基于JACK的手机使用场景颈部及上肢关节舒适度评价分析

曾佳俊，王婷，张艳凤

(贵州大学 管理学院，贵阳 550025)

1 引言

长时间、高频率的使用手机可能会导致颈部、肩部等关节的肌肉损伤，长此以往会导致颈椎病、肩周炎等疾病的产生。研究表明[1]，颈部和肩部疼痛患者会比正常人更容易产生颈部和肩部疲劳，对人们的正常工作生活产生巨大负面影响。不正确的手机使用姿势，例如头部关节屈曲角度过大，肩关节上臂前屈角度过大等都会加剧关节肌肉损伤，更容易产生肩颈相关疾病。所以找到人们在日常生活中较为舒适的手机使用姿势，给出具体建议显得尤为重要。对此本文主要针对使用手机这一场景，对不同使用姿势进行人体舒适度评价。

国内外关于人体舒适度评价的研究方法主要分为主观评价与客观评价：主观评价主要是通过询问并记录被试者的舒适性主观感受，利用统计学相关工具进行评价的方法，主要有测量法、模型法和调查法。客观评价是指以人体的多个客观生理指标作为评价度量，如表面肌电信号测量、压力分布分析、血液流动分析等。客观评价法相较于主观评价法存在的问题明显，首先客观评价法需要借助各种仪器设备，导致测量系统价格高昂，研究门槛高；其次客观评价法稳定性不够理想，不同被试者对测量结果影响较大。

为了规避客观评价法所带来的缺陷，充分发挥主观评价法的优势，本文借助JACK软件强大的舒适度评价分析模块进行主观评价数据分析。JACK是目前最成熟的人体建模与人机工程评价软件，现阶段国内外学者利用该软件所开展的研究主要集中在人机工程设计和职业病防护方面。

在人机工程设计方面，鞠峰[2]利用CAD建模导入JACK软件进行了Comfort Assessment和Vision Analysis分析，建立了一种基于人机工程学的飞机驾驶舱设计方法。Garcia[3]等人利用JACK设计了一种便携式辅助交通工具，通过舒适度评估减少了操作疲劳，可以有效减少人们在高密度大都市中短距离通勤的时间和精力。刘力卓[4]等人以和谐号动车座椅为研究对象，利用JACK软件建立数字人，通过舒适度分析发现座椅的设计不合理性，并对座椅高度、倾角进行了重新设计，软件仿真结果表明桌椅乘坐舒适度得以显著提高。尹清松[5]等人在JACK中开发了一种基于力矩的舒适度评价方法能有效反映出关节舒适感，并为驾驶环境的设计提供借鉴。

在职业病防护方面Hovanec[6]等人利用JACK软件中的快速上肢分析和静态强度预测确定了在不同工作强度下，防止出现肌肉拉伤的肌肉力量最大值。Paul[7]等人基于JACK软件的搬运受力分析对医护人员在搬运病床时L4处的肌肉张力进行了人机工程分析，确定了反复密集地搬运病床可能会导致骨骼肌疾病的产生。姬丽静[8]等人利用JACK软件，分析了人体坐姿状态下显示器不同倾斜角度对颈部舒适度的影响，并确定了显示器的最佳倾角。沈艳[9]等人针对保险杠制造厂搬运人员腰部易疲劳损伤问题，利用JACK重新设计改进了搬运小车，新的设计方案经过软件仿真得出可以有效减小工作时间及上肢关节受力。Beno[10]等人利用JACK进行搬运姿势仿真，以减少工人的工作负荷及所引起的肌肉骨骼疾病，并给出了改进建议。罗晓利[11]等人使用JACK中的新陈代谢分析模块(Metabolic Energy Expenditure)计算了机务人员作业能耗，RULA模块计算姿态负荷，将维修动作参数和姿态参数进行分解、标准化，有效评估了机务人员的工作负荷。

尽管国内外学者之前已对关节舒适度有过不少研究，但都未针对手机使用场景，而且更多的是考虑单一关节舒适度，未对颈部及上肢关节舒适度进行整体评价。本文首先确定主观舒适度测量数据，在Porter(1998)模型基础上根据关节活动角度在其正常活动范围的25%内最为舒适这一研究结论[12]，以及吴桂荣[13]等所测量的关节正常范围值所确定，保留Porter模型中Head Flexion和Elbow Included不变，修改Upper Arm Flexion中的Low值为-14°，High值为38°，Mode值为12°，如图1所示。随后结合JACK软件的Comfort Assessment分析模块，选用主观评价方法进行颈部及上肢关节舒适度评价，这种方法高效、快速，实验可重复性强，不受不同被试差别所影响。最终利用此方法建立了针对手机使用场景的颈部及上肢舒适度评价模型，并确定了使用手机的最佳姿势。

图1 人体颈部及上肢关节舒适度评价模型参数

2 仿真模型的建立

JACK具有非常强大的数字人建模功能，其集成了多个国家的人体测量数据库，根据1989年中国18～60岁男性成年人尺寸数据(GB /T10000-1988)，JACK在其人体尺寸数据库中集成了此标准，可直接在创建数字人时进行选择。在JACK软件中创建三组不同百分位的男性数字人，分别为PS、P50和P95，身高和体重数据如表1所示。

数字人姿势采用JACK默认的标准坐姿，然后调整手臂各关节做出握持手机的动作，如图2所示。手机屏幕中心对准数字人视线中心，手机尺寸为常见的5.5英寸手机大小。根据公式1[14]，可以得到人眼到手机屏幕距离约为35 cm～40 cm，最终确定 数字人视距为35 cm， 数字人视距为37 cm， 数字人视距为40 cm，如表1所示。

SD=a×h

(1)

式中SD为标准视距；a为视距常数，根据屏幕分辨率不同一般取200～250；h为(最小字号)字符高度，通过实际测量h=1.8 mm。

表1 各百分位男性身高和体重

图2 握持手机姿势示例

3 实验设计

设置数字人“Vision Target”为“Follow site”，选定site为手机屏幕中心点，随着握持手机姿势的改变，数字人颈部关节旋转始终保持注视点为手机屏幕中心。在生活中，绝大多数人在坐姿状态下使用手机时，会将手机正对面部中央，通常头部不会产生左右偏转。如图3，灰色平面与数字人视线相平行，平分数字人左右两侧，将手机中心点始终限制在该平面上运动。

图3 手机移动平面示意图

使用“Human Control Panel”控制手部移动，以P95数字人为例，在移动过程中始终保持视距为40 cm，如图4。同时激活Comfort Assessment分析模块，调整握持手机高度使颈部关节Value值从0°位置开始缓慢移动到26°位置，颈部关节每变化1°，记录一次颈部关节、肩部关节和肘部关节的Value值，如图5。数字人关节角度变化过程如图6。

图4 视距示意图

图5 舒适度分析模块

图6 数字人关节角度变化范围

4 舒适度评价模型建立及数据分析

4.1 颈部、肩部和肘部关节权重的确定

为确定人体握持手机姿势舒适度评价模型各关节的权重，笔者邀请了36名18～30岁无骨骼肌疾病的健康人士进行了AHP打分，计算出颈部权重为0.438，肩部0.342，肘部0.220。

4.2 评价模型的建立

(1)计算各关节的AVRM(Angle Value Relative to Mode)值

AVRMk=θk-Mk

(2)

AVRM值表示某关节Value值与Mode值的差值；θ表示Value值；M表示Mode值。

(2)计算某一角度AVRM加权值Wi

(3)

ak表示关节权重，颈部为a1，肩部为a2，肘部为a3。

(3)归一化计算

(4)

其中Ui表示某一角度的不舒适程度；wmax=max{w1,w2,……}，wmin=min{w1,w2,……}。

(4)舒适度计算

Ci=1-Ui

(5)

其中 表示某一角度的舒适度，最大为1，最小为0。

就此建立了人体握持手机颈部及上肢舒适度评价模型。

5 讨论

根据所测定的实验数据，利用上述模型进行颈部及上肢关节舒适度评价。P95、P50和PS男性评价结果分别如图7～9，从图中可以观察到随着颈部关节弯曲角度的增大，舒适度呈先递增后递减的趋势，同时P95和PS两组数字人都在颈部关节弯曲17°时舒适度达到最大，P50则在19°时舒适度达到最大。从表2可以看出三组数字人各关节弯曲角度非常接近，计算结果表明三组不同百分位数字人颈部关节弯曲角度在17°～19°之间变化时，舒适度变化在9%以内；肩部关节弯曲角度在12°～14°之间变化时，舒适度变化在4%以内；肘部关节弯曲角度在120°～121°之间变化时，舒适度变化在18%以内。

表2 不同百分位数字人最舒适姿势下各关节弯曲角度

最终确定当视距在35 cm～40 cm之间，且颈部关节弯曲角度在17°～19°之间，肩部关节弯曲角度在12°～14°之间，肘部关节弯曲角度在120°～121°之间变化时，人体握持手机颈部及上肢舒适度指数大于0.8，为较舒适状态，如表3。

表3 人体握持手机颈部及上肢较为舒适状态各关节及视距变化范围

图7 男性舒适度变化曲线

图8 男性舒适度变化曲线

图9 男性舒适度变化曲线

首先使用JACK软件OPT工具中Comfort Assessment分析模块的Define Custom选项对Porter模型中的Upper Arm Flexion进行了重新修正，由此确定评价模型参数。其次在Porter评价模型的基础上针对人体握持手机姿势构建了颈部及上肢关节舒适度评价模型。然后通过实验研究了颈部关节、肩部关节和肘部关节不同弯曲角度对人体握持手机颈部及上肢舒适度的影响。最后确定了颈部关节、肩部关节和肘部关节的舒适弯曲角度范围。

该评价模型能够有效快速的进行关节舒适度评价，且实验稳定性高，不依赖售价高昂的实验设备，对运用主观评价法进行人体舒适度评价分析具有启示作用。

6 结论

本文基于JACK软件，探究了颈部关节、肩部关节和肘部关节弯曲角度对颈部及上肢握持手机姿势舒适度的影响规律。并建立了颈部及上肢关节舒适度评价模型。通过仿真分析得出，当视距在35 cm～40 cm之间，且颈部关节弯曲角度在17°～19°之间，肩部关节弯曲角度在12°～14°之间，肘部关节弯曲角度在120°～121°之间变化时，人体握持手机颈部及上肢舒适度指数大于0.8，为较舒适状态。

通过调节使用手机时关节弯曲角度，可以预防颈部及上肢关节疾病的产生，为人们正确握持手机提供了理论支撑及使用建议，对于减轻人们在长时间使用手机时所产生的疲劳程度具有重要意义。

本文对于舒适度评价模型的构建处于探索阶段，只考虑了主观评价因素，且只从生理角度进行研究，在未来的研究中可加入客观评价因素，还可以结合生理、视力和使用习惯等因素进行更深入的研究。