曾佳俊，王婷，張艷鳳

(貴州大學(xué) 管理學(xué)院，貴陽(yáng) 550025)

1 引言

長(zhǎng)時(shí)間、高頻率的使用手機(jī)可能會(huì)導(dǎo)致頸部、肩部等關(guān)節(jié)的肌肉損傷，長(zhǎng)此以往會(huì)導(dǎo)致頸椎病、肩周炎等疾病的產(chǎn)生。研究表明[1]，頸部和肩部疼痛患者會(huì)比正常人更容易產(chǎn)生頸部和肩部疲勞，對(duì)人們的正常工作生活產(chǎn)生巨大負(fù)面影響。不正確的手機(jī)使用姿勢(shì)，例如頭部關(guān)節(jié)屈曲角度過(guò)大，肩關(guān)節(jié)上臂前屈角度過(guò)大等都會(huì)加劇關(guān)節(jié)肌肉損傷，更容易產(chǎn)生肩頸相關(guān)疾病。所以找到人們?cè)谌粘Ｉ钪休^為舒適的手機(jī)使用姿勢(shì)，給出具體建議顯得尤為重要。對(duì)此本文主要針對(duì)使用手機(jī)這一場(chǎng)景，對(duì)不同使用姿勢(shì)進(jìn)行人體舒適度評(píng)價(jià)。

國(guó)內(nèi)外關(guān)于人體舒適度評(píng)價(jià)的研究方法主要分為主觀評(píng)價(jià)與客觀評(píng)價(jià)：主觀評(píng)價(jià)主要是通過(guò)詢問(wèn)并記錄被試者的舒適性主觀感受，利用統(tǒng)計(jì)學(xué)相關(guān)工具進(jìn)行評(píng)價(jià)的方法，主要有測(cè)量法、模型法和調(diào)查法。客觀評(píng)價(jià)是指以人體的多個(gè)客觀生理指標(biāo)作為評(píng)價(jià)度量，如表面肌電信號(hào)測(cè)量、壓力分布分析、血液流動(dòng)分析等?？陀^評(píng)價(jià)法相較于主觀評(píng)價(jià)法存在的問(wèn)題明顯，首先客觀評(píng)價(jià)法需要借助各種儀器設(shè)備，導(dǎo)致測(cè)量系統(tǒng)價(jià)格高昂，研究門檻高；其次客觀評(píng)價(jià)法穩(wěn)定性不夠理想，不同被試者對(duì)測(cè)量結(jié)果影響較大。

為了規(guī)避客觀評(píng)價(jià)法所帶來(lái)的缺陷，充分發(fā)揮主觀評(píng)價(jià)法的優(yōu)勢(shì)，本文借助JACK軟件強(qiáng)大的舒適度評(píng)價(jià)分析模塊進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)分析。JACK是目前最成熟的人體建模與人機(jī)工程評(píng)價(jià)軟件，現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外學(xué)者利用該軟件所開展的研究主要集中在人機(jī)工程設(shè)計(jì)和職業(yè)病防護(hù)方面。

在人機(jī)工程設(shè)計(jì)方面，鞠峰[2]利用CAD建模導(dǎo)入JACK軟件進(jìn)行了Comfort Assessment和Vision Analysis分析，建立了一種基于人機(jī)工程學(xué)的飛機(jī)駕駛艙設(shè)計(jì)方法。Garcia[3]等人利用JACK設(shè)計(jì)了一種便攜式輔助交通工具，通過(guò)舒適度評(píng)估減少了操作疲勞，可以有效減少人們?cè)诟呙芏却蠖际兄卸叹嚯x通勤的時(shí)間和精力。劉力卓[4]等人以和諧號(hào)動(dòng)車座椅為研究對(duì)象，利用JACK軟件建立數(shù)字人，通過(guò)舒適度分析發(fā)現(xiàn)座椅的設(shè)計(jì)不合理性，并對(duì)座椅高度、傾角進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，軟件仿真結(jié)果表明桌椅乘坐舒適度得以顯著提高。尹清松[5]等人在JACK中開發(fā)了一種基于力矩的舒適度評(píng)價(jià)方法能有效反映出關(guān)節(jié)舒適感，并為駕駛環(huán)境的設(shè)計(jì)提供借鑒。

在職業(yè)病防護(hù)方面Hovanec[6]等人利用JACK軟件中的快速上肢分析和靜態(tài)強(qiáng)度預(yù)測(cè)確定了在不同工作強(qiáng)度下，防止出現(xiàn)肌肉拉傷的肌肉力量最大值。Paul[7]等人基于JACK軟件的搬運(yùn)受力分析對(duì)醫(yī)護(hù)人員在搬運(yùn)病床時(shí)L4處的肌肉張力進(jìn)行了人機(jī)工程分析，確定了反復(fù)密集地搬運(yùn)病床可能會(huì)導(dǎo)致骨骼肌疾病的產(chǎn)生。姬麗靜[8]等人利用JACK軟件，分析了人體坐姿狀態(tài)下顯示器不同傾斜角度對(duì)頸部舒適度的影響，并確定了顯示器的最佳傾角。沈艷[9]等人針對(duì)保險(xiǎn)杠制造廠搬運(yùn)人員腰部易疲勞損傷問(wèn)題，利用JACK重新設(shè)計(jì)改進(jìn)了搬運(yùn)小車，新的設(shè)計(jì)方案經(jīng)過(guò)軟件仿真得出可以有效減小工作時(shí)間及上肢關(guān)節(jié)受力。Beno[10]等人利用JACK進(jìn)行搬運(yùn)姿勢(shì)仿真，以減少工人的工作負(fù)荷及所引起的肌肉骨骼疾病，并給出了改進(jìn)建議。羅曉利[11]等人使用JACK中的新陳代謝分析模塊(Metabolic Energy Expenditure)計(jì)算了機(jī)務(wù)人員作業(yè)能耗，RULA模塊計(jì)算姿態(tài)負(fù)荷，將維修動(dòng)作參數(shù)和姿態(tài)參數(shù)進(jìn)行分解、標(biāo)準(zhǔn)化，有效評(píng)估了機(jī)務(wù)人員的工作負(fù)荷。

盡管國(guó)內(nèi)外學(xué)者之前已對(duì)關(guān)節(jié)舒適度有過(guò)不少研究，但都未針對(duì)手機(jī)使用場(chǎng)景，而且更多的是考慮單一關(guān)節(jié)舒適度，未對(duì)頸部及上肢關(guān)節(jié)舒適度進(jìn)行整體評(píng)價(jià)。本文首先確定主觀舒適度測(cè)量數(shù)據(jù)，在Porter(1998)模型基礎(chǔ)上根據(jù)關(guān)節(jié)活動(dòng)角度在其正?；顒?dòng)范圍的25%內(nèi)最為舒適這一研究結(jié)論[12]，以及吳桂榮[13]等所測(cè)量的關(guān)節(jié)正常范圍值所確定，保留Porter模型中Head Flexion和Elbow Included不變，修改Upper Arm Flexion中的Low值為-14°，High值為38°，Mode值為12°，如圖1所示。隨后結(jié)合JACK軟件的Comfort Assessment分析模塊，選用主觀評(píng)價(jià)方法進(jìn)行頸部及上肢關(guān)節(jié)舒適度評(píng)價(jià)，這種方法高效、快速，實(shí)驗(yàn)可重復(fù)性強(qiáng)，不受不同被試差別所影響。最終利用此方法建立了針對(duì)手機(jī)使用場(chǎng)景的頸部及上肢舒適度評(píng)價(jià)模型，并確定了使用手機(jī)的最佳姿勢(shì)。

圖1 人體頸部及上肢關(guān)節(jié)舒適度評(píng)價(jià)模型參數(shù)

2 仿真模型的建立

JACK具有非常強(qiáng)大的數(shù)字人建模功能，其集成了多個(gè)國(guó)家的人體測(cè)量數(shù)據(jù)庫(kù)，根據(jù)1989年中國(guó)18～60歲男性成年人尺寸數(shù)據(jù)(GB /T10000-1988)，JACK在其人體尺寸數(shù)據(jù)庫(kù)中集成了此標(biāo)準(zhǔn)，可直接在創(chuàng)建數(shù)字人時(shí)進(jìn)行選擇。在JACK軟件中創(chuàng)建三組不同百分位的男性數(shù)字人，分別為PS、P50和P95，身高和體重?cái)?shù)據(jù)如表1所示。

數(shù)字人姿勢(shì)采用JACK默認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)坐姿，然后調(diào)整手臂各關(guān)節(jié)做出握持手機(jī)的動(dòng)作，如圖2所示。手機(jī)屏幕中心對(duì)準(zhǔn)數(shù)字人視線中心，手機(jī)尺寸為常見(jiàn)的5.5英寸手機(jī)大小。根據(jù)公式1[14]，可以得到人眼到手機(jī)屏幕距離約為35 cm～40 cm，最終確定 數(shù)字人視距為35 cm， 數(shù)字人視距為37 cm， 數(shù)字人視距為40 cm，如表1所示。

SD=a×h

(1)

式中SD為標(biāo)準(zhǔn)視距；a為視距常數(shù)，根據(jù)屏幕分辨率不同一般取200～250；h為(最小字號(hào))字符高度，通過(guò)實(shí)際測(cè)量h=1.8 mm。

表1 各百分位男性身高和體重

圖2 握持手機(jī)姿勢(shì)示例

3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

設(shè)置數(shù)字人“Vision Target”為“Follow site”，選定site為手機(jī)屏幕中心點(diǎn)，隨著握持手機(jī)姿勢(shì)的改變，數(shù)字人頸部關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)始終保持注視點(diǎn)為手機(jī)屏幕中心。在生活中，絕大多數(shù)人在坐姿狀態(tài)下使用手機(jī)時(shí)，會(huì)將手機(jī)正對(duì)面部中央，通常頭部不會(huì)產(chǎn)生左右偏轉(zhuǎn)。如圖3，灰色平面與數(shù)字人視線相平行，平分?jǐn)?shù)字人左右兩側(cè)，將手機(jī)中心點(diǎn)始終限制在該平面上運(yùn)動(dòng)。

圖3 手機(jī)移動(dòng)平面示意圖

使用“Human Control Panel”控制手部移動(dòng)，以P95數(shù)字人為例，在移動(dòng)過(guò)程中始終保持視距為40 cm，如圖4。同時(shí)激活Comfort Assessment分析模塊，調(diào)整握持手機(jī)高度使頸部關(guān)節(jié)Value值從0°位置開始緩慢移動(dòng)到26°位置，頸部關(guān)節(jié)每變化1°，記錄一次頸部關(guān)節(jié)、肩部關(guān)節(jié)和肘部關(guān)節(jié)的Value值，如圖5。數(shù)字人關(guān)節(jié)角度變化過(guò)程如圖6。

圖4 視距示意圖

圖5 舒適度分析模塊

圖6 數(shù)字人關(guān)節(jié)角度變化范圍

4 舒適度評(píng)價(jià)模型建立及數(shù)據(jù)分析

4.1 頸部、肩部和肘部關(guān)節(jié)權(quán)重的確定

為確定人體握持手機(jī)姿勢(shì)舒適度評(píng)價(jià)模型各關(guān)節(jié)的權(quán)重，筆者邀請(qǐng)了36名18～30歲無(wú)骨骼肌疾病的健康人士進(jìn)行了AHP打分，計(jì)算出頸部權(quán)重為0.438，肩部0.342，肘部0.220。

4.2 評(píng)價(jià)模型的建立

(1)計(jì)算各關(guān)節(jié)的AVRM(Angle Value Relative to Mode)值

AVRMk=θk-Mk

(2)

AVRM值表示某關(guān)節(jié)Value值與Mode值的差值；θ表示Value值；M表示Mode值。

(2)計(jì)算某一角度AVRM加權(quán)值Wi

(3)

ak表示關(guān)節(jié)權(quán)重，頸部為a1，肩部為a2，肘部為a3。

(3)歸一化計(jì)算

(4)

其中Ui表示某一角度的不舒適程度；wmax=max{w1,w2,……}，wmin=min{w1,w2,……}。

(4)舒適度計(jì)算

Ci=1-Ui

(5)

其中 表示某一角度的舒適度，最大為1，最小為0。

就此建立了人體握持手機(jī)頸部及上肢舒適度評(píng)價(jià)模型。

5 討論

根據(jù)所測(cè)定的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用上述模型進(jìn)行頸部及上肢關(guān)節(jié)舒適度評(píng)價(jià)。P95、P50和PS男性評(píng)價(jià)結(jié)果分別如圖7～9，從圖中可以觀察到隨著頸部關(guān)節(jié)彎曲角度的增大，舒適度呈先遞增后遞減的趨勢(shì)，同時(shí)P95和PS兩組數(shù)字人都在頸部關(guān)節(jié)彎曲17°時(shí)舒適度達(dá)到最大，P50則在19°時(shí)舒適度達(dá)到最大。從表2可以看出三組數(shù)字人各關(guān)節(jié)彎曲角度非常接近，計(jì)算結(jié)果表明三組不同百分位數(shù)字人頸部關(guān)節(jié)彎曲角度在17°～19°之間變化時(shí)，舒適度變化在9%以內(nèi)；肩部關(guān)節(jié)彎曲角度在12°～14°之間變化時(shí)，舒適度變化在4%以內(nèi)；肘部關(guān)節(jié)彎曲角度在120°～121°之間變化時(shí)，舒適度變化在18%以內(nèi)。

表2 不同百分位數(shù)字人最舒適姿勢(shì)下各關(guān)節(jié)彎曲角度

最終確定當(dāng)視距在35 cm～40 cm之間，且頸部關(guān)節(jié)彎曲角度在17°～19°之間，肩部關(guān)節(jié)彎曲角度在12°～14°之間，肘部關(guān)節(jié)彎曲角度在120°～121°之間變化時(shí)，人體握持手機(jī)頸部及上肢舒適度指數(shù)大于0.8，為較舒適狀態(tài)，如表3。

表3 人體握持手機(jī)頸部及上肢較為舒適狀態(tài)各關(guān)節(jié)及視距變化范圍

圖7 男性舒適度變化曲線

圖8 男性舒適度變化曲線

圖9 男性舒適度變化曲線

首先使用JACK軟件OPT工具中Comfort Assessment分析模塊的Define Custom選項(xiàng)對(duì)Porter模型中的Upper Arm Flexion進(jìn)行了重新修正，由此確定評(píng)價(jià)模型參數(shù)。其次在Porter評(píng)價(jià)模型的基礎(chǔ)上針對(duì)人體握持手機(jī)姿勢(shì)構(gòu)建了頸部及上肢關(guān)節(jié)舒適度評(píng)價(jià)模型。然后通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了頸部關(guān)節(jié)、肩部關(guān)節(jié)和肘部關(guān)節(jié)不同彎曲角度對(duì)人體握持手機(jī)頸部及上肢舒適度的影響。最后確定了頸部關(guān)節(jié)、肩部關(guān)節(jié)和肘部關(guān)節(jié)的舒適彎曲角度范圍。

該評(píng)價(jià)模型能夠有效快速的進(jìn)行關(guān)節(jié)舒適度評(píng)價(jià)，且實(shí)驗(yàn)穩(wěn)定性高，不依賴售價(jià)高昂的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，對(duì)運(yùn)用主觀評(píng)價(jià)法進(jìn)行人體舒適度評(píng)價(jià)分析具有啟示作用。

6 結(jié)論

本文基于JACK軟件，探究了頸部關(guān)節(jié)、肩部關(guān)節(jié)和肘部關(guān)節(jié)彎曲角度對(duì)頸部及上肢握持手機(jī)姿勢(shì)舒適度的影響規(guī)律。并建立了頸部及上肢關(guān)節(jié)舒適度評(píng)價(jià)模型。通過(guò)仿真分析得出，當(dāng)視距在35 cm～40 cm之間，且頸部關(guān)節(jié)彎曲角度在17°～19°之間，肩部關(guān)節(jié)彎曲角度在12°～14°之間，肘部關(guān)節(jié)彎曲角度在120°～121°之間變化時(shí)，人體握持手機(jī)頸部及上肢舒適度指數(shù)大于0.8，為較舒適狀態(tài)。

通過(guò)調(diào)節(jié)使用手機(jī)時(shí)關(guān)節(jié)彎曲角度，可以預(yù)防頸部及上肢關(guān)節(jié)疾病的產(chǎn)生，為人們正確握持手機(jī)提供了理論支撐及使用建議，對(duì)于減輕人們?cè)陂L(zhǎng)時(shí)間使用手機(jī)時(shí)所產(chǎn)生的疲勞程度具有重要意義。

本文對(duì)于舒適度評(píng)價(jià)模型的構(gòu)建處于探索階段，只考慮了主觀評(píng)價(jià)因素，且只從生理角度進(jìn)行研究，在未來(lái)的研究中可加入客觀評(píng)價(jià)因素，還可以結(jié)合生理、視力和使用習(xí)慣等因素進(jìn)行更深入的研究。