趙 靜，孫桓五,，邊軒毅

(太原理工大學(xué) a.機械與運載工程學(xué)院，b.煤炭資源開采利用與裝備工程國家級實驗教學(xué)示范中心，太原 030024)

手柄類產(chǎn)品是指在手部握持下進行操作的工具產(chǎn)品，在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用非常廣泛，包括手電鉆、手術(shù)刀、扳手等，此類產(chǎn)品的手柄部分與人體手部直接接觸，所形成的人機界面質(zhì)量影響操作者的健康狀態(tài)、操作安全和操作效率。特別是對于長期持續(xù)性使用手工具的工作者，不適當(dāng)?shù)氖直煨秃统叽绲热藱C因素極易導(dǎo)致手指、手掌、腕關(guān)節(jié)和肩部的疲勞和病患。

為了獲得更符合人體手部握持的手柄造型，國內(nèi)外學(xué)者進行了相關(guān)的研究。其中，應(yīng)用逆向設(shè)計理論對手柄進行設(shè)計被證明是一種快速有效的設(shè)計方法。BASSOLI et al[1]通過逆向掃描用戶抓握成型的油泥手柄成功設(shè)計開發(fā)了一款挖掘機操作手柄；劉斌等[2]通過逆向工程軟件提取了手部特征點云數(shù)據(jù)，獲得相應(yīng)特征曲線，構(gòu)建了腹腔鏡手術(shù)器械的手柄造型；HARIH et al[3]提出了使用磁共振成像機對手的抓握姿態(tài)進行成像，通過布爾運算獲得手柄的最佳形狀的逆向設(shè)計方法。然而由于個體間存在尺寸差異，以上研究均以某一個體的尺寸作為設(shè)計依據(jù)，進行逆向設(shè)計，不能滿足群體的使用需求。為了盡可能地適應(yīng)較大使用群體的舒適性，滿足通用型要求，本文提出在逆向設(shè)計的理論指導(dǎo)下，應(yīng)用關(guān)鍵點技術(shù)，獲取并分析多樣本關(guān)鍵點坐標數(shù)據(jù)，進行手柄產(chǎn)品造型設(shè)計的逆向設(shè)計方法。

1 基于關(guān)鍵點的多樣本逆向設(shè)計方法

1.1 設(shè)計方法

逆向設(shè)計是通過實際產(chǎn)品獲得模型數(shù)據(jù)，并且開發(fā)相同或相似的產(chǎn)品，還可以對設(shè)計的產(chǎn)品進行快速制造，是一種先進的、具有創(chuàng)新性的現(xiàn)代設(shè)計方法，是從實物模型到數(shù)字模型的一個反向、再設(shè)計、創(chuàng)新、優(yōu)化的過程[4]。對于手柄這類與人體形態(tài)緊密相關(guān)的產(chǎn)品設(shè)計而言，逆向設(shè)計可以從兩方面獲得數(shù)據(jù)，其一是通過用戶保持的虛擬握持姿勢獲得手部形態(tài)數(shù)據(jù)；其二是讓用戶真實握持軟性材料，捏塑出適合手形的產(chǎn)品模型，數(shù)據(jù)來自于模型。兩者相比，實際捏塑出的產(chǎn)品模型具有更強的穩(wěn)定性和真實感。

由于個體差異，人體尺寸在一定的范圍內(nèi)呈正態(tài)分布，可以通過測量群體中少量的個體尺寸，根據(jù)概率論和數(shù)理統(tǒng)計理論對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析,獲得群體尺寸的統(tǒng)計規(guī)律和特征參數(shù)[4]。人體測量數(shù)據(jù)以百分位置Pk作為一種位置指標，在設(shè)計中常用P5、P50和P95三種百分位數(shù)，其中P5代表“小”尺寸，指有5%的人群人體測量尺寸小于此值；P95代表“大”尺寸，指有95%的人群人體測量尺寸小于此值，5%的人群人體測量尺寸大于此值。通常情況下，產(chǎn)品設(shè)計應(yīng)滿足P5～P95目標用戶群體的尺寸要求。然而當(dāng)前逆向設(shè)計的目標通常只有一個，數(shù)據(jù)采集以獲得正確完整的目標樣本形態(tài)數(shù)據(jù)為目的，并在此基礎(chǔ)上進行曲面優(yōu)化或設(shè)計創(chuàng)新。因此采用多目標樣本進行逆向設(shè)計比傳統(tǒng)的單目標樣本具有更好的適應(yīng)性，但同時也會大大增加設(shè)計成本和設(shè)計時間。為了取得更好的設(shè)計效率，也便于后期的設(shè)計工作，將目標樣本的形態(tài)點云簡化為人機關(guān)鍵點進行數(shù)據(jù)采集和設(shè)計，這是一種更加優(yōu)化的設(shè)計方法。

具體的設(shè)計流程如圖1所示，在多個目標樣本中，依據(jù)相同的關(guān)鍵點進行標識，可獲取多組關(guān)鍵點數(shù)據(jù)。然后應(yīng)用人機工程理論和原則，結(jié)合實際情況，選擇各關(guān)鍵點3個坐標方向合適的百分位數(shù)做為最終的關(guān)鍵點數(shù)據(jù)進行逆向設(shè)計。一般情況下，第50百分位數(shù)能夠適應(yīng)多數(shù)人群，但也有很多情況需要選擇上限值或下限值作為最優(yōu)數(shù)據(jù)，如鼠標設(shè)計時，近端指間關(guān)節(jié)的關(guān)鍵點x,y坐標應(yīng)采用第5百分位數(shù)使手指趨向自然收縮的體位，減小用戶的動作調(diào)節(jié)量，減少肌腱負荷[5]。接著將最優(yōu)的關(guān)鍵點數(shù)據(jù)作為輸入數(shù)據(jù)進行模型重構(gòu)和制造，最后即可生成符合人機工程要求的新產(chǎn)品。

圖1 基于關(guān)鍵點的逆向設(shè)計流程圖Fig.1 Reverse design method based on key points

1.2 數(shù)據(jù)處理

在基于關(guān)鍵點的逆向設(shè)計中，目標樣本W(wǎng)可描述為：

W=[W1,W2,…,Wn],n≥1 .

(1)

設(shè)關(guān)鍵點數(shù)量為m，則每一個樣本W(wǎng)i都可以用3個坐標方向的形式表示為：

(2)

綜合所有得到的關(guān)鍵點坐標值，可計算出每一個關(guān)鍵點3個方向的百分位數(shù)P：

(3)

(4)

(5)

然后選擇合適的百分位數(shù)作為產(chǎn)品數(shù)字建模的標準數(shù)據(jù)，也就是確定不同的K值。將式(4)，(5)代入式(3)中，即可得到各關(guān)鍵點的3方向坐標值，作為最終的逆向設(shè)計輸入值。優(yōu)化樣本W(wǎng)t可描述為

(6)

2 設(shè)計實例

2.1 設(shè)計思考

以挖掘機的操作手柄為例，對所探討的逆向設(shè)計方法進行分析和驗證。研究表明，在挖掘機工作中，駕駛員手和手臂的工作時間高達95%，80%的操作者會因這些長期的、重復(fù)性的和靜態(tài)的負荷導(dǎo)致各種肌肉骨骼疾病和過度使用傷害[6]。設(shè)計符合人體手部形態(tài)的操作手柄對于駕駛員的健康和工作效率影響很大。

對操作手柄的形態(tài)來說，操作手柄對手部壓迫程度主要取決于施力大小、握持時間、受力部位和操作手柄與手部的接觸面積。設(shè)計時需考慮3個人機方面的問題：

1) 造型曲線符合自然的抓握手型和手掌生理特征，手部與產(chǎn)品具有較大的接觸面，使壓力能分布于較大的手掌面積上，減小應(yīng)力[8-9]。

2) 根據(jù)手掌肌肉、血管和神經(jīng)的分布，設(shè)計盡量利用手指掌間肌和大小魚際部位施力，而避免具有豐富血管和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的掌心處施力。將操作手柄被握住部位與掌心之間留有空隙，可以保證手掌血液循環(huán)良好，神經(jīng)不受強壓迫[2]，同時也可以減少壓力和摩擦力的作用，這一點能在挖掘機的振動工況下更好的保護手掌和手臂安全。

3) 挖掘機的操作屬于著力抓握，且雙手對稱，需合理設(shè)置操作手柄的直徑和角度。

2.2 設(shè)計流程

整個設(shè)計過程應(yīng)用基于關(guān)鍵點的逆向設(shè)計方法，主要包含人機實驗、數(shù)字建模和3D打印3個主要階段。其中目標樣本的獲得需通過人機實驗的途徑，將固定形態(tài)的初始油泥樣本捏塑為適合的目標樣本，經(jīng)過關(guān)鍵點的確定、數(shù)據(jù)采集和處理，以優(yōu)化后的關(guān)鍵點數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進行數(shù)字模型重建。具體的設(shè)計流程如圖2所示。

圖2 挖掘機操作手柄的逆向設(shè)計流程圖Fig.2 Reverse design flow chart of excavator operating handle

2.3 關(guān)鍵點的確定

通過觀察和調(diào)研發(fā)現(xiàn)，挖掘機駕駛員在工作中，手指指肚、指間關(guān)節(jié)、掌指關(guān)節(jié)及大小魚際肌部位與操作手柄緊密接觸，這些部位均應(yīng)設(shè)置為關(guān)鍵點。再根據(jù)手掌肌肉分布情況(圖3(a))，主要的施力部位為掌指關(guān)節(jié)和大小魚際肌處，這兩處的關(guān)鍵點必不可少。另外依據(jù)操作手柄被握住部位與掌心之間應(yīng)留有空隙的原則，掌心處也成為一個關(guān)鍵點，這個關(guān)鍵點是與最終產(chǎn)品造型相離的。根據(jù)上述3個方面確定的手掌關(guān)鍵點如圖3(b)所示。

圖3 手掌肌肉分布與手掌關(guān)鍵點Fig.3 Muscles distribution and key points of palmar

2.4 人機實驗

實驗邀請15名健康男性作為被試，所有人均為右利手，且無操作挖掘機的經(jīng)歷，被試基本情況及右手主要尺寸測量數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 被試基本情況Table 1 Characteristics of subjects

實驗的模型選用軟硬適中的油泥材料，這種材料在保證基本形態(tài)穩(wěn)定的情況下，具有一定的可變形能力。油泥提前進行了造型預(yù)處理，根據(jù)對操作手柄的人機分析，油泥被塑造為統(tǒng)一的初始造型，初始造型的圓柱體半徑為50 mm，并具有15°的尺側(cè)彎曲角。

實驗開始后，首先要求被試坐于駕駛椅上，雙臂自然彎曲置于座椅扶手，調(diào)節(jié)座椅扶手保持雙臂呈水平狀態(tài)。接著要求被試雙手保持自然的操作狀態(tài)握持初始油泥樣本，改變樣本模型的造型至舒適狀態(tài)。最后依照圖3(b)在被試手掌標記出關(guān)鍵點，所示關(guān)鍵點的位置將在油泥上留下印跡。重復(fù)實驗即可生成15個帶有關(guān)鍵點標記的操作手柄，實驗現(xiàn)場如圖4所示，實驗樣本之一如圖5所示。

圖4 實驗現(xiàn)場圖 圖5 實驗油泥樣本圖 Fig.4 Experimental site Fig.5 Experimental sludge samples

2.5 實驗結(jié)果

關(guān)鍵點數(shù)據(jù)的采集利用Daisy8106 3坐標測量設(shè)備，通過逐一測量實驗得到的關(guān)鍵點，可以得到各點的相對坐標，部分測量數(shù)據(jù)如表2所示(所有尺寸都以設(shè)備的原點作為測量原點)。

根據(jù)GBT12985-91，操作手柄主要應(yīng)用平均尺寸設(shè)計原則，與手部相接觸的關(guān)鍵點(A，B，C，D，S)選擇第50百分位(P50)作為手柄尺寸的設(shè)計依據(jù)。而針對手掌心與操作手柄不接觸的設(shè)計要求，M點應(yīng)選擇極限尺寸作為設(shè)計參考，本次實驗選擇第5百分位(P5)，保證“小”尺寸人群的掌心也可以與手柄相離。將測量數(shù)據(jù)代入式(3)—式(5)可以確定各關(guān)鍵點的優(yōu)化坐標值Wt，并將原點(-320，-600，-450)移動至合適位置作為數(shù)字模型關(guān)鍵點輸入值，具體坐標數(shù)據(jù)如表3所示。

表2 部分關(guān)鍵點坐標值Table 2 Part of key points' coordinate values

表3 優(yōu)化后的部分關(guān)鍵點坐標值Table 3 Part of optimized key points' coordinate values

2.6 模型構(gòu)建

對于不規(guī)則的曲面重構(gòu)在逆向工程中最為重要，由于其形狀不確定無法通過計算來實現(xiàn)，為達到要求只能依從由點到線再到面的重構(gòu)過程[9]。根據(jù)確定的優(yōu)化數(shù)據(jù)，通過Rhino軟件建立數(shù)字立體模型。首先在設(shè)定的坐標系中將所有關(guān)鍵點標出，利用除M點外的有效坐標點，綜合考慮操作手柄造型的流暢和美觀，合理建立產(chǎn)品表面造型。最終可以得到經(jīng)過有效坐標點的挖掘機操作手柄曲面模型，如圖6所示。同時經(jīng)驗證，M點位于模型實體外部，保證掌心處留有一定的緩沖空間。該數(shù)字模型造型表面經(jīng)過除M外所有實驗所得關(guān)鍵點坐標，滿足人機要求。

當(dāng)產(chǎn)品的人機品質(zhì)直接影響用戶的使用舒適體驗時，將逆向工程與3D打印技術(shù)相結(jié)合，是對通過逆向設(shè)計所得的目標產(chǎn)品進行設(shè)計合理性驗證的一種最優(yōu)及最快的檢驗方式[10]。這種技術(shù)非常適合設(shè)計初期的造型分析和檢驗，特別是對人機工程領(lǐng)域的舒適性分析來說，實物模型能夠更好的評價造型的人機品質(zhì)。在按照最優(yōu)關(guān)鍵點構(gòu)建了數(shù)字模型后，通過將數(shù)字模型轉(zhuǎn)為STL格式，分層處理即可進行3D打印操作，打印出的實體模型如圖7所示。

圖6 數(shù)字模型 圖7 實體模型 Fig.6 Digital model Fig.7 Entity model

2.7 設(shè)計評價

為了驗證新的挖掘機操作手柄造型的舒適性，邀請10名被試進行了評價實驗。實驗使用多樣本逆向設(shè)計出的手柄A和單樣本獲得的手柄B和C進行對比評價。所有被試在連續(xù)進行30 min的模擬挖掘任務(wù)后完成手柄舒適性的主觀評價，以0～10分計。主觀評價結(jié)果見表4.

結(jié)果顯示，3款通過逆向設(shè)計方法得到的操作手柄均具有較好的舒適性和疲勞性分數(shù)，均值沒有顯著差異，但是從標準差來看，手柄B和C的離散程度明顯大于手柄A，說明手柄A的適用性更好，能更大程度地滿足通用性的人機需求。此外，易操作性的評價分數(shù)不夠理想，主要原因在于手柄材料和產(chǎn)品表面缺乏防滑處理，影響了操作體驗。

表4 主觀評價結(jié)果Table 4 Subjective evaluation

3 結(jié)束語

對于手柄類產(chǎn)品，通過采集多目標樣本的關(guān)鍵點數(shù)據(jù)，計算各坐標值的百分位數(shù)對數(shù)據(jù)進行優(yōu)化，進而進行數(shù)字建模和設(shè)計制造是一種可行且有效的方法。這種方法能夠快速地獲得適合多數(shù)人手形的產(chǎn)品造型，具有廣泛的人機適用性。不同用途的手柄設(shè)計要考慮不同產(chǎn)品手柄被抓握姿勢和目標用戶群體。同時，這種方法可以推廣至與人體其他部位相接觸的產(chǎn)品設(shè)計中，如耳機、頭盔、眼鏡等，對相關(guān)產(chǎn)品造型設(shè)計具有一定的指導(dǎo)意義。