基于三維人體姿勢估計的鼠標舒適性評價研究

摘要：三維人體姿勢的分析對鼠標和相關產品的舒適性設計具有重要意義。運用關鍵點矩陣技術構建了手部骨架模型，通過Leap Motion TM采集握持不同鼠標樣本下的手部關鍵點數據，以此計算得出各鼠標樣本所對應的指間關節角度，根據層次分析法確定手指權重，并采用模糊評價方法構建基于手部關節角度的鼠標舒適性評價模型。舒適性評價結果表明，手部支撐穩定并能使手指自然伸展的鼠標舒適性評價值較高，以此為基礎完成了面向用戶舒適性需求的鼠標形態設計。研究結果為人體手部舒適性評價以及握持類工具設計提供了參考和指導。

關鍵詞：三維姿勢估計；關節角度；鼠標舒適性；模糊評價；參數化設計

中圖分類號：TB472 文獻標識碼：A

文章編號：1003-0069（2024）20-0101-05

引言

隨著人們物質生活水平不斷提高，對于身心健康和精神生活的要求當下，由于市場競爭的加劇以及消費者對產品質量和體驗要求的提高，用戶體驗成為產品設計過程中至關重要的決定因素[1]。在此當中，舒適性成為評價產品質量的重要指標之一，舒適度高的產品能夠給消費者帶來更愉悅的使用體驗，可以提升消費者的身心健康水平。同時，隨著計算機輔助設計和數字化仿真技術的發展，設計師能更準確地模擬人體與產品間的交互，更客觀地評估產品的舒適性。

鼠標作為現代計算機使用場景中的重要組成部分，越來越多用戶開始關注鼠標的使用體驗，對于鼠標的舒適性需求也愈發強烈[2]。鼠標形態設計的本質為手握式工具的設計，因此，在鼠標形態的設計過程中，其人機界面的質量對于需要長時間使用手工具的操作者來說至關重要，不舒適的鼠標形態、尺寸甚至握持姿勢都會導致其手部和上肢的疲勞或疼痛。本研究將從鼠標舒適性設計出發，借助三維人體姿勢測量技術完成鼠標生理舒適性的評價，為設計師可以更好地了解鼠標形態的舒適性設計特征提供理論依據，并以此促進用戶體驗的提升，推動相關設計領域的發展。

一、研究背景

（一）三維人體姿勢估計

三維人體姿勢估計是一種利用計算機視覺和深度學習技術[3]，可以從給定的圖像或視頻中推斷出人體在三維空間中的姿勢和關節角度的方法，現階段在人體動作分析、虛擬現實、增強現實、醫學影像分析等領域具有廣泛的應用。

隨著三維人體姿勢估計技術在產品設計領域的應用，設計師能夠更加精準地獲取產品使用過程中用戶的人體姿勢數據，并據此來優化產品設計界面和交互方式，提升用戶的體驗和滿意度。例如，張文波[4] 等利用Kinect 識別人體肘、腕、手掌、指尖等關節點的空間坐標，并對獲取的關節點數據進行科學處理后通過空間向量關系計算多幀關節夾角的平均值，進而實現了腕關節活動度的自動測量。郭慶[5] 等將三維人體姿勢估計技術應用到下肢運動研究中，分析了不同任務情景下下肢關節角度的變化情況，通過優化任務流程提高操作者舒適性和工作效率。

（二）鼠標生理舒適性評價要素

對于鼠標的形態設計而言，其舒適程度主要取決于其形狀是否與手部的生理特征相適應、鼠標尺寸是否符合人手尺度、施力的大小與特征是否避免肌肉壓迫和靜肌負荷[6]。

通過對手部關節角度舒適性評價可以研究不同握持姿勢與舒適度之間的關系，例如，Kazuki[7] 對抓握任務中的抓握舒適度與手的抓握姿勢關系進行統計分析表明，抓握時手部關節角度與抓握舒適度之間有顯著的相關性。曾佳俊等[8] 通過利用JACK 軟件模擬不同手握手機姿勢，研究了不同關節屈曲角度下手部的舒適性。綜合上述研究的結論，鼠標形態與手部自然握持姿勢的匹配程度可以通過握持姿勢所涉及的關節角度的變化來表征和評價，本研究將通過獲取用戶握持鼠標時的手部關節角度來完成其舒適性評價，評價流程如圖1 所示。

二、手部三維姿勢數據的獲取

（一）鼠標樣本庫的構建

鼠標的形態按照操作方式可分為兩類：平行式鼠標和垂直式鼠標。其中平行式鼠標更常見，它的設計更加符合大多數人的使用習慣，能適配不同手型尺寸的用戶。因此，本研究選擇平行式無線鼠標作為設計研究對象。

為保證研究的準確性與完整性，廣泛搜集市場上常見、用戶常用的平行式鼠標樣本。搜集過程中，重點關注其形態特征，收集已量產的平行式鼠標樣本，建立全面的樣本庫。經過多渠道大范圍的樣本搜集后，共獲得鼠標樣本90 個。經處理和篩選后，形成鼠標形態參數化設計研究樣本30 個，如圖2 所示。

（二）基于關鍵點矩陣的手部關節角度獲取

本研究利用Leap Motion TM 測量人體三維手部姿勢數據[9]，如圖3a 所示，可以根據手部解剖結構將手掌轉換為由20 個關鍵點依次連接形成的20 條骨骼線所構成的骨架空間矩陣，在該矩陣中，每個關鍵點都由一個三維坐標表示，通過Leap Motion TM 可以實時捕捉到這些關鍵點的空間位置信息。

為減少測量過程中的其他因素干擾，確保測量結果的準確性，要求被試在實驗開始之前調整坐姿至雙肩自然放松，肩關節夾角在0°至45°范圍內，肘關節夾角為90°的姿勢端坐在桌前。

采用右手螺旋法則以關鍵點為原點建立三維空間坐標系，構建規則如圖3b 所示。由于部分手指間關節運動涉及3 個方向的自由度變化，因此，本研究將利用歐拉角法[10] 計算出各關鍵點所對應關節的關節角度。為了確保歐拉角旋轉角度與手指間關節活動角度數據的一致性，采用的旋轉順序為ZYX，在此當中，第一次旋轉結果是表示指間屈曲/ 伸展角度值（記作α），第二次旋轉結果是表示指間外展/ 內收角度值（記作β），第三次旋轉結果僅表示掌指間關節的軸向旋轉角度值（記作γ）。采用旋轉矩陣完成歐拉角的計算，通過下式可將相連的兩個指間關節坐標系轉化成旋轉矩陣表示的坐標系：

式中FNRZ'Y'X'表示兩個相鄰坐標系N（在坐標系G1 近端）和F（在坐標系G1 遠端）按照ZYX 順序旋轉時，所對應的3 個角度值α、β、γ。單個旋轉角度值可表示為：

式中XF，YF，ZF和XN，YN.ZN分別代表兩相鄰坐標系所對應XYZ 軸的單位向量。觀察鼠標握持操作姿勢可以發現，其在操作過程中，手掌各指間關節的內旋/ 外展角和軸向旋轉角度值無明顯變化，進而，本研究采用各指間關節的屈曲/ 伸展角度值做進一步研究。

（三）被試的選擇和數據處理

選取平均年齡在25 歲，無任何手部疾病且手指各關節運動正常、經常使用鼠標的男性與女性用戶各10 名作為被試。依次握持鼠標樣本并保持靜止狀態3 ～ 5s，以便于記錄手部各關鍵點空間位置的變化情況。同時邀請被試對每個樣本進行主觀舒適性打分。采集數據后，使用截止頻率為3Hz 的二階巴特沃斯濾波器對關鍵點坐標進行低通濾波。

提取濾波后單個樣本數據的中間100 條數據均值作為手部關鍵點位置測量坐標。并根據上述歐拉角計算公式計算得出14 個手指關節的角度變化情況，如圖4 所示。

三、基于三維姿勢數據的鼠標舒適性評價

（一）手指權重值判斷

手指的運動具有耦合性，雖然手指活動中存在著許多運動自由度，但是由于機械和神經的耦合，并不是所有的關節運動都是獨立的，這個現象被稱為運動學協調性[11]。單根手指在運動過程中具有連貫性，在實際操作時可以將單個手指看作成一個整體賦予權重值后綜合判斷手部的整體舒適度。本研究利用層次分析法來判斷手指關節的權重值。

邀請10 名年齡在20-35 歲之間、無明顯骨骼疾病且手指各關節運動正常的健康用戶，對握持鼠標過程中各手部關節的相對重要程度打分，并以此建立用戶評價矩陣，計算出拇指、食指、中指、無名指以及小指關節的權重。按照1-9 標度量化每個要素的相對重要度，通過評價矩陣的最大特征值計算一致性指標。其中，根據RI 表查到對應的RI 值為1.11，采用和積法計算評價矩陣特征向量值ωi{ 拇指，食指，中指，無名指，小指}，針對手指關節層次分析結果如表1 所示。

層次分析法的計算結果顯示，各判斷矩陣中CR=CI/RI ≤ 0.1，證明上述用戶評價矩陣通過一致性檢驗，特征向量ωi 為該層次權重。取通過一致性檢驗的評價矩陣層次權重均值，確定各手指的權重向量為ω{ 拇指，食指，中指，無名指，小指}={0.080，0.406，0.384，0.083，0.047}。

（二）舒適度評價模型

人體手部關節有其特定的活動范圍，超出這個范圍就可能導致不適和損傷。在使用鼠標的過程中，手部的最佳操作姿勢應與休息狀態下的手部姿勢（在自然放松狀態下，不用任何力量時，手的肌群處于相對平衡狀態下）保持一致，即呈現自然彎曲的狀態。因此，如果鼠標形態設計能夠保證在操作過程中手部各關節角度與自然放松狀態時的角度相同，那么就可以認為該鼠標具有良好的舒適性。根據鼠標使用姿勢，在本研究中選擇在前臂內旋狀態下，肩關節夾角在0° -45°時，人體手掌處于自然狀態下各關節屈曲角度作為舒適度區間[12]，具體數值見表2。

本研究采用模糊評價的方法來綜合評價握持鼠標時手指各關節的舒適度[13]，基于關節角度的手指舒適度模糊評價模型如下：

式中，μ（θn ）是表示的是第n 個手指的舒適度評估值，其范圍為[0，1]，θn 表示的是手指的關節角度值，θan和θdn分別是手指關節主動活動角度的上限和下限值。由表2 中的手指關節主動活動總區間的最大值和最小值確定，θbn和θcn分別是手指關節舒適活動角度的上限和下限值，由表2 中的舒適手指關節活動總區間的最小和最大值確定。當評估值為1 時，其手部關節角度處于舒適的角度區間；當評估值越接近1 時，各關節的相對舒適度越高。

基于關節角度的手部舒適度評價模型如下：

式中，ωμ（θn ）表示第n 個手指的權重值，Yg 表示第g 個樣本對應的手部舒適度評價值。根據上式，可以計算得出鼠標樣本庫中各樣本的舒適度評價變化趨勢，如圖5 所示。

（三）討論

通過基于三維人體姿勢估計的鼠標舒適度評價方法所獲得鼠標舒適度評價值與主觀舒適性評價值的變化趨勢基本一致，驗證了基于手部關節角度評價手部舒適度的可行性。

根據鼠標的舒適度評價分析出了影響鼠標舒適性的形態設計特征，具體表現為以下兩個方面：

1. 形態的不完全對稱性

鼠標的形態可以分為兩種類型：對稱型和不完全對稱型；對稱型的鼠標形態較為規整，通過用戶對其的舒適度評價趨勢可以發現，當其整體尺寸越小、背部隆起高度越低時，用戶對其的舒適性評價越低，這是由于此類形態的鼠標在使用時往往無法提供足夠的手部支撐，甚至需要用戶采用扭曲的手部姿勢來操作，長時間這樣使用鼠標會造成手部關節和肌肉的不適感，也會增加手部尺神經受壓或受損的風險，導致尺神經病變。

同時，通過綜合對比兩種類型鼠標形態的用戶舒適性評價也可以發現：用戶對某些不完全對稱的鼠標樣本舒適性評價較高。高舒適度的形態不對稱性主要有兩個方面的特征：1. 右鍵相對于左鍵稍向前伸出，這樣設計有利于用戶手指的自然伸展，減輕長時間使用帶來的手部不適感，并提高按鍵的識別和操作效率；2. 在具有較高舒適性的不完全對稱形態中，鼠標弓部隆起位置向右側伸出，這使得鼠標形態更貼近手部解剖結構，對手掌有支撐作用，降低了手掌長時間懸空所帶來的肌肉壓迫和疲勞感。

2. 形態與握持姿勢的匹配性

不同的鼠標形態對應著不同的握持姿勢，鼠標的握持姿勢可概括為3 種：抓握、捏握和趴握。抓握適用于多種鼠標形態，使用時手掌根部常抵住鼠標尾部，手心懸空，手指彎曲與鼠標左右鍵呈半垂直狀態；捏握則是由拇指和無名指捏住鼠標，手部與鼠標的受力點主要來自3 根手指；趴握時，整個手掌平放在鼠標上，手心不懸空，手指自然伸展。

根據實驗結果，可從造型特征和尺寸大小這兩個方面來分析不同握持姿勢所對應的高舒適度鼠標形態設計要求，如表3 所示。

（四）面向用戶舒適性需求的鼠標形態設計

為充分運用實驗結果，在上文的基礎上開展了相關設計實踐，探究面向用戶舒適性需求的鼠標形態設計流程。

1. 高舒適性鼠標的設計要點分析

由上文可知，在鼠標形態設計過程中用戶生理舒適性需求的滿足，就是要確保鼠標在使用過程中不會對用戶的身體造成危害。要求鼠標形態設計要盡可能保證其在握持時手指以及手掌處于自然伸展狀態，要充分考慮鼠標弓部隆起的曲度和形態外伸方向能對手掌產生良好的支撐作用，也要避免握持時各指間關節所對應的形態位置有明顯的凹凸感，減少對手部肌肉的壓迫。

此外，在鼠標的形態設計過程，各操作功能面的尺寸對于鼠標功能的實現和操作舒適度也會產生影響，因此在鼠標形態設計過程中還需要建立尺寸約束以確保所生成的鼠標形態能夠符合操作功能實現和人體手部舒適性要求。

平行式鼠標的常規操作方式如圖6 所示，其左鍵的點擊和滑輪的滾動常采用食指操作；右鍵的點擊操作常通過中指進行，鼠標的移動操作是通過拇指、無名指以及小指配合進行。因此，鼠標形態設計要求用戶的食指和中指在握持鼠標不要超過左鍵和右鍵的最邊緣，鼠標的整體長度不要超過手掌長度，鼠標的整體寬度也不要超過手掌寬度，其尺寸設計要匹配大多數用戶群體的手部尺寸。

2. 鼠標握持姿勢的模擬

本文通過鼠標握持姿勢的模擬，直觀展示手部姿勢，使得所設計的鼠標形態能夠滿足用戶舒適性需求的設計特征和手部尺寸約束。

鼠標使用過程中，人體小臂平行于桌面，可看作小臂與鼠標底面位于同一平面，將其掌骨末端即腕關節看作手部與桌面的交點，以此為基礎建立鼠標握持姿勢模型，本研究以國家標準的第95 百分位的男性手部骨骼尺寸和手部自然放松時各指間關節角度為數據參考，利用Rhino3D 建模軟件完成鼠標握持姿勢的模擬，如圖7a 所示。

3. 鼠標形態設計方案

本研究選擇的主要使用場景為長時間辦公場景，選取了趴握姿勢為主要握持姿勢，根據上文所提的趴握姿勢形態設計特征完成鼠標形態的設計。設計過程見圖7b，最終設計效果如圖8 所示。

4. 設計驗證

為了驗證設計實踐是否滿足用戶舒適性需求，本研究利用3D 打印制造出方案原型后，利用上文中所構建的手部舒適度評價模型完成設計方案的舒適度評價。同時為充分驗證舒適度評價的準確性，邀請用戶進行主觀舒適性評價，其評價結果見圖9。從評價結果來看，設計方案中用戶的主客觀舒適性評價基本一致且處于較高水平，表明設計方案能滿足用戶的舒適性需求。

結論

運用三維人體姿勢估計技術可以獲取手部姿勢數據，提出了鼠標舒適性評價模型，基于手部關節角度對鼠標舒適性進行評價。通過深入理解不同鼠標形態和手部握持姿勢對鼠標舒適性的影響，設計師可以有針對性地改進鼠標的形態、尺寸、按鍵布局等形態特征，以提升用戶體驗和舒適性。本研究所探討的鼠標舒適性評價流程也為手握式工具的舒適性設計以及上肢舒適性評價提供了理論參考和實踐指導，有助于推動產品人機界面設計的發展，不斷提高用戶的工作效率和生活質量。

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