Based on Upper Extremity Comfort ROM of Ergonomic
Methods for Household Products Design

Fan Yang¹, Qianxiang Zhou¹, Aiping Yang²,
Huimin Hu³, Xin Zhang³, and Zhongqi Liu¹

1. School of Biological Science and Medical Engineering, Beihang University.
   Beijing 100029, China,

(bu.aa_yangfan, zqxg, 1 iuzhongqi} @buaa. edu. cn

1. School of Electronics and Mechanics, Beijing Union University, Beijing 100020, China
   2894423970qq.com
2. Ergonomics laboratory, China National Institute of Standardization, Beijing 100088, China
   (huhm,zhangx}@cnis.gov.cn

Abstract. The structure of product demands a higher level of user performance and involves risk that may possibly negatively impact the users safety and health. For this reason, the evaluation or design of new products requires extensive knowledge of human interaction, including the operation and comfort of motion. This paper presents a technique for assessment of the upper extremity comfortable ROM. Be method is based on new experimental data from perceived discomfort of subjects, and uses digital human modeling (DHM) systems to verify the perceived discomfort rank. 55 participants participated in this experiment. They were required to extract and insert pegs from different panels. We get the comfort ROM of subjects according to subjective comfortable ratings and use digital DHM systems to verify the perceived discomfort rank. In this paper, comfortable motion range of the 50th percentile was shown only. Using DHM systems, we can supply upper limb comfortable motion range of different percentile Chinese people for household products ergonomics design.

Keywords: Comfort ROM, DHM, Product design, Ergonomics.

1. Introduction

In order to design household products, we generally need to consider the interaction between the various parts of the body and the product. Activity of joints of the human body is one of the most important factors [1]. We should consider the position of control components (e.g. panel and shelf) of products whether to fit the range of motion (ROM) of the human body. If within the range of motion, we also need to consider whether the joint angle of activity can make people feel uncomfortable.

Unfit and repetitive postures can increase the risk of musculoskeletal disorders. Therefore, the use of effective quantification of the magnitude for physical exposure to poor working postures is important and necessary, if the potential for injury as a result of postures is to be reduced [2]. Since development of the Posturegram, a technique for numerically defining a posture proposed by Priel (1974) [3], various postural classification methods have been developed to identify and quantify postural stress during work. More observation methods have been appliedto the postural classification schemes, such as OWAS (Karhuet al., 1977) [4]. RULA (McAtamney and Corlett, 1993) [5], and PATH (Buchholz et al., 1996) [6].

Although the above methods have proved useful for assessment of postural stresses, and contributed to preventing work-related musculoskeletal disorders, they have some disadvantages. First, many of the observational class由cation schemes are not based on experimental data. In addition, the evaluation criteria was not based on experimental results, but rather relied on the rankings provided by ergonomists and occupational physiotherapists using the biomechanical and muscle function criteria.

A lot of scholars began to made explorations in comfortable ROM by large sample of the experimental data. Genaidy and Karwowski [7] examined the effects of postural dadeviations on perceived joint discomfort ratings assessed under similar working conditions. On the basis of these preliminary findings, Genaidy [8] and Dohyung Kee [9] further developed a ranking system for the stress of non-neutral postures around the joints of the upper extremity. This was based on the ratings of perceived discomfort.

This paper presents a new technique for assessment of the upper extremity comfortable ROM. The method is based on new experimental data from perceived discomfort of subjects, and uses digital human modeling (DHM) systems to verify the perceived discomfort rank.

The DHM is used in ergonomic analyses such motion capture and simulation, performance measurement, reach-capability check, and visibility check. For example, in the product design, human factors such as positioning, comfort, visibility, reaching, grasping, ingress, and egi-ess can all be evaluated [10].

The important role of the DHM in the design process is in the prototype phase; expensive physical mockups are replaced by virtual prototypes, which can quickly simulate the use of different types of manikins with different percentiles, 5气 25^th, 50^th, 95^th, etc., male and female. We can change the manikins data (e.g., stature, weight, leg length, etc.) and buiid it from similar body dimensions of a real human being.

Meanwhile, digital human models simulating are becoming an effective tool for ergonomics analysis and design. Don B. Chaffin [11, 12] carried out human motion simulation for workplace design. Porter et al. (1998) [13] and Parkinson et al. (2006) [14] studied evaluation and design of driving comfort by DHM systems.

Based on the theory of human-computer interaction, the study of human-products compatibility was carried out. The main goal of the present study was to show human upper limb motion comfortable range and use DHM method for recommended range size of household products

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基于人体工程学的上肢舒适ROM家居用品设计方法

杨帆¹，周谦祥¹，杨爱萍²，

胡慧敏³，张欣³和刘中奇¹

1 北京航空航天大学生物科学与医学工程学院。

北京100029，中国，

(bu.aa_yangfan,zqxg,1iuzhongqi}@buaa.edu.cn

2 北京联合大学电子与机械学院，北京100020，中国

2894423970@qq.com

3 中国标准化研究院人体工学实验室，北京100088，中国

(huhm,zhangx}@cnis.gov.cn

摘要：产品的结构要求更高的用户性能，并涉及可能对用户的安全和健康产生负面影响的风险。因此，需要对新产品进行评估或设计有关人机交互的专业知识，包括动作的操作和舒适性。本文提出了一种评估上肢舒适型ROM的技术。该方法基于受试者所感知到的新实验数据，并利用数字人体建模(DHM)系统来验证感知到的不适感等级。55名参与者参与了这项研究。他们被要求从不同的嵌板中取出并插入钉子。根据受试者的主观舒适程度，我们得到了受试者的舒适ROM，并使用数字DHM系统来验证感知到的不适等级。本文仅给出了第50百分位的舒适运动范围。利用DHM系统，我们可以为家居产品人机工程学设计提供不同百分位中国人的上肢舒适运动范围。

关键词：舒适ROM, DHM，产品设计，人机工程学

1.介绍

为了设计家居产品，我们通常需要考虑身体各部分与产品之间的相互作用。人体关节活动是影响的重要因素之一[1]。我们应该考虑产品的控制部件(如面板和货架)的位置是否适合人体的运动范(ROM)。如果在运动范围内，我们还需要考虑关节的活动角度是否会让人感到不舒服。

不适当和重复的姿势会增加肌肉骨骼疾病的风险。因此，如果想要减少由于姿势而造成的潜在伤害，对不良工作姿势的物理暴露进行有效的量值量化是非常重要和必要的。姿势图(Posturegram)是一种由Priel(1974)[3]提出的数字定义姿势的技术，自其发展以来，各种姿势分类方法被开发出来，以识别和量化工作过程中的姿势压力。更多的观察方法被应用于姿势分类方案，例如OWAS (Karhuet 等， 1977)[4]。RULA (McAtamney和Corlett, 1993) [5]， PATH (Buchholz等，1996)[6]。

虽然上述方法已被证明对体位压力的评估是有用的，并有助于预防与工作有关的肌肉骨骼疾病，但它们也有一些缺点。首先，许多观测性分类方案并不是基于实验数据。此外，评估标准并不是基于实验结果，而是根据人体工程学和职业物理治疗师使用生物力学和肌肉功能标准提供的排名。

许多学者从大量的实验数据入手，对舒适ROM进行了探索。Genaidy和Karwowski[7]研究了在类似的工作条件下，姿势坐姿对关节不适感评分的影响。在这些初步发现的基础上，Genaidy[8]和Dohyung Kee[9]进一步建立了上肢关节周围非中性姿势的压力的分级系统。这是基于对感知到的不适的评级。

本文提出了一种新的评估上肢舒适ROM的方法。该方法基于受试者感知不适的新实验数据，并使用数字人体建模(DHM)系统来验证感知到的不适等级。

DHM用于人体工程学分析，如运动捕捉和仿真、性能测量、接触能力检查和可见性检查。例如，在产品设计中，可以评估诸如定位、舒适性、可视性、可达性、抓地性、可入性、易见性等人为因素 [10]。

DHM在设计过程中的重要作用是在原型阶段。 虚拟样机取代了以前的实体模型，可以很快模拟不同百分位数的不同类型的人体模型, 男性和女性分别为5岁、25岁、50岁、95岁等。我们可以改变人体模型的数据(例如，身高、体重、腿长等)，并根据真人相似的身体尺寸对其进行建模。

同时，数字人体模型仿真正成为人机工程学分析和设计的有效工具。Don B.Chaffin[11,12]对工作场所设计进行了人体运动仿真。Porter等(1998)[13]和Parkinson等(2006)[14]研究了DHM系统对驾驶舒适性的评价和设计。

以人机交互理论为基础，对人机产品兼容性进行了研究。本研究的主要目的是展示人体上肢运动舒适范围，并使用DHM方法对家庭用品结构推荐范围大小进行分析。

2.方法

2.1参与者

55名参与者(28名女性，27名男性)参与了这项实验。年龄范围21至70岁(42plusmn;17.1)。所有参与者都进行了身体活动，肘部，上臂，腕部肌肉或骨关节无疼痛或受限。其中六个人是左撇子。55名受试者中有12人参与了DHM研究。

2.2不同高度和距离的抓取任务

仪器.BTE- EvalTech评估系统(BTE, Hanove, Germany) 的功能性运动（FROM）钉板（图1），以100Hz的采样频率运行。

实验协议.如表1所示，受试者被要求从面板2中取出钉子，并将钉子插入面板3。试验设置了6个距离(基于臂长，AL)和7个高度(基于肩高，SH)。参与者重复操作1分钟，然后给出主观舒适感评分(9分制)。受试者在不同高度的操作过程如图2所示。

表1：六个距离和七个高度

图1. 钉板属性和钉

图2.受试者不同高度的操作过程

2.3上肢关节角度不同的抓取任务

仪器.运动捕捉系统(英国维康运动系统有限公司)记录了我们的动作数据。利用Jack 6.0 (Siemens PLM Software, Germany)的静态强度预测工具[15]对运行动作的满意度进行分析(图3)。

图3. JACK 6.0的静态强度预测工具

图4.测试高度

图5. 实验原理图

实验协议.要求受试者将瓶子(l-2kg)以不同的高度分别取放三次。试验高度根据上臂在水平面上的角度，以5°的间隔增加(图4)。实验原理图如图5所示。

3.结果

3.1上肢舒适的活动范围

通过对1分钟抓取任务后主观评分的统计分析，将9个主观评分分为3个等级，1-3分(易)，4-6分(中等)，7-9分(难)。

图6. P50男女上肢舒适活动范围

根据中国人口P50身高(中国国家标准化研究所的人体测量数据，2009年)和实验数据，我们得到了中国男性和女性上肢舒适运动范围的推荐值，如图6所示。

3.2DHM结果

结果显示，当参与者将瓶子放在小于L3高度放置时，他们会感到更加舒适。通过Jack 6.0人机工程学分析，当身高等于或大于L3时，主体关节和节段性运动满意度呈下降趋势，如图7所示。

图7.不同上肢关节角度抓取任务满意度曲线

4.讨论和结论

当前研究的目的是提供人体上肢舒适的运动范围，该范围可以指导家用产品结构(如面板、货架等)的人机交互设计。

在制造过程中，设计师和制造商可以根据中国男性和女性上肢可组合运动范围的推荐图形，找到参考数据库，设计师应该选择使用于家居产品。本文仅给出了第50个百分点的舒适运动范围。利用DHM系统，我们可以提供不同百分比的中国人的上肢舒适运动范围。

结果强烈表明，DHM是评估家用产品人机匹配的一种非常有效的方法。DHM还可以指导产品的人体工程学设计，以达到推荐的最高货架高度和极限高度。

致谢.本研究得到国家自然科学基金（A0920132003）、中国自然科学基金开放基金会（31170895），人因工程科学技术实验室、中国航天员研究训练中心（HF2013-K-06）、中国标准化研究院基础科学研究项目（522013Y-3055）的资金支持。

参考文献

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7. Genaldy,A.M.,Karwowski,W.:中立姿势偏差对坐姿和站姿关节不适感评分的影响。人体工程学36(7)，785-792 (1993)

8. Genaidy,A.，Barkawi,H.，Christensen,D。:上肢和脊柱关节周围的静态非中立姿势的排列。人体工程学38(9)，1851-1858 (1995)

9.Kee,D.,卡尔沃斯基,W。: LUBA:一种基于关节运动不适感和最大保持时间的上半身姿势负荷评估技术。应用人体工程学32⑷,357 - 366 (20 (H)

10.卡沃夫斯基，W.,苏亚雷斯，M.M,内维尔，A:斯坦顿:消费产品设计中的人因与工效学:方法与技术，325-326页。泰勒amp;弗朗西斯集团，博卡拉顿(2011)

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15.西门子.西门子,P.L.M.:软件: 杰克和过程模拟软件（2010）， http://www.plm。automat ion. siemens,com/ en_us / products，/ tecnomatix/assembly y_planning/jack/index.shtml

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