基于三維人體姿勢估計的鼠標(biāo)舒適性評價研究

摘要：三維人體姿勢的分析對鼠標(biāo)和相關(guān)產(chǎn)品的舒適性設(shè)計具有重要意義。運(yùn)用關(guān)鍵點(diǎn)矩陣技術(shù)構(gòu)建了手部骨架模型，通過Leap Motion TM采集握持不同鼠標(biāo)樣本下的手部關(guān)鍵點(diǎn)數(shù)據(jù)，以此計算得出各鼠標(biāo)樣本所對應(yīng)的指間關(guān)節(jié)角度，根據(jù)層次分析法確定手指權(quán)重，并采用模糊評價方法構(gòu)建基于手部關(guān)節(jié)角度的鼠標(biāo)舒適性評價模型。舒適性評價結(jié)果表明，手部支撐穩(wěn)定并能使手指自然伸展的鼠標(biāo)舒適性評價值較高，以此為基礎(chǔ)完成了面向用戶舒適性需求的鼠標(biāo)形態(tài)設(shè)計。研究結(jié)果為人體手部舒適性評價以及握持類工具設(shè)計提供了參考和指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：三維姿勢估計；關(guān)節(jié)角度；鼠標(biāo)舒適性；模糊評價；參數(shù)化設(shè)計

中圖分類號：TB472 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1003-0069（2024）20-0101-05

引言

隨著人們物質(zhì)生活水平不斷提高，對于身心健康和精神生活的要求當(dāng)下，由于市場競爭的加劇以及消費(fèi)者對產(chǎn)品質(zhì)量和體驗要求的提高，用戶體驗成為產(chǎn)品設(shè)計過程中至關(guān)重要的決定因素[1]。在此當(dāng)中，舒適性成為評價產(chǎn)品質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，舒適度高的產(chǎn)品能夠給消費(fèi)者帶來更愉悅的使用體驗，可以提升消費(fèi)者的身心健康水平。同時，隨著計算機(jī)輔助設(shè)計和數(shù)字化仿真技術(shù)的發(fā)展，設(shè)計師能更準(zhǔn)確地模擬人體與產(chǎn)品間的交互，更客觀地評估產(chǎn)品的舒適性。

鼠標(biāo)作為現(xiàn)代計算機(jī)使用場景中的重要組成部分，越來越多用戶開始關(guān)注鼠標(biāo)的使用體驗，對于鼠標(biāo)的舒適性需求也愈發(fā)強(qiáng)烈[2]。鼠標(biāo)形態(tài)設(shè)計的本質(zhì)為手握式工具的設(shè)計，因此，在鼠標(biāo)形態(tài)的設(shè)計過程中，其人機(jī)界面的質(zhì)量對于需要長時間使用手工具的操作者來說至關(guān)重要，不舒適的鼠標(biāo)形態(tài)、尺寸甚至握持姿勢都會導(dǎo)致其手部和上肢的疲勞或疼痛。本研究將從鼠標(biāo)舒適性設(shè)計出發(fā)，借助三維人體姿勢測量技術(shù)完成鼠標(biāo)生理舒適性的評價，為設(shè)計師可以更好地了解鼠標(biāo)形態(tài)的舒適性設(shè)計特征提供理論依據(jù)，并以此促進(jìn)用戶體驗的提升，推動相關(guān)設(shè)計領(lǐng)域的發(fā)展。

一、研究背景

（一）三維人體姿勢估計

三維人體姿勢估計是一種利用計算機(jī)視覺和深度學(xué)習(xí)技術(shù)[3]，可以從給定的圖像或視頻中推斷出人體在三維空間中的姿勢和關(guān)節(jié)角度的方法，現(xiàn)階段在人體動作分析、虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、醫(yī)學(xué)影像分析等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。

隨著三維人體姿勢估計技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計領(lǐng)域的應(yīng)用，設(shè)計師能夠更加精準(zhǔn)地獲取產(chǎn)品使用過程中用戶的人體姿勢數(shù)據(jù)，并據(jù)此來優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計界面和交互方式，提升用戶的體驗和滿意度。例如，張文波[4] 等利用Kinect 識別人體肘、腕、手掌、指尖等關(guān)節(jié)點(diǎn)的空間坐標(biāo)，并對獲取的關(guān)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)處理后通過空間向量關(guān)系計算多幀關(guān)節(jié)夾角的平均值，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了腕關(guān)節(jié)活動度的自動測量。郭慶[5] 等將三維人體姿勢估計技術(shù)應(yīng)用到下肢運(yùn)動研究中，分析了不同任務(wù)情景下下肢關(guān)節(jié)角度的變化情況，通過優(yōu)化任務(wù)流程提高操作者舒適性和工作效率。

（二）鼠標(biāo)生理舒適性評價要素

對于鼠標(biāo)的形態(tài)設(shè)計而言，其舒適程度主要取決于其形狀是否與手部的生理特征相適應(yīng)、鼠標(biāo)尺寸是否符合人手尺度、施力的大小與特征是否避免肌肉壓迫和靜肌負(fù)荷[6]。

通過對手部關(guān)節(jié)角度舒適性評價可以研究不同握持姿勢與舒適度之間的關(guān)系，例如，Kazuki[7] 對抓握任務(wù)中的抓握舒適度與手的抓握姿勢關(guān)系進(jìn)行統(tǒng)計分析表明，抓握時手部關(guān)節(jié)角度與抓握舒適度之間有顯著的相關(guān)性。曾佳俊等[8] 通過利用JACK 軟件模擬不同手握手機(jī)姿勢，研究了不同關(guān)節(jié)屈曲角度下手部的舒適性。綜合上述研究的結(jié)論，鼠標(biāo)形態(tài)與手部自然握持姿勢的匹配程度可以通過握持姿勢所涉及的關(guān)節(jié)角度的變化來表征和評價，本研究將通過獲取用戶握持鼠標(biāo)時的手部關(guān)節(jié)角度來完成其舒適性評價，評價流程如圖1 所示。

二、手部三維姿勢數(shù)據(jù)的獲取

（一）鼠標(biāo)樣本庫的構(gòu)建

鼠標(biāo)的形態(tài)按照操作方式可分為兩類：平行式鼠標(biāo)和垂直式鼠標(biāo)。其中平行式鼠標(biāo)更常見，它的設(shè)計更加符合大多數(shù)人的使用習(xí)慣，能適配不同手型尺寸的用戶。因此，本研究選擇平行式無線鼠標(biāo)作為設(shè)計研究對象。

為保證研究的準(zhǔn)確性與完整性，廣泛搜集市場上常見、用戶常用的平行式鼠標(biāo)樣本。搜集過程中，重點(diǎn)關(guān)注其形態(tài)特征，收集已量產(chǎn)的平行式鼠標(biāo)樣本，建立全面的樣本庫。經(jīng)過多渠道大范圍的樣本搜集后，共獲得鼠標(biāo)樣本90 個。經(jīng)處理和篩選后，形成鼠標(biāo)形態(tài)參數(shù)化設(shè)計研究樣本30 個，如圖2 所示。

（二）基于關(guān)鍵點(diǎn)矩陣的手部關(guān)節(jié)角度獲取

本研究利用Leap Motion TM 測量人體三維手部姿勢數(shù)據(jù)[9]，如圖3a 所示，可以根據(jù)手部解剖結(jié)構(gòu)將手掌轉(zhuǎn)換為由20 個關(guān)鍵點(diǎn)依次連接形成的20 條骨骼線所構(gòu)成的骨架空間矩陣，在該矩陣中，每個關(guān)鍵點(diǎn)都由一個三維坐標(biāo)表示，通過Leap Motion TM 可以實(shí)時捕捉到這些關(guān)鍵點(diǎn)的空間位置信息。

為減少測量過程中的其他因素干擾，確保測量結(jié)果的準(zhǔn)確性，要求被試在實(shí)驗開始之前調(diào)整坐姿至雙肩自然放松，肩關(guān)節(jié)夾角在0°至45°范圍內(nèi)，肘關(guān)節(jié)夾角為90°的姿勢端坐在桌前。

采用右手螺旋法則以關(guān)鍵點(diǎn)為原點(diǎn)建立三維空間坐標(biāo)系，構(gòu)建規(guī)則如圖3b 所示。由于部分手指間關(guān)節(jié)運(yùn)動涉及3 個方向的自由度變化，因此，本研究將利用歐拉角法[10] 計算出各關(guān)鍵點(diǎn)所對應(yīng)關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)角度。為了確保歐拉角旋轉(zhuǎn)角度與手指間關(guān)節(jié)活動角度數(shù)據(jù)的一致性，采用的旋轉(zhuǎn)順序為ZYX，在此當(dāng)中，第一次旋轉(zhuǎn)結(jié)果是表示指間屈曲/ 伸展角度值（記作α），第二次旋轉(zhuǎn)結(jié)果是表示指間外展/ 內(nèi)收角度值（記作β），第三次旋轉(zhuǎn)結(jié)果僅表示掌指間關(guān)節(jié)的軸向旋轉(zhuǎn)角度值（記作γ）。采用旋轉(zhuǎn)矩陣完成歐拉角的計算，通過下式可將相連的兩個指間關(guān)節(jié)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化成旋轉(zhuǎn)矩陣表示的坐標(biāo)系：

式中FNRZ'Y'X'表示兩個相鄰坐標(biāo)系N（在坐標(biāo)系G1 近端）和F（在坐標(biāo)系G1 遠(yuǎn)端）按照ZYX 順序旋轉(zhuǎn)時，所對應(yīng)的3 個角度值α、β、γ。單個旋轉(zhuǎn)角度值可表示為：

式中XF，YF，ZF和XN，YN.ZN分別代表兩相鄰坐標(biāo)系所對應(yīng)XYZ 軸的單位向量。觀察鼠標(biāo)握持操作姿勢可以發(fā)現(xiàn)，其在操作過程中，手掌各指間關(guān)節(jié)的內(nèi)旋/ 外展角和軸向旋轉(zhuǎn)角度值無明顯變化，進(jìn)而，本研究采用各指間關(guān)節(jié)的屈曲/ 伸展角度值做進(jìn)一步研究。

（三）被試的選擇和數(shù)據(jù)處理

選取平均年齡在25 歲，無任何手部疾病且手指各關(guān)節(jié)運(yùn)動正常、經(jīng)常使用鼠標(biāo)的男性與女性用戶各10 名作為被試。依次握持鼠標(biāo)樣本并保持靜止?fàn)顟B(tài)3 ～ 5s，以便于記錄手部各關(guān)鍵點(diǎn)空間位置的變化情況。同時邀請被試對每個樣本進(jìn)行主觀舒適性打分。采集數(shù)據(jù)后，使用截止頻率為3Hz 的二階巴特沃斯濾波器對關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行低通濾波。

提取濾波后單個樣本數(shù)據(jù)的中間100 條數(shù)據(jù)均值作為手部關(guān)鍵點(diǎn)位置測量坐標(biāo)。并根據(jù)上述歐拉角計算公式計算得出14 個手指關(guān)節(jié)的角度變化情況，如圖4 所示。

三、基于三維姿勢數(shù)據(jù)的鼠標(biāo)舒適性評價

（一）手指權(quán)重值判斷

手指的運(yùn)動具有耦合性，雖然手指活動中存在著許多運(yùn)動自由度，但是由于機(jī)械和神經(jīng)的耦合，并不是所有的關(guān)節(jié)運(yùn)動都是獨(dú)立的，這個現(xiàn)象被稱為運(yùn)動學(xué)協(xié)調(diào)性[11]。單根手指在運(yùn)動過程中具有連貫性，在實(shí)際操作時可以將單個手指看作成一個整體賦予權(quán)重值后綜合判斷手部的整體舒適度。本研究利用層次分析法來判斷手指關(guān)節(jié)的權(quán)重值。

邀請10 名年齡在20-35 歲之間、無明顯骨骼疾病且手指各關(guān)節(jié)運(yùn)動正常的健康用戶，對握持鼠標(biāo)過程中各手部關(guān)節(jié)的相對重要程度打分，并以此建立用戶評價矩陣，計算出拇指、食指、中指、無名指以及小指關(guān)節(jié)的權(quán)重。按照1-9 標(biāo)度量化每個要素的相對重要度，通過評價矩陣的最大特征值計算一致性指標(biāo)。其中，根據(jù)RI 表查到對應(yīng)的RI 值為1.11，采用和積法計算評價矩陣特征向量值ωi{ 拇指，食指，中指，無名指，小指}，針對手指關(guān)節(jié)層次分析結(jié)果如表1 所示。

層次分析法的計算結(jié)果顯示，各判斷矩陣中CR=CI/RI ≤ 0.1，證明上述用戶評價矩陣通過一致性檢驗，特征向量ωi 為該層次權(quán)重。取通過一致性檢驗的評價矩陣層次權(quán)重均值，確定各手指的權(quán)重向量為ω{ 拇指，食指，中指，無名指，小指}={0.080，0.406，0.384，0.083，0.047}。

（二）舒適度評價模型

人體手部關(guān)節(jié)有其特定的活動范圍，超出這個范圍就可能導(dǎo)致不適和損傷。在使用鼠標(biāo)的過程中，手部的最佳操作姿勢應(yīng)與休息狀態(tài)下的手部姿勢（在自然放松狀態(tài)下，不用任何力量時，手的肌群處于相對平衡狀態(tài)下）保持一致，即呈現(xiàn)自然彎曲的狀態(tài)。因此，如果鼠標(biāo)形態(tài)設(shè)計能夠保證在操作過程中手部各關(guān)節(jié)角度與自然放松狀態(tài)時的角度相同，那么就可以認(rèn)為該鼠標(biāo)具有良好的舒適性。根據(jù)鼠標(biāo)使用姿勢，在本研究中選擇在前臂內(nèi)旋狀態(tài)下，肩關(guān)節(jié)夾角在0° -45°時，人體手掌處于自然狀態(tài)下各關(guān)節(jié)屈曲角度作為舒適度區(qū)間[12]，具體數(shù)值見表2。

本研究采用模糊評價的方法來綜合評價握持鼠標(biāo)時手指各關(guān)節(jié)的舒適度[13]，基于關(guān)節(jié)角度的手指舒適度模糊評價模型如下：

式中，μ（θn ）是表示的是第n 個手指的舒適度評估值，其范圍為[0，1]，θn 表示的是手指的關(guān)節(jié)角度值，θan和θdn分別是手指關(guān)節(jié)主動活動角度的上限和下限值。由表2 中的手指關(guān)節(jié)主動活動總區(qū)間的最大值和最小值確定，θbn和θcn分別是手指關(guān)節(jié)舒適活動角度的上限和下限值，由表2 中的舒適手指關(guān)節(jié)活動總區(qū)間的最小和最大值確定。當(dāng)評估值為1 時，其手部關(guān)節(jié)角度處于舒適的角度區(qū)間；當(dāng)評估值越接近1 時，各關(guān)節(jié)的相對舒適度越高。

基于關(guān)節(jié)角度的手部舒適度評價模型如下：

式中，ωμ（θn ）表示第n 個手指的權(quán)重值，Yg 表示第g 個樣本對應(yīng)的手部舒適度評價值。根據(jù)上式，可以計算得出鼠標(biāo)樣本庫中各樣本的舒適度評價變化趨勢，如圖5 所示。

（三）討論

通過基于三維人體姿勢估計的鼠標(biāo)舒適度評價方法所獲得鼠標(biāo)舒適度評價值與主觀舒適性評價值的變化趨勢基本一致，驗證了基于手部關(guān)節(jié)角度評價手部舒適度的可行性。

根據(jù)鼠標(biāo)的舒適度評價分析出了影響鼠標(biāo)舒適性的形態(tài)設(shè)計特征，具體表現(xiàn)為以下兩個方面：

1. 形態(tài)的不完全對稱性

鼠標(biāo)的形態(tài)可以分為兩種類型：對稱型和不完全對稱型；對稱型的鼠標(biāo)形態(tài)較為規(guī)整，通過用戶對其的舒適度評價趨勢可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)其整體尺寸越小、背部隆起高度越低時，用戶對其的舒適性評價越低，這是由于此類形態(tài)的鼠標(biāo)在使用時往往無法提供足夠的手部支撐，甚至需要用戶采用扭曲的手部姿勢來操作，長時間這樣使用鼠標(biāo)會造成手部關(guān)節(jié)和肌肉的不適感，也會增加手部尺神經(jīng)受壓或受損的風(fēng)險，導(dǎo)致尺神經(jīng)病變。

同時，通過綜合對比兩種類型鼠標(biāo)形態(tài)的用戶舒適性評價也可以發(fā)現(xiàn)：用戶對某些不完全對稱的鼠標(biāo)樣本舒適性評價較高。高舒適度的形態(tài)不對稱性主要有兩個方面的特征：1. 右鍵相對于左鍵稍向前伸出，這樣設(shè)計有利于用戶手指的自然伸展，減輕長時間使用帶來的手部不適感，并提高按鍵的識別和操作效率；2. 在具有較高舒適性的不完全對稱形態(tài)中，鼠標(biāo)弓部隆起位置向右側(cè)伸出，這使得鼠標(biāo)形態(tài)更貼近手部解剖結(jié)構(gòu)，對手掌有支撐作用，降低了手掌長時間懸空所帶來的肌肉壓迫和疲勞感。

2. 形態(tài)與握持姿勢的匹配性

不同的鼠標(biāo)形態(tài)對應(yīng)著不同的握持姿勢，鼠標(biāo)的握持姿勢可概括為3 種：抓握、捏握和趴握。抓握適用于多種鼠標(biāo)形態(tài)，使用時手掌根部常抵住鼠標(biāo)尾部，手心懸空，手指彎曲與鼠標(biāo)左右鍵呈半垂直狀態(tài)；捏握則是由拇指和無名指捏住鼠標(biāo)，手部與鼠標(biāo)的受力點(diǎn)主要來自3 根手指；趴握時，整個手掌平放在鼠標(biāo)上，手心不懸空，手指自然伸展。

根據(jù)實(shí)驗結(jié)果，可從造型特征和尺寸大小這兩個方面來分析不同握持姿勢所對應(yīng)的高舒適度鼠標(biāo)形態(tài)設(shè)計要求，如表3 所示。

（四）面向用戶舒適性需求的鼠標(biāo)形態(tài)設(shè)計

為充分運(yùn)用實(shí)驗結(jié)果，在上文的基礎(chǔ)上開展了相關(guān)設(shè)計實(shí)踐，探究面向用戶舒適性需求的鼠標(biāo)形態(tài)設(shè)計流程。

1. 高舒適性鼠標(biāo)的設(shè)計要點(diǎn)分析

由上文可知，在鼠標(biāo)形態(tài)設(shè)計過程中用戶生理舒適性需求的滿足，就是要確保鼠標(biāo)在使用過程中不會對用戶的身體造成危害。要求鼠標(biāo)形態(tài)設(shè)計要盡可能保證其在握持時手指以及手掌處于自然伸展?fàn)顟B(tài)，要充分考慮鼠標(biāo)弓部隆起的曲度和形態(tài)外伸方向能對手掌產(chǎn)生良好的支撐作用，也要避免握持時各指間關(guān)節(jié)所對應(yīng)的形態(tài)位置有明顯的凹凸感，減少對手部肌肉的壓迫。

此外，在鼠標(biāo)的形態(tài)設(shè)計過程，各操作功能面的尺寸對于鼠標(biāo)功能的實(shí)現(xiàn)和操作舒適度也會產(chǎn)生影響，因此在鼠標(biāo)形態(tài)設(shè)計過程中還需要建立尺寸約束以確保所生成的鼠標(biāo)形態(tài)能夠符合操作功能實(shí)現(xiàn)和人體手部舒適性要求。

平行式鼠標(biāo)的常規(guī)操作方式如圖6 所示，其左鍵的點(diǎn)擊和滑輪的滾動常采用食指操作；右鍵的點(diǎn)擊操作常通過中指進(jìn)行，鼠標(biāo)的移動操作是通過拇指、無名指以及小指配合進(jìn)行。因此，鼠標(biāo)形態(tài)設(shè)計要求用戶的食指和中指在握持鼠標(biāo)不要超過左鍵和右鍵的最邊緣，鼠標(biāo)的整體長度不要超過手掌長度，鼠標(biāo)的整體寬度也不要超過手掌寬度，其尺寸設(shè)計要匹配大多數(shù)用戶群體的手部尺寸。

2. 鼠標(biāo)握持姿勢的模擬

本文通過鼠標(biāo)握持姿勢的模擬，直觀展示手部姿勢，使得所設(shè)計的鼠標(biāo)形態(tài)能夠滿足用戶舒適性需求的設(shè)計特征和手部尺寸約束。

鼠標(biāo)使用過程中，人體小臂平行于桌面，可看作小臂與鼠標(biāo)底面位于同一平面，將其掌骨末端即腕關(guān)節(jié)看作手部與桌面的交點(diǎn)，以此為基礎(chǔ)建立鼠標(biāo)握持姿勢模型，本研究以國家標(biāo)準(zhǔn)的第95 百分位的男性手部骨骼尺寸和手部自然放松時各指間關(guān)節(jié)角度為數(shù)據(jù)參考，利用Rhino3D 建模軟件完成鼠標(biāo)握持姿勢的模擬，如圖7a 所示。

3. 鼠標(biāo)形態(tài)設(shè)計方案

本研究選擇的主要使用場景為長時間辦公場景，選取了趴握姿勢為主要握持姿勢，根據(jù)上文所提的趴握姿勢形態(tài)設(shè)計特征完成鼠標(biāo)形態(tài)的設(shè)計。設(shè)計過程見圖7b，最終設(shè)計效果如圖8 所示。

4. 設(shè)計驗證

為了驗證設(shè)計實(shí)踐是否滿足用戶舒適性需求，本研究利用3D 打印制造出方案原型后，利用上文中所構(gòu)建的手部舒適度評價模型完成設(shè)計方案的舒適度評價。同時為充分驗證舒適度評價的準(zhǔn)確性，邀請用戶進(jìn)行主觀舒適性評價，其評價結(jié)果見圖9。從評價結(jié)果來看，設(shè)計方案中用戶的主客觀舒適性評價基本一致且處于較高水平，表明設(shè)計方案能滿足用戶的舒適性需求。

結(jié)論

運(yùn)用三維人體姿勢估計技術(shù)可以獲取手部姿勢數(shù)據(jù)，提出了鼠標(biāo)舒適性評價模型，基于手部關(guān)節(jié)角度對鼠標(biāo)舒適性進(jìn)行評價。通過深入理解不同鼠標(biāo)形態(tài)和手部握持姿勢對鼠標(biāo)舒適性的影響，設(shè)計師可以有針對性地改進(jìn)鼠標(biāo)的形態(tài)、尺寸、按鍵布局等形態(tài)特征，以提升用戶體驗和舒適性。本研究所探討的鼠標(biāo)舒適性評價流程也為手握式工具的舒適性設(shè)計以及上肢舒適性評價提供了理論參考和實(shí)踐指導(dǎo)，有助于推動產(chǎn)品人機(jī)界面設(shè)計的發(fā)展，不斷提高用戶的工作效率和生活質(zhì)量。

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