基于EEG的按摩位置影响穿戴式按摩仪舒适性的实验研究.pdf

项目基金:国家社会科学基金资助项目()作者简介:李博()男陕西榆林人工学博士副教授研究方向:人机工程与交互设计、传统文化创新应用(电话)(电子信箱).通讯作者:徐碧阳()女陕西咸阳人硕士研究生 研 究 方 向:人 机 工 程 与 交 互 设 计(电 话)(电子信箱).基于 的按摩位置影响穿戴式按摩仪舒适性的实验研究李博徐碧阳薛艳敏李举(西安理工大学 艺术与设计学院西安)【摘要】目的 为研究按摩位置及转速对穿戴式按摩仪舒适性效果的影响 方法采用 半干式电极脑电设备进行客观测试共测试 人其中实验变量为胃俞、气海俞、小肠俞 个不同的按摩穴位和低速(/)与高速(/)种不同转速分别组合后每人总计测试 组分析得出脑电 波型、波型功率百分比变化规律 结果 通过 同步数据交叉分析模块进行数据分析最终得出()在腰上部的胃俞较适合低转速按摩(/)位于腰中部和下部的气海俞和小肠俞较适合高转速按摩(/)()在 种不同转速下都为气海俞舒适性最高即按摩人体腰中部舒适性最高 结论可通过脑波生理信号来反应按摩后的舒适性从而进一步为设计开发穿戴式按摩仪时提供了科学依据按摩仪设计可以分不同位置和转速提供更加个性化设计【关键词】工业设计用户体验脑电()穿戴式按摩穴位按摩舒适性康复养护中图分类号:文献标识码:文章编号:():./.()【】.().().【】引言随着社会竞争的日趋激烈都市白领工作强度与工作时长持续增加无暇顾及个人健康问题多数处于亚健康状态 目前白领亚健康的七大类别症状中由久坐引起的腰背部胀痛占比接近 并呈上升趋势 按摩作为快速缓解人类工效学 年 月第 卷第 期 .疲劳的一种物理疗法可为白领快速缓解腰背部胀痛症状产生疗愈效果 世界上许多国家都有自己的按摩疗法体系 而机械按摩可以模仿推拿按摩放松肌肉从而缓解疲劳即可快速缓解白领在久坐中积累的疲劳问题 在办公结束后越来越多的都市白领有推拿按摩的需求但专业按摩师的数量目前无法满足逐步增多的按摩需求所以轻便快捷的穿戴式按摩产品拥有强大的市场该类产品体积小巧可由用户直接穿戴或绑缚于座椅等载体比传统按摩椅使用更为便捷 在穿戴式按摩设备设计开发中舒适性成为该类设备的主要评价指标具有良好舒适性的产品可以为用户带来更好的疗愈效果使办公结束后的白领身心充分放松 通过脑部生理信号采集获取脑部电位活动变化情况能更为科学地评价白领在使用可穿戴按摩仪时的生理和心理变化反映该类产品按摩效果的舒适性水平从而间接证明产品功能的有效性 对象与方法.实验设备.实验用装置本实验采用的是自主研发的智能穿戴式按摩仪该产品针对都市白领所设计 本产品主要有按摩装置和产品专属 组成在使用过程中通过蓝牙连接 可以实时操控按摩仪随时随地切换按摩模式、力度等 内含腰椎健康管理课程、资讯等 研究表明连续保持同一坐姿 需活动放松 以达到缓解疲劳恢复身心的效果 所以该按摩仪可检测用户保持同一坐姿的时长及时为用户提供按摩放松拟通过本次实验测试按摩仪舒适性验证按摩效果.实验用硬件本实验采用的是 脑电系统该硬件系统能够在脑电电极上通过少量水滴湿润的情况下执行高质量信号采集的技术实际数据质量比干电极脑电系统更精确 /系统是紧凑型便携式脑电系统可实时记录 个 通道湿度可持续长达 适合长时间数据连续采集 该硬件可匹配由津发科技研发的 人机环境测试云平台中 脑电同步采集分析模块实时同步测量身体生理参数(如 等).实验用软件本实验采用的是脑电分析软件 该软件具备强大的数据处理分析能力通过可穿戴脑电测量系统采集到与 分析相关的脑电信号进行离线处理和分析结合 人机环境测试云平台实现多模态数据同步分析 可对信号进行自由选择、放大、缩小便于浏览数据在整体呈现数据的基础上还可以根据片段、事件、场景 种分割方式进行数据呈现与分析可导出原始数据、处理后数据和分析后数据并可导出可视化分析报告.被试选取被试 名其中男性、女性各 名 被试主要生理参数为:年龄 岁身高分别在 之间体重在 之间所有被试均为经常伏案工作者 被试在实验进行前需要清洗头发减少头发油脂带来的阻抗佩戴电极帽时需用水浸湿海绵将电极放置头皮处以进一步降低阻抗 要求被试在实验中穿着舒适单薄保持心态放松享受该实验 所有被试对象均被提前告知实验可能引发的不适感.实验环境实验在学院实验室进行实验室环境极其安静、周围无人为和信号干扰 每次实验环境仅有被试和记录人员各 名环境温度由中央空调控制在 实验环境现场如图 所示图 实验环境现场.实验方法.测点安排选取不同按摩位置和按摩转速作为本次实验变量选取胃俞、气海俞、小肠俞 个不同的按摩穴位和低速与高速 种不同转速分别进行实验测试如表 所示 其中座椅靠背倾角为 满足人体背部接触椅背的舒适角度区间人类工效学 年 月第 卷第 期 .表 测点安排按摩位置测点(穴位)按摩头转速靠背倾角定位腰上部胃俞腰中部气海俞腰下部小肠俞低速(/)高速(/)第十二胸椎棘突下旁开.寸第三腰椎棘突下旁开.寸第一骶椎棘突下旁开.寸 通过对腰部穴位按摩可快速缓解疲劳本次实验选择腰部区域分布的 个垂直距离间隔较大的穴位进行按摩分别为胃俞、气海俞和小肠俞 胃俞主要治疗症状为胃脘痛、呕吐、腹胀、肠鸣等脾胃疾患和背痛 气海俞主要治疗症状为肠鸣腹胀、痛经和腰痛 小肠俞主要治疗症状为泌尿生殖系统疾、腹泻、痢疾和腰骶痛 按摩这 个穴位都可有效缓解腰部疲劳减轻腰部疼痛 被试通过以下方法确定实验所需按摩的三个穴位:胃俞:先确定被试肚脐水平线与脊柱相交椎体处水平位置垂直向上推 个椎体(第十二胸椎)其上缘旁开左右各 横指(.寸/)处即是气海俞:确定被试肚脐水平线与脊柱相交椎体处往下推 个椎体(第三腰椎)其下缘旁开左右各 横指(.寸/)处即是小肠俞:确定被试两侧髂嵴连线与脊柱交点往下推 个椎体(第一骶椎)旁开左右各 横指(.寸/)处即是.测试过程()宣读实验须知向被试者告知实验流程、实验时长和可能存在风险被试同意后即开始实验前期测试阶段()实验硬件调试 将 半干式电极脑电设备按照顺序先进行电极连接在电极处安装海绵片海绵片需保持潮湿状态一旦完成实验水滴会蒸发掉完成各项安装佩戴后开始等待实验开始脑电仪之后开始采集脑电()实验装置调试 根据不同被试的身体参数调整实验装置至测点所在区域将实验所用座椅的坐垫与背靠角度调整至实验设置的对应位置一旦高度和背靠角度确定被试的坐姿就应尽量保持保证对所有实验测点的评价标准一致 被试带好电极帽后背靠按摩仪平复情绪闭眼静待按摩开始()测试正式开始 按照预设的按摩测试顺序确定首个测点位置不开机静坐 平复情绪后开始静坐 并测量其脑电信号在第一组按摩模式下按摩 并测量其脑电信号 后停止按摩再静坐 测量其按摩后脑电信号 固定位置和转速下每个测点实验时长为 每两组实验后切换至下一测点位置调整时间为 每位被试均需完成 组测试 组测试顺序如表 所示每位被试总实验时长为 按摩测试过程如图 所示表 按摩测试顺序顺序按摩位置转速按摩时长()第一组胃俞低速第二组胃俞高速第三组气海俞低速第四组气海俞高速第五组小肠俞低速第六组小肠俞高速前期静坐 2?min闭眼静息 5?min第一组按摩 5?min后期静坐 2?min前期静坐 2?min第二组按摩 5?min后期静坐 2?min前期静坐 2?min前期静坐 2?min第三组按摩 5?min第四组按摩 5?min后期静坐 2?min后期静坐 2?min后期静坐 2?min第五组按摩 5?min第六组按摩 5?min前期静坐 2?min前期静坐 2?min调整位置 1?min调整位置 1?min后期静坐 2?min图 按摩测试过程()实验测试完毕 实验结束后脑电记录会自动终止及时查看每次实验收集的脑电信号是否正常无误及时保存每位被试数据 拆除被试电极帽关闭电源结束实验 结果.评价指标脑电波()是直接反应大脑活动状态的重要生物信息是大脑内部大量椎体神经元电位变化的综合反映依据国际脑波学会()和 软件对常见脑电波的分类方法按照频率将脑电波分为、和 波如图 所示 研究表明 波型增多时大脑处于放松状态身体深沉放松表示人的精神压力得到舒缓 波型增多表明神经细胞兴奋度增人类工效学 年 月第 卷第 期 .加 在人脑中 的神经元细胞分布于大脑皮层大脑皮层主要划分为额叶、顶叶、枕叶和颞叶 个脑叶区域 各个脑区承担着不同的任务其中大脑顶叶区域主要反应躯体感受因此本实验选取顶叶区域观察脑电波变化分析 波、波的波形变化趋势图 脑电频率分布图波段频率/幅值/特征属性 波.慢波一般出现在成年人的前额和儿童后脑部在儿童或者成年人在安静、昏睡、疲劳等状态下容易观测到慢波 波 多出现在与手部功能无关的脑部区域在人由放松转向睡眠的状态中容易检测到中低幅慢波 波 一般出现在脑后部在安静、清醒、放松和闭目休息的状态中容易检测到低幅同步波 波 在大脑两边对称布前额较为明显常出现于积极思考专高频、低幅且注焦虑、紧张和激动的状态中不同步的快波 波 波且占比大在气海俞位置低转速按摩比高转速产生的 波、波占比小可以得出按摩气海俞穴位后高转速按摩较为舒适大脑产生 波 波且 低转速时占比在小肠俞位置低转速按摩比高转速产生的 波占比大而 波占比略微上升基本持平可以得出按摩小肠俞穴位后高转速按摩较为舒适转换转速后 波占比有明显下降综上可得胃俞较适合低转速按摩气海俞和小肠俞较适合高转速按摩接下来提取每名被试的 组按摩后 波、波数据按照低速和高速两种转速分类进行分析比较 绘制相应转速下 波、波的功率百分比的对比情况如图、所示图 低速时不同位置的波形百分比图 高速时不同位置的波形百分比在低转速按摩胃俞和气海俞后 波功率占比 波而按摩小肠俞后则 波功率占比 波 在高转速按摩胃俞后 波功率占比微 波占比显著增加差异值为.按摩小肠俞后 波功率占比微弱 波 波功率占比仅 波.综上可得相同低转速按摩胃俞和气海俞后被试舒适感优于按摩小肠俞后的感受相同高转速按摩后被试按摩气海俞的舒适感优于小肠俞小肠俞优于胃俞 在两种不同转速下都为气海俞舒适感最佳即按摩气海俞舒适性最高 讨论通过脑电信号反映用户对产品的体验感从而间接证明产品设计的舒适性效果分析脑部电位活动也是科学地评价用户在使用全过程的生理和心理变化 石晶玉以不同触感的织物与服装作为刺激材料获取了脑电信号数据 通过对织物与服装触感所引起的脑电变化的数据处理与分析探索了脑电变化规律与人的情绪状态之间的关系 本文的实验设计也采用不同变量进行刺激改变不同位置和转速对被试进行按摩收集脑电信号对脑电波进行分析 陈浩淼等应用脑电技术测试了揉捏式按摩椅按摩的舒适性 通过主观测定和客观脑电测试证明按摩时研究指出“被试的 波能量变小 波能量变大 波能量降低表明神经细胞兴奋度降低 波能量增大表明大脑与身体均处于放松状态因此 波和 波可以反映按摩椅按摩的舒适性”本文也通过脑电收集 名被试按摩 组结束后的 组数据通过分析 波、波的功率百分比判断按摩后的舒适性得出按摩位置舒适性排序为该穿戴式按摩仪的按摩舒适性做出初步分析本实验的原始数据为自己设计实验所得是真实、有效的数据 本次实验为设计开发穿戴式按摩仪时提供了科学依据实验结果表明按摩可以根据不同部位来调整不同转速为穿戴式按摩设备可以提供多功能以及个性化设计 本次实验不足之处在于被试者仅 名之后应增大实验样本量采用更多数据分析方法从各个方面更加全面测试评价按摩的舒适性 实验结果表明脑电实验可以应用于舒适性评价但脑电实验条件对环境和被试要求较高数据记录中可能会出现干扰噪音、眼动等干扰波因而在实验中要避免信号干扰以及操作中的干扰和误差以免影响实验的准确性 结论本文结合穿戴式按摩仪对不同按摩位置和人类工效学 年 月第 卷第 期 .转速进行了舒适性测试研究发现:()在腰上部的胃俞较适合低转速按摩(/)在腰中部和下部的气海俞和小肠俞较适合高转速按摩(/)()在 种不同转速下都为气海俞舒适性最高即按摩人体腰中部舒适性最高()通过 信号的各项指标计算分析按摩过后的舒适性为实现舒适性的监测与穿戴式按摩仪的开发设计提供了技术支撑参考文献 陈馨亮陈晓亮朱婷.杭州市企业白领人群亚健康状况及影响因素分析.预防医学():.马雪.对广州市白领亚健康人群开展健康管理的效果研究.广州:华南理工大学.杨善岚杨紫飞刘斌等.中青年白领健康问题现状分析及其对策.中国疗养医学():.:.():.宋杰申黎明侯建军.腰背部椅式按摩效果的性别差异.南京林业大学学报(自然科学版)():.杨钟亮孙守迁陈育苗.基于 的按摩椅绩效人机评价模型实验研究.中国机械工程():.:():.于娜张畅.面向个性化需求的背部按摩装置设计.机械设计():.祝荣欣.基于生理信号的驾驶疲劳检测研究综述.人类工效学():.秋日.久坐之后这样做.老友():.邵婷婷申黎明.基于脑电()的椅式按摩位置对按摩舒适性影响的研究.安徽农业大学学报():.沈凯淋.坐式电动按摩椅研究.杭州:中国计量学院.苏胜.基于舒适度的休息性座椅相关角度分析.包装工程():.王华杜元灏.针灸学.北京:中国中医药出版社出版.刘清国.经络腧穴学.北京:中国中医药出版社.彭坚王雪鹏赵丹华等.单兵智能头盔在消防救援中的探索与应用.包装工程():.徐艳君.基于不同类型音乐影响的脑电研究.南京:南京邮电大学.陈国田曹起龙.简明神经电生理诊断学北京:科学技术文献出版社.蔡船邓丽陈波等.脑电技术在工业设计中的应用.机械设计与制造工程():.郑永平项新建肖金辉.电动按摩椅按摩模式对舒适度影响的试验研究.浙江科技学院学报():.石晶玉.基于脑电信号的织物触感与主观情绪的相关性研究.西安:西安工程大学.陈浩淼申黎明宋杰等.按摩模式对揉捏式按摩椅按摩舒适性的影响.人类工效学():.收稿日期 修回日期 作 者 须 知作者向本刊所投稿件一经本刊录用则该论文的复制权、发行权、信息网络传播权、翻译权、汇编权等权利视为自动转让给本刊 本刊为国内各主要数据库收录刊本刊所发表的稿件将同时通过因特网进行网络出版或提供信息服务本刊一次性支付作者著作权使用费(包括印刷费、光盘版和网络版等各种使用方式的费用)如有异议请来稿时声明本刊将做适当处理人类工效学 年 月第 卷第 期 .