基于人體數據的耳機改良與驗證方法

王海寧

關鍵詞：頭戴式耳機 可穿戴產品 人體數據 頭耳特征 適配 舒適 主觀評價 客觀評價

引言

近年來無線頭戴式耳機越來越受消費者歡迎，其舒適性也逐漸成為最能影響消費者購買意愿的因素。但現主流頭戴式耳機較長時間佩戴后均容易產生不適感，而這種不適感常常與耳機不適配有關。如何通過產品設計提高頭戴式耳機的適配性，從而降低耳機佩戴時造成的不適感，是對其進行產品設計時需要研究的重要問題。

從產品設計人機工學角度出發，頭戴式耳機屬于可貼身穿戴的產品，其舒適性與用戶的生理特征密切相關[1] 。故需要對頭戴式耳機相關的人體特征進行研究，著重研究其佩戴時與人體直接接觸部分的生理特征，以有效提高其佩戴舒適性。頭戴式耳機相關人體特征主要有頭部和耳部的外部形態特征，而采集人體外部形態特征最準確有效的方法即是通過人體掃描獲取三維數據，以此獲得輔助設計的人體數據。Lacko 等[2] 通過核磁共振掃描獲得100個人體頭部三維模型樣本，然后通過輸入用戶頭長、頭圍等 5 個關鍵特征數據，就可獲得類似所輸入用戶的頭部特征，以用于頭戴產品的定制設計。Chiu等[3] 將掃描獲得的外耳形狀特征分為三類，并通過分析各類外耳尺寸，給出耳機相關耳部特征的設計參考尺寸。

在完成基于人體掃描數據的產品設計后，同樣可以利用人體數據對其產品舒適性進行驗證，Skals等[4] 建立了結合頭盔內墊與頭部接觸面之間的平均誤差和標準誤差以及面積比例等重要指標作為頭盔佩戴舒適性的客觀評價。產品舒適性客觀評價方法是通過設備測算被試的生理反應數據，或直接相關物理指標數據來間接評價產品的舒適性。而舒適性受生理和心理兩方面因素同時影響，故產品舒適性評價還應考慮主觀心理上的直接評價。

在完成基于人體掃描數據的產品設計后，同樣可以利用人體數據對其產品舒適性進行驗證，Skals等[4] 建立了結合頭盔內墊與頭部接觸面之間的平均誤差和標準誤差以及面積比例等重要指標作為頭盔佩戴舒適性的客觀評價。產品舒適性客觀評價方法是通過設備測算被試的生理反應數據，或直接相關物理指標數據來間接評價產品的舒適性。而舒適性受生理和心理兩方面因素同時影響，故產品舒適性評價還應考慮主觀心理上的直接評價。

本文提出了基于人體外部特征數據的兩種可穿戴產品設計方法：一是基于簡單數據，如頭頂部數據，通過聚類分析數據提取特征線輔助形態設計的方法;二是基于復雜數據，如外耳部數據，通過參考數據百分位特征點間距指導尺寸設計的方法。并將這兩種方法應用于頭戴式耳機的改良設計中，基于人體頭部和耳部數據分別對佩戴時與其直接接觸的頭墊和耳墊進行改良設計。最后再對以此方法設計改良的頭戴式耳機，進行客觀適配性和主觀舒適性評價相，驗證其設計改良方法是否有效。

一、基于人體頭部和耳部數據的可穿戴產品設計研究方法

本文所研究基于人體數據設計改良的產品為，穿戴時與人體頭部和耳部直接接觸的頭戴式耳機。由于頭部和耳部的人體外部曲面形態特征數據復雜程度差異巨大，基于這兩類人體數據進行設計改良也采用不同的方法。

（一） 基于人體頭部特征線的可穿戴產品設計方法。對于外部曲面形態特征簡單，易于抽象為方圓等幾何形體的人體部位特征數據，如類圓的頭頂部，可采用聚類分析其曲面特征來概括人體部位特征的方法。Lacko等[7] 通過k-menas聚類算法將掃描獲得的人體頭部特征數據分為四類，并通過同類和不同類別間樣本的誤差分析，驗證了聚類分類的可靠性，最終基于各類別的共性特征設計頭戴式腦電產品。本文采用提取頭頂特征弧度線，即頭戴式耳機與頭部直接接觸面的弧度線，再聚類分析人體頭部數據各類共性特征，即各類特征線重合部分作為頭戴式耳機頭墊弧度設計參考。

（二） 基于人體耳部特征點的可穿戴產品設計方法。對于外部形態結構特征復雜，難以概括為簡單幾何形體的人體部位特征數據，如外耳部，可采用直接分析人體與產品接觸位置的特征點間距，以獲取產品與人體接觸部分尺寸設計參考的方法。冉寧鵬等[8] 提取掃描獲得的人體耳部特征數據中與耳機設計相關的特征關鍵點后建立半參數化耳機模型。在耳機數化模型建立過程中，調節耳機上與耳部特征接觸干涉的位置點，以實現耳機尺寸與耳部特征點相適配。本文采用提取外耳部四邊最遠處點橫縱間距即耳寬與耳長，再分析該特征數據的百分位間距數值，即能夠完全包裹外耳部的耳墊內尺寸范圍作為設計參考。

（三）可穿戴產品舒適性評價方法。本文中提出的以上兩種基于人體數據設計可穿戴產品度方法，是否使其具有了更好的舒適性還需要驗證。目前，國內外對可穿戴產品舒適性的研究以客觀評價與主觀評價相結合的方法為主。即測算用戶穿戴產品時的受力接觸情況等生理或物理指標來評價其舒適性，同時用問卷量化用戶對產品舒適性的主觀感知，最終將客觀和用主觀評價結合共同定義產品舒適性，這也是本文所采用的舒適性驗證方法。

二、應用方法分析頭戴式耳機設計相關的人體特征數據

頭戴式耳機與人體直接接觸部分為頭墊和耳墊，是直接影響用戶佩戴時對其舒適性主觀評價的部分[9] ，也是本文基于人體頭部和耳部數據特征改良頭戴式耳機設計的研究重點。本文基于中國人體頭部三維數據[10] ，對其頭頂部和外耳部特征數據進行統計分析，用于頭墊和耳墊的改良設計。統計分析的數據包括所掃描的2200位被試的人口統計學信息，以及完成處理的三維人頭數據模型，還包括擬合所有人頭數據模型所得的百分位的高精度三維頭耳模型[11] ，作為頭戴式耳機頭墊和耳墊設計的人體數據參考。

（一）頭墊設計相關人體頭部特征數據。人體頭部外結構主要由頭皮和顱骨組成，厚度約為5.7毫米的頭皮組織覆蓋在顱骨的外側，頭戴式耳機佩戴時，由于頭皮組織薄，頭墊與頭頂部接觸位置，恰好在顱骨上頂點的重要穴位百會穴處。若所佩戴的頭戴式耳機的頭墊與頭頂接觸部分壓強過大，長時間佩戴便容易導致頭疼眩暈。故本研究將以頭墊內弧度與頭頂弧度特征一致，為頭墊改良設計的理想狀態，如圖1，以確保頭墊與頭頂部佩戴受力時接觸充分，避免頭頂點局部壓強過大。