集實驗 壓力數據，將實驗要點整理如下：實驗環(huán)境因為人體疼痛耐受力受外部環(huán) 境影響，尤其是溫度對疼痛耐受力的影響較大，所以 實驗應在真實工作場景或模擬真實場景的實驗室中 進行。測量工具采用專業(yè)壓力測量儀。為了使 采集點之間互不干涉，探頭測量位置應該相切或相 離。設受測人員最短指關節(jié)的長度為L心，施壓探 頭直徑為Cw, 一個指節(jié)中需采集的插入采集點數 據為Ng個，則ChedLmin/Nj。經比較研究發(fā)現, 探頭直徑過大會導致采集點疏散或采集點數據相互 影響，從而影響數據采集的精度；直徑過小，難以對 機械壓力進行逐步微增，也容易在實驗過程中造成 組織損傷和不良的心理影響樣本篩選

10、在樣本選擇上，由于疼痛耐受力 具有個體差異，應選取真實的目標用戶人群進行 實驗樣本心理由于樣本的疼痛耐受力受心理 因素的影響，為消除樣本在實驗過程中產生的焦慮、 茫然、緊張等影響實驗數據有效性的不良情緒，實驗 前需對樣本進行心理輔導。心理輔導主要包括： 充分告知實驗的目的、意義、過程、時長、保護措施等 信息，增進樣本對實驗的了解，使樣本明確自身任 務，從而提高樣本的配合度；告知樣本在實驗過程 中可能產生的不良感受，如疼痛感等；為了避免他 人施加機械壓力導致的樣本心理緊張，可由樣本自 主施壓；構建樣本的疼痛聯想，使樣本將實驗過程 中的痛感聯想為實際工作中的痛感，以提升數據采 集的有效性。測量位置

11、由于個體手掌存在大小、形狀的 差異，機械壓力的施加位置不應采用絕對坐標系表 示。手掌骨骼和關節(jié)是手掌天然的相對坐標系統(tǒng), 可利用手掌關節(jié)位置確定機械壓力的主要測量點, 并在關節(jié)測量點之間插入補充測量點。過程控制 施壓時，機械壓力從0開始逐步 增大，增壓的過程要適當緩慢，避免因意外損傷和突 發(fā)刺激對樣本造成不良的心理影響。另外，實驗對 樣本手掌進行多點測量，每次測量一個點，兩次測量 需要有一定時間間隔，間隔時間需保證上次測量的 疼痛感完全消失。疼痛量化采用主訴疼痛分級法對主 訴疼痛分級法進行簡化，將實驗過程中產生的疼痛 分為,級：I為無痛感；)為有痛感，可以忍受；,為 有痛感，無法忍受。采用)的

12、突變點作為樣本 的疼痛耐受力數值。實驗過程中，樣本通過語言隨 時向實驗人員描述疼痛強度。2手柄接觸面人機形態(tài)設計能量優(yōu)化模型將實驗獲得的數據作為外載荷，利用能量優(yōu)化 模型設計靜態(tài)曲面。能量優(yōu)化法以曲面擁有的最小 物理變形能量為目標，采用約束和施加外載荷的方 式控制曲面形狀，其優(yōu)勢在于可以通過接觸面壓力 分布驅動曲面形態(tài)設計，為手柄接觸面設計提供更好的力學依據!1#曲面物理能量模型為(1)E = F(以 11W! + 2以12 WUWS + a22 E! + &11E! + 2&12 WW +&22W!) 2w/(u,s)dudw0 式中：W為曲面參數方程(W,W為曲面的二階導 矢(W , WS

13、為曲面的二階偏導矢(W為混合偏導 矢(a和&為給定的材料特性參數，決定物體抵抗變 形的能力；一2w/ (u, s)是外加載荷修正項，記 為 E(1)F(U, S)為曲面受到的外載荷，本文將手掌壓痛 耐受能力對應的壓強值作為外載荷o設Niessv為第 個樣本第M個測試點受到的壓強數據,第M點的總 體平均值Press, = press, ,則手掌壓痛耐受力實驗1壓強Press= ) Pr1 , Press? , ,Pressm & f (u , s)是 po關于坐標點的矢量方程形式o以Bezier曲面為例,設P, ( = 0,1,2 ,，i , =0,1,2 ,，)為)+1) X (i + 1)個

14、空間點列，則 nXm次張量級形式的Bezier曲面定義為w(us) = ( (Bi,m(u) B,&n(s)(i = 0 , = 0us $ 0 & 1 o(2)式中 Bi,m (u) = Cm u (1 u)m_i , B, ,n (u) = Cn UM (1u是Bernstein基函數#則外載荷修正項為EforceEforce=-2(為 * FF= 0 , = 0Bz, m(Bz, m(u) B,n(s)f(u,s)duSo整理式(1)式(.),求解最小能量即求E的 最小值,采用數學規(guī)劃法，以C2曲面為例，優(yōu)化目標 有(n + 1) X (m + 1)個變量P, ,可用拉格朗日乘子 法求解

15、 即min(； X7HX + gTx)#(4)式中：X為有控制點坐標分量組成的N維向量, $ = 3(m + 1) (n + 1) ,m + 1 , n + 1 分別為曲面 控制點的行數和列數為N階對稱正定方陣,用 于確定能量函數的二次項；g為N維向量,用來確 定能量函數的一次項；H和g為a和&的函數句o 文獻7-8對C2曲面能量法的求解過程進行了詳盡 地闡述。最小能量計算結果對應曲面的函數記為Surf (u s) ,其與外載荷有相同的起伏趨勢,需進行鏡像 處理;另外，在不造成傷害的前提下，手掌能夠產生 的最大變形是一定的。因此,曲面的峰值需控制在 一定范圍內。對Surf(u ,s)進行處理和

16、優(yōu)化,獲得 的最終曲面為Surf(u s) =Surf (u ,s)(5)式中1為變形系數，可以有效控制值曲面Surf (u , s)上的點的!軸坐標范圍,使其高度極差符合皮膚 變形量，從而滿足和釋放皮膚的變形能力。3骨粒串主導的曲面變形關鍵技術通過能量優(yōu)化模型獲得的靜態(tài)曲面需根據手掌 的工作姿態(tài)進行變形,才能更好地應用在產品設計 中。骨粒串主導的曲面變形技術在曲面上根據人體 骨骼設置骨粒串，通過骨粒串模擬工作狀態(tài)下的骨 骼姿態(tài),不但可以在沒有人體解剖的基礎上高度真 實地驅動曲面變形，而且能夠有效防止曲面直接變 形中存在的塌陷、萎縮等問題10o將關節(jié)記作o,骨粒記作b(Oi表示第i個關節(jié), i

17、 = 1,2,3 ,n, n為關節(jié)數量；b,表示第i個關節(jié) 控制的第,個骨粒,=1,2,3，,m ,m為關節(jié)對應 的骨粒數量。因為骨粒不僅自身運動,還驅動曲面 變形,所以每個骨粒不僅具有空間坐標值,還需構建 局部坐標系，以計算在局部坐標系中相應曲面坐標 點的變化。b = !POS ,LC , (s,；(6)s = !POSLo(7)式中：POS為骨粒的世界坐標；LC是以b為原點的 局部坐標系；s為附著在b上的曲面點；POSL為曲 面點s在局部坐標系LC中的坐標值。一般來說,關節(jié)運動通常分解為繞X軸、丫軸、 !軸的旋轉，但曲面點位移需通過骨粒來扭轉,因此 采用扭轉分量T、扭轉角度3、旋轉分量R、

18、旋轉角度 $表示關節(jié)運動。M(t，灸)表示人體第E個關節(jié)OE 在第？幀的運動姿勢，M(t E) = T(t ,k)R(? ,E)。(8)式中扭轉分量只影響骨粒點的局部坐標系朝向， 用于計算曲面點的新坐標,并不影響骨粒點的坐標o 3.1骨粒新坐標計算方法以拇指關節(jié)為例(如圖1),為方便表述,記O為 拇指第1關節(jié),OP為第2指節(jié)骨粒串(連接手掌的 指節(jié))&OQ為第1指節(jié)骨粒串。J繞指關節(jié)旋轉$ 到達Q時，原OQ骨粒串上的每一骨粒坐標的計算 方法如下：(1)確定變形范圍 Dr運動時，將靠近關節(jié)處的骨粒串段運動視為塑性變形，遠離部分的骨粒串 段視為剛性運動#在OPOQ上設定臨界點 則PNQ 為剛性運動

19、段Pq為塑性變形段#(2)骨粒旋轉權值計算 為使曲面彎曲更加自 然光順,將圓弧P/作為Pq的變形結果,P/的兩端 與pP Q相切。使旋轉角度。均勻分布在每個骨 粒上,則骨粒九的旋轉權值I pb2DI pb2Dr = pRotate(O B b$) #(10)式中：O,為圓弧p的圓心OK為垂直于平面pO, 的旋轉軸R(tt(t(OfB B$)表示繞OfB旋轉的旋轉矩陣#3.2曲面點新坐標計算方法的旋轉矩陣#計算曲面點新坐標時,需在骨粒點新坐標的基 礎上計算局部坐標系LC的轉向矩陣G：B = Rotate (-7 B()Rottte(IR B$) # (11) 式中 Rot(t(lT , b()和

20、 Rotate (-R, b$)分別表示 局部坐標系繞扭轉軸-7旋轉的變換矩陣和繞 旋轉軸軸-旋轉的變換矩陣。設s哥為附著在&上的第E個曲面點的坐標。將 E在LC中的新坐標疊加到上,則E的新坐標s i,k = b 十 Si,kCi。(12)4手柄接觸面人機形態(tài)設計過程手柄接觸面人機形態(tài)設計過程十分復雜,上述 內容僅涉及設計過程中的關鍵技術,勾勒出設計過 程的3個重要階段：手掌疼痛耐受實驗和實驗數 據的獲取;將手掌疼痛耐受實驗數據作為外載荷, 利用曲面能量優(yōu)化法求解曲面,獲得靜態(tài)曲面模型; 采用曲面變形技術將解出的曲面根據手掌的操作 姿勢進行變形和應用。另外,設計過程還包括構建 實驗環(huán)境、評價應

21、用效果、優(yōu)化設計等內容。設計過 程如圖2所示。(9)5實驗數據和實例驗證(9)本文采用艾普壓力測試儀SF-100 由于受測人 員小指指節(jié)的最小長度為17 mm,為方便插入3個 互不干涉的測試點,選用設備自帶直徑5 mm平底 探頭,利用峰值測量模式,對160名男性搬運工的指 部(61個采集點)和掌部(56個采集點)進行疼痛耐 受力實驗,受測人員年齡在2130歲之間。為確保 數據的有效性,將實驗數據分為兩組,信度檢測克朗 巴哈系數為0. 883,大于0. %。其中最大值為 66. 1 N,最小值為15. 3 N,數據的歸一化結果如表 1和表2所示。表1指部壓痛耐受力數據拇指食指中指無名指小指手指末

22、端0. 540.210.290.120.10插入點10. 390.120.080.120.08插入點20. 190.050.040.000.01插入點30.270.050.080.090.08第1關節(jié)0.610.280.270.210.15插入點40.520. 480.370.270.43續(xù)表1插入點50. 730.330.300.200.26插入點60. 490.160.270.150. 19第2關節(jié)0.170.250.220.22插入點70.360.460.280.51插入點80.350.400.310.43插入點90.410.380.380.32掌指關節(jié)0.330.220.260.160

23、.13表2掌部壓痛耐受力數據食指蚓狀肌插入點10中指蚓狀肌插入點11無名指蚓狀肌插入點12小指蚓狀肌食指蚓狀肌0. 310.240.270.210.230.190.23插入點140. 470.340.470.400.460.270.40插入點150.700.510.810.710.720.530.48插入點160.490.590.680.940.970.860.46插入點170.500.560.530.670.730.620.46插入點180.480.680.910.860.870.830.59插入點190.290.510.720.870.990.570.56大魚際底端0.150.371.00

24、0.830.670.590.73將手掌壓痛耐受力實驗數據作為外載荷，由于 受測對象皮膚的變形深度為3 mm,將變形系數1 設置為0.3,采用能量優(yōu)化模型獲得的標準靜態(tài)曲 面如圖3所示，所獲得的新曲面高度極差為3 mm。圖3標準靜態(tài)曲面針對提手手柄形態(tài)設計，截選工作接觸面，利用 Dexmo手部變形設備和骨粒串主導的曲面變形技 術對標準靜態(tài)曲邊進行變形，經完善設計后，得到提手手柄形態(tài)設計方案，如圖4所示。a方案視圖1b方案視圖2圖4提手手柄人機形態(tài)設計方案利用3D打印技術將設計方案實體化，并選取5 名非實驗人員對新方案和傳統(tǒng)提手手柄進行比較試 用和評價。評價通過兩個實驗完成：(1)有效接觸面染色實驗在提手工