面向手握舒适度应用的分区压力评测方法研究

夏如龙，李俊源，姜献峰，朱 强

(浙江工业大学特种装备制造和先进加工技术教育部重点实验室，浙江杭州 310014)

过去对于手操作工具的设计主要是为了提高工作的效率、准确性，以及尽可能满足更多使用者的要求。近年来，人们越来越注重使用者的安全性与舒适性。舒适性已成为产品设计、开发的一个研究热点［1］。

目前在手部舒适度评测中，手部表面压力状况是一项重要的评估内容，手部所受压力状况直接影响着人手使用工具的舒适性，手部压力分布位置及大小是评测手部舒适性的一项重要指标［2］。

查阅相关文献得知，关于与压力相关的手握舒适度研究中，目前关于和压力相关的手握舒适度研究，大多数学者都是在手部区域选择一定数量的压力测试点，用压力传感器测量实时的压力，并记录手部舒适情况［3-4］，或者是在研究中依照手部纹理对手部进行分区，对分区压力数据的利用也只是取其平均值或最大值。在这些研究中，研究者们往往没有考虑手部实际操作的功能与生理特性，没有一个具体的量化评测方法。

针对以上问题，本文通过对抓握时手部功能的分析，得到了手部的分区。然后再剖析各个分区生理特性以及实际抓握时生理特性。从数学统计角度说明压力数据的处理方法，并说明压力指标与分区生理特性的对应关系，提出了各个分区的压力评测方法。

1 手部分区

1.1 抓握时手部功能

人的双手可以完成许多复杂的捏、握、抓、夹、提等动作。其中抓握操作是人机工程学研究的一个重要内容。

抓握涂有颜色的圆柱形手柄实物图如图1(a)和图1(b)所示，抓握一个透明玻璃杯的实物图如图1(c)所示。

图1 手抓握实物图

图1 属于力量握持，也就是完全抓握。抓握时，手掌面大部分与手柄接触，其接触区域也就是手部受力变形位置。从图1中可以看出，手部不同区域受力变形有所不同。

1.2 手部分区的确立

由手抓握功能可知，手部各个区域接触时，产生的压力与变形不相同，那么各区域产生的生理感知也不相同，因此在研究手部舒适度时，应该对手部进行分区，可以按照前面的分析将手部划分为19个区域(如图2所示)。

2 手部分区生理特性分析

2.1 手部解剖结构

手部解剖结构是由皮肤、骨头、肌肉以及大量的神经、血管等构成［5］(如图3所示)。

图2 手部分区

图3 手部解剖结构

从手部的解剖特征来看，大鱼际区、小鱼际区及大拇指肌肉较为丰富，掌心肌肉较少。手指末节与指骨间神经末梢丰富。

2.2 手部分区生理特性

2．2．1 手部皮肤感觉

手部皮肤感觉包括触觉、压觉、振动觉、痛觉、冷觉等。本文主要是针对压觉(机械刺激产生的皮肤变形)［6］以及外力作用于手部造成的软组织损伤。

2．2．2 分区生理感知特性

由于手部的肌肉与神经分布不均匀，导致手部不同区域在受到压力时产生变形与感知不相同。

根据文献中手部生理感知并结合实际手操作时的生理感知，在Rhinoceros软件中进行处理，得到图4所示的手部分区生理感知直观图(3种图形代表3种感知，图形越高，感知越强烈)。

图4 手部生理感知图

图4 看起来较为繁乱，可以将生理感知相似的区域综合起来，得到图5所示的综合分区与图6所示的综合生理感知图。

图5 综合分区

图6 综合生理感知图

对于手部第一大部分，此区域肌肉分布少，神经分布密集，在实际手操作过程中，这部分主要受到的感知是刺痛感(单点或小面积刺激引起的不舒适感)。

对于手部第二大部分，实际操作中对刺痛感的感知很强烈，但是其还有一定的压迫感(较大面积刺激引起的不舒适感)。

对于手部第三大部分，实际操作中刺痛感感知不强烈，压迫感感知较为强烈。

对于手部第四大部分，手部肌肉分布多，神经分布很少。在实际操作中，主要感知的是因持续操作引起的酸痛感和疲劳感。

2．2．3 分区损伤特性

手部在受到外力作用时，不仅有生理的感知，而且手部的软组织还可能发生病理损害。

手部的软组织损伤主要分为开放性损伤与闭合性损伤［7］。开放性损伤通常伴有生理感知，考虑舒适度时可以当作是生理感知的一部分进行考虑。而闭合性损伤有些开始没有感觉，随着时间的推移才有感觉与损伤，这点需要单独考虑。

对于神经较为分布的手指区域，外力长时间作用可能造成神经损伤(麻木、肌肉萎缩等)，而手部肌肉比较丰富的第四大部分，可能造成其他软组织损伤(肿胀等)。

2.3 抓握时生理特性

在实际抓握过程中，手部的舒适度是各个分区舒适度的综合，不仅要考虑各个分区的生理感知和损伤，还得要考虑分区之间梯度感。当分区之间的变形发生突变时，导致分区之间压力跨度过大，也即压力梯度过大，这样会造成手部产生不舒适感。

3 分区压力评测方法建立与分析

3.1 分区压力的获取与数据处理

可以采用多种方式来获取抓握后的手部压力分布情况，如压力垫片、压力传感器的实时压力采集、有限元虚拟抓握等。

依据统计学以及马佳［8］等人研究座椅舒适度时的方法，对获取后的压力数据有以下几种常用的处理方法：

a．压力最大值(Pmax)，区域压力测点中最大值。

式中N为区域压力测点数。

b．平均压力(¯P)，区域压力的算术平均值。

式中：Np为受压点数，Np≤N;Pi为某一受压点的压力值。

c．整体载荷(Ps)，区域受压点的算术累积值。

d．压力梯度(Gm)，压力沿某一方向上的变化率。

式中：j为选定方向上的受压点数;l为选定方向上的长度;Cmax和Cmin分别为选定方向上的受压点的最大值与最小值。

3.2 压力指标与手部生理特性关联性分析

本文主要是研究在手部抓握过程产生的3种压觉以及损伤。

刺痛感是由于单点或小面积刺激皮肤产生的不舒适感。可以用分区最大值与平均值表示。

式中K¯P是与刺痛面积有关的系数。

压迫感是针对一较大面区域受到一定程度的压力时，皮肤表面产生形变而引起的不舒适感。在考虑面区域的压力情况时，可以用面区域的平均压力来表示。

酸痛感是持续的压力造成皮肤表面变形引起的不舒适感。对这种不舒适压力分布的考查，可以根据受压区域的压力累积值与受压时间来综合考虑。

式中KT是一个与时间有关的系数。

除了这3种压觉，还有的就是由于分区之间压力跨度过大引起的不舒适感，这时就得用压力梯度来表示。

在对手部损伤进行考虑时，由于其产生机理较为复杂，损伤类型也不一样，因此在研究时，可以用几种压力指标共同表示。

式中a，b，c分别为与损伤类型相关的系数。

3.3 分区压力评测方法的确立

由前面的分析可知，对于分区压力评测，应该是各个压力数据指标的综合。

式中：CFi为分区评定值;i为手部分区，i∈［0，18］;Ki，Xi，Yi，Zi分别为与分区有关的系数;，分别为分区的最大值、平均值和整体载荷。

3.4 分区压力评测方法的计算流程

为了获取式(10)中各个压力数据指标，可以利用ABAQUS软件进行有限元虚拟抓握分析，获取手部压力分布状况(如图7所示)，并利用python编写脚本程序，进行压力数据的处理，最终得到，和Gm等值。

图7 有限元虚拟抓握图

式(10)中各个系数需要根据实际抓握时分区的生理特性以及分区压力数据来确定，这样就可得到图8所示的计算流程图。

对于手抓握整体的舒适情况是各个分区舒适情况的综合，综合中权值需要根据分区主观感受来处理确定。

图8 计算流程图

4 结束语

本文在了解手部解剖结构的基础上，分析了手部的生理特性与压力数据之间的关联性，从而提出了手柄压力舒适性评测方法，实现了定量化的评测，为手柄设计提供了科学的设计准则，使手柄设计更加符合人机工程学，提高了舒适性，对手握舒适度的研究具有指导意义。

［1］ Aptel M，Claudon L．Integration of ergonomics into hand tool design：principle and presentation of an example［J］．International Journal of Occupational Safety and Ergonomics ，2008，8(1)：107-115．

［2］ 陶国强．面向抓握的虚拟手模型建立及手柄手抓握有限元分析研究［D］．杭州：浙江工业大学，2011．

［3］ Gunnar Björing，Lena Johansson，Göran M Hägg．Surface pressure in the hand when holding a drilling machine under different drilling conditions［J］．International Journal of Industrial Ergonomics，2002(29)：255-261．

［4］ Lena Johansson，Göran M Hägg，Torkel Fischer．Skin blood flow in the hand in relation to applied pressure［J］．European Journal of Applied Physiology ，2002(86)：394-400．

［5］ 张阳．手指力量的神经肌肉调节机制初步研究［D］．重庆：重庆大学，2011．

［6］ 王佳．着装压力与人体生理舒适性研究［D］．苏州：苏州大学，2008．

［7］ 王澍寰．手外科学［M］．北京：人民卫生出版社，2006．

［8］ 马佳，范智声，李飞飞，等．基于人工神经网络的汽车座椅舒适度评价模型［J］．工业工程，2008，11(5)：106-109．