基于人體數(shù)據(jù)的耳機(jī)改良與驗(yàn)證方法

王海寧

關(guān)鍵詞：頭戴式耳機(jī) 可穿戴產(chǎn)品 人體數(shù)據(jù) 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(jī)越來越受消費(fèi)者歡迎，其舒適性也逐漸成為最能影響消費(fèi)者購買意愿的因素。但現(xiàn)主流頭戴式耳機(jī)較長時間佩戴后均容易產(chǎn)生不適感，而這種不適感常常與耳機(jī)不適配有關(guān)。如何通過產(chǎn)品設(shè)計提高頭戴式耳機(jī)的適配性，從而降低耳機(jī)佩戴時造成的不適感，是對其進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計時需要研究的重要問題。

從產(chǎn)品設(shè)計人機(jī)工學(xué)角度出發(fā)，頭戴式耳機(jī)屬于可貼身穿戴的產(chǎn)品，其舒適性與用戶的生理特征密切相關(guān)[1] 。故需要對頭戴式耳機(jī)相關(guān)的人體特征進(jìn)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(jī)相關(guān)人體特征主要有頭部和耳部的外部形態(tài)特征，而采集人體外部形態(tài)特征最準(zhǔn)確有效的方法即是通過人體掃描獲取三維數(shù)據(jù)，以此獲得輔助設(shè)計的人體數(shù)據(jù)。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(guān)鍵特征數(shù)據(jù)，就可獲得類似所輸入用戶的頭部特征，以用于頭戴產(chǎn)品的定制設(shè)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(jī)相關(guān)耳部特征的設(shè)計參考尺寸。

在完成基于人體掃描數(shù)據(jù)的產(chǎn)品設(shè)計后，同樣可以利用人體數(shù)據(jù)對其產(chǎn)品舒適性進(jìn)行驗(yàn)證，Skals等[4] 建立了結(jié)合頭盔內(nèi)墊與頭部接觸面之間的平均誤差和標(biāo)準(zhǔn)誤差以及面積比例等重要指標(biāo)作為頭盔佩戴舒適性的客觀評價。產(chǎn)品舒適性客觀評價方法是通過設(shè)備測算被試的生理反應(yīng)數(shù)據(jù)，或直接相關(guān)物理指標(biāo)數(shù)據(jù)來間接評價產(chǎn)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(chǎn)品舒適性評價還應(yīng)考慮主觀心理上的直接評價。

在完成基于人體掃描數(shù)據(jù)的產(chǎn)品設(shè)計后，同樣可以利用人體數(shù)據(jù)對其產(chǎn)品舒適性進(jìn)行驗(yàn)證，Skals等[4] 建立了結(jié)合頭盔內(nèi)墊與頭部接觸面之間的平均誤差和標(biāo)準(zhǔn)誤差以及面積比例等重要指標(biāo)作為頭盔佩戴舒適性的客觀評價。產(chǎn)品舒適性客觀評價方法是通過設(shè)備測算被試的生理反應(yīng)數(shù)據(jù)，或直接相關(guān)物理指標(biāo)數(shù)據(jù)來間接評價產(chǎn)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(chǎn)品舒適性評價還應(yīng)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(shù)據(jù)的兩種可穿戴產(chǎn)品設(shè)計方法：一是基于簡單數(shù)據(jù)，如頭頂部數(shù)據(jù)，通過聚類分析數(shù)據(jù)提取特征線輔助形態(tài)設(shè)計的方法;二是基于復(fù)雜數(shù)據(jù)，如外耳部數(shù)據(jù)，通過參考數(shù)據(jù)百分位特征點(diǎn)間距指導(dǎo)尺寸設(shè)計的方法。并將這兩種方法應(yīng)用于頭戴式耳機(jī)的改良設(shè)計中，基于人體頭部和耳部數(shù)據(jù)分別對佩戴時與其直接接觸的頭墊和耳墊進(jìn)行改良設(shè)計。最后再對以此方法設(shè)計改良的頭戴式耳機(jī)，進(jìn)行客觀適配性和主觀舒適性評價相，驗(yàn)證其設(shè)計改良方法是否有效。

一、基于人體頭部和耳部數(shù)據(jù)的可穿戴產(chǎn)品設(shè)計研究方法

本文所研究基于人體數(shù)據(jù)設(shè)計改良的產(chǎn)品為，穿戴時與人體頭部和耳部直接接觸的頭戴式耳機(jī)。由于頭部和耳部的人體外部曲面形態(tài)特征數(shù)據(jù)復(fù)雜程度差異巨大，基于這兩類人體數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)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(chǎn)品設(shè)計方法。對于外部曲面形態(tài)特征簡單，易于抽象為方圓等幾何形體的人體部位特征數(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)分為四類，并通過同類和不同類別間樣本的誤差分析，驗(yàn)證了聚類分類的可靠性，最終基于各類別的共性特征設(shè)計頭戴式腦電產(chǎn)品。本文采用提取頭頂特征弧度線，即頭戴式耳機(jī)與頭部直接接觸面的弧度線，再聚類分析人體頭部數(shù)據(jù)各類共性特征，即各類特征線重合部分作為頭戴式耳機(jī)頭墊弧度設(shè)計參考。

（二） 基于人體耳部特征點(diǎn)的可穿戴產(chǎn)品設(shè)計方法。對于外部形態(tài)結(jié)構(gòu)特征復(fù)雜，難以概括為簡單幾何形體的人體部位特征數(shù)據(jù)，如外耳部，可采用直接分析人體與產(chǎn)品接觸位置的特征點(diǎn)間距，以獲取產(chǎn)品與人體接觸部分尺寸設(shè)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(shù)據(jù)中與耳機(jī)設(shè)計相關(guān)的特征關(guān)鍵點(diǎn)后建立半?yún)?shù)化耳機(jī)模型。在耳機(jī)數(shù)化模型建立過程中，調(diào)節(jié)耳機(jī)上與耳部特征接觸干涉的位置點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)耳機(jī)尺寸與耳部特征點(diǎn)相適配。本文采用提取外耳部四邊最遠(yuǎn)處點(diǎn)橫縱間距即耳寬與耳長，再分析該特征數(shù)據(jù)的百分位間距數(shù)值，即能夠完全包裹外耳部的耳墊內(nèi)尺寸范圍作為設(shè)計參考。

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

二、應(yīng)用方法分析頭戴式耳機(jī)設(shè)計相關(guān)的人體特征數(shù)據(jù)

頭戴式耳機(jī)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(shù)據(jù)特征改良頭戴式耳機(jī)設(shè)計的研究重點(diǎn)。本文基于中國人體頭部三維數(shù)據(jù)[10] ，對其頭頂部和外耳部特征數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，用于頭墊和耳墊的改良設(shè)計。統(tǒng)計分析的數(shù)據(jù)包括所掃描的2200位被試的人口統(tǒng)計學(xué)信息，以及完成處理的三維人頭數(shù)據(jù)模型，還包括擬合所有人頭數(shù)據(jù)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(jī)頭墊和耳墊設(shè)計的人體數(shù)據(jù)參考。

（一）頭墊設(shè)計相關(guān)人體頭部特征數(shù)據(jù)。人體頭部外結(jié)構(gòu)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(cè)，頭戴式耳機(jī)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(diǎn)的重要穴位百會穴處。若所佩戴的頭戴式耳機(jī)的頭墊與頭頂接觸部分壓強(qiáng)過大，長時間佩戴便容易導(dǎo)致頭疼眩暈。故本研究將以頭墊內(nèi)弧度與頭頂弧度特征一致，為頭墊改良設(shè)計的理想狀態(tài)，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(diǎn)局部壓強(qiáng)過大。