*手柄造型的多樣本逆向設計研究

趙 靜，孫桓五,，邊軒毅

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

手柄類產品是指在手部握持下進行操作的工具產品，在生產生活中的應用非常廣泛，包括手電鉆、手術刀、扳手等，此類產品的手柄部分與人體手部直接接觸，所形成的人機界面質量影響操作者的健康狀態、操作安全和操作效率。特別是對于長期持續性使用手工具的工作者，不適當的手柄造型和尺寸等人機因素極易導致手指、手掌、腕關節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，國內外學者進行了相關的研究。其中，應用逆向設計理論對手柄進行設計被證明是一種快速有效的設計方法。BASSOLI et al[1]通過逆向掃描用戶抓握成型的油泥手柄成功設計開發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據，獲得相應特征曲線，構建了腹腔鏡手術器械的手柄造型；HARIH et al[3]提出了使用磁共振成像機對手的抓握姿態進行成像，通過布爾運算獲得手柄的最佳形狀的逆向設計方法。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計依據，進行逆向設計，不能滿足群體的使用需求。為了盡可能地適應較大使用群體的舒適性，滿足通用型要求，本文提出在逆向設計的理論指導下，應用關鍵點技術，獲取并分析多樣本關鍵點坐標數據，進行手柄產品造型設計的逆向設計方法。

1 基于關鍵點的多樣本逆向設計方法

1.1 設計方法

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

由于個體差異，人體尺寸在一定的范圍內呈正態分布，可以通過測量群體中少量的個體尺寸，根據概率論和數理統計理論對數據進行統計分析,獲得群體尺寸的統計規律和特征參數[4]。人體測量數據以百分位置Pk作為一種位置指標，在設計中常用P5、P50和P95三種百分位數，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，產品設計應滿足P5～P95目標用戶群體的尺寸要求。然而當前逆向設計的目標通常只有一個，數據采集以獲得正確完整的目標樣本形態數據為目的，并在此基礎上進行曲面優化或設計創新。因此采用多目標樣本進行逆向設計比傳統的單目標樣本具有更好的適應性，但同時也會大大增加設計成本和設計時間。為了取得更好的設計效率，也便于后期的設計工作，將目標樣本的形態點云簡化為人機關鍵點進行數據采集和設計，這是一種更加優化的設計方法。

具體的設計流程如圖1所示，在多個目標樣本中，依據相同的關鍵點進行標識，可獲取多組關鍵點數據。然后應用人機工程理論和原則，結合實際情況，選擇各關鍵點3個坐標方向合適的百分位數做為最終的關鍵點數據進行逆向設計。一般情況下，第50百分位數能夠適應多數人群，但也有很多情況需要選擇上限值或下限值作為最優數據，如鼠標設計時，近端指間關節的關鍵點x,y坐標應采用第5百分位數使手指趨向自然收縮的體位，減小用戶的動作調節量，減少肌腱負荷[5]。接著將最優的關鍵點數據作為輸入數據進行模型重構和制造，最后即可生成符合人機工程要求的新產品。

圖1 基于關鍵點的逆向設計流程圖Fig.1 Reverse design method based on key points

1.2 數據處理

在基于關鍵點的逆向設計中，目標樣本W可描述為：

W=[W1,W2,…,Wn],n≥1 .

(1)

設關鍵點數量為m，則每一個樣本Wi都可以用3個坐標方向的形式表示為：

(2)

綜合所有得到的關鍵點坐標值，可計算出每一個關鍵點3個方向的百分位數P：

(3)

(4)

(5)

然后選擇合適的百分位數作為產品數字建模的標準數據，也就是確定不同的K值。將式(4)，(5)代入式(3)中，即可得到各關鍵點的3方向坐標值，作為最終的逆向設計輸入值。優化樣本Wt可描述為

(6)

2 設計實例

2.1 設計思考

以挖掘機的操作手柄為例，對所探討的逆向設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、重復性的和靜態的負荷導致各種肌肉骨骼疾病和過度使用傷害[6]。設計符合人體手部形態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，減小應力[8-9]。

2) 根據手掌肌肉、血管和神經的分布，設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網絡的掌心處施力。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良好，神經不受強壓迫[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，需合理設置操作手柄的直徑和角度。

2.2 設計流程

整個設計過程應用基于關鍵點的逆向設計方法，主要包含人機實驗、數字建模和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，將固定形態的初始油泥樣本捏塑為適合的目標樣本，經過關鍵點的確定、數據采集和處理，以優化后的關鍵點數據為基礎進行數字模型重建。具體的設計流程如圖2所示。

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

2.3 關鍵點的確定

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

圖3 手掌肌肉分布與手掌關鍵點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歷，被試基本情況及右手主要尺寸測量數據如表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穩定的情況下，具有一定的可變形能力。油泥提前進行了造型預處理，根據對操作手柄的人機分析，油泥被塑造為統一的初始造型，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，調節座椅扶手保持雙臂呈水平狀態。接著要求被試雙手保持自然的操作狀態握持初始油泥樣本，改變樣本模型的造型至舒適狀態。最后依照圖3(b)在被試手掌標記出關鍵點，所示關鍵點的位置將在油泥上留下印跡。重復實驗即可生成15個帶有關鍵點標記的操作手柄，實驗現場如圖4所示，實驗樣本之一如圖5所示。

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

2.5 實驗結果

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

根據GBT12985-91，操作手柄主要應用平均尺寸設計原則，與手部相接觸的關鍵點(A，B，C，D，S)選擇第50百分位(P50)作為手柄尺寸的設計依據。而針對手掌心與操作手柄不接觸的設計要求，M點應選擇極限尺寸作為設計參考，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。將測量數據代入式(3)—式(5)可以確定各關鍵點的優化坐標值Wt，并將原點(-320，-600，-450)移動至合適位置作為數字模型關鍵點輸入值，具體坐標數據如表3所示。

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

表3 優化后的部分關鍵點坐標值Table 3 Part of optimized key points' coordinate values

2.6 模型構建

對于不規則的曲面重構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，為達到要求只能依從由點到線再到面的重構過程[9]。根據確定的優化數據，通過Rhino軟件建立數字立體模型。首先在設定的坐標系中將所有關鍵點標出，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，合理建立產品表面造型。最終可以得到經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。該數字模型造型表面經過除M外所有實驗所得關鍵點坐標，滿足人機要求。

當產品的人機品質直接影響用戶的使用舒適體驗時，將逆向工程與3D打印技術相結合，是對通過逆向設計所得的目標產品進行設計合理性驗證的一種最優及最快的檢驗方式[10]。這種技術非常適合設計初期的造型分析和檢驗，特別是對人機工程領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。在按照最優關鍵點構建了數字模型后，通過將數字模型轉為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 數字模型 圖7 實體模型 Fig.6 Digital model Fig.7 Entity model

2.7 設計評價

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。所有被試在連續進行30 min的模擬挖掘任務后完成手柄舒適性的主觀評價，以0～10分計。主觀評價結果見表4.

結果顯示，3款通過逆向設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，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不夠理想，主要原因在于手柄材料和產品表面缺乏防滑處理，影響了操作體驗。

表4 主觀評價結果Table 4 Subjective evaluation

3 結束語

對于手柄類產品，通過采集多目標樣本的關鍵點數據，計算各坐標值的百分位數對數據進行優化，進而進行數字建模和設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人手形的產品造型，具有廣泛的人機適用性。不同用途的手柄設計要考慮不同產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品設計中，如耳機、頭盔、眼鏡等，對相關產品造型設計具有一定的指導意義。