一种面向目标体压分布的接触型面设计方法技术

本发明专利技术公开了一种面向目标体压分布的接触型面设计方法，属于工业设计技术领域，包括建立人体生物力学有限元模型；体表施加目标体压分布；提取变形后体表；确定接触面材料力学特性；确定接触面材料力学特性；添加变形补偿量并拟合表面。本发明专利技术的接触型面设计方法能够在接触材料已知的前提下所设计出的型面基本直接实现面向目标人群的目标体压分布，从而避免了有目标接触体压分布需求的接触型面设计的盲目性，也尽可能减少该类接触型面设计过程中的设计迭代次数，从而实现设计过程的方便快捷以及节约设计开发时间与成本的目的。捷以及节约设计开发时间与成本的目的。捷以及节约设计开发时间与成本的目的。

【技术实现步骤摘要】
一种面向目标体压分布的接触型面设计方法


[0001]本专利技术属于工业设计
，具体涉及一种面向目标体压分布的接触型面设计方法。

技术介绍

[0002]人机接触表面是人机交互的重要组成部分，它通过接触压强来传递力从而实现各种功能，例如支撑、缓冲、操纵、识别等。大小、分布、变化梯度等接触压强的客观属性直接对人体产生作用，进而影响舒适性等主观感受。
[0003]压强对人体的直接作用表现为将力传递到体表以及内部的人体组织，包括皮下组织、血管、神经、以及肌肉、肌腱、韧带等，并在体表产生接触力，在内部引起组织应力。当作用于人体的压强分布不合理时，过大的压力和剪力会阻碍人体组织供氧，长时间的这种不良作用将导致人体组织长期缺氧进而导致压力损伤。典型的例子就是长期坐轮椅的患者和长期卧床患者的压疮，都是体表长期局部过高的压强影响了该部位的血液循环，导致组织溃疡坏死的结果。若能将不理想的接触体压降至一定的安全水平，可大幅减少压力损伤的发生。
[0004]传递至体表和内部人体组织的接触压强被神经感知，进而在脑中形成主观感受。压强对主观感受的影响主要体现在舒适性上，这在人与座椅之间尤为明显。在常用的坐姿舒适度性客观评价方法(包括姿势分析、体压测量、肌电图)中，体压与主观评分的关联最为显著。在体压参数中平均压力、峰值压力、压力分布都影响主观舒适感受，其中体压分布与主观评价的相关性最为显著。体压分布对舒适性的影响不仅体现在类似人椅界面的大面积接触中，在小面积接触如手与操纵操纵手柄，接触压力甚至比关节角度更与主观舒适性相关，尤其在特定区域如指尖上、靠近食指的手掌远端、靠近桡骨的手掌近端等，压力的影响更为显著。不良的接触压力导致的手部不适，还会进一步造成上肢疲劳及握力的降低，最终影响操纵工效。除此之外，接触体压对主观感受的影响还体现在形成触觉感受影响产品的风格与情绪体验。综上所述，过大的接触压力会导致不适感甚至压力损伤，过小的压力会导致支撑不足也会造成不适感甚至功能失效，接触压力对产品功能的实现及使用者的体验有着很大影响，因此大小合理的压强及其分布至关重要。
[0005]接触体压受负荷和接触面积的直接影响，因此在一定的负荷下，接触表面的性质对压强的产生起到了关键的作用。有的接触表面是刚性的，通过设计一定的接触轮廓来与人体匹配，在工作负载下接触表面几乎不发生变形，典型例子的就是操纵手柄；而更多的接触表面是柔性的，利用泡沫或气室等材料和结构使接触表面在工作负载发生变形，例如多数座椅表面、轮椅座面、床垫表面等。柔性表面随负荷发生变形，在回弹作用下贴合人体并改变了接触面积，从而重新分布并缓解了体压，因此需要考虑柔性材料或结构的自身性质如泡沫的刚性、厚度、粘弹性等。综合上述影响因素，如果考虑了材料特性的接触轮廓设计合理，理论上就可以得到理想的接触面积，从而获得目标体压数值和分布。
[0006]为了获得优良的接触体验和良好的体压数值及分布，现有许多不同的产品。主动
控制减压垫是一个典型的例子，它的垫子上包含许多小空气控制单元，通过传感器感知垫子上的体压分布并实时与目标体压相比对，比对后反馈控制空气控制单元的空气量来改变接触面积，从而使实际体压趋近于目标体压。这种方法虽然十分有效，但是需要额外的设备及能量输入且成本较高，对于布置空间有限、需要长距离移动以及简单的低成本产品来说难以使用，然而它们却包括了大部分的人机接触界面。针对这些产品也有许多设计方法，例如各类座椅的材料、结构、轮廓、尺寸、倾角等都能改变体压分布进而影响舒适性；自行车鞍座的厚度、尺寸、倾角、开槽设计等能有效控制体压分布、提高骑行稳定性，并减轻骑行中由于体压造成的健康危害。除此之外还有许多相关的测试与评价方法，用来对已有的产品进行体压与舒适性验证，例如可以将体压进行分区测量，通过将各分区体压的峰值、均值、梯度和分布比例等数据与理想体压进行比对，得到设计的合理性评价。此外还开发了很多的设计指导，例如座椅
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人体接触面上的推荐体压范围及其分布、操纵杆手柄的推荐形状等，都是用来指导接触轮廓设计的，用以改善压力数值和分布以及使用者的主观舒适性。
[0007]现有的设计方法给出了具体某类产品特征与体压及舒适性之间的相关性，或分析出了一定的定性影响趋势，但是都没有直接的设计尺寸指导。一方面这种方法只适用于现有的经过深入研究的产品，且只能通过已清楚影响规律的产品特征进行设计，例如汽车座椅的坐垫角度和背部支撑、轮椅坐垫的厚度、自行车鞍座的宽度和厚度等；另一方面利用这些设计方法通常是前期定性分析接触表面的大致轮廓后制造样件，再利用体压分布测试检验，根据检验结果进行尝试修改后再次试制与检测，重复这个过程直至能够满足目标体压分布需求。这样的方法难以对新出现的产品、工具或操纵手柄的接触轮廓给予设计指导；也难以保证所设计的方案满足良好的压强分布要求，且存在很大的盲目性，避免不了多轮的设计迭代和优化，需要付出相当大的开发时间与开发成本。

技术实现思路

[0008]针对现有技术中存在的上述缺陷，本专利技术提供了一种面向目标体压分布的接触型面设计方法，能够在接触材料已知的前提下所设计出的型面基本直接实现面向目标人群的目标体压分布，从而避免了有目标接触体压分布需求的接触型面设计的盲目性，也尽可能减少该类接触型面设计过程中的设计迭代次数，从而实现设计过程的方便快捷以及节约设计开发时间与成本的目的，并且同时能够很好的满足目标体压分布的要求。此外还能广泛适用于各种产品和形式的接触表面，从体压分布与接触轮廓之间的物理关系出发，而不局限于特定的产品特征或接触面属性，使得设计方法更具有普适性。
[0009]本专利技术通过如下技术方案实现：
[0010]一种面向目标体压分布的接触型面设计方法，具体包括如下步骤：
[0011]步骤一：建立人体生物力学有限元模型；
[0012]步骤二：体表施加目标体压分布；
[0013]步骤三：提取变形后体表；
[0014]步骤四：确定接触面材料力学特性；
[0015]步骤五：确定变形后最小厚度及变形补偿量；
[0016]步骤六：添加变形补偿量并拟合表面。
[0017]进一步地，步骤一所述的建立人体生物力学有限元模型，具体包括如下内容：
[0018]根据所要设计的接触轮廓，建立其目标人群的人体生物力学有限元模型，所述接触轮廓包括骨骼、肌肉、脂肪、软组织或皮肤，所述人体生物力学有限元模型为整个人体或与接触轮廓相接触的部分人体。
[0019]进一步地，步骤二所述的体表施加目标体压分布，具体包括如下内容：
[0020]根据设计需要确定目标体压分布模式，将目标体压分布以等体压曲线的方式施加至步骤一中建立好的人体生物力学有限元模型人体表面，将人体表面划分为施加不同目标体压区间的区域。
[0021]进一步地，所述目标体压分布模式的确定应满足体压在接触轮廓上的积分与产生接触体压的外部载荷相等。
[0022]进一步地，步骤三所述的提取变形后体表，具体包括如下内容：
[002本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种面向目标体压分布的接触型面设计方法，其特征在于，具体包括如下步骤：步骤一：建立人体生物力学有限元模型；步骤二：体表施加目标体压分布；步骤三：提取变形后体表；步骤四：确定接触面材料力学特性；步骤五：确定变形后最小厚度及变形补偿量；步骤六：添加变形补偿量并拟合表面。2.如权利要求1所述的一种面向目标体压分布的接触型面设计方法，其特征在于，步骤一所述的建立人体生物力学有限元模型，具体包括如下内容：根据所要设计的接触轮廓，建立其目标人群的人体生物力学有限元模型，所述接触轮廓包括骨骼、肌肉、脂肪、软组织或皮肤，所述人体生物力学有限元模型为整个人体或与接触轮廓相接触的部分人体。3.如权利要求1所述的一种面向目标体压分布的接触型面设计方法，其特征在于，步骤二所述的体表施加目标体压分布，具体包括如下内容：根据设计需要确定目标体压分布模式，将目标体压分布以等体压曲线的方式施加至步骤一中建立好的人体生物力学有限元模型人体表面，将人体表面划分为施加不同目标体压区间的区域。4.如权利要求3所述的一种面向目标体压分布的接触型面设计方法，其特征在于，所述目标体压分布模式的确定应满足体压在接触轮廓上的积分与产生接触体压的外部载荷相等。5.如权利要求1所述的一种面向目标体压分布的接触型面设计方法，其特征在于，步骤三所述的提取变形后体表，具体包括如下内容：将步骤二中施加完目标体压分布的人体生物力学有限元模型提交仿真计算，计算完成后提取设计接触区域处变形后体表；若接触表面为刚性的，则提取得到的变形后体表即为设计完成的刚性接触型面；若接触表面为柔性的，则保留变形后体表上的等体压曲线并继续进行步骤四。6.如权利要求1所述的一种面向目标体压分布的接触型面设计方法，其特征在于，步骤四所述的确定接触面...

【专利技术属性】
技术研发人员：任金东，张天明，戚诗敏，潘博宇，杜若愚，郭思媛，刘欣，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：