利用测量人体面部数据设计工业防护口罩研究

孙寅枫 屠灵智 黄小芳

摘  要：近年来随着工业需求的逐渐提升，工业环境中的防护口罩成了工业生产中的必需品。目前单一的防护口罩尺寸无法有效适配不同用户的面部数据特征，佩戴时防护口罩与用户面部之间容易产生缝隙，降低防护口罩的防护性能与适配性。为了让用户在工业环境下佩戴防护口罩能更加贴合面部轮廓，增加防护口罩佩戴时的防护性能与适配性，通过三维扫描40名實验者的面部形状，测量统计整合面部数据特征，并对重要面部部位尺寸进行了聚类分析，确定了面部三种尺寸。最后通过对现有防护口罩的结构与功能进行比对分析，结合现有的材料以及用户的需求，设计出了一款用户可根据自己面部数据特征选择相应尺寸的工业防护口罩。

关键词：工业环境；防护口罩；三维扫描；面部数据特征

基金项目：本文系2021年度浙江省高校基本科研业务费专项资金资助项目（ 2021YW62）研究成果。

随着社会经济与科技的进步，口罩逐步从简单的防护用品向多功能化转变。口罩的贴合度与舒适性往往是设计口罩时需要考虑的关键因素[1]。人们利用佩戴口罩来遮住面部，保护他们的面部不受灰尘，污染物，病毒或者寒冷天气的影响。但是因为个体面部形状和大小存在差异，一个不太合适的口罩可能会降低佩戴时的用户体验。例如，口罩太过贴合可能会对鼻部以及面部造成过度压力，从而降低用户体验；相反，宽松的口罩可能导致面部与口罩之间存在缝隙，无法使口罩有效起到防护作用。针对此类问题，文章从测量面部数据特征并分析，设计一款人性化口罩的角度出发，提高口罩的可用性以及佩戴时的用户体验。

一、工业防护口罩种类研究

口罩的出现最初是为了能有效的阻挡飞沫、病毒及有害物质通过口鼻进入人体，降低人群受病毒细菌感染的风险。据文献所述，佩戴口罩被认为是一项有效的措施，可显著降低人与人之间的呼吸道传染病风险[2]。随着口罩的不断发展，其防护功能得到了显著提升，不仅能够有效抵御更多的病原体，同时也成功研发出了防毒、防霾等多种功能，也衍生出了不同领域的防护口罩，例如工业防护口罩。根据张雪艳[3]等学者研究，工业防护口罩的定义是采用符合GB2626-2019标准的颗粒物防护口罩。在我国，工业防护口罩属于一类特殊商品。工业级的防护口罩不仅具有防尘和抗雾霾的功能，这些口罩还能有效地帮助使用者减少吸入空气中的悬浮颗粒物，从而保护用户不被污染物伤害。目前社会上常见的工业防护口罩种类主要如表1所示。

表1 常见工业口罩的种类

种类 外观 价格 优势

立体式口罩 0.8-2元 价格便宜，收纳方便

杯型口罩 3-10元 贴合性好，佩戴方式舒服

半面罩式口罩 30-318元 贴合性好，过滤效果好，佩戴方式舒适

工业口罩按外形分类可分为三类，分别是折叠式、杯型、半面罩式。其中折叠式口罩价格最为低廉，且方便收纳，但是受结构影响佩戴时与面部的贴合性仍存在不足。杯型口罩的制作一般以热压成型为主，所以结构固定且材质较硬，杯型口罩与面部的接触充分，贴合性好，密封性好。半面罩式口罩是基于防毒面具进行简化设计后的产品，它与面部接触区域增加了一圈橡胶结构，在佩戴时有更好的舒适性，与面部的贴合性相较于杯型口罩有了明显的提升，但是半面罩是口罩体积过大不易携带，且价格较高。工业口罩除了外形不同外，佩戴方式也存在明显的不同，主要分为三类：耳戴式、头戴式、卡扣式。耳戴式是最常见的佩戴方式，长时间佩戴容易造成耳部的疼痛；头戴式一般应用在杯型口罩上，整体受力于头部，适合长时间佩戴，但是佩戴时相较于耳戴式更繁琐；卡扣式与头戴式类似，受力点位于头部或者颈部，但链接方式变为挂钩等可拆卸材料，在保持佩戴舒适性不变的情况下提高了佩戴的效率。本文将通过比较各类口罩的优势与不足，并结合人体测量方法，设计出一款结构与佩戴舒适性更加满足用户需求的工业防护口罩。

二、人体测量面部数据研究现状

人体测量方法主要分为传统测量方法与三维测量方法两类。其中传统测量方法是使用测量工具对人体各个部位进行直接测量，例如，使用皮尺、测量带、测量尺等工具测量身高、体重、臂长、腿长、腰围、胸围等尺寸。在各高校以及相关研究所的应用中，传统测量方法的使用频率极高。欧阳山蓓[4]等人采用人体测量对300例（男女各150例）青年学生的鼻外形进行活体测量分析。鹿建春[5]等人为设计适用于我国人脸形的生物防护口罩，选取了具有代表性群体特征共2011人进行了测量与统计，使用的测量工具为直脚规、弯脚规以及三脚平行规，最后根据不同人群特征提出了半脸式口罩的设计参考尺寸。传统测量方法的测量成本相对较低，但在测量过程中耗时耗力，并且存在一定的误差。三维人体测量技术的优点是测量速度快、耗时短、精确度高，且能进行大规模的人体测量。现有的研究已经通过使用三维测量方法为更多的产品开发了尺寸系统和新设计。三维测量方法常常用来测量面部数据特征以改善面部产品的尺寸系统。Han和kim利用三维测量方法测量了10个面部尺寸（包括面长和面宽），设计了一款新型半面罩式口罩，他们的报告称他们设计的新口罩比现有的口罩在定量拟合测试（QNFT）中有很更好的表现[6]。Lee W等人根据现有的空军飞行人员的三维面部数据设计了一款氧气面罩，他们的报告称有现有的氧气面罩相比，这款新型氧气面罩的不适性下降了33%-56%，面部的压迫感降低了11%-33%，口罩在面部的滑动程度降低了24%[7]。本文宗旨在于利用三维测量方法，开发一种新型工业半面罩适口罩，根据佩戴对象的面部尺寸特征，可自主选择适合自己的尺寸口罩，提高佩戴时的适合性与舒适性。

三、三维面部特征数据测量

（一）实验对象

本次实验共招募40名在校大学生（20名男生，20名女生）进行三维面部扫描，本次实验男性与女性参与者的平均年龄为24岁（范围为21-26岁），所有参与者都被告知了研究目的和程序的描述，并同意签订知情同意书参加实验。

（二）实验步骤

整个过程分为两个阶段，面部扫描阶段与面部特征数据分析阶段（如图1）。 面部扫描阶段分为以下三步骤进行。第一步向参与者解释研究的目的和实验过程，获得参与人员的知情同意。第二步指导参与人员佩戴实验过程中需要使用的防护口罩，在佩戴完成后，人工选择防护口罩与面部之间的接触点作为关键点，利用圆形反光贴纸（直径为5mm）标记（如图2）。第三步要求参与人员做到指定地方，允许他们选择一个适合自己的坐姿，并保持面部放松状态，在扫描过程中要求参与人员尽量保持静止状态（大约持续两分钟）。面部扫描在距离参与者40-100cm的距离间进行，（如图3），多次扫描参与者不佩戴口罩的面部情况与佩戴指定防护口罩的面部情况，保存三维扫描面部数据用于数据分析。

（三）实验数据分析

所有参与者的三维扫描面部数据分三个步骤进行分析，尽可能的提取面部和防护口罩之间的轮廓线。第一步将三维扫描人脸数据导入Geomagic Studio 20，通过编辑、细化、补孔、平滑等功能进行重建，并按照之前研究的方法完成重建的三维人脸模型。第二步在四个点上提面部与防护口罩顶部的接触线，绘制面部尺寸与防护口罩轮廓的形状。第三步提取绘制的轮廓线，并将所以参与者的轮廓线进行集中分析。表2总结了本次实验中参与者的部分面部特征尺寸的描述性统计。

表2 参与人员部分面部特征尺寸数据

统计参数 各个部位测量值（mm）

面宽 形态下面长 颧点距 鼻宽 鼻高

平均值 139.8 97.3 106.1 35.1 45.6

最大值 166.1 122.1 134.2 43.2 58.1

最小值 114.7 61.8 71.6 29.8 39.4

总体标准差（s） 8.9 6.8 10.7 3.7 4.6

（四）代表性尺寸确定

在实验过程中，发现由于每位参与人员的鼻部的特征相较于其他面部与防护口罩接触点有更加明显的差异，因此防护口罩与鼻部的贴合性较弱（如图4）。为了更好的提取防护口罩与鼻部的轮廓线，通过层次聚类分析法进行研究。采用欧几里得距离作为相似性度量，将参与人员划分为多个大小的组，得到小型、中型和大型三组的鼻部轮廓线（如图5），其中小型轮廓线比例为27.5%（11人），中型轮廓线比例为40%（16人），大型轮廓线比例为32.5%（13人）。参与人员鼻部特征统计数据如表3所示。此外还统计了不同性别人群的鼻部测量数据的结果（如表4、表5）。

表3 鼻部测量数据四分位统计结果

四分位 0 1 2 3 4

鼻宽 29.8 32.2 34.7 37.3 43.2

鼻高 39.4 46.2 49.7 53.0 58.1

表4 女性鼻部测量数据四分位统计结果

四分位 0 1 2 3 4

鼻宽 29.8 31.5 33.2 35.3 41.2

鼻高 39.4 44.4 48.1 51.7 57.1

表5 男性鼻部测量数据四分位统计结果

四分位 0 1 2 3 4

鼻宽 33.1 34.7 38.1 39.3 43.2

鼻高 44.5 48.4 503 53.9 58.1

四、防护口罩设计实践

（一）工业防护口罩的设计定位

本次研究的防护口罩类型为工业防护口罩，因此在设计时着重注意防护口罩佩戴时与面部的贴合性以及佩戴防护口罩时稳定性，这样才能在工业环境中工作有更好的用户体验。

工业防护口罩的设计初衷就是为了将现有的各类防护口罩的优点结合起来，设计一款更加符合用户面部形态的口罩，但是口罩整体个性化的定制往往会增加口罩的生产成本，为了尽可能的降低防护口罩的生产成本，通过对于现有的半面罩罩式口罩的拆卸研究发现，可在设计研究中加入可拆卸功能模块，通过立体框架结构来实现功能模块的使用。工业环境中充满了灰尘、PM2.5以及其他微小颗粒，所以防护口罩与面部之间最好采用软性材料，这样才能最大程度的贴合面部，目前市场上软性硅胶材质是一个较好的选择，防护口罩的立体框架采用PP塑料压铸成型，PP塑料不仅质量轻，硬度强，而且无毒无危害，不会对佩戴者产生伤害。在防护滤芯上，外部使用的聚氨酯海绵材料能够初步过滤较大的物质，例如花粉和灰尘，而阻隔油性颗粒物和细菌的材料是叠加的双层熔喷HEPA纤维，PM2.5的过滤效率高达97%以上。在之后防护口罩设计中，可加入其他具有多种功能的过滤材料作为滤芯，引入可替换的概念，以满足用户根据自己的具体需求来选择性地更换滤芯夹片。在这个基础上，还增加了前后立体框架结构，以赋予防护口罩更多的功能性。考虑到使用的环境为工业环境，防护口罩的颜色以暗色调为主，如黑、白、灰、墨绿等，让防护口罩在工业环境中有更好的视觉体验。

（二）防护口罩框架结构分析

口罩的外观设计在整个设计流程中起着至关重要的作用，它体现了内部构造与外部形态之间的和谐融合。

1.防护口罩佩戴形式分析

口罩的佩戴方式设计也是尤为重要的一方面，口罩的佩戴方法主要分为三类，耳戴式、头戴式和颈戴式。其中头戴式与颈戴式的佩戴方式较为类似，头戴式口罩通常是将弹力绳、绑带或者卡扣通过头部来固定口罩，受力点在于头部且头部的受力较为均匀，佩戴时不易产生不适感，适合作业时长时间地佩戴，佩戴时也更加的稳定；頸戴式与头戴式的区别在于颈戴式口罩是通过后颈部位来固定口罩，受力也较为均匀，但是闫雯宇[8]在研究中发现颈戴式口罩与固定点之间的角度原因，可能会在佩戴时在鼻部产生发迫感，造成不适。耳戴式是生活中口罩最为常见的佩戴方式，通过耳朵来固定口罩，但耳部皮肤较为敏感和脆弱，所以长时间的佩戴会造成耳部的不适。丁文彬[9]等学者通过测试比对了七种类型的防护口罩，发现耳戴式口罩与佩戴者的面部贴合度最低，容易受面部运动产生松；头戴式口罩与面部贴合度较高，并且头戴式口罩与面部贴合轮廓之间不易产生缝隙，有较好的密封性。

通过上诉分析可以得出防护口罩采用头戴式的佩戴方式能够更加符合工业环境中的使用需求，拥有更加舒适的佩戴体验，也拥有了更加良好的密封性，大大提升了防护性能。

2.防护口罩框架结构分析

从内部结构上来看，通过比较已有的几类工业防护口罩后发现，在使用口罩时，在口罩内部加入一个拱形支架，使得口罩内部与脸部之间拥有有足够的呼吸区域，进而在口鼻之间创造一个空间，使得呼吸更为流畅。拱形材质采用PE材料制成，其优点是质量轻，韧性好，结合软性硅胶材质，能更好的贴合面部轮廓，在工业作业进行大幅度动作时也稳定舒适，不易产生明显的缝隙，保证了防护性能。框架使用了镂空的设计，尽可能的增加了气体的通过性，降低了呼吸阻力，也大大减轻的佩戴时的重量。

为了使防护口罩的尺寸结构更加的贴合国人的面部数据特征，提高口罩的密封性。在设计防护口罩的尺寸时参考了鹿建春等学者通过人机工程学采集测量了中国人的面部尺寸，鼻梁与颏下的直线距离为62～122 mm，颧点距长度距离为72～136 mm，所以防护口罩的最大尺寸不宜超出横向140 mm，纵向130 mm，鼻中宽的尺寸为20～45 mm，鼻中高的尺寸为8 ～27 mm，并且在研究中提到鼻部的密封是口罩设计时的关键[10]。基于这些信息，确定了支撑框架的基本尺寸以及几个关键的面部接触点，面部的起伏变化尺寸和口罩内部结构对防护口罩的框架与整体外观有着直接的影响。通过对上诉实验中当用户佩戴不同类型工业防护口罩时进行面部轮廓三维扫描，将防护口罩与面部的贴合轮廓曲线利用Geomagic Studio软件进行提取，所提取的曲线为后续的改良设计提供结构的参考。再利用Rhino软件对所提取的结构曲线进行优化，得到更加准确的结构曲线（如图6）。

（三）防护口罩设计整合

通过上述对工业防护口罩的材质的选用，结构框架的分析，以及功能的确定，为后续设计建模提供的一定参考依据。单一的防护口罩尺寸就算选取的再精准也无法满足所有人的面部数据特征，结合防护口罩模块化、可拆卸化设计可以尽可能在生产时减少成本，提高可实现性，在设计防护口罩时口罩的立体支撑结构采用统一尺寸设计，而在设计与防护口罩与面部区域接触的结构时为了能让佩戴者选择更适合自己面部尺寸的产品尺寸时，可以对该部分结构进行分级设计，设计尺寸可参考实验过程中测量的其他部位人体面部数据特征进行确定（如表6、表7、表8），从表中数据发现，不同性别用户的四分位面部测量数据存在一定的交叉覆盖，在与面部接触的硅胶圈的尺寸设计可根据这些数据进行选取确认，设计出三种大小不一的尺寸（如图7）。

表6 面部测量数据四分位统计结果

四分位 0 1 2 3 4

面宽 114.7 134.5 141.1 145.9 166.1

形态下面长 61.8 93.7 98.7 103.5 122.1

颧点距 71.6 97.8 108.6 117.1 134.2

表7 女性面部测量数据四分位统计结果

四分位 0 1 2 3 4

面宽 114.7 129.2 139.3 143.1 155.8

形态下面长 61.8 91.5 95.1 97.7 118.2

颧点距 71.6 96.3 105.8 114.3 131.1

表8 男性面部测量数据四分位统计结果

四分位 0 1 2 3 4

面宽 121.1 139.4 145.1 153.3 166.1

形态下面长 84.8 98.6 103.5 108.1 122.1

颧点距 83.5 104.2 113.3 118.1 134.2

根据防护口罩的结构分析可知，该防护口罩相较于一次性口罩在重量上有了一定的提升，因此在选择佩戴方式的时候显得尤为重要。随着防护口罩重量的增加，佩戴时产生的拉力也会随之提升，而耳戴式的佩戴方式会增加耳部的疼痛感，不适合长时间的佩戴，头戴式的佩戴方式能有效降低拉力增加所带来的不适感，也减缓了防护口罩重量增加的不适感，提高了工作时配戴防护口罩的用户体验。头戴式的佩戴方式采用了卡扣进行固定（如图8），穿戴时更加方便，也更加便于调节和把控佩戴时的松紧，提高了佩戴时防护口罩与面部之间的贴合度，增加了密封性。考虑到更换防护口罩时成本的问题，为了尽可能的降低用户在使用防护口罩时的费用，前部框架采用了更换滤芯的设计方案，滤芯夹在外侧框架与中间支撑框架之间，两个框架之间采用暗扣的方式固定链接（如图9），方便拆卸与更换内部的滤芯，佩戴者还能根据工作的环境选择合适的滤芯进行更换。

防护口罩的结构框架可以分为5个部分（如图10），其中标号1的为最外侧框架，材质较硬，保护防护口罩在使用时受到撞击而损坏；标号3的为内部支撑框架，表面镂空设计，不仅降低了重量，还能保证气体顺利进入减少了呼吸阻力；标号2的为防护口罩中最为重要的滤芯部分，能有效的阻挡各种微小颗粒及有害物质通过，滤芯夹在外部框架与内部支撑框架之间，能够随时根据工作环境进行更换滤芯的种类；标号4的为链接框架，用于固定绑带，绑带为具有弹性的硅胶材质，不易与皮肤产生过敏情况；标号5的为贴合面部的硅胶圈，通过链接框架与内部支撑框架固定，目前设计了三个尺寸，可根据用户需求进行选择。

随着人们生活品质的不断提升，大家对产品的期望逐渐转向功能与形式的完美融合。在设计产品的过程中，不仅要注重实用性，还要追求外观的美感（如图11），并融入环保理念，这样既能让人们在享受户外活动的同时，也能确保产品的可持续发展。

五、结语

工业防护口罩的功能与结构的确认需要结合实际进行设计研究，本文通過对40名实验人员的面部数据进行扫描，提取了防护口罩与实验人员面部之间的轮廓线，通过整理实验人员面部数据与轮廓线，设计了可供这40名实验人员根据自身面部数据特征进行选择的三种不同尺寸的工业防护口罩。随着我国对工业安全生产的重视不断提升，用户在生产过程中更加注重自己的身心健康，防护口罩成为了工业生产的必需品。人们对防护口罩的需求也不在是追求简单防护，而是在防护效果、佩戴的舒适性以及使用的经济性上有了综合的追求。未来为了设计出更加适合面部数据特征以及具有更好防护性能的防护口罩，可增大实验样本，并结合更新型的材料进行研究设计。

参考文献：

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[3]张雪艳，王忠旭，李玉珍等.KN95顆粒物防护口罩适合性与头面部尺寸关系研究[J].中国安全生产科学技术，2015（2）：154-159.

[4]欧阳山蓓，林亮，胡琳.正常成年人鼻外形测量研究[J].临床耳鼻咽喉科杂志，2004（2）：103-104.

[5]鹿建春，孟令英，李军保，陈刚，刘经南，车凤翔.中国人脸形分布与生物防护口罩设计研究[J].中国消毒学杂志，2004（4）：40-42.

[6]Han，Don-Hee and David Kim.“Development of Medium-size Half-mask Facepiece for Male Workers at a Shipyard and Its Fit Performance in Korea.” Journal of Occupational and Environmental Hygiene 11 （2014）： 479 - 484.

[7]Lee W，Yang X， Jung D， et al. Ergonomic evaluation of pilot oxygen mask designs[J].Applied ergonomics，2018（67）：133-141.

[8]闫雯宇.个人防护口罩的模块化设计与研究[D].石家庄：河北科技大学，2019.

[9]丁文彬，贾晓东.常见自吸过滤式口罩的防护效果综合评估[J].环境与职业医学，2018（5）：428-433，446.

[10]鹿建春，孟令英，李军保，等.中国人脸形分布与生物防护口罩设计研究[J].中国消毒学杂志，2004（4）：40-42.

作者简介：

孙寅枫，中国计量大学艺术与传播学院艺术设计硕士。研究方向：艺术设计。

屠灵智，中国计量大学艺术与传播学院艺术设计硕士。研究方向：艺术设计。

黄小芳，中国计量大学艺术与传播学院讲师。研究方向：艺术设计。