個人化人體測計學資料建立與準確性之評估 個人化人體測計學資料建立與準確性之評估 個人化人體測計學資料建立與準確性之評估 個人化人體測計學資料建立與準確性之評估

本研究方法首先對一位 23 歲健康男性做人體測計學資料之實驗，經 20 次不同靜態 姿勢動作和屈膝下彎動作的量測，如圖 6-4~6-9 所示。其中靜態動作選取 12 種姿勢作為 人體數學模型之個人化資料，並求出人體各肢段之質量、質心位置與轉動慣量，而靜態 動作另八種姿勢及屈膝下彎動作做為個人靜、動態測計學資料之準確性評估。本實驗經 最佳化方法在合理範圍內收斂，並與 Cheng[35]等人及 Dempster[37]人體測計學資料文 獻值代入本研究中之人體數學模型做比較。在靜態準確性之評估方面，計算全身質心位 置(COM)，並比較 COM 垂直測力板投影點與測力板測得壓力中心(COP)之差異；在動 態準確性之評估方面，比較計算人體對測力板作用點及施力與測力板量測的壓力中心及 垂直方向力量之差異。

圖 6-4 受試者肩關節屈曲 30 度 圖 6-5 受試者肩關節外展 90 度

圖 6-6 髖關節外展 30 度 圖 6-7 髖關節伸展 30 度

圖 6-8 髖關節屈曲 30 度 圖 6-9 肩關節屈曲 90 度

經實驗及最佳化方法求出個人化人體各肢段之最佳化密度(^di, i = 1 to 16)如表 6-2 所示，軀幹形心位置向後移動 0.26cm(向前為正)、向下移動 6.96cm(向上為正)、及向右 移動 0.66(向右為正) 為質心位置(^d17、^d18、^d19)。

表 6-2 本研究方法個人化各肢段密度與文獻人體測計學之比較 本研究方法

身體肢段

左 右

Dempster

頭 1.0628 1.11

頸 1.0571 1.11

軀幹 0.9560 1.01

臀 1.0305 1.01

上臂 1.1157 1.0309 1.07 前臂 1.1186 1.0189 1.13 手 1.081 1.0366 1.16 大腿 1.1021 1.0256 1.05 小腿 1.1643 1.0276 1.09 足部 1.0866 1.0479 1.1

本研究方法在各靜態姿勢動作之人體質心位置之計算值與量測值，其平均誤差值為 2.59mm，標準差為 1.07mm，而 Cheng[35]等人平均誤差值為 13.19mm，標準差為 6.01mm，Dempster[37]平均誤差值為 15.25mm，標準差為 4.49mm，如表 6-3 所示。而 對靜態動作準確性評估時，本研究方法人體質心位置之計算值與量測值之平均誤差值為 3.25mm，標準差為 0.78mm，而 Cheng[35]等人平均誤差值為 15.27mm，標準差為 5.26mm，Dempster[37]之平均誤差值為 16.98mm，標準差為 4.81mm，如表 6-4 所示。

由於本研究方法是採人體靜態量測方式，所以依靜力學理論可知，人體質心位置在垂直 測力板投影點與測力板測得壓力中心之差異越小，其各肢段所得之質量、質量中心越準 確。所以，在本研究方法所得之質量、質量中心與文獻 Cheng[35]等人、Dempster[37]

所提供之質量、質量中心，而在 COM 與 COP 之平均誤差值及標準差之比較，可明顯看 出本研究方法所得之各肢段之質量、質量中心較為準確。

表 6-3 本研究方法與文獻人體測計學資料在個人化各種姿勢下其人體質心位置計算值 與量測值之誤差比較 單位：mm

靜態動作 (本研究方法) Cheng (2000) Dempster(1955) 雙腳站立雙手自然下垂 2.2 10.2 12.8

右肩關節屈曲 90° 2.6 9.6 12.4 左肩關節屈曲 90° 3.9 22.4 25.1 右膝關節屈曲 45° 1.4 17.9 17.3 左膝關節屈曲 45° 0.6 17.7 16.3

右肩關節外展 45° 3.7 11.9 14.2

左肩關節外展 45° 4.3 9.4 12.0 右肘關節屈曲 90° 1.7 18.1 20.4 左肘關節屈曲 90° 2.5 13.0 15.1

右髖關節外展 30° 3.6 19.3 18.6

左髖關節外展 30° 2.7 12.3 11.5 頭部彎曲 30° 1.9 6.5 7.4

平均誤差 2.59 13.19 15.25

標準差 1.07 6.01 4.49

表 6-4 個人化人體測計學靜態動作之準確性評估 單位：mm 靜態動作 (本研究方法) Cheng (2000) Dempster(1955) 軀幹屈曲 30° 4.2 14.8 17.2 右髖關節屈曲 45° 2.4 19.2 18.4 右髖關節伸展 30° 2.9 19.7 18.6 左髖關節屈曲 45° 1.8 18.5 17.8 右肩關節屈曲 45° 4.0 8.1 11.2 左肩關節屈曲 45° 3.7 22.9 27.4 右肩關節外展 90° 3.2 9.8 12.7 左肩關節外展 90° 3.8 9.2 12.6 平均誤差(mm) 3.25 15.27 16.98

標準差(mm) 0.78 5.26 4.81

本研究以屈膝下彎動作為動態動作準確性評估，計算出人體對測力板作用點及施力 與測力板量測的壓力中心及垂直方向力量之差異，其在動態動作準確性評估過程中人體 對測力板作用點計算值與量測值之誤差以均方根誤差值(root mean square error) 表示，而 人體對測力板在垂直方向施力其計算值與量測值之誤差以均方根誤差值/受測者重量 (%BW)表示，本研究再與 Cheng[35]等人、Dempster[37]人體測計學資料文獻值代入本研 究中之人體數學模型做比較，如圖 6-10、6-11 與表 6-5 所示。在動態動作準確性評估中 人體對測力板作用點計算值與量測值之誤差本研究方法為 8.8mm，而 Cheng[35]等人、

Dempster[37]分別為 23.3mm 與 33.4mm，很明顯看出本研究方法所得之各肢段之質量、

質量中心及轉動慣量較為準確。由於屈膝下彎動作較為緩和所以人體各肢段產生慣性力 較小，因此本研究方法與 Cheng[35]等人、Dempster[37]在人體對測力板垂直方向施力其 計算值與量測值之誤差相近。

表 6-5 個人化人體測計學動態動作之準確性評估

屈膝下彎動作 (本研究方法) Cheng (2000) Dempster(1955)

COP 誤差(mm) 8.8 23.3 33.4

垂直方向測力板反力(%BW) 3.4 3.6 3.6

0 0.5 1 1.5 600

800 1000

time (sec)

force (Nt)

GRF Z component

0 0.5 1 1.5

-20 0 20

time (sec)

force (Nt)

GRF X component

0 0.5 1 1.5

-20 0 20

time (sec)

force (Nt)

GRF Y component

measurement Present Dempster Cheng

圖 6-10 個人化人體測計學在動態動作過程中 GRF 準確性評估

510 520 530 540 550 560 570 580 210

220 230 240 250 260 270 280

right/left position (mm)

anterior/poterior position (mm)

COP in squatting

measured present Dempster Cheng