蘇建寧，張志鵬，李雄

（蘭州理工大學，蘭州 730050）

傳統(tǒng)的形態(tài)創(chuàng)新過程，主要憑借設(shè)計師的知識和經(jīng)驗完成[1]。計算機輔助設(shè)計的發(fā)展在一定程度上幫助設(shè)計師拓寬了設(shè)計思路，提升了設(shè)計的靈活性。隨著科技的發(fā)展，產(chǎn)品設(shè)計越來越強調(diào)設(shè)計的科學性[2]。傳統(tǒng)以設(shè)計師經(jīng)驗為主導(dǎo)的設(shè)計在概念創(chuàng)新階段可靠性較低，而數(shù)據(jù)驅(qū)動的設(shè)計方法將計算機和用戶需求、交互數(shù)據(jù)等信息融入制造業(yè)中，逐步實現(xiàn)了數(shù)字化生產(chǎn)過程，以快速響應(yīng)動態(tài)的市場變化[3]。另一方面，產(chǎn)品健康和舒適度成為用戶越來越關(guān)注的重點內(nèi)容[4]，產(chǎn)品作為服務(wù)于人類活動的物，在生成和轉(zhuǎn)化過程中須按照一定的人體尺度展開[5]。因此，將人體數(shù)據(jù)作為驅(qū)動產(chǎn)品形態(tài)的動力，有助于提高產(chǎn)品與人體的人機協(xié)同度。

目前數(shù)據(jù)驅(qū)動的產(chǎn)品設(shè)計研究主要集中于結(jié)構(gòu)、性能、用戶感性需求等方面，例如Lin 等[6]提出了數(shù)據(jù)驅(qū)動的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計UNISON 框架，以捕獲設(shè)計因素、用戶需求和用戶偏好，從而推導(dǎo)出設(shè)計規(guī)則以指導(dǎo)產(chǎn)品設(shè)計；Usama 等[7]基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的思想，探索了以用戶偏好和阻力系數(shù)為導(dǎo)向的汽車側(cè)輪廓設(shè)計，在驗證其有效性的基礎(chǔ)上進行了方案預(yù)測；Chien等[8]基于產(chǎn)品視覺審美特征與用戶體驗的關(guān)系，提出了一種數(shù)據(jù)驅(qū)動的產(chǎn)品設(shè)計框架，用于捕捉產(chǎn)品的視覺審美用戶體驗，從而有效識別用戶偏好，并將其反映至產(chǎn)品概念設(shè)計中。數(shù)據(jù)驅(qū)動設(shè)計的方法、應(yīng)用、案例研究等，已經(jīng)成為眾多研究者研究的熱點，對產(chǎn)品的創(chuàng)造力和設(shè)計效率有著重要的影響。

在提高人體與產(chǎn)品舒適度方面，國內(nèi)外學者較多引入數(shù)字化模擬、人體測量技術(shù)使設(shè)計方案更加符合人機工程的要求[5]，Kakizaki 等[9]通過人體數(shù)字化模型模擬研究了飛機空難和救援過程，以獲得更精確的疏散和救援數(shù)據(jù)；徐永昌等[10]使用基于3D 草圖的逆向設(shè)計方法，實現(xiàn)了個性化鞋楦的創(chuàng)建和再設(shè)計；張芳蘭等[11]運用逆向化技術(shù)對裸足矯形器(AFO)進行了重建，實現(xiàn)了AFO 的定制化設(shè)計；Zhang 等[12]將拓撲優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用于基于掃描的人體防護具設(shè)計；Ahmed 等[13]在其研究中構(gòu)建了一種人機工學的原型計算設(shè)計方法，以期在原型建立之前考慮與人體數(shù)據(jù)相關(guān)的問題，在一定程度上輔助設(shè)計師更好地體現(xiàn)以人為中心的數(shù)字化原型設(shè)計。上述以人體數(shù)據(jù)驅(qū)動的設(shè)計主要關(guān)注個體用戶以及特定場景的設(shè)計，而將人體數(shù)據(jù)信息應(yīng)用于輔助概念形態(tài)創(chuàng)新以提高產(chǎn)品人機協(xié)同性的研究相對較少。

產(chǎn)品形態(tài)已不僅是圍合內(nèi)部結(jié)構(gòu)的表層空間狀態(tài)，更是集科學、技術(shù)、生理、心理、設(shè)計于一體的具有生命力的有機體[4]。為了給用戶提供安全、高效、舒適的體驗空間，設(shè)計師應(yīng)當更加關(guān)注人體數(shù)據(jù)與產(chǎn)品之間的相互適配問題。鼠標作為計算機的重要配件和交互接口，日益受到人們的關(guān)注和重視。自1986年世界上第一款鼠標上市之后，其經(jīng)歷了機械、光機、光電鼠幾代變化后在使用方式上趨于穩(wěn)定，并逐漸形成以平行鼠標為主的趨勢。然而，隨著人們長期使用平行式鼠標，出現(xiàn)了如關(guān)節(jié)炎、腕管綜合癥等職業(yè)綜合癥[14]，使用戶對鼠標形態(tài)的選擇越來越重視。不同人群使用鼠標的大小、習慣不盡相同，因此，鼠標形態(tài)的設(shè)計更需要關(guān)注用戶生理參數(shù)、使用行為，才能為用戶提供更好的體驗設(shè)計。本研究從數(shù)據(jù)驅(qū)動的角度出發(fā)，分析人體數(shù)據(jù)、用戶使用行為與形態(tài)生成之間的關(guān)系，借助參數(shù)化腳本技術(shù)建立鼠標形態(tài)生成系統(tǒng)，從而為設(shè)計師在概念創(chuàng)新階段更好地融入人機因素、生成更加合理的形態(tài)方案提供新方法。

1 鼠標形態(tài)中的人機問題

鼠標作為與電腦交互頻繁的設(shè)備之一，在操作過程中與人體的前臂、手腕、手掌、手指等部位都會發(fā)生聯(lián)系。鼠標形態(tài)中的人機工程設(shè)計要求手部與鼠標形態(tài)盡可能貼合，在長時間使用過程中避免用戶肌肉勞損、筋絡(luò)不暢等癥狀。隨著用戶在電腦使用過程中的時間逐漸變長，對于鼠標的品質(zhì)要求逐漸提升，包括操作舒適感、靈活移動和準確定位。不同類型的鼠標為用戶帶來不同的使用方式，而選擇鼠標取決于用戶的使用習慣以及個性心理需求。目前在市面中最為普遍的鼠標主要有傳統(tǒng)平行式鼠標和垂直式鼠標兩種。

1.1 平行式鼠標

大多數(shù)用戶使用平行式鼠標，能夠高效地進行操作和移動。鼠標底面與桌面、人的手掌面可看作是平行的關(guān)系，使用時人的手臂扭轉(zhuǎn)一定的角度，前臂尺骨與橈骨存在一定的交叉扭曲，長此以往會導(dǎo)致手臂經(jīng)絡(luò)受阻，損害人體健康，如圖1a 所示。此外，在操作過程中手臂與桌面形成一定的夾角，同時手背需背屈一定的高度，使手臂的重量集中于腕部。隨著使用頻率的增加，手腕、手臂會非常容易出現(xiàn)關(guān)節(jié)麻痹、腫脹、疼痛等癥狀，久而久之就會出現(xiàn)“鼠標手”[15]。

圖1 鼠標形態(tài)中的人機問題Fig.1 Influence of mouse shape on ergonomics

1.2 垂直式鼠標

垂直鼠標在使過程中用戶的手掌與桌面接近垂直狀態(tài)，對手部骨骼經(jīng)脈的舒適性進行了提升，讓使用者的手處于比較放松的狀態(tài)，減少了使用傳統(tǒng)鼠標進行移動和點擊時所需要的握力，如圖1b 所示。然而，在Annina 等[14]的研究中表明，不同的用戶在使用垂直鼠標過程中會表現(xiàn)出不同的使用效率，在較高頻率的操作過程中，垂直式鼠標表現(xiàn)出較弱的操控性。

綜上所述，不同人群依據(jù)自身的手型大小和使用習慣等選擇鼠標形態(tài)和鼠標樣式，平行和垂直形式的鼠標各有優(yōu)勢，本研究基于人體數(shù)據(jù)，探索數(shù)據(jù)驅(qū)動下鼠標形態(tài)與目標人群的人機協(xié)同關(guān)系，以提升鼠標人機系統(tǒng)效能。

2 研究流程

數(shù)據(jù)驅(qū)動的概念在用戶需求挖掘、機械性能優(yōu)化、系統(tǒng)性能評估等方面已得到應(yīng)用[16-17]，實現(xiàn)了生產(chǎn)過程的數(shù)字化，同時連接用戶、產(chǎn)品和生產(chǎn)過程，有效提高了計效率。產(chǎn)品作為服務(wù)于人的“物”，在設(shè)計、生產(chǎn)、制造等方面都與人體密切相關(guān)，而人體是一個具有大量尺寸、曲面變化極其豐富的有機體，利用人體數(shù)據(jù)驅(qū)動產(chǎn)品形態(tài)不僅能有效提升產(chǎn)品的服務(wù)性能，而且能更大程度上關(guān)注用戶的生理差異，更好地體現(xiàn)了人本智能設(shè)計的理念。

本研究將人體數(shù)據(jù)應(yīng)用于鼠標形態(tài)概念創(chuàng)新中，從而減少概念設(shè)計中人機工程的模糊性，整體研究流程如圖2 所示。首先分析總結(jié)用戶在使用鼠標時手部的主要運動關(guān)節(jié)部位并簡化其運動過程，利用手部基準數(shù)據(jù)在軟件中完成手部動作仿真模擬；然后利用油泥模型實驗?zāi)M探究用戶群使用鼠標時的行為，從而獲取模型特征點數(shù)據(jù)；再者以統(tǒng)計獲取的模型特征點生成形態(tài)變化區(qū)間并以手部對應(yīng)點為參考建立形態(tài)生成規(guī)則，構(gòu)建形態(tài)生成系統(tǒng)；最后通過參數(shù)調(diào)整獲取代表性樣本并對其進行評估驗證。

圖2 研究流程Fig.2 Research flow chart

3 手部動作仿真模擬

Grasshopper 是一款與Rhino3D 建模軟件緊密集成的算法生形編輯器，其可以完整記錄起始模型和最終模型的構(gòu)建過程，通過改變相關(guān)變量對生成形態(tài)進行靈活有效地控制。為了探究手部動作與鼠標形態(tài)的人機關(guān)系，本研究利用Grasshopper 進行手部動作模擬，以人體數(shù)據(jù)驅(qū)動的方式建立幾何特性和交互之間的對應(yīng)關(guān)系，對用戶使用場景進行特性匹配，從而生成相應(yīng)的概念形態(tài)方案。

3.1 手部模擬數(shù)據(jù)準備

鼠標作為與手型產(chǎn)生密切交互的產(chǎn)品，其形態(tài)與手長、手寬等參數(shù)直接相關(guān)。人體手部共有27 塊骨骼和19 個主要關(guān)節(jié)點，其中5 塊掌骨和14 塊指骨為本研究主要的模擬對象，掌骨和指骨分布如圖3a 所示。依據(jù)容納絕大多數(shù)用戶手型的原則，以較大尺寸的手型數(shù)據(jù)為基準并參考手部X 光片繪制模擬骨架，如圖3b 所示。

圖3 手型模擬數(shù)據(jù)準備Fig.3 Hand simulation data preparation

3.2 手部動作模擬器構(gòu)建

在抓握鼠標、控制運動和功能操作過程中，主要以適合手掌仰角、手臂旋轉(zhuǎn)角度的方式抓握并匹配鼠標形態(tài)，因此，本研究通過手掌軸向旋轉(zhuǎn)、手掌徑向旋轉(zhuǎn)及指骨實際運動進行模擬器構(gòu)建。以工作平面為基準，對已準備的手部骨骼數(shù)據(jù)進行自由度設(shè)置。首先，對掌骨進行自由度設(shè)計，掌骨分為第一掌骨、第二掌骨、第三掌骨、第四掌骨、第五掌骨，在手部運動過程中第一掌骨連接大拇指可以上下左右運動，而第二至第五掌骨作為支撐手掌的主體在運動過程運動幅度較小，因此，將第二至第五掌骨作為一個整體進行X、Y、Z坐標方向的自由度設(shè)置。設(shè)置掌骨俯仰運動∶以Y、Z平面內(nèi)運動進行俯仰角度設(shè)置，以較大尺度為基準將俯仰角度設(shè)置為 0～0.61 rad（0～35°）。模擬手臂旋轉(zhuǎn)運動∶以平行Y軸方向進行手臂旋轉(zhuǎn)模擬并設(shè)置其角度為0～1 rad（0～90°）。隨后，依據(jù)關(guān)節(jié)點對各近節(jié)指、中節(jié)指、遠節(jié)指進行方向自由度運動設(shè)計，完成對手部各節(jié)點運動的模擬。建立手部運動模擬器以及手部關(guān)節(jié)運動參數(shù)區(qū)間，如圖4 所示。

圖4 手部運動模擬器Fig.4 Hand motion simulator

4 手部特征數(shù)據(jù)獲取

在產(chǎn)品使用過程中，行為信息是以人為本的產(chǎn)品設(shè)計核心信息的組成部分。鼠標形態(tài)在具體化設(shè)計中，可通過多種方式體現(xiàn)。以實體模擬的方式獲取個性化形態(tài)方案具有針對性較強、獲取方便、高效等特點，但獲取的形態(tài)與實際產(chǎn)品所應(yīng)有的特征和型面要求具有一定的差距，且在創(chuàng)新方面受個人因素影響較大，無法快速直觀地響應(yīng)不同用戶的需求。因此，本研究通過特征數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)合軟件模擬的方式輔助生成鼠標形態(tài)方案，借助構(gòu)建的手部運動模擬器對設(shè)計參數(shù)進行控制，直觀地進行形態(tài)創(chuàng)新設(shè)計。

4.1 鼠標使用場景模擬

鼠標為一般工業(yè)產(chǎn)品，為了獲取用戶群在操作鼠標時的動作行為特征區(qū)間，依據(jù)產(chǎn)品設(shè)計中人機工程一般性原則，選取了平均年齡24 歲，百分位大致分布在大、中、小的4 位男性和4 位女性代表用戶進行實驗。首先，在實驗前告知每位用戶實驗的目的及內(nèi)容，然后為每位用戶提供充足的油泥材料，允許用戶通過DIY 多次抓握油泥，尋找自己最舒適的鼠標形態(tài)，如圖5 所示。

圖5 用戶DIY 鼠標油泥模型Fig.5 User DIY mouse clay models

4.2 特征數(shù)據(jù)提取

借助取型器等測量工具對油泥模型的輪廓從俯視、側(cè)視、頂視圖中進行提取，利用Grasshopper 進行形態(tài)描繪并對型值曲線進行對齊處理，如圖6 所示。

圖6 型值曲線描繪與特征點提取Fig.6 Curve date description and feature points extraction

在獲取用戶輪廓曲線后，由于所包含的信息較多，對于多用戶的特征無法統(tǒng)一描述，因此需要對其進行簡化處理。分別選取正視圖和側(cè)視圖特征線（非閉合曲線）中0、0.25、0.5、0.75、1 型值點處，以及俯視圖特征線（閉合曲線）中0、0.25、0.5、0.75型值點處，共計112 個點作為型值點變化范圍。分別統(tǒng)計坐標值域區(qū)間，結(jié)果見表1。

表1 型值點區(qū)間Tab.1 Interval of date points

5 鼠標形態(tài)生成系統(tǒng)構(gòu)建

在鼠標誕生初期，其形態(tài)為外形方正的木質(zhì)方盒，隨后出現(xiàn)了塑料型方盒、圓潤型方盒等，從1995年開始鼠標相關(guān)設(shè)計逐漸趨于成熟，其形態(tài)開始更加關(guān)注與人體之間的匹配性和協(xié)調(diào)性，向更加人機的方向發(fā)展。1999 年微軟與安捷倫公司合作推出了Intellimouse Explorer 光學鼠標，奠定了現(xiàn)代鼠標的基本形態(tài)。從發(fā)展過程來看，鼠標形態(tài)是從幾何形態(tài)逐漸向更符合人體數(shù)據(jù)的有機形態(tài)演進的；而從計算機數(shù)字化生形的角度來看，現(xiàn)代形態(tài)較為復(fù)雜的鼠標也可以逐步抽象為幾何形態(tài)，如圖7 所示。兩者在形態(tài)發(fā)生上有著一定的共性，這為自動化形態(tài)生成提供了依據(jù)。

圖7 鼠標形態(tài)推演過程Fig.7 Mouse shape deduction process

傳統(tǒng)以CAD 為主的產(chǎn)品形態(tài)建模作為強有力的輔助設(shè)計工具，在一定程度上方便了設(shè)計師草圖形態(tài)的表達，可以與工程師進行直觀的交流，但無法全面地將人體數(shù)據(jù)、工程知識、設(shè)計原理以及專家經(jīng)驗等融入幾何模型中[18]。因此，在高效設(shè)計、協(xié)同創(chuàng)新、知識重用等方面存在一定的局限性。

算法是指按照一定順序和邏輯組織在一起的操作指令，能夠完成某個特定的任務(wù)，算法生形是指通過構(gòu)建產(chǎn)品形態(tài)的參數(shù)關(guān)系和生成規(guī)則，由計算機程序的運算而生成形態(tài)[19]。這種創(chuàng)新設(shè)計方式可以將概念設(shè)計中模糊化、非結(jié)構(gòu)化的知識通過數(shù)據(jù)驅(qū)動和設(shè)計規(guī)則進行表達處理，從而輔助設(shè)計師更有效地完成創(chuàng)新設(shè)計任務(wù)。此外，通過調(diào)節(jié)參數(shù)與計算機之間的交互，可快速產(chǎn)生符合要求的形態(tài)方案，以此進行高效的創(chuàng)新設(shè)計。

本研究運用Grasshopper 可視化編程語言編寫相關(guān)算法，進而構(gòu)建數(shù)據(jù)驅(qū)動的鼠標形態(tài)生成系統(tǒng)。

5.1 鼠標基本幾何形態(tài)生成

首先，以獲取的用戶特征點和手部關(guān)節(jié)點為依據(jù)建立鼠標形態(tài)生成算法規(guī)則，利用Point Surface 運算器分別對相應(yīng)的特征點進行連接，建立鼠標幾何形態(tài)切割面（如圖8 所示），并依據(jù)表1 設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)區(qū)間。其中，面特征的每個頂點由最接近的關(guān)節(jié)點和型值點建立而成，當調(diào)整手部參數(shù)時，能夠保證生成的鼠標形態(tài)有效跟隨手部動作的變化而變化。然后，圍繞模擬器的中心繪制包裹手部模擬器的球形基本體，通過建立的形態(tài)切割面對球體進行切割運算，利用Distance 運算器測量被分割塊體與球心的距離，結(jié)合Larger Than、Gate Not、Dispatch 三個運算器選擇保留的幾何體。通過逐步進行的關(guān)系運算，最終獲得鼠標基本幾何形態(tài)，過程如圖9 所示。

圖8 鼠標幾何形態(tài)切割面構(gòu)建Fig.8 Construction of mouse geometry cutting surface

圖9 鼠標基本幾何形態(tài)獲取過程Fig.9 Acquisition process of mouse basic geometry

5.2 鼠標形態(tài)細分處理

建立的幾何形態(tài)具有鼠標的基本特征，但在用戶實際使用過程中幾何形態(tài)面與手部的貼合度較低，需進一步進行細分處理。首先利用Mesh Brep運算器將Brep 模型轉(zhuǎn)換為可進行細分運算的Mesh幾何體，然后使用Weaverbird 插件中Weaverbird's Catmull-Clark Subdivision 運算器對幾何形態(tài)進行細分（如圖10 所示），獲得的形態(tài)展現(xiàn)出了鼠標主要的形態(tài)特征。

圖10 鼠標形態(tài)細分處理Fig.10 The mouse form subdivision process

6 鼠標樣本形態(tài)驗證

為進一步驗證形態(tài)方案的人機合理性，通過調(diào)節(jié)模擬器參數(shù)分別得到2 款平行式鼠標（見圖11 中的①③）和2 款垂直式鼠標（見圖11 中的②④），并3D 打印成型進行評估測試。共邀請人體百分位基本均勻分布的20 位用戶（10 位男生和10 位女生）對生成的4 款鼠標形態(tài)的大小適合度和表面貼合度指標進行模擬使用測評。U1—U20 用戶按手型依次從小到大排列，測評結(jié)果見表2。結(jié)果顯示，大手型受試者較多選擇了尺寸相對較大的③④號方案，小手型受試者較多選擇了尺寸相對較小的①②號方案，所有選中的方案表面貼合度評價均比較高，整體在舒適度和使用效率之間表現(xiàn)出良好的人機協(xié)同度。由此表明，數(shù)據(jù)驅(qū)動的形態(tài)概念設(shè)計方法具有良好的適應(yīng)性，能夠有效提高設(shè)計效率。

表2 方案測評Tab.2 Schemes scoring evaluation

圖11 生成的鼠標樣本Fig.11 Generated mouse form samples

7 結(jié)語

數(shù)據(jù)驅(qū)動的形態(tài)生成方式，為設(shè)計師進行形態(tài)探索提供了一種更高效的方法，有效提高了形態(tài)概念設(shè)計的效率。本研究從數(shù)據(jù)驅(qū)動的角度出發(fā)，以用戶使用鼠標時的特征形態(tài)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用Grasshopper對使用行為進行模擬，構(gòu)建了一種人體數(shù)據(jù)驅(qū)動的鼠標形態(tài)生成系統(tǒng)，可以輔助設(shè)計師在概念創(chuàng)新階段更好地融入人機因素，有效提升設(shè)計方案的合理性，為數(shù)據(jù)驅(qū)動的形態(tài)概念設(shè)計提供了一種新方法。隨著傳感設(shè)備逐漸成熟，數(shù)據(jù)驅(qū)動的形態(tài)生成設(shè)計將在更廣闊的空間得到發(fā)展，也將逐步得到實際應(yīng)用。