基于壓痛耐受力的手柄接觸面人機(jī)形態(tài)設(shè)計(jì)

1、基于壓痛耐受力的手柄接觸面人機(jī)形態(tài)設(shè)計(jì)摘 要：為使手柄接觸面形態(tài)設(shè)計(jì)具有更好的生理學(xué)和力學(xué)基礎(chǔ)，從而提高手柄的人機(jī)性能，從人體疼痛感知 特性出發(fā)，在模擬實(shí)驗(yàn)室中對160名受測者進(jìn)行手掌壓痛耐受力實(shí)驗(yàn)$將壓痛耐受力數(shù)據(jù)作為外載荷，采用能量 優(yōu)化模型對手柄接觸面人機(jī)形態(tài)進(jìn)行初步設(shè)計(jì)并獲得標(biāo)準(zhǔn)靜態(tài)曲面，采用骨粒串主導(dǎo)的曲面變形技術(shù)和Dexmo 手部動(dòng)作捕捉設(shè)備，對標(biāo)準(zhǔn)靜態(tài)曲面進(jìn)行變形并完善手柄形態(tài)設(shè)計(jì)方案$實(shí)驗(yàn)和評價(jià)結(jié)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(shí)的單手提力$關(guān)鍵詞：壓痛耐受力；接觸面人機(jī)形態(tài)設(shè)計(jì)；人機(jī)工程；手柄設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)是產(chǎn)品人機(jī)形態(tài)設(shè)計(jì)領(lǐng)域最復(fù) 雜的研究課題之一(1)，

6、主要原因?yàn)椋菏终魄嫘螤?十分復(fù)雜；手掌曲面在不同工作姿態(tài)下也會(huì)產(chǎn)生 相應(yīng)的變形；工作時(shí)受到外部機(jī)械壓力，手掌曲面 會(huì)發(fā)生復(fù)雜變形，即接觸變形；疼痛感是接觸面主 觀人機(jī)評價(jià)的重要因素，手掌的感知神經(jīng)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$因此，手柄接觸面設(shè)計(jì)具有曲面形狀復(fù)雜、 曲面變化豐富、舒適度要求高、不適感知靈敏等 特點(diǎn)$目前，計(jì)算機(jī)輔助接觸面人機(jī)形態(tài)設(shè)計(jì)主要 有兩種方法：基于人體形狀尺寸的設(shè)計(jì)方 法3-5，利用不同的測量方式對人體數(shù)據(jù)進(jìn)行采集 并擬合曲面，再進(jìn)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(jìn)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(jī)形態(tài)設(shè)計(jì)；基于接觸面壓 力的設(shè)計(jì)方法，以接觸面壓力作為設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)因素, 通過測量接觸面壓力數(shù)據(jù)，采用形態(tài)映射、能量 優(yōu)化等方法求解曲面方程，來進(jìn)行接觸面的人 機(jī)形態(tài)設(shè)計(jì)，該方法更全面地考慮了人體因接觸 變形導(dǎo)致的自身形狀變化，更符合接觸面人機(jī)形 態(tài)設(shè)計(jì)的實(shí)際情況。為減輕用戶痛感，避免局部組織損傷，更好地達(dá) 到提升產(chǎn)品人機(jī)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(chǔ)上，進(jìn)一步考慮 壓強(qiáng)分布的合理性，完善疼痛耐受力測量方法并進(jìn) 行實(shí)驗(yàn)，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(jī)形態(tài)設(shè)計(jì)方 法,旨在獲得更加合理的手柄接觸面

8、人機(jī)形態(tài)，從而 根據(jù)手掌各部分疼痛耐受能力的不同更加科學(xué)地分 配接觸面的機(jī)械壓力。1疼痛感知特性和耐受力實(shí)驗(yàn)要點(diǎn)L1疼痛感知特性疼痛研究國際協(xié)會(huì)定義，疼痛是與實(shí)際或潛在 的組織損傷相關(guān)聯(lián)的不愉快的感覺和情感體驗(yàn) 根據(jù)定義可知，由手柄接觸面產(chǎn)生的手掌痛感并非 源于手掌組織的真實(shí)損傷，應(yīng)屬主觀心理預(yù)警范疇, 因此個(gè)體之間的疼痛閾值和疼痛耐受能力存在主觀 差異。影響個(gè)體疼痛耐受力的因素包括年齡、社會(huì) 文化背景、個(gè)人經(jīng)歷、個(gè)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(shí)驗(yàn)要點(diǎn)手掌壓痛耐受力實(shí)驗(yàn)的目的是通過壓力測量設(shè) 備采集引起手掌各點(diǎn)疼痛感知的機(jī)械壓力數(shù)據(jù)，根 據(jù)人體的疼痛感知特

9、性，為更科學(xué)有效地采集實(shí)驗(yàn) 壓力數(shù)據(jù)，將實(shí)驗(yàn)要點(diǎn)整理如下：實(shí)驗(yàn)環(huán)境因?yàn)槿梭w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(shí)驗(yàn)應(yīng)在真實(shí)工作場景或模擬真實(shí)場景的實(shí)驗(yàn)室中 進(jìn)行。測量工具采用專業(yè)壓力測量儀。為了使 采集點(diǎn)之間互不干涉，探頭測量位置應(yīng)該相切或相 離。設(shè)受測人員最短指關(guān)節(jié)的長度為L心，施壓探 頭直徑為Cw, 一個(gè)指節(jié)中需采集的插入采集點(diǎn)數(shù) 據(jù)為Ng個(gè)，則ChedLmin/Nj。經(jīng)比較研究發(fā)現(xiàn), 探頭直徑過大會(huì)導(dǎo)致采集點(diǎn)疏散或采集點(diǎn)數(shù)據(jù)相互 影響，從而影響數(shù)據(jù)采集的精度；直徑過小，難以對 機(jī)械壓力進(jìn)行逐步微增，也容易在實(shí)驗(yàn)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(gè)體差異，應(yīng)選取真實(shí)的目標(biāo)用戶人群進(jìn)行 實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)過程中產(chǎn)生的焦慮、 茫然、緊張等影響實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有效性的不良情緒，實(shí)驗(yàn) 前需對樣本進(jìn)行心理輔導(dǎo)。心理輔導(dǎo)主要包括： 充分告知實(shí)驗(yàn)的目的、意義、過程、時(shí)長、保護(hù)措施等 信息，增進(jìn)樣本對實(shí)驗(yàn)的了解，使樣本明確自身任 務(wù)，從而提高樣本的配合度；告知樣本在實(shí)驗(yàn)過程 中可能產(chǎn)生的不良感受，如疼痛感等；為了避免他 人施加機(jī)械壓力導(dǎo)致的樣本心理緊張，可由樣本自 主施壓；構(gòu)建樣本的疼痛聯(lián)想，使樣本將實(shí)驗(yàn)過程 中的痛感聯(lián)想為實(shí)際工作中的痛感，以提升數(shù)據(jù)采 集的有效性。測量位置

11、由于個(gè)體手掌存在大小、形狀的 差異，機(jī)械壓力的施加位置不應(yīng)采用絕對坐標(biāo)系表 示。手掌骨骼和關(guān)節(jié)是手掌天然的相對坐標(biāo)系統(tǒng), 可利用手掌關(guān)節(jié)位置確定機(jī)械壓力的主要測量點(diǎn), 并在關(guān)節(jié)測量點(diǎn)之間插入補(bǔ)充測量點(diǎn)。過程控制 施壓時(shí)，機(jī)械壓力從0開始逐步 增大，增壓的過程要適當(dāng)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(shí)驗(yàn)對 樣本手掌進(jìn)行多點(diǎn)測量，每次測量一個(gè)點(diǎn)，兩次測量 需要有一定時(shí)間間隔，間隔時(shí)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(jìn)行簡化，將實(shí)驗(yàn)過程中產(chǎn)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(diǎn)作為樣本 的疼痛耐受力數(shù)值。實(shí)驗(yàn)過程中，樣本通過語言隨 時(shí)向?qū)嶒?yàn)人員描述疼痛強(qiáng)度。2手柄接觸面人機(jī)形態(tài)設(shè)計(jì)能量優(yōu)化模型將實(shí)驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)作為外載荷，利用能量優(yōu)化 模型設(shè)計(jì)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(biāo)，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(qū)動(dòng)曲面形態(tài)設(shè)計(jì)，為手柄接觸面設(shè)計(jì)提供更好的力學(xué)依據(jù)!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(shù)方程(W,W為曲面的二階導(dǎo) 矢(W , WS

13、為曲面的二階偏導(dǎo)矢(W為混合偏導(dǎo) 矢(a和&為給定的材料特性參數(shù)，決定物體抵抗變 形的能力；一2w/ (u, s)是外加載荷修正項(xiàng)，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(yīng)的壓強(qiáng)值作為外載荷o設(shè)Niessv為第 個(gè)樣本第M個(gè)測試點(diǎn)受到的壓強(qiáng)數(shù)據(jù),第M點(diǎn)的總 體平均值Press, = press, ,則手掌壓痛耐受力實(shí)驗(yàn)1壓強(qiáng)Press= ) Pr1 , Press? , ,Pressm & f (u , s)是 po關(guān)于坐標(biāo)點(diǎn)的矢量方程形式o以Bezier曲面為例,設(shè)P, ( = 0,1,2 ,，i , =0,1,2 ,，)為)+1) X (i + 1)個(gè)

14、空間點(diǎn)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(shù)#則外載荷修正項(xiàng)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(shù)學(xué)規(guī)劃法，以C2曲面為例，優(yōu)化目標(biāo) 有(n + 1) X (m + 1)個(gè)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(diǎn)坐標(biāo)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(diǎn)的行數(shù)和列數(shù)為N階對稱正定方陣,用 于確定能量函數(shù)的二次項(xiàng)；g為N維向量,用來確 定能量函數(shù)的一次項(xiàng)；H和g為a和&的函數(shù)句o 文獻(xiàn)7-8對C2曲面能量法的求解過程進(jìn)行了詳盡 地闡述。最小能量計(jì)算結(jié)果對應(yīng)曲面的函數(shù)記為Surf (u s) ,其與外載荷有相同的起伏趨勢,需進(jìn)行鏡像 處理;另外，在不造成傷害的前提下，手掌能夠產(chǎn)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(nèi)。對Surf(u ,s)進(jìn)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(shù)，可以有效控制值曲面Surf (u , s)上的點(diǎn)的!軸坐標(biāo)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(dǎo)的曲面變形關(guān)鍵技術(shù)通過能量優(yōu)化模型獲得的靜態(tài)曲面需根據(jù)手掌 的工作姿態(tài)進(jìn)行變形,才能更好地應(yīng)用在產(chǎn)品設(shè)計(jì) 中。骨粒串主導(dǎo)的曲面變形技術(shù)在曲面上根據(jù)人體 骨骼設(shè)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(chǔ)上高度真 實(shí)地驅(qū)動(dòng)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(guān)節(jié)記作o,骨粒記作b(Oi表示第i個(gè)關(guān)節(jié), i

17、 = 1,2,3 ,n, n為關(guān)節(jié)數(shù)量；b,表示第i個(gè)關(guān)節(jié) 控制的第,個(gè)骨粒,=1,2,3，,m ,m為關(guān)節(jié)對應(yīng) 的骨粒數(shù)量。因?yàn)楣橇２粌H自身運(yùn)動(dòng),還驅(qū)動(dòng)曲面 變形,所以每個(gè)骨粒不僅具有空間坐標(biāo)值,還需構(gòu)建 局部坐標(biāo)系，以計(jì)算在局部坐標(biāo)系中相應(yīng)曲面坐標(biāo) 點(diǎn)的變化。b = !POS ,LC , (s,；(6)s = !POSLo(7)式中：POS為骨粒的世界坐標(biāo)；LC是以b為原點(diǎn)的 局部坐標(biāo)系；s為附著在b上的曲面點(diǎn)；POSL為曲 面點(diǎn)s在局部坐標(biāo)系LC中的坐標(biāo)值。一般來說,關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)通常分解為繞X軸、丫軸、 !軸的旋轉(zhuǎn)，但曲面點(diǎn)位移需通過骨粒來扭轉(zhuǎn),因此 采用扭轉(zhuǎn)分量T、扭轉(zhuǎn)角度3、旋轉(zhuǎn)分量R、

18、旋轉(zhuǎn)角度 $表示關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)。M(t，灸)表示人體第E個(gè)關(guān)節(jié)OE 在第？幀的運(yùn)動(dòng)姿勢，M(t E) = T(t ,k)R(? ,E)。(8)式中扭轉(zhuǎn)分量只影響骨粒點(diǎn)的局部坐標(biāo)系朝向， 用于計(jì)算曲面點(diǎn)的新坐標(biāo),并不影響骨粒點(diǎn)的坐標(biāo)o 3.1骨粒新坐標(biāo)計(jì)算方法以拇指關(guān)節(jié)為例(如圖1),為方便表述,記O為 拇指第1關(guān)節(jié),OP為第2指節(jié)骨粒串(連接手掌的 指節(jié))&OQ為第1指節(jié)骨粒串。J繞指關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)$ 到達(dá)Q時(shí)，原OQ骨粒串上的每一骨粒坐標(biāo)的計(jì)算 方法如下：(1)確定變形范圍 Dr運(yùn)動(dòng)時(shí)，將靠近關(guān)節(jié)處的骨粒串段運(yùn)動(dòng)視為塑性變形，遠(yuǎn)離部分的骨粒串 段視為剛性運(yùn)動(dòng)#在OPOQ上設(shè)定臨界點(diǎn) 則PNQ 為剛性運(yùn)動(dòng)

19、段Pq為塑性變形段#(2)骨粒旋轉(zhuǎn)權(quán)值計(jì)算 為使曲面彎曲更加自 然光順,將圓弧P/作為Pq的變形結(jié)果,P/的兩端 與pP Q相切。使旋轉(zhuǎn)角度。均勻分布在每個(gè)骨 粒上,則骨粒九的旋轉(zhuǎn)權(quán)值I pb2DI pb2Dr = pRotate(O B b$) #(10)式中：O,為圓弧p的圓心OK為垂直于平面pO, 的旋轉(zhuǎn)軸R(tt(t(OfB B$)表示繞OfB旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)矩陣#3.2曲面點(diǎn)新坐標(biāo)計(jì)算方法的旋轉(zhuǎn)矩陣#計(jì)算曲面點(diǎn)新坐標(biāo)時(shí),需在骨粒點(diǎn)新坐標(biāo)的基 礎(chǔ)上計(jì)算局部坐標(biāo)系LC的轉(zhuǎn)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(biāo)系繞扭轉(zhuǎn)軸-7旋轉(zhuǎn)的變換矩陣和繞 旋轉(zhuǎn)軸軸-旋轉(zhuǎn)的變換矩陣。設(shè)s哥為附著在&上的第E個(gè)曲面點(diǎn)的坐標(biāo)。將 E在LC中的新坐標(biāo)疊加到上,則E的新坐標(biāo)s i,k = b 十 Si,kCi。(12)4手柄接觸面人機(jī)形態(tài)設(shè)計(jì)過程手柄接觸面人機(jī)形態(tài)設(shè)計(jì)過程十分復(fù)雜,上述 內(nèi)容僅涉及設(shè)計(jì)過程中的關(guān)鍵技術(shù),勾勒出設(shè)計(jì)過 程的3個(gè)重要階段：手掌疼痛耐受實(shí)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)數(shù) 據(jù)的獲取;將手掌疼痛耐受實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)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(shù)將解出的曲面根據(jù)手掌的操作 姿勢進(jìn)行變形和應(yīng)用。另外,設(shè)計(jì)過程還包括構(gòu)建 實(shí)驗(yàn)環(huán)境、評價(jià)應(yīng)

21、用效果、優(yōu)化設(shè)計(jì)等內(nèi)容。設(shè)計(jì)過 程如圖2所示。(9)5實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)例驗(yàn)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(gè) 互不干涉的測試點(diǎn),選用設(shè)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(yùn)工的指 部(61個(gè)采集點(diǎn))和掌部(56個(gè)采集點(diǎn))進(jìn)行疼痛耐 受力實(shí)驗(yàn),受測人員年齡在2130歲之間。為確保 數(shù)據(jù)的有效性,將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分為兩組,信度檢測克朗 巴哈系數(shù)為0. 883,大于0. %。其中最大值為 66. 1 N,最小值為15. 3 N,數(shù)據(jù)的歸一化結(jié)果如表 1和表2所示。表1指部壓痛耐受力數(shù)據(jù)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(diǎn)10. 390.120.080.120.08插入點(diǎn)20. 190.050.040.000.01插入點(diǎn)30.270.050.080.090.08第1關(guān)節(jié)0.610.280.270.210.15插入點(diǎn)40.520. 480.370.270.43續(xù)表1插入點(diǎn)50. 730.330.300.200.26插入點(diǎn)60. 490.160.270.150. 19第2關(guān)節(jié)0.170.250.220.22插入點(diǎn)70.360.460.280.51插入點(diǎn)80.350.400.310.43插入點(diǎn)90.410.380.380.32掌指關(guān)節(jié)0.330.220.260.160

23、.13表2掌部壓痛耐受力數(shù)據(jù)食指蚓狀肌插入點(diǎn)10中指蚓狀肌插入點(diǎn)11無名指蚓狀肌插入點(diǎn)12小指蚓狀肌食指蚓狀肌0. 310.240.270.210.230.190.23插入點(diǎn)140. 470.340.470.400.460.270.40插入點(diǎn)150.700.510.810.710.720.530.48插入點(diǎn)160.490.590.680.940.970.860.46插入點(diǎn)170.500.560.530.670.730.620.46插入點(diǎn)180.480.680.910.860.870.830.59插入點(diǎn)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)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(shù)1 設(shè)置為0.3,采用能量優(yōu)化模型獲得的標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)靜態(tài)曲面針對提手手柄形態(tài)設(shè)計(jì)，截選工作接觸面，利用 Dexmo手部變形設(shè)備和骨粒串主導(dǎo)的曲面變形技 術(shù)對標(biāo)準(zhǔn)靜態(tài)曲邊進(jìn)行變形，經(jīng)完善設(shè)計(jì)后，得到提手手柄形態(tài)設(shè)計(jì)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(jī)形態(tài)設(shè)計(jì)方案利用3D打印技術(shù)將設(shè)計(jì)方案實(shí)體化，并選取5 名非實(shí)驗(yàn)人員對新方案和傳統(tǒng)提手手柄進(jìn)行比較試 用和評價(jià)。評價(jià)通過兩個(gè)實(shí)驗(yàn)完成：(1)有效接觸面染色實(shí)驗(yàn)在提手工