基于JACK的手機使用場景頸部及上肢關節(jié)舒適度評價分析

曾佳俊，王婷，張艷鳳

(貴州大學 管理學院，貴陽 550025)

1 引言

長時間、高頻率的使用手機可能會導致頸部、肩部等關節(jié)的肌肉損傷，長此以往會導致頸椎病、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比正常人更容易產(chǎn)生頸部和肩部疲勞，對人們的正常工作生活產(chǎn)生巨大負面影響。不正確的手機使用姿勢，例如頭部關節(jié)屈曲角度過大，肩關節(jié)上臂前屈角度過大等都會加劇關節(jié)肌肉損傷，更容易產(chǎn)生肩頸相關疾病。所以找到人們在日常生活中較為舒適的手機使用姿勢，給出具體建議顯得尤為重要。對此本文主要針對使用手機這一場景，對不同使用姿勢進行人體舒適度評價。

國內(nèi)外關于人體舒適度評價的研究方法主要分為主觀評價與客觀評價：主觀評價主要是通過詢問并記錄被試者的舒適性主觀感受，利用統(tǒng)計學相關工具進行評價的方法，主要有測量法、模型法和調(diào)查法。客觀評價是指以人體的多個客觀生理指標作為評價度量，如表面肌電信號測量、壓力分布分析、血液流動分析等?？陀^評價法相較于主觀評價法存在的問題明顯，首先客觀評價法需要借助各種儀器設備，導致測量系統(tǒng)價格高昂，研究門檻高；其次客觀評價法穩(wěn)定性不夠理想，不同被試者對測量結果影響較大。

為了規(guī)避客觀評價法所帶來的缺陷，充分發(fā)揮主觀評價法的優(yōu)勢，本文借助JACK軟件強大的舒適度評價分析模塊進行主觀評價數(shù)據(jù)分析。JACK是目前最成熟的人體建模與人機工程評價軟件，現(xiàn)階段國內(nèi)外學者利用該軟件所開展的研究主要集中在人機工程設計和職業(yè)病防護方面。

在人機工程設計方面，鞠峰[2]利用CAD建模導入JACK軟件進行了Comfort Assessment和Vision Analysis分析，建立了一種基于人機工程學的飛機駕駛艙設計方法。Garcia[3]等人利用JACK設計了一種便攜式輔助交通工具，通過舒適度評估減少了操作疲勞，可以有效減少人們在高密度大都市中短距離通勤的時間和精力。劉力卓[4]等人以和諧號動車座椅為研究對象，利用JACK軟件建立數(shù)字人，通過舒適度分析發(fā)現(xiàn)座椅的設計不合理性，并對座椅高度、傾角進行了重新設計，軟件仿真結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價方法能有效反映出關節(jié)舒適感，并為駕駛環(huán)境的設計提供借鑒。

在職業(yè)病防護方面Hovanec[6]等人利用JACK軟件中的快速上肢分析和靜態(tài)強度預測確定了在不同工作強度下，防止出現(xiàn)肌肉拉傷的肌肉力量最大值。Paul[7]等人基于JACK軟件的搬運受力分析對醫(yī)護人員在搬運病床時L4處的肌肉張力進行了人機工程分析，確定了反復密集地搬運病床可能會導致骨骼肌疾病的產(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]等人針對保險杠制造廠搬運人員腰部易疲勞損傷問題，利用JACK重新設計改進了搬運小車，新的設計方案經(jīng)過軟件仿真得出可以有效減小工作時間及上肢關節(jié)受力。Beno[10]等人利用JACK進行搬運姿勢仿真，以減少工人的工作負荷及所引起的肌肉骨骼疾病，并給出了改進建議。羅曉利[11]等人使用JACK中的新陳代謝分析模塊(Metabolic Energy Expenditure)計算了機務人員作業(yè)能耗，RULA模塊計算姿態(tài)負荷，將維修動作參數(shù)和姿態(tài)參數(shù)進行分解、標準化，有效評估了機務人員的工作負荷。

盡管國內(nèi)外學者之前已對關節(jié)舒適度有過不少研究，但都未針對手機使用場景，而且更多的是考慮單一關節(jié)舒適度，未對頸部及上肢關節(jié)舒適度進行整體評價。本文首先確定主觀舒適度測量數(shù)據(jù)，在Porter(1998)模型基礎上根據(jù)關節(jié)活動角度在其正?；顒臃秶?5%內(nèi)最為舒適這一研究結論[12]，以及吳桂榮[13]等所測量的關節(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。隨后結合JACK軟件的Comfort Assessment分析模塊，選用主觀評價方法進行頸部及上肢關節(jié)舒適度評價，這種方法高效、快速，實驗可重復性強，不受不同被試差別所影響。最終利用此方法建立了針對手機使用場景的頸部及上肢舒適度評價模型，并確定了使用手機的最佳姿勢。

圖1 人體頸部及上肢關節(jié)舒適度評價模型參數(shù)

2 仿真模型的建立

JACK具有非常強大的數(shù)字人建模功能，其集成了多個國家的人體測量數(shù)據(jù)庫，根據(jù)1989年中國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)庫中集成了此標準，可直接在創(chuàng)建數(shù)字人時進行選擇。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，身高和體重數(shù)據(jù)如表1所示。

數(shù)字人姿勢采用JACK默認的標準坐姿，然后調(diào)整手臂各關節(jié)做出握持手機的動作，如圖2所示。手機屏幕中心對準數(shù)字人視線中心，手機尺寸為常見的5.5英寸手機大小。根據(jù)公式1[14]，可以得到人眼到手機屏幕距離約為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為標準視距；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)字符高度，通過實際測量h=1.8 mm。

表1 各百分位男性身高和體重

圖2 握持手機姿勢示例

3 實驗設計

設置數(shù)字人“Vision Target”為“Follow site”，選定site為手機屏幕中心點，隨著握持手機姿勢的改變，數(shù)字人頸部關節(jié)旋轉始終保持注視點為手機屏幕中心。在生活中，絕大多數(shù)人在坐姿狀態(tài)下使用手機時，會將手機正對面部中央，通常頭部不會產(chǎn)生左右偏轉。如圖3，灰色平面與數(shù)字人視線相平行，平分數(shù)字人左右兩側，將手機中心點始終限制在該平面上運動。

圖3 手機移動平面示意圖

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

圖4 視距示意圖

圖5 舒適度分析模塊

圖6 數(shù)字人關節(jié)角度變化范圍

4 舒適度評價模型建立及數(shù)據(jù)分析

4.1 頸部、肩部和肘部關節(jié)權重的確定

為確定人體握持手機姿勢舒適度評價模型各關節(jié)的權重，筆者邀請了36名18～30歲無骨骼肌疾病的健康人士進行了AHP打分，計算出頸部權重為0.438，肩部0.342，肘部0.220。

4.2 評價模型的建立

(1)計算各關節(jié)的AVRM(Angle Value Relative to Mode)值

AVRMk=θk-Mk

(2)

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

(2)計算某一角度AVRM加權值Wi

(3)

ak表示關節(jié)權重，頸部為a1，肩部為a2，肘部為a3。

(3)歸一化計算

(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頸部及上肢舒適度評價模型。

5 討論

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

表2 不同百分位數(shù)字人最舒適姿勢下各關節(jié)彎曲角度

最終確定當視距在35 cm～40 cm之間，且頸部關節(jié)彎曲角度在17°～19°之間，肩部關節(jié)彎曲角度在12°～14°之間，肘部關節(jié)彎曲角度在120°～121°之間變化時，人體握持手機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 人體握持手機頸部及上肢較為舒適狀態(tài)各關節(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選項對Porter模型中的Upper Arm Flexion進行了重新修正，由此確定評價模型參數(shù)。其次在Porter評價模型的基礎上針對人體握持手機姿勢構建了頸部及上肢關節(jié)舒適度評價模型。然后通過實驗研究了頸部關節(jié)、肩部關節(jié)和肘部關節(jié)不同彎曲角度對人體握持手機頸部及上肢舒適度的影響。最后確定了頸部關節(jié)、肩部關節(jié)和肘部關節(jié)的舒適彎曲角度范圍。

該評價模型能夠有效快速的進行關節(jié)舒適度評價，且實驗穩(wěn)定性高，不依賴售價高昂的實驗設備，對運用主觀評價法進行人體舒適度評價分析具有啟示作用。

6 結論

本文基于JACK軟件，探究了頸部關節(jié)、肩部關節(jié)和肘部關節(jié)彎曲角度對頸部及上肢握持手機姿勢舒適度的影響規(guī)律。并建立了頸部及上肢關節(jié)舒適度評價模型。通過仿真分析得出，當視距在35 cm～40 cm之間，且頸部關節(jié)彎曲角度在17°～19°之間，肩部關節(jié)彎曲角度在12°～14°之間，肘部關節(jié)彎曲角度在120°～121°之間變化時，人體握持手機頸部及上肢舒適度指數(shù)大于0.8，為較舒適狀態(tài)。

通過調(diào)節(jié)使用手機時關節(jié)彎曲角度，可以預防頸部及上肢關節(jié)疾病的產(chǎn)生，為人們正確握持手機提供了理論支撐及使用建議，對于減輕人們在長時間使用手機時所產(chǎn)生的疲勞程度具有重要意義。

本文對于舒適度評價模型的構建處于探索階段，只考慮了主觀評價因素，且只從生理角度進行研究，在未來的研究中可加入客觀評價因素，還可以結合生理、視力和使用習慣等因素進行更深入的研究。