基于逆向工程數(shù)字人體技術(shù)的產(chǎn)品可用性設(shè)計評價研究：以頸部按摩器為例

閆蕾　王秋惠

摘要：文章從人機工程學(xué)角度出發(fā)，運用逆向工程及數(shù)字人體的客觀方法對頸部按摩器進行了可用性評價，將人機工程學(xué)理論融合在實際設(shè)計中，使設(shè)計因素條理化、創(chuàng)造性設(shè)計理性化，從而引導(dǎo)產(chǎn)品設(shè)計成功。

關(guān)鍵詞：逆向工程 數(shù)字人體 可用性 頸部按摩器

中圖分類號：TB472 文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1003-0069（2017）02-0124-02

引言

（一）產(chǎn)品設(shè)計中的可用性評價

隨著科學(xué)技術(shù)的進步，人們越來越強調(diào)產(chǎn)品功能的多樣性。功能增加的同時帶來的是人們對于產(chǎn)品可用性的需求，這也就意味著產(chǎn)品可用性在產(chǎn)品設(shè)計過程中起著越發(fā)重要的角色。產(chǎn)品如果擁有良好的可用性能夠使消費者在使用中更加便利、舒服，并減少操作失誤，正因此越來越多的可用性評價研究正逐步展開。通過各學(xué)者的探索研究，可用性評價方法主要分為兩類：主觀評價方法和客觀評價方法。

對于主觀評價方法，研究包括以下方面：如產(chǎn)品外觀的美觀性、產(chǎn)品使用中的愉悅感等，這是用戶在使用產(chǎn)品時所展現(xiàn)的態(tài)度。由于這種方法在實驗過程中存在過多的變數(shù)，因此而今學(xué)者們更傾向于使用客觀評價方法來評估產(chǎn)品的可用性（例如，建立結(jié)構(gòu)化框架，采用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)和定義可用性評價指數(shù)。我們發(fā)現(xiàn)客觀評價方法更加直觀，因此本研究從該方法出發(fā)，利用逆向工程技術(shù)來進行測試，以評估產(chǎn)品的可用性。

（二）數(shù)字人體模型技術(shù)

數(shù)字人體技術(shù)是生命科學(xué)和信息科學(xué)的研究領(lǐng)域，通常應(yīng)用于醫(yī)學(xué)研究。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字人體技術(shù)也得到了飛速提升。在過去的幾年中，隨著對該技術(shù)大規(guī)模開發(fā)和利用，以人體的參數(shù)為基準(zhǔn)建立相應(yīng)的數(shù)字模型來分析、探究^機可行性是設(shè)計的必然要求。

由于數(shù)字人體的研究和建模對于社會各行各業(yè)都存在巨大的潛力，為此大量的學(xué)者展開了相關(guān)的研究。在構(gòu)建虛擬八方面，Chenmao提出了一種新的方法和界面，以此來草繪虛擬人，從而勾畫出各種人體模型。而Yueh-Ling Lin則提出了系統(tǒng)地利用人正面和側(cè)面的圖像來構(gòu)建三維人體模型的方法吲。Yan Luximon根據(jù)中國人體尺寸調(diào)查，運用三維掃描技術(shù)創(chuàng)建了相似的人頭部和面部模型，此技術(shù)可用于頭部和面部產(chǎn)品的設(shè)計。張紹祥研究并建立了中國男、女?dāng)?shù)字化可視人體數(shù)據(jù)的交互式三維可視化平臺，形成了數(shù)字人體解剖學(xué)和虛擬外科手術(shù)的雛形。在數(shù)字人體的應(yīng)用方面，Renran Tian提出了基于虛擬互動設(shè)計平臺的動態(tài)人體工程學(xué)分析方法，這種環(huán)境允許指定關(guān)節(jié)根據(jù)作業(yè)要求實現(xiàn)速度和角度的變化，并根據(jù)工作風(fēng)險分類模型來評估對應(yīng)的作業(yè)風(fēng)險。Seung-Yeob Baek則創(chuàng)建了一種新型參數(shù)化人體模型框架來集成到各種產(chǎn)品的設(shè)計應(yīng)用中。任金東研究并建立了一種適合重型商用車人機工程設(shè)計的數(shù)字人體模型系統(tǒng)SHOVED，能夠?qū)崿F(xiàn)駕駛員人體建模、駕駛操作模擬和工效分析，完成初始的方案設(shè)計。張靜將數(shù)字人體與輪椅進行了仿真模擬分析，確定了輪椅大輪和手推輪之間的最佳距離。

（三）逆向工程

逆向工程（RE）是機械設(shè)計的一個重要分支和制造應(yīng)用領(lǐng)域，這種技術(shù)已被廣泛認(rèn)為是在產(chǎn)品設(shè)計周期的關(guān)鍵一步。在產(chǎn)品設(shè)計和研究的過程中，使用稀土將在很大程度上降低了生產(chǎn)周期和成本。逆向工程技術(shù)是20世紀(jì)80年代初分別由美國3M公司、日本名古屋工業(yè)研究所以及美國UVP公司提出并研制開發(fā)成功的。自20世紀(jì)80年代至今，國外對于逆向工程的研究從未間斷，不但涌現(xiàn)出一批商用軟件，主要有Imageware、CopyCAD等，理論上也得到了廣泛研究。

Au and Yuen提出了很多將掃描數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為實際幾何模型的模型重建方法；Werghi研究了基于特征將工業(yè)產(chǎn)品進行模型重建的方法；Eyup Bagci提出了適用于逆向工程的部分?jǐn)?shù)字化技術(shù)的審查。目前，我國逆向工程的發(fā)展還僅限于引進外國先進技術(shù)的初級階段，不過仍有大量學(xué)者從理論和實踐上對逆向工程技術(shù)進行了深入的分析和研究。張麗艷提出了—種用B樣條曲面重構(gòu)復(fù)雜雕塑曲面的算法，從而控制重構(gòu)曲面的構(gòu)造精度；許智欽利用非接觸式3-D測量探頭，采用線激光及雙CCD采集技術(shù)建立一套逆向工程測量系統(tǒng)膚速將樣品的3-D外形數(shù)字化；金濤回顧了國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀及商業(yè)軟件開發(fā)情況，對目前逆向工程研究與應(yīng)用存在的問題及解決的對策提出了討論；羅大兵總結(jié)了逆向工程中數(shù)據(jù)測量方法及影響測量精度的因素，從噪聲去除、多視對齊、數(shù)據(jù)光順、數(shù)據(jù)精簡、數(shù)據(jù)分割等方面討論了點云數(shù)據(jù)的處理方法。

（四）本文研究

長期低頭工作的上班族很容易得頸椎病，而且越來越年輕化，長期低頭會導(dǎo)致我們頸部肌肉疲勞、頸椎病變，出現(xiàn)頸部疼痛、惡心、頭暈等癥狀，按摩可以緩解頸椎病。但目前市場上現(xiàn)有的頸部按摩器普遍存在如下缺點：1.笨重：形狀龐大，不能貼和身體，不方便攜帶使用；2.操作難：需長時間手和肩持著產(chǎn)品，不方便做其他事。因此本文設(shè)計了一款新型頸部按摩器，并以Pro/Engineer和Geomagic為平臺，提取分析、研究所需的試驗要素，結(jié)合曲面重構(gòu)的方法，運用逆向工程技術(shù)來評價該產(chǎn)品的可用性，使其更好地服務(wù)市場。

一、研究方法

（一）數(shù)據(jù)采集

運用實驗室的PST-H400數(shù)字三維掃描儀對90百分位的男性進行頸部形態(tài)的掃描。掃描采用非接觸的方式，對該男性的頸部進行點云數(shù)據(jù)的采集，如圖1，2所示。

（二）數(shù)據(jù)處理

由于掃描設(shè)備的局限性，所獲取的點云數(shù)據(jù)存在很多噪點，這將會導(dǎo)致所獲取的數(shù)字模型有一定偏差，降低其精度。因此，我們將點云數(shù)據(jù)導(dǎo)入Geomagic中進行去噪、精簡、光順處理，最后進行封裝，形成以三角面為單元的數(shù)字模型，以便進行后續(xù)的實驗分析。最終獲取的模型如圖3，4所示：

（三）尺寸確定

為了使設(shè)計符合人的生理特點，我們需要考慮人體的尺寸特點。因此可以依據(jù)所獲取建立的頸部模型尺寸、結(jié)構(gòu)特點確定頸部按摩器的尺寸參數(shù)，以便進行后續(xù)設(shè)計。

在Pro/Engineer平臺對導(dǎo)入的頸部模型進行尺寸的標(biāo)注，如圖5，6，7所示。

（四）方案設(shè)計

緩解頸椎病主要有五大穴位：風(fēng)池穴、秉風(fēng)穴、天牖穴、肩井穴、曲池穴，如圖9示。在頸部其主要作用的是風(fēng)池穴，位于頸后兩側(cè)枕骨下方，發(fā)際兩邊大筋外側(cè)的凹陷處，如圖8示。此穴具有平肝息風(fēng)，祛風(fēng)解毒，通利官竅的作用。多用于治療頸椎病所致的頭暈、頭脹痛、頸項強痛不適、頸椎活動受限、頸椎怕風(fēng)怕冷等。因此本文主要針對該穴位設(shè)計兩個電脈沖按摩墊，能夠快速發(fā)熱、全方位震動按摩，靈活并能夠更加貼合。如圖10。

（五）可用性評價

在Pro/Engineer裝配平臺插入按摩器和頸部的三維模型元件，進行可用性評價，來確定其是否可行。本文將其進行三維空間的契合，使評價結(jié)果更加直觀、科學(xué)、有效，也為以后的相關(guān)評價提供一個參照。如圖11，12所示。

通過多次調(diào)節(jié)，使兩個模型達到契合，沒有不協(xié)調(diào)的現(xiàn)象出現(xiàn)。按摩墊的弧線與人頸部曲線大致吻合，整個按摩器的外項圈也可以通過調(diào)節(jié)，達到最合適的大小。根據(jù)圖13，14個方向曲率分析的結(jié)果，產(chǎn)品與頸部曲率大致均勻，無不均衡面，滿足設(shè)計所需。

為了以更直觀的形式展示設(shè)計的契合度，我們在Geomagic平臺對按摩器和頸部進行偏差分析。首先分別將模型入Geomagic中，將兩個模型進行手動注冊。注冊完成后在全局注冊木塊進行一個偏差度的分析，偏差結(jié)果會通過顏色進行分區(qū)，如圖15所示。左邊會展示相應(yīng)的接觸面的偏差數(shù)值，我們通過觀察頸部的色差分析，如圖16，可以發(fā)現(xiàn)：按摩墊與頸部接觸的部位大部分區(qū)域都是綠色，并沒有產(chǎn)生太大的偏差，因此該設(shè)計是符合人體的頸部人機特性的。

總結(jié)

頸部按摩器是較為典型的家用理療產(chǎn)品之一，其設(shè)計是否合理關(guān)乎家庭成員使用中的安全、舒適、易用程度。本文從人機工程學(xué)角度，運用逆向工程及數(shù)字人體的客觀方法來研究產(chǎn)品的可用性設(shè)計評價方法，將人機工程學(xué)理論融合在實際設(shè)計中，使設(shè)計因素條理化、創(chuàng)造性設(shè)計理性化，從而引導(dǎo)產(chǎn)品設(shè)計成功。endprint