基于压痛耐受力的手柄接触面人机形态设计

1、基于压痛耐受力的手柄接触面人机形态设计摘 要：为使手柄接触面形态设计具有更好的生理学和力学基础，从而提高手柄的人机性能，从人体疼痛感知 特性出发，在模拟实验室中对160名受测者进行手掌压痛耐受力实验$将压痛耐受力数据作为外载荷，采用能量 优化模型对手柄接触面人机形态进行初步设计并获得标准静态曲面，采用骨粒串主导的曲面变形技术和Dexmo 手部动作捕捉设备，对标准静态曲面进行变形并完善手柄形态设计方案$实验和评价结果表明，新方案比传统提 手手柄具有更大的工作接触面积和更高的主客观舒适性，显著提高了人在工作时的单手提力$关键词：压痛耐受力；接触面人机形态设计；人机工程；手柄设计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=引言手柄接触面设计是产品人机形态设计领域最复 杂的研究课题之一(1)，

6、主要原因为：手掌曲面形状 十分复杂；手掌曲面在不同工作姿态下也会产生 相应的变形；工作时受到外部机械压力，手掌曲面 会发生复杂变形，即接触变形；疼痛感是接触面主 观人机评价的重要因素，手掌的感知神经末梢丰 富，疼痛感知阈值较低，对疼痛等不良感受的感知更 加灵敏$因此，手柄接触面设计具有曲面形状复杂、 曲面变化丰富、舒适度要求高、不适感知灵敏等 特点$目前，计算机辅助接触面人机形态设计主要 有两种方法：基于人体形状尺寸的设计方 法3-5，利用不同的测量方式对人体数据进行采集 并拟合曲面，再进一步考虑人体曲面的接触形变， 利用遗传算法等对初步生成的曲面进行修正和优 化，这种方法更适用于人体不发生接

7、触变形或变 形轻微的接触面人机形态设计；基于接触面压 力的设计方法，以接触面压力作为设计驱动因素, 通过测量接触面压力数据，采用形态映射、能量 优化等方法求解曲面方程，来进行接触面的人 机形态设计，该方法更全面地考虑了人体因接触 变形导致的自身形状变化，更符合接触面人机形 态设计的实际情况。为减轻用户痛感，避免局部组织损伤，更好地达 到提升产品人机的主观舒适性和客观安全性的目 的，本文在考虑人体接触变形的基础上，进一步考虑 压强分布的合理性，完善疼痛耐受力测量方法并进 行实验，使用疼痛感作为曲面建模的虚拟载荷，提出 一种基于压痛耐受力的手柄接触面人机形态设计方 法,旨在获得更加合理的手柄接触面

8、人机形态，从而 根据手掌各部分疼痛耐受能力的不同更加科学地分 配接触面的机械压力。1疼痛感知特性和耐受力实验要点L1疼痛感知特性疼痛研究国际协会定义，疼痛是与实际或潜在 的组织损伤相关联的不愉快的感觉和情感体验 根据定义可知，由手柄接触面产生的手掌痛感并非 源于手掌组织的真实损伤，应属主观心理预警范畴, 因此个体之间的疼痛阈值和疼痛耐受能力存在主观 差异。影响个体疼痛耐受力的因素包括年龄、社会 文化背景、个人经历、个性心理特征、情绪、注意力、 疲劳程度、温度等。1.2手掌压痛耐受力实验要点手掌压痛耐受力实验的目的是通过压力测量设 备采集引起手掌各点疼痛感知的机械压力数据，根 据人体的疼痛感知特

9、性，为更科学有效地采集实验 压力数据，将实验要点整理如下：实验环境因为人体疼痛耐受力受外部环 境影响，尤其是温度对疼痛耐受力的影响较大，所以 实验应在真实工作场景或模拟真实场景的实验室中 进行。测量工具采用专业压力测量仪。为了使 采集点之间互不干涉，探头测量位置应该相切或相 离。设受测人员最短指关节的长度为L心，施压探 头直径为Cw, 一个指节中需采集的插入采集点数 据为Ng个，则ChedLmin/Nj。经比较研究发现, 探头直径过大会导致采集点疏散或采集点数据相互 影响，从而影响数据采集的精度；直径过小，难以对 机械压力进行逐步微增，也容易在实验过程中造成 组织损伤和不良的心理影响样本筛选

10、在样本选择上，由于疼痛耐受力 具有个体差异，应选取真实的目标用户人群进行 实验样本心理由于样本的疼痛耐受力受心理 因素的影响，为消除样本在实验过程中产生的焦虑、 茫然、紧张等影响实验数据有效性的不良情绪，实验 前需对样本进行心理辅导。心理辅导主要包括： 充分告知实验的目的、意义、过程、时长、保护措施等 信息，增进样本对实验的了解，使样本明确自身任 务，从而提高样本的配合度；告知样本在实验过程 中可能产生的不良感受，如疼痛感等；为了避免他 人施加机械压力导致的样本心理紧张，可由样本自 主施压；构建样本的疼痛联想，使样本将实验过程 中的痛感联想为实际工作中的痛感，以提升数据采 集的有效性。测量位置

11、由于个体手掌存在大小、形状的 差异，机械压力的施加位置不应采用绝对坐标系表 示。手掌骨骼和关节是手掌天然的相对坐标系统, 可利用手掌关节位置确定机械压力的主要测量点, 并在关节测量点之间插入补充测量点。过程控制 施压时，机械压力从0开始逐步 增大，增压的过程要适当缓慢，避免因意外损伤和突 发刺激对样本造成不良的心理影响。另外，实验对 样本手掌进行多点测量，每次测量一个点，两次测量 需要有一定时间间隔，间隔时间需保证上次测量的 疼痛感完全消失。疼痛量化采用主诉疼痛分级法对主 诉疼痛分级法进行简化，将实验过程中产生的疼痛 分为,级：I为无痛感；)为有痛感，可以忍受；,为 有痛感，无法忍受。采用)的

12、突变点作为样本 的疼痛耐受力数值。实验过程中，样本通过语言随 时向实验人员描述疼痛强度。2手柄接触面人机形态设计能量优化模型将实验获得的数据作为外载荷，利用能量优化 模型设计静态曲面。能量优化法以曲面拥有的最小 物理变形能量为目标，采用约束和施加外载荷的方 式控制曲面形状，其优势在于可以通过接触面压力 分布驱动曲面形态设计，为手柄接触面设计提供更好的力学依据!1#曲面物理能量模型为(1)E = F(以 11W! + 2以12 WUWS + a22 E! + &11E! + 2&12 WW +&22W!) 2w/(u,s)dudw0 式中：W为曲面参数方程(W,W为曲面的二阶导 矢(W , WS

13、为曲面的二阶偏导矢(W为混合偏导 矢(a和&为给定的材料特性参数，决定物体抵抗变 形的能力；一2w/ (u, s)是外加载荷修正项，记 为 E(1)F(U, S)为曲面受到的外载荷，本文将手掌压痛 耐受能力对应的压强值作为外载荷o设Niessv为第 个样本第M个测试点受到的压强数据,第M点的总 体平均值Press, = press, ,则手掌压痛耐受力实验1压强Press= ) Pr1 , Press? , ,Pressm & f (u , s)是 po关于坐标点的矢量方程形式o以Bezier曲面为例,设P, ( = 0,1,2 ,，i , =0,1,2 ,，)为)+1) X (i + 1)个

14、空间点列，则 nXm次张量级形式的Bezier曲面定义为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基函数#则外载荷修正项为EforceEforce=-2(为 * 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,采用数学规划法，以C2曲面为例，优化目标 有(n + 1) X (m + 1)个变量P, ,可用拉格朗日乘子 法求解

15、 即min(； X7HX + gTx)#(4)式中：X为有控制点坐标分量组成的N维向量, $ = 3(m + 1) (n + 1) ,m + 1 , n + 1 分别为曲面 控制点的行数和列数为N阶对称正定方阵,用 于确定能量函数的二次项；g为N维向量,用来确 定能量函数的一次项；H和g为a和&的函数句o 文献7-8对C2曲面能量法的求解过程进行了详尽 地阐述。最小能量计算结果对应曲面的函数记为Surf (u s) ,其与外载荷有相同的起伏趋势,需进行镜像 处理;另外，在不造成伤害的前提下，手掌能够产生 的最大变形是一定的。因此,曲面的峰值需控制在 一定范围内。对Surf(u ,s)进行处理和

16、优化,获得 的最终曲面为Surf(u s) =Surf (u ,s)(5)式中1为变形系数，可以有效控制值曲面Surf (u , s)上的点的!轴坐标范围,使其高度极差符合皮肤 变形量，从而满足和释放皮肤的变形能力。3骨粒串主导的曲面变形关键技术通过能量优化模型获得的静态曲面需根据手掌 的工作姿态进行变形,才能更好地应用在产品设计 中。骨粒串主导的曲面变形技术在曲面上根据人体 骨骼设置骨粒串，通过骨粒串模拟工作状态下的骨 骼姿态,不但可以在没有人体解剖的基础上高度真 实地驱动曲面变形，而且能够有效防止曲面直接变 形中存在的塌陷、萎缩等问题10o将关节记作o,骨粒记作b(Oi表示第i个关节, i

17、 = 1,2,3 ,n, n为关节数量；b,表示第i个关节 控制的第,个骨粒,=1,2,3，,m ,m为关节对应 的骨粒数量。因为骨粒不仅自身运动,还驱动曲面 变形,所以每个骨粒不仅具有空间坐标值,还需构建 局部坐标系，以计算在局部坐标系中相应曲面坐标 点的变化。b = !POS ,LC , (s,；(6)s = !POSLo(7)式中：POS为骨粒的世界坐标；LC是以b为原点的 局部坐标系；s为附着在b上的曲面点；POSL为曲 面点s在局部坐标系LC中的坐标值。一般来说,关节运动通常分解为绕X轴、丫轴、 !轴的旋转，但曲面点位移需通过骨粒来扭转,因此 采用扭转分量T、扭转角度3、旋转分量R、

18、旋转角度 $表示关节运动。M(t，灸)表示人体第E个关节OE 在第？帧的运动姿势，M(t E) = T(t ,k)R(? ,E)。(8)式中扭转分量只影响骨粒点的局部坐标系朝向， 用于计算曲面点的新坐标,并不影响骨粒点的坐标o 3.1骨粒新坐标计算方法以拇指关节为例(如图1),为方便表述,记O为 拇指第1关节,OP为第2指节骨粒串(连接手掌的 指节)&OQ为第1指节骨粒串。J绕指关节旋转$ 到达Q时，原OQ骨粒串上的每一骨粒坐标的计算 方法如下：(1)确定变形范围 Dr运动时，将靠近关节处的骨粒串段运动视为塑性变形，远离部分的骨粒串 段视为刚性运动#在OPOQ上设定临界点 则PNQ 为刚性运动

19、段Pq为塑性变形段#(2)骨粒旋转权值计算 为使曲面弯曲更加自 然光顺,将圆弧P/作为Pq的变形结果,P/的两端 与pP Q相切。使旋转角度。均匀分布在每个骨 粒上,则骨粒九的旋转权值I pb2DI pb2Dr = pRotate(O B b$) #(10)式中：O,为圆弧p的圆心OK为垂直于平面pO, 的旋转轴R(tt(t(OfB B$)表示绕OfB旋转的旋转矩阵#3.2曲面点新坐标计算方法的旋转矩阵#计算曲面点新坐标时,需在骨粒点新坐标的基 础上计算局部坐标系LC的转向矩阵G：B = Rotate (-7 B()Rottte(IR B$) # (11) 式中 Rot(t(lT , b()和

20、 Rotate (-R, b$)分别表示 局部坐标系绕扭转轴-7旋转的变换矩阵和绕 旋转轴轴-旋转的变换矩阵。设s哥为附着在&上的第E个曲面点的坐标。将 E在LC中的新坐标叠加到上,则E的新坐标s i,k = b 十 Si,kCi。(12)4手柄接触面人机形态设计过程手柄接触面人机形态设计过程十分复杂,上述 内容仅涉及设计过程中的关键技术,勾勒出设计过 程的3个重要阶段：手掌疼痛耐受实验和实验数 据的获取;将手掌疼痛耐受实验数据作为外载荷, 利用曲面能量优化法求解曲面,获得静态曲面模型; 采用曲面变形技术将解出的曲面根据手掌的操作 姿势进行变形和应用。另外,设计过程还包括构建 实验环境、评价应

21、用效果、优化设计等内容。设计过 程如图2所示。(9)5实验数据和实例验证(9)本文采用艾普压力测试仪SF-100 由于受测人 员小指指节的最小长度为17 mm,为方便插入3个 互不干涉的测试点,选用设备自带直径5 mm平底 探头,利用峰值测量模式,对160名男性搬运工的指 部(61个采集点)和掌部(56个采集点)进行疼痛耐 受力实验,受测人员年龄在2130岁之间。为确保 数据的有效性,将实验数据分为两组,信度检测克朗 巴哈系数为0. 883,大于0. %。其中最大值为 66. 1 N,最小值为15. 3 N,数据的归一化结果如表 1和表2所示。表1指部压痛耐受力数据拇指食指中指无名指小指手指末

22、端0. 540.210.290.120.10插入点10. 390.120.080.120.08插入点20. 190.050.040.000.01插入点30.270.050.080.090.08第1关节0.610.280.270.210.15插入点40.520. 480.370.270.43续表1插入点50. 730.330.300.200.26插入点60. 490.160.270.150. 19第2关节0.170.250.220.22插入点70.360.460.280.51插入点80.350.400.310.43插入点90.410.380.380.32掌指关节0.330.220.260.160

23、.13表2掌部压痛耐受力数据食指蚓状肌插入点10中指蚓状肌插入点11无名指蚓状肌插入点12小指蚓状肌食指蚓状肌0. 310.240.270.210.230.190.23插入点140. 470.340.470.400.460.270.40插入点150.700.510.810.710.720.530.48插入点160.490.590.680.940.970.860.46插入点170.500.560.530.670.730.620.46插入点180.480.680.910.860.870.830.59插入点190.290.510.720.870.990.570.56大鱼际底端0.150.371.00

24、0.830.670.590.73将手掌压痛耐受力实验数据作为外载荷，由于 受测对象皮肤的变形深度为3 mm,将变形系数1 设置为0.3,采用能量优化模型获得的标准静态曲 面如图3所示，所获得的新曲面高度极差为3 mm。图3标准静态曲面针对提手手柄形态设计，截选工作接触面，利用 Dexmo手部变形设备和骨粒串主导的曲面变形技 术对标准静态曲边进行变形，经完善设计后，得到提手手柄形态设计方案，如图4所示。a方案视图1b方案视图2图4提手手柄人机形态设计方案利用3D打印技术将设计方案实体化，并选取5 名非实验人员对新方案和传统提手手柄进行比较试 用和评价。评价通过两个实验完成：(1)有效接触面染色实验在提手工