基于逆向工程数字人体技术的产品可用性设计评价研究：以颈部按摩器为例

    闫蕾　王秋惠

    

    摘要：文章从人机工程学角度出发，运用逆向工程及数字人体的客观方法对颈部按摩器进行了可用性评价，将人机工程学理论融合在实际设计中，使设计因素条理化、创造性设计理性化，从而引导产品设计成功。

    关键词：逆向工程 数字人体 可用性 颈部按摩器

    中图分类号：TB472 文献标识码：A

    文章编号：1003-0069（2017）02-0124-02

    引言

    （一）产品设计中的可用性评价

    随着科学技术的进步，人们越来越强调产品功能的多样性。功能增加的同时带来的是人们对于产品可用性的需求，这也就意味着产品可用性在产品设计过程中起着越发重要的角色。产品如果拥有良好的可用性能够使消费者在使用中更加便利、舒服，并减少操作失误，正因此越来越多的可用性评价研究正逐步展开。通过各学者的探索研究，可用性评价方法主要分为两类：主观评价方法和客观评价方法。

    对于主观评价方法，研究包括以下方面：如产品外观的美观性、产品使用中的愉悦感等，这是用户在使用产品时所展现的态度。由于这种方法在实验过程中存在过多的变数，因此而今学者们更倾向于使用客观评价方法来评估产品的可用性（例如，建立结构化框架，采用数据挖掘技术和定义可用性评价指数。我们发现客观评价方法更加直观，因此本研究从该方法出发，利用逆向工程技术来进行测试，以评估产品的可用性。

    （二）数字人体模型技术

    数字人体技术是生命科学和信息科学的研究领域，通常应用于医学研究。随着计算机技术的发展，数字人体技术也得到了飞速提升。在过去的几年中，随着对该技术大规模开发和利用，以人体的参数为基准建立相应的数字模型来分析、探究^机可行性是设计的必然要求。

    由于数字人体的研究和建模对于社会各行各业都存在巨大的潜力，为此大量的学者展开了相关的研究。在构建虚拟八方面，Chenmao提出了一种新的方法和界面，以此来草绘虚拟人，从而勾画出各种人体模型。而Yueh-Ling Lin则提出了系统地利用人正面和侧面的图像来构建三维人体模型的方法吲。Yan Luximon根据中国人体尺寸调查，运用三维扫描技术创建了相似的人头部和面部模型，此技术可用于头部和面部产品的设计。张绍祥研究并建立了中国男、女数字化可视人体数据的交互式三维可视化平台，形成了数字人体解剖学和虚拟外科手术的雏形。在数字人体的应用方面，Renran Tian提出了基于虚拟互动设计平台的动态人体工程学分析方法，这种环境允许指定关节根据作业要求实现速度和角度的变化，并根据工作风险分类模型来评估对应的作业风险。Seung-Yeob Baek则创建了一种新型参数化人体模型框架来集成到各种产品的设计应用中。任金东研究并建立了一种适合重型商用车人机工程设计的数字人体模型系统SHOVED，能够实现驾驶员人体建模、驾驶操作模拟和工效分析，完成初始的方案设计。张静将数字人体与轮椅进行了仿真模拟分析，确定了轮椅大轮和手推轮之间的最佳距离。

    （三）逆向工程

    逆向工程（RE）是机械设计的一个重要分支和制造应用领域，这种技术已被广泛认为是在产品设计周期的关键一步。在產品设计和研究的过程中，使用稀土将在很大程度上降低了生产周期和成本。逆向工程技术是20世纪80年代初分别由美国3M公司、日本名古屋工业研究所以及美国UVP公司提出并研制开发成功的。自20世纪80年代至今，国外对于逆向工程的研究从未间断，不但涌现出一批商用软件，主要有Imageware、CopyCAD等，理论上也得到了广泛研究。

    Au and Yuen提出了很多将扫描数据转化为实际几何模型的模型重建方法；Werghi研究了基于特征将工业产品进行模型重建的方法；Eyup Bagci提出了适用于逆向工程的部分数字化技术的审查。目前，我国逆向工程的发展还仅限于引进外国先进技术的初级阶段，不过仍有大量学者从理论和实践上对逆向工程技术进行了深入的分析和研究。张丽艳提出了—种用B样条曲面重构复杂雕塑曲面的算法，从而控制重构曲面的构造精度；许智钦利用非接触式3-D测量探头，采用线激光及双CCD采集技术建立一套逆向工程测量系统肤速将样品的3-D外形数字化；金涛回顾了国内外的研究现状及商业软件开发情况，对目前逆向工程研究与应用存在的问题及解决的对策提出了讨论；罗大兵总结了逆向工程中数据测量方法及影响测量精度的因素，从噪声去除、多视对齐、数据光顺、数据精简、数据分割等方面讨论了点云数据的处理方法。

    （四）本文研究

    长期低头工作的上班族很容易得颈椎病，而且越来越年轻化，长期低头会导致我们颈部肌肉疲劳、颈椎病变，出现颈部疼痛、恶心、头晕等症状，按摩可以缓解颈椎病。但目前市场上现有的颈部按摩器普遍存在如下缺点：1.笨重：形状庞大，不能贴和身体，不方便携带使用；2.操作难：需长时间手和肩持着产品，不方便做其他事。因此本文设计了一款新型颈部按摩器，并以Pro/Engineer和Geomagic为平台，提取分析、研究所需的试验要素，结合曲面重构的方法，运用逆向工程技术来评价该产品的可用性，使其更好地服务市场。

    一、研究方法

    （一）数据采集

    运用实验室的PST-H400数字三维扫描仪对90百分位的男性进行颈部形态的扫描。扫描采用非接触的方式，对该男性的颈部进行点云数据的采集，如图1，2所示。

    （二）数据处理

    由于扫描设备的局限性，所获取的点云数据存在很多噪点，这将会导致所获取的数字模型有一定偏差，降低其精度。因此，我们将点云数据导入Geomagic中进行去噪、精简、光顺处理，最后进行封装，形成以三角面为单元的数字模型，以便进行后续的实验分析。最终获取的模型如图3，4所示：

    （三）尺寸确定

    为了使设计符合人的生理特点，我们需要考虑人体的尺寸特点。因此可以依据所获取建立的颈部模型尺寸、结构特点确定颈部按摩器的尺寸参数，以便进行后续设计。

    在Pro/Engineer平台对导入的颈部模型进行尺寸的标注，如图5，6，7所示。

    （四）方案设计

    缓解颈椎病主要有五大穴位：风池穴、秉风穴、天牖穴、肩井穴、曲池穴，如图9示。在颈部其主要作用的是风池穴，位于颈后两侧枕骨下方，发际两边大筋外侧的凹陷处，如图8示。此穴具有平肝息风，祛风解毒，通利官窍的作用。多用于治疗颈椎病所致的头晕、头胀痛、颈项强痛不适、颈椎活动受限、颈椎怕风怕冷等。因此本文主要针对该穴位设计两个电脉冲按摩垫，能够快速发热、全方位震动按摩，灵活并能够更加贴合。如图10。

    （五）可用性评价

    在Pro/Engineer装配平台插入按摩器和颈部的三维模型元件，进行可用性评价，来确定其是否可行。本文将其进行三维空间的契合，使评价结果更加直观、科学、有效，也为以后的相关评价提供一个参照。如图11，12所示。

    通过多次调节，使两个模型达到契合，没有不协调的现象出现。按摩垫的弧线与人颈部曲线大致吻合，整个按摩器的外项圈也可以通过调节，达到最合适的大小。根据图13，14个方向曲率分析的结果，产品与颈部曲率大致均匀，无不均衡面，满足设计所需。

    为了以更直观的形式展示设计的契合度，我们在Geomagic平台对按摩器和颈部进行偏差分析。首先分别将模型入Geomagic中，将两个模型进行手动注册。注册完成后在全局注册木块进行一个偏差度的分析，偏差结果会通过颜色进行分区，如图15所示。左边会展示相应的接触面的偏差数值，我们通过观察颈部的色差分析，如图16，可以发现：按摩垫与颈部接触的部位大部分区域都是绿色，并没有产生太大的偏差，因此该设计是符合人体的颈部人机特性的。

    总结

    颈部按摩器是较为典型的家用理疗产品之一，其设计是否合理关乎家庭成员使用中的安全、舒适、易用程度。本文从人机工程学角度，运用逆向工程及数字人体的客观方法来研究产品的可用性设计评价方法，将人机工程学理论融合在实际设计中，使设计因素条理化、创造性设计理性化，从而引导产品设计成功。