利用測量人體面部數據設計工業防護口罩研究

孫寅楓 屠靈智 黃小芳

摘? 要：近年來隨著工業需求的逐漸提升，工業環境中的防護口罩成了工業生產中的必需品。目前單一的防護口罩尺寸無法有效適配不同用戶的面部數據特征，佩戴時防護口罩與用戶面部之間容易產生縫隙，降低防護口罩的防護性能與適配性。為了讓用戶在工業環境下佩戴防護口罩能更加貼合面部輪廓，增加防護口罩佩戴時的防護性能與適配性，通過三維掃描40名實驗者的面部形狀，測量統計整合面部數據特征，并對重要面部部位尺寸進行了聚類分析，確定了面部三種尺寸。最后通過對現有防護口罩的結構與功能進行比對分析，結合現有的材料以及用戶的需求，設計出了一款用戶可根據自己面部數據特征選擇相應尺寸的工業防護口罩。

關鍵詞：工業環境；防護口罩；三維掃描；面部數據特征

基金項目：本文系2021年度浙江省高校基本科研業務費專項資金資助項目（ 2021YW62）研究成果。

隨著社會經濟與科技的進步，口罩逐步從簡單的防護用品向多功能化轉變。口罩的貼合度與舒適性往往是設計口罩時需要考慮的關鍵因素[1]。人們利用佩戴口罩來遮住面部，保護他們的面部不受灰塵，污染物，病毒或者寒冷天氣的影響。但是因為個體面部形狀和大小存在差異，一個不太合適的口罩可能會降低佩戴時的用戶體驗。例如，口罩太過貼合可能會對鼻部以及面部造成過度壓力，從而降低用戶體驗；相反，寬松的口罩可能導致面部與口罩之間存在縫隙，無法使口罩有效起到防護作用。針對此類問題，文章從測量面部數據特征并分析，設計一款人性化口罩的角度出發，提高口罩的可用性以及佩戴時的用戶體驗。

一、工業防護口罩種類研究

口罩的出現最初是為了能有效的阻擋飛沫、病毒及有害物質通過口鼻進入人體，降低人群受病毒細菌感染的風險。據文獻所述，佩戴口罩被認為是一項有效的措施，可顯著降低人與人之間的呼吸道傳染病風險[2]。隨著口罩的不斷發展，其防護功能得到了顯著提升，不僅能夠有效抵御更多的病原體，同時也成功研發出了防毒、防霾等多種功能，也衍生出了不同領域的防護口罩，例如工業防護口罩。根據張雪艷[3]等學者研究，工業防護口罩的定義是采用符合GB2626-2019標準的顆粒物防護口罩。在我國，工業防護口罩屬于一類特殊商品。工業級的防護口罩不僅具有防塵和抗霧霾的功能，這些口罩還能有效地幫助使用者減少吸入空氣中的懸浮顆粒物，從而保護用戶不被污染物傷害。目前社會上常見的工業防護口罩種類主要如表1所示。

表1 常見工業口罩的種類

種類 外觀 價格 優勢

立體式口罩 0.8-2元 價格便宜，收納方便

杯型口罩 3-10元 貼合性好，佩戴方式舒服

半面罩式口罩 30-318元 貼合性好，過濾效果好，佩戴方式舒適

工業口罩按外形分類可分為三類，分別是折疊式、杯型、半面罩式。其中折疊式口罩價格最為低廉，且方便收納，但是受結構影響佩戴時與面部的貼合性仍存在不足。杯型口罩的制作一般以熱壓成型為主，所以結構固定且材質較硬，杯型口罩與面部的接觸充分，貼合性好，密封性好。半面罩式口罩是基于防毒面具進行簡化設計后的產品，它與面部接觸區域增加了一圈橡膠結構，在佩戴時有更好的舒適性，與面部的貼合性相較于杯型口罩有了明顯的提升，但是半面罩是口罩體積過大不易攜帶，且價格較高。工業口罩除了外形不同外，佩戴方式也存在明顯的不同，主要分為三類：耳戴式、頭戴式、卡扣式。耳戴式是最常見的佩戴方式，長時間佩戴容易造成耳部的疼痛；頭戴式一般應用在杯型口罩上，整體受力于頭部，適合長時間佩戴，但是佩戴時相較于耳戴式更繁瑣；卡扣式與頭戴式類似，受力點位于頭部或者頸部，但鏈接方式變為掛鉤等可拆卸材料，在保持佩戴舒適性不變的情況下提高了佩戴的效率。本文將通過比較各類口罩的優勢與不足，并結合人體測量方法，設計出一款結構與佩戴舒適性更加滿足用戶需求的工業防護口罩。

二、人體測量面部數據研究現狀

人體測量方法主要分為傳統測量方法與三維測量方法兩類。其中傳統測量方法是使用測量工具對人體各個部位進行直接測量，例如，使用皮尺、測量帶、測量尺等工具測量身高、體重、臂長、腿長、腰圍、胸圍等尺寸。在各高校以及相關研究所的應用中，傳統測量方法的使用頻率極高。歐陽山蓓[4]等人采用人體測量對300例（男女各150例）青年學生的鼻外形進行活體測量分析。鹿建春[5]等人為設計適用于我國人臉形的生物防護口罩，選取了具有代表性群體特征共2011人進行了測量與統計，使用的測量工具為直腳規、彎腳規以及三腳平行規，最后根據不同人群特征提出了半臉式口罩的設計參考尺寸。傳統測量方法的測量成本相對較低，但在測量過程中耗時耗力，并且存在一定的誤差。三維人體測量技術的優點是測量速度快、耗時短、精確度高，且能進行大規模的人體測量。現有的研究已經通過使用三維測量方法為更多的產品開發了尺寸系統和新設計。三維測量方法常常用來測量面部數據特征以改善面部產品的尺寸系統。Han和kim利用三維測量方法測量了10個面部尺寸（包括面長和面寬），設計了一款新型半面罩式口罩，他們的報告稱他們設計的新口罩比現有的口罩在定量擬合測試（QNFT）中有很更好的表現[6]。Lee W等人根據現有的空軍飛行人員的三維面部數據設計了一款氧氣面罩，他們的報告稱有現有的氧氣面罩相比，這款新型氧氣面罩的不適性下降了33%-56%，面部的壓迫感降低了11%-33%，口罩在面部的滑動程度降低了24%[7]。本文宗旨在于利用三維測量方法，開發一種新型工業半面罩適口罩，根據佩戴對象的面部尺寸特征，可自主選擇適合自己的尺寸口罩，提高佩戴時的適合性與舒適性。

三、三維面部特征數據測量

（一）實驗對象

本次實驗共招募40名在校大學生（20名男生，20名女生）進行三維面部掃描，本次實驗男性與女性參與者的平均年齡為24歲（范圍為21-26歲），所有參與者都被告知了研究目的和程序的描述，并同意簽訂知情同意書參加實驗。

（二）實驗步驟

整個過程分為兩個階段，面部掃描階段與面部特征數據分析階段（如圖1）。 面部掃描階段分為以下三步驟進行。第一步向參與者解釋研究的目的和實驗過程，獲得參與人員的知情同意。第二步指導參與人員佩戴實驗過程中需要使用的防護口罩，在佩戴完成后，人工選擇防護口罩與面部之間的接觸點作為關鍵點，利用圓形反光貼紙（直徑為5mm）標記（如圖2）。第三步要求參與人員做到指定地方，允許他們選擇一個適合自己的坐姿，并保持面部放松狀態，在掃描過程中要求參與人員盡量保持靜止狀態（大約持續兩分鐘）。面部掃描在距離參與者40-100cm的距離間進行，（如圖3），多次掃描參與者不佩戴口罩的面部情況與佩戴指定防護口罩的面部情況，保存三維掃描面部數據用于數據分析。

（三）實驗數據分析

所有參與者的三維掃描面部數據分三個步驟進行分析，盡可能的提取面部和防護口罩之間的輪廓線。第一步將三維掃描人臉數據導入Geomagic Studio 20，通過編輯、細化、補孔、平滑等功能進行重建，并按照之前研究的方法完成重建的三維人臉模型。第二步在四個點上提面部與防護口罩頂部的接觸線，繪制面部尺寸與防護口罩輪廓的形狀。第三步提取繪制的輪廓線，并將所以參與者的輪廓線進行集中分析。表2總結了本次實驗中參與者的部分面部特征尺寸的描述性統計。

表2 參與人員部分面部特征尺寸數據

統計參數 各個部位測量值（mm）

面寬 形態下面長 顴點距 鼻寬 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

總體標準差（s） 8.9 6.8 10.7 3.7 4.6

（四）代表性尺寸確定

在實驗過程中，發現由于每位參與人員的鼻部的特征相較于其他面部與防護口罩接觸點有更加明顯的差異，因此防護口罩與鼻部的貼合性較弱（如圖4）。為了更好的提取防護口罩與鼻部的輪廓線，通過層次聚類分析法進行研究。采用歐幾里得距離作為相似性度量，將參與人員劃分為多個大小的組，得到小型、中型和大型三組的鼻部輪廓線（如圖5），其中小型輪廓線比例為27.5%（11人），中型輪廓線比例為40%（16人），大型輪廓線比例為32.5%（13人）。參與人員鼻部特征統計數據如表3所示。此外還統計了不同性別人群的鼻部測量數據的結果（如表4、表5）。

表3 鼻部測量數據四分位統計結果

四分位 0 1 2 3 4

鼻寬 29.8 32.2 34.7 37.3 43.2

鼻高 39.4 46.2 49.7 53.0 58.1

表4 女性鼻部測量數據四分位統計結果

四分位 0 1 2 3 4

鼻寬 29.8 31.5 33.2 35.3 41.2

鼻高 39.4 44.4 48.1 51.7 57.1

表5 男性鼻部測量數據四分位統計結果

四分位 0 1 2 3 4

鼻寬 33.1 34.7 38.1 39.3 43.2

鼻高 44.5 48.4 503 53.9 58.1

四、防護口罩設計實踐

（一）工業防護口罩的設計定位

本次研究的防護口罩類型為工業防護口罩，因此在設計時著重注意防護口罩佩戴時與面部的貼合性以及佩戴防護口罩時穩定性，這樣才能在工業環境中工作有更好的用戶體驗。

工業防護口罩的設計初衷就是為了將現有的各類防護口罩的優點結合起來，設計一款更加符合用戶面部形態的口罩，但是口罩整體個性化的定制往往會增加口罩的生產成本，為了盡可能的降低防護口罩的生產成本，通過對于現有的半面罩罩式口罩的拆卸研究發現，可在設計研究中加入可拆卸功能模塊，通過立體框架結構來實現功能模塊的使用。工業環境中充滿了灰塵、PM2.5以及其他微小顆粒，所以防護口罩與面部之間最好采用軟性材料，這樣才能最大程度的貼合面部，目前市場上軟性硅膠材質是一個較好的選擇，防護口罩的立體框架采用PP塑料壓鑄成型，PP塑料不僅質量輕，硬度強，而且無毒無危害，不會對佩戴者產生傷害。在防護濾芯上，外部使用的聚氨酯海綿材料能夠初步過濾較大的物質，例如花粉和灰塵，而阻隔油性顆粒物和細菌的材料是疊加的雙層熔噴HEPA纖維，PM2.5的過濾效率高達97%以上。在之后防護口罩設計中，可加入其他具有多種功能的過濾材料作為濾芯，引入可替換的概念，以滿足用戶根據自己的具體需求來選擇性地更換濾芯夾片。在這個基礎上，還增加了前后立體框架結構，以賦予防護口罩更多的功能性。考慮到使用的環境為工業環境，防護口罩的顏色以暗色調為主，如黑、白、灰、墨綠等，讓防護口罩在工業環境中有更好的視覺體驗。

（二）防護口罩框架結構分析

口罩的外觀設計在整個設計流程中起著至關重要的作用，它體現了內部構造與外部形態之間的和諧融合。

1.防護口罩佩戴形式分析

口罩的佩戴方式設計也是尤為重要的一方面，口罩的佩戴方法主要分為三類，耳戴式、頭戴式和頸戴式。其中頭戴式與頸戴式的佩戴方式較為類似，頭戴式口罩通常是將彈力繩、綁帶或者卡扣通過頭部來固定口罩，受力點在于頭部且頭部的受力較為均勻，佩戴時不易產生不適感，適合作業時長時間地佩戴，佩戴時也更加的穩定；頸戴式與頭戴式的區別在于頸戴式口罩是通過后頸部位來固定口罩，受力也較為均勻，但是閆雯宇[8]在研究中發現頸戴式口罩與固定點之間的角度原因，可能會在佩戴時在鼻部產生發迫感，造成不適。耳戴式是生活中口罩最為常見的佩戴方式，通過耳朵來固定口罩，但耳部皮膚較為敏感和脆弱，所以長時間的佩戴會造成耳部的不適。丁文彬[9]等學者通過測試比對了七種類型的防護口罩，發現耳戴式口罩與佩戴者的面部貼合度最低，容易受面部運動產生松；頭戴式口罩與面部貼合度較高，并且頭戴式口罩與面部貼合輪廓之間不易產生縫隙，有較好的密封性。

通過上訴分析可以得出防護口罩采用頭戴式的佩戴方式能夠更加符合工業環境中的使用需求，擁有更加舒適的佩戴體驗，也擁有了更加良好的密封性，大大提升了防護性能。

2.防護口罩框架結構分析

從內部結構上來看，通過比較已有的幾類工業防護口罩后發現，在使用口罩時，在口罩內部加入一個拱形支架，使得口罩內部與臉部之間擁有有足夠的呼吸區域，進而在口鼻之間創造一個空間，使得呼吸更為流暢。拱形材質采用PE材料制成，其優點是質量輕，韌性好，結合軟性硅膠材質，能更好的貼合面部輪廓，在工業作業進行大幅度動作時也穩定舒適，不易產生明顯的縫隙，保證了防護性能。框架使用了鏤空的設計，盡可能的增加了氣體的通過性，降低了呼吸阻力，也大大減輕的佩戴時的重量。

為了使防護口罩的尺寸結構更加的貼合國人的面部數據特征，提高口罩的密封性。在設計防護口罩的尺寸時參考了鹿建春等學者通過人機工程學采集測量了中國人的面部尺寸，鼻梁與頦下的直線距離為62～122 mm，顴點距長度距離為72～136 mm，所以防護口罩的最大尺寸不宜超出橫向140 mm，縱向130 mm，鼻中寬的尺寸為20～45 mm，鼻中高的尺寸為8 ～27 mm，并且在研究中提到鼻部的密封是口罩設計時的關鍵[10]。基于這些信息，確定了支撐框架的基本尺寸以及幾個關鍵的面部接觸點，面部的起伏變化尺寸和口罩內部結構對防護口罩的框架與整體外觀有著直接的影響。通過對上訴實驗中當用戶佩戴不同類型工業防護口罩時進行面部輪廓三維掃描，將防護口罩與面部的貼合輪廓曲線利用Geomagic Studio軟件進行提取，所提取的曲線為后續的改良設計提供結構的參考。再利用Rhino軟件對所提取的結構曲線進行優化，得到更加準確的結構曲線（如圖6）。

（三）防護口罩設計整合

通過上述對工業防護口罩的材質的選用，結構框架的分析，以及功能的確定，為后續設計建模提供的一定參考依據。單一的防護口罩尺寸就算選取的再精準也無法滿足所有人的面部數據特征，結合防護口罩模塊化、可拆卸化設計可以盡可能在生產時減少成本，提高可實現性，在設計防護口罩時口罩的立體支撐結構采用統一尺寸設計，而在設計與防護口罩與面部區域接觸的結構時為了能讓佩戴者選擇更適合自己面部尺寸的產品尺寸時，可以對該部分結構進行分級設計，設計尺寸可參考實驗過程中測量的其他部位人體面部數據特征進行確定（如表6、表7、表8），從表中數據發現，不同性別用戶的四分位面部測量數據存在一定的交叉覆蓋，在與面部接觸的硅膠圈的尺寸設計可根據這些數據進行選取確認，設計出三種大小不一的尺寸（如圖7）。

表6 面部測量數據四分位統計結果

四分位 0 1 2 3 4

面寬 114.7 134.5 141.1 145.9 166.1

形態下面長 61.8 93.7 98.7 103.5 122.1

顴點距 71.6 97.8 108.6 117.1 134.2

表7 女性面部測量數據四分位統計結果

四分位 0 1 2 3 4

面寬 114.7 129.2 139.3 143.1 155.8

形態下面長 61.8 91.5 95.1 97.7 118.2

顴點距 71.6 96.3 105.8 114.3 131.1

表8 男性面部測量數據四分位統計結果

四分位 0 1 2 3 4

面寬 121.1 139.4 145.1 153.3 166.1

形態下面長 84.8 98.6 103.5 108.1 122.1

顴點距 83.5 104.2 113.3 118.1 134.2

根據防護口罩的結構分析可知，該防護口罩相較于一次性口罩在重量上有了一定的提升，因此在選擇佩戴方式的時候顯得尤為重要。隨著防護口罩重量的增加，佩戴時產生的拉力也會隨之提升，而耳戴式的佩戴方式會增加耳部的疼痛感，不適合長時間的佩戴，頭戴式的佩戴方式能有效降低拉力增加所帶來的不適感，也減緩了防護口罩重量增加的不適感，提高了工作時配戴防護口罩的用戶體驗。頭戴式的佩戴方式采用了卡扣進行固定（如圖8），穿戴時更加方便，也更加便于調節和把控佩戴時的松緊，提高了佩戴時防護口罩與面部之間的貼合度，增加了密封性。考慮到更換防護口罩時成本的問題，為了盡可能的降低用戶在使用防護口罩時的費用，前部框架采用了更換濾芯的設計方案，濾芯夾在外側框架與中間支撐框架之間，兩個框架之間采用暗扣的方式固定鏈接（如圖9），方便拆卸與更換內部的濾芯，佩戴者還能根據工作的環境選擇合適的濾芯進行更換。

防護口罩的結構框架可以分為5個部分（如圖10），其中標號1的為最外側框架，材質較硬，保護防護口罩在使用時受到撞擊而損壞；標號3的為內部支撐框架，表面鏤空設計，不僅降低了重量，還能保證氣體順利進入減少了呼吸阻力；標號2的為防護口罩中最為重要的濾芯部分，能有效的阻擋各種微小顆粒及有害物質通過，濾芯夾在外部框架與內部支撐框架之間，能夠隨時根據工作環境進行更換濾芯的種類；標號4的為鏈接框架，用于固定綁帶，綁帶為具有彈性的硅膠材質，不易與皮膚產生過敏情況；標號5的為貼合面部的硅膠圈，通過鏈接框架與內部支撐框架固定，目前設計了三個尺寸，可根據用戶需求進行選擇。

隨著人們生活品質的不斷提升，大家對產品的期望逐漸轉向功能與形式的完美融合。在設計產品的過程中，不僅要注重實用性，還要追求外觀的美感（如圖11），并融入環保理念，這樣既能讓人們在享受戶外活動的同時，也能確保產品的可持續發展。

五、結語

工業防護口罩的功能與結構的確認需要結合實際進行設計研究，本文通過對40名實驗人員的面部數據進行掃描，提取了防護口罩與實驗人員面部之間的輪廓線，通過整理實驗人員面部數據與輪廓線，設計了可供這40名實驗人員根據自身面部數據特征進行選擇的三種不同尺寸的工業防護口罩。隨著我國對工業安全生產的重視不斷提升，用戶在生產過程中更加注重自己的身心健康，防護口罩成為了工業生產的必需品。人們對防護口罩的需求也不在是追求簡單防護，而是在防護效果、佩戴的舒適性以及使用的經濟性上有了綜合的追求。未來為了設計出更加適合面部數據特征以及具有更好防護性能的防護口罩，可增大實驗樣本，并結合更新型的材料進行研究設計。

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[10]鹿建春，孟令英，李軍保，等.中國人臉形分布與生物防護口罩設計研究[J].中國消毒學雜志，2004（4）：40-42.

作者簡介：

孫寅楓，中國計量大學藝術與傳播學院藝術設計碩士。研究方向：藝術設計。

屠靈智，中國計量大學藝術與傳播學院藝術設計碩士。研究方向：藝術設計。

黃小芳，中國計量大學藝術與傳播學院講師。研究方向：藝術設計。