張芳蘭，陳瑞營(yíng)

基于足部數(shù)字化模型的拇外翻矯形器定制設(shè)計(jì)

張芳蘭，陳瑞營(yíng)

(燕山大學(xué)藝術(shù)與設(shè)計(jì)學(xué)院，河北 秦皇島 066004)

為了提高矯形器快速定制的精準(zhǔn)性與匹配性，建立了一種基于足部數(shù)字化模型的拇外翻矯形器定制設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)模型以及具體方法流程。利用人機(jī)工程學(xué)用戶需求三維分類與訪談法獲取拇外翻患者用戶需求，通過層次分析法確立用戶需求優(yōu)先度；利用TRIZ沖突解決理論獲取矯形器創(chuàng)新設(shè)計(jì)方向；借助3D掃描技術(shù)得到足部點(diǎn)云模型，通過三階段式數(shù)據(jù)處理與偏差分析確保足部數(shù)字化模型的精準(zhǔn)性。構(gòu)建基于足部數(shù)字化模型的拇外翻矯形器基礎(chǔ)模型，并結(jié)合創(chuàng)新設(shè)計(jì)方向產(chǎn)生矯形器設(shè)計(jì)方案；通過偏差平均值與標(biāo)準(zhǔn)差評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)方案匹配度，結(jié)合方案可視化評(píng)價(jià)，確保最終設(shè)計(jì)方案的精準(zhǔn)性。最后，通過拇外翻矯形器定制設(shè)計(jì)實(shí)例論證了所建立模型與具體方法流程的可行性。

足部數(shù)字化模型；拇外翻；矯形器；定制設(shè)計(jì)；匹配度

拇外翻是一種常見的足部疾病，發(fā)病率為20%~50%，其中男女比例1∶9~15[1-2]。通過佩戴矯形器進(jìn)行非手術(shù)的保守治療是患者的首要選擇。目前拇外翻矯形器為預(yù)制件，未能滿足不同足部個(gè)性化尺寸特征，導(dǎo)致穿戴舒適性低，矯形效果不佳。近年來，3D掃描與打印、逆向工程(reverse engineering, RP)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(computeraideddesign, CAD)等技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于矯形器研究領(lǐng)域，為各類矯形器的定制設(shè)計(jì)提供了準(zhǔn)確的非接觸式人體數(shù)據(jù)測(cè)量、數(shù)字化模型構(gòu)建以及快速成型的方法。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)適用于人體不同部位的產(chǎn)品定制設(shè)計(jì)方法與流程進(jìn)行研究。張愛平等[3]根據(jù)人體軀干數(shù)字化模型；廖政文等[4]根據(jù)人體上肢數(shù)字化模型，通過CAD軟件處理，分別提出脊柱側(cè)彎矯形器、上肢矯形器的定制設(shè)計(jì)方法；文獻(xiàn)[5-6]根據(jù)人體頭部數(shù)字化模型，提出頭盔定制設(shè)計(jì)框架，實(shí)現(xiàn)頭盔與不同頭部形狀特征匹配；文獻(xiàn)[7-8]運(yùn)用RP，CAD和3D打印技術(shù)設(shè)計(jì)并驗(yàn)證了手部矯形器和手套的定制設(shè)計(jì)生產(chǎn)過程；文獻(xiàn)[9-10]用3D掃描和打印技術(shù)分別實(shí)現(xiàn)了足踝部矯形器和鞋墊個(gè)性化定制設(shè)計(jì)，并進(jìn)行舒適度評(píng)價(jià)。這些研究表明基于人體數(shù)字化模型的定制產(chǎn)品設(shè)計(jì)可以提高匹配度、舒適度。

在產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案產(chǎn)出過程中，基于TRIZ理論的集成方法可以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)問題的快速求解。文獻(xiàn)[11]提出了一種基于QFD和TRIZ相結(jié)合的產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)方法，優(yōu)化了產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)方法；文獻(xiàn)[12]提出了基于E/HOQ/TRIZ集成模型的人機(jī)產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法，有效彌補(bǔ)了單一設(shè)計(jì)理論與方法的局限性，實(shí)現(xiàn)人機(jī)產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)。針對(duì)拇外翻矯形器的設(shè)計(jì)，本文將足部數(shù)字化建模技術(shù)與TRIZ理論相結(jié)合，提出一種拇外翻矯形器的定制設(shè)計(jì)模型與方法。最后，通過拇外翻矯形器的實(shí)例設(shè)計(jì)與匹配度評(píng)價(jià)，驗(yàn)證該模型與方法的可行性。

1 拇外翻

1.1 拇外翻足部骨骼

人體正常足部和拇外翻足部骨骼如圖1(a)所示。拇外翻表現(xiàn)為拇外翻角(圖1 (b)中的∠1′)大于或等于15°，跖骨間角(圖1 (b)中的∠2′)大于9°。拇外翻不僅影響足部美觀，并且跖骨頭內(nèi)側(cè)與鞋幫磨擦形成骨贅、拇囊炎，引發(fā)疼痛。另外，前足底壓力增加，并向足內(nèi)側(cè)偏移，導(dǎo)致前足疼痛與人體平衡能力減退，影響行走功能。

1.2 現(xiàn)有矯形器問題

拇外翻矯形力學(xué)原理如圖2所示。由于矯形方式的不同，現(xiàn)有拇外翻矯形器分為2類：①在第1腳趾外側(cè)施力的矯形器，如圖3 (a)和圖3 (b)所示，會(huì)造成第1腳趾與第2腳趾之間縫隙過大；②在第1腳趾內(nèi)側(cè)施力的矯形器。使用柔性材料施加力的矯形器，如圖3 (c)和圖3 (d)所示，由于柔性材料限制，矯正力度有限，不適用于拇外翻嚴(yán)重的患者。使用硬性材料施加力的矯形器，如圖3 (e)和圖3 (f)所示，該類矯形器與個(gè)體足部曲面形狀特征匹配度低，導(dǎo)致局部壓力過大誘發(fā)疼痛。因此，現(xiàn)有矯形器共存的缺點(diǎn)是尺寸單一，不能滿足個(gè)性化足部形狀特征，并且足弓部分缺少支撐，導(dǎo)致前足內(nèi)側(cè)局部壓力過大，誘發(fā)疼痛。

(a) 正常足部骨骼

(b) 拇外翻足部骨骼

圖1 正常足部和拇外翻足部骨骼

圖2 拇外翻矯形器力學(xué)原理

(a) 使用硬性材料在 外側(cè)施加力1(b) 使用硬性材料在 外側(cè)施加力2 (c) 使用柔性材料在 內(nèi)側(cè)施加力(d) 使用硬性材料在 內(nèi)側(cè)施加力 (e) 使用硬性材料在 內(nèi)側(cè)施加力1(f) 使用硬性材料在 內(nèi)側(cè)施加力2

2 拇外翻矯形器定制設(shè)計(jì)方法

本文針對(duì)現(xiàn)有拇外翻矯形器存在的問題，將基于3D掃描的足部數(shù)字化模型構(gòu)建方法與TRIZ沖突解決原理相結(jié)合，建立了面向拇外翻人群的足部矯形器定制設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)模型，如圖4所示。

圖4 足部矯形器定制設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)模型

具體實(shí)施流程為：

流程1. 獲得拇外翻矯形器的用戶需求。通過訪談法、人機(jī)工程學(xué)用戶需求三維分類確定用戶需求，進(jìn)行需求初選。利用層次分析法獲取用戶需求優(yōu)先度。

流程 2.利用TRIZ沖突解決原理獲取產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)方向。將實(shí)際設(shè)計(jì)問題，通過TRIZ39個(gè)通用技術(shù)參數(shù)轉(zhuǎn)化為TRIZ標(biāo)準(zhǔn)問題，確立沖突類型，利用沖突解決原理推薦的具體發(fā)明原理，結(jié)合實(shí)際設(shè)計(jì)問題，確立矯形器創(chuàng)新設(shè)計(jì)方向。

流程3. 構(gòu)建足部數(shù)字化模型。對(duì)拇外翻足部進(jìn)行3D掃描，得到三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，利用Geomagic Studio進(jìn)行點(diǎn)階段、多邊形階段、精準(zhǔn)曲面階段3階段式預(yù)處理，并結(jié)合偏差分析，構(gòu)建精準(zhǔn)足部數(shù)字化模型。

流程4. 拇外翻矯形器設(shè)計(jì)方案產(chǎn)生。根據(jù)足部數(shù)字化模型和解剖學(xué)參照點(diǎn)，結(jié)合基于TRIZ沖突解決原理的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方向，產(chǎn)生拇外翻矯形器設(shè)計(jì)方案。

流程5. 設(shè)計(jì)方案匹配度評(píng)價(jià)。在Geomagic Studio對(duì)矯形器與足部接觸部分和足部點(diǎn)云模型進(jìn)行偏差分析，利用偏差色譜圖可視化評(píng)價(jià)矯形器與足部貼合度。矯形器的匹配度(orthosis fit index，OFI)可以利用矯形器與足部點(diǎn)云模型的偏差平均值(average deviation，AD)和標(biāo)準(zhǔn)差(standard deviation，SD)通過式(1)計(jì)算得到OFI分值，其分值為1~100之間的數(shù)字。根據(jù)OFI分值，確定匹配度等級(jí)見表1。另外，在Rhinoceros軟件中對(duì)矯形器進(jìn)行虛擬裝配，可視化評(píng)價(jià)矯形器模型與人體足部數(shù)字化模型是否匹配。將矯形器模型和足部模型對(duì)齊后，旋轉(zhuǎn)視圖觀察如果模型之間有重疊，則不匹配；反之，匹配。

表1 匹配度分值等級(jí)劃分表

3 拇外翻矯形器定制設(shè)計(jì)實(shí)例

實(shí)驗(yàn)對(duì)象為一名拇外翻女性患者，年齡24歲，鞋碼38歐碼。

3.1 獲得拇外翻矯形器用戶需求

從人機(jī)交互、人機(jī)情感、人機(jī)效能3個(gè)維度對(duì)拇外翻患者進(jìn)行用戶需求訪談。通過合并刪減用戶需求，進(jìn)行需求初選。利用層次分析法構(gòu)建用戶需求層次結(jié)構(gòu)模型，通過計(jì)算得到需求重要度權(quán)重，如圖5所示。依據(jù)權(quán)重獲得用戶需求優(yōu)先級(jí)排序，得到最重要的3個(gè)用戶需求是舒適、省力、易用。

圖5 拇外翻矯形器人機(jī)用戶需求三維分類及權(quán)重

3.2 利用TRIZ理論得到產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)方向

根據(jù)1.2節(jié)中現(xiàn)有矯形器會(huì)造成第1腳趾與第2腳趾之間間隙過大，柔性材料矯正效果有限，硬性材料會(huì)造成局部疼痛，矯形器對(duì)前足壓力沒有改善等現(xiàn)有問題以及3.1節(jié)中舒適、省力、易用3個(gè)用戶優(yōu)先需求綜合分析，得到拇外翻矯形器3個(gè)待解決的人機(jī)設(shè)計(jì)關(guān)鍵問題：①足部第1、第2腳趾的間隙過大；②矯形器對(duì)足弓部位缺少支撐；③矯形器的舒適度和易用性需要提升。

依據(jù)3個(gè)待解決的人機(jī)設(shè)計(jì)關(guān)鍵問題，構(gòu)建出TRIZ中與其相對(duì)應(yīng)的通用工程參數(shù)見表2。問題①為矯形器使足部第1、第2腳趾的間隙過大，與矯正目的使足部腳趾保持正常位置沖突，屬于物理沖突，使用空間分離原理解決，可選擇的發(fā)明原理編號(hào)為1，2，3，7，13，17，24，26和30。根據(jù)實(shí)際問題選擇13反向原理，改變矯形器施加力的方向。采用軟性材料魔術(shù)貼纏繞腳趾1周的方式施加力，根據(jù)拇外翻嚴(yán)重級(jí)別調(diào)整矯正程度；問題②是矯形器對(duì)足弓支撐作用與可活動(dòng)性之間的沖突，為技術(shù)沖突，轉(zhuǎn)化為一般問題為靜止物體的面積與可操作性之間的沖突，利用TRIZ沖突矩陣得到建議的發(fā)明原理編號(hào)4和16，如圖6所示，選擇4增加不對(duì)稱，足底材料使用剛性材料作為支撐，其他部位使用軟性材料保證舒適度。問題③矯形器對(duì)足弓支撐作用與用戶躺臥狀態(tài)下足跟部位的舒適度的沖突，為技術(shù)矛盾，轉(zhuǎn)化為一般問題為靜止物體長(zhǎng)度與靜止物體作用時(shí)間的沖突，利用圖6沖突矩陣得到建議的發(fā)明原理編號(hào)1，35和40，選擇1分割，將足后跟部位設(shè)計(jì)為可拆卸部件，使用磁力連接，躺臥時(shí)可以將后半部分去除。

表2 待解決沖突問題及其對(duì)應(yīng)的TRIZ理論通用工程參數(shù)

圖6 解決沖突問題的局部沖突矩陣

最終，得到拇外翻矯形器3個(gè)創(chuàng)新設(shè)計(jì)方向：①矯正方式，根據(jù)拇外翻嚴(yán)重級(jí)別確定矯正程度，使用軟性材料魔術(shù)貼纏繞足部第1腳趾向足內(nèi)側(cè)拉伸，矯正力度可以自行調(diào)節(jié)，同時(shí)提供了前足的可活動(dòng)度，提高舒適度；②材料方面，足底足弓部分使用剛性材料起支撐作用，可以改變足底壓力分布，更省力，其他部位使用軟性材料提供可活動(dòng)度；③穿戴方式，可拆卸設(shè)計(jì)，躺臥時(shí)可以將足后跟部分去除，提高舒適度。

3.3 構(gòu)建足部數(shù)字化模型

采用非接觸式激光手持掃描儀(structure sensor)對(duì)足部進(jìn)行3D掃描，如圖7所示。3D掃描時(shí)，掃描儀應(yīng)該以足部為中心，掃描距離保持在40 cm左右，平穩(wěn)、緩慢、速度均勻地旋轉(zhuǎn)360°，以便同時(shí)得到足底和足背的三維數(shù)據(jù)，并保存為OBJ格式。

圖7 掃描時(shí)足部姿勢(shì)

為了獲得精準(zhǔn)的足部數(shù)字化模型，需要對(duì)足部點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，分為點(diǎn)階段、多邊形階段、精準(zhǔn)曲面3個(gè)階段。處理完畢后利用偏差分析工具對(duì)人體足部數(shù)字化模型進(jìn)行偏差分析，確保人體足部數(shù)字化模型的精確度。

(1) 點(diǎn)階段。去除無關(guān)點(diǎn)，重新建立坐標(biāo)系，如圖8 (a)所示；

(2) 多邊形階段。將點(diǎn)云模型轉(zhuǎn)換為多邊形模型，在多邊形模塊中基于曲率填補(bǔ)破洞，去除噪點(diǎn)，表面去特征、平滑處理用平面裁剪掉不需要的部分，松弛模型表面，實(shí)現(xiàn)人體足部數(shù)字化模型的表面優(yōu)化，另存為WRP格式，如圖8 (b)所示；

(3) 精準(zhǔn)曲面階段。利用探測(cè)曲率工具生成輪廓線并使用編輯輪廓線工具對(duì)其進(jìn)行修改，得到更準(zhǔn)確、完整的模型輪廓線。然后創(chuàng)建曲面片，進(jìn)行格柵處理，曲面擬合，得到足部的精確NURBS曲面，如圖8 (c)所示，保存為STP格式。最終，為了保證模型的精度，用色譜圖對(duì)足部數(shù)字化模型進(jìn)行偏差分析，如圖8 (d)所示。結(jié)果表明偏差最大區(qū)域主要分布第1腳趾部分區(qū)域，矯形器在第1腳趾部分使用的是軟性材料，可以自行調(diào)節(jié)，所以這部分的誤差對(duì)拇外翻矯形器的設(shè)計(jì)并沒有影響。

3.4 拇外翻矯形器設(shè)計(jì)方案產(chǎn)生

根據(jù)足部數(shù)字化模型和解剖學(xué)標(biāo)記點(diǎn)建立拇外翻矯形器基礎(chǔ)模型。再結(jié)合3個(gè)創(chuàng)新設(shè)計(jì)方向，創(chuàng)建基于CAD的拇外翻矯形器設(shè)計(jì)方案。

使用點(diǎn)特征工具建立足部標(biāo)記點(diǎn)，作為曲線階段的畫線參照點(diǎn)。進(jìn)入曲線階段，根據(jù)足部解剖學(xué)標(biāo)記點(diǎn)繪制曲線。矯形器前部的輪廓線1參考點(diǎn)第1跖趾關(guān)節(jié)點(diǎn)，第1跖趾關(guān)節(jié)高點(diǎn)，第5跖趾關(guān)節(jié)點(diǎn)，使矯形器包裹這些足部參考點(diǎn)。后部的輪廓線2參考點(diǎn)舟上彎點(diǎn)、后跟凸點(diǎn)、外踝骨中心下沿點(diǎn)、內(nèi)踝骨中心下沿點(diǎn)繪制，使矯形器在這些點(diǎn)之外，保證足部的活動(dòng)度。足底硬性材料的輪廓線3參考第5跖骨粗隆點(diǎn)、前跗骨突點(diǎn)繪制，保證足弓得到有效支撐。點(diǎn)的位置如圖9所示。

使用裁剪工具刪除腳趾與腳腕部分，得到矯形器基礎(chǔ)模型如圖10所示，保存為STL格式。

(a) 足部點(diǎn)云模型

(b) 足部多邊形模型

(c) 足部NURBS曲面模型

(d) 足部偏差色譜圖

圖8 Geomagic Studio處理流程圖示

圖9 足部標(biāo)記點(diǎn)

圖10 矯形器基礎(chǔ)模型

將矯形器基礎(chǔ)模型和人體足部數(shù)字化模型導(dǎo)入Rhinoceros中，利用RhinoResurf插件將矯形器基礎(chǔ)模型轉(zhuǎn)換為NURBS曲面。在矯形器足面位置打孔，增加透氣性，同時(shí)節(jié)省耗材。使用偏移命令將模型向外偏移2 mm，預(yù)留出添加柔軟布料襯墊的間隙，最后偏移得到厚度為2 mm的矯形器實(shí)體模型，建立魔術(shù)貼和彈性固定帶的模型，得到矯形器設(shè)計(jì)方案，效果如圖11所示。

圖11 矯形器設(shè)計(jì)方案

3.5 拇外翻矯形器設(shè)計(jì)方案匹配度評(píng)價(jià)

矯形器分為軟性材料魔術(shù)貼部分和主體2部分，由于軟性材料可以調(diào)節(jié)，因此，只對(duì)矯形器主體部分進(jìn)行偏差分析。在Geomagic Studio中對(duì)矯形器主體部分和足部點(diǎn)云模型進(jìn)行偏差分析，得到色譜圖，圖12可直觀看到矯形器是否符合足部尺度。通過Geomagic Studio軟件得到矯形器與足部點(diǎn)云模型的偏差平均值A(chǔ)D與標(biāo)準(zhǔn)差SD，利用式(1)計(jì)算得到矯形器的匹配度分值為77.18，說明匹配度較好。

另外，在Rhinoceros軟件中評(píng)價(jià)矯形器模型和足部的匹配度。將矯形器模型的材質(zhì)修改為半透明格式，可以可視化評(píng)價(jià)矯形器與人體足部是否匹配。將矯形器模型和足部模型對(duì)齊，旋轉(zhuǎn)視圖觀察2個(gè)模型之間沒有重疊，說明矯形器模型與被試者足部之間匹配度良好，如圖13所示。

圖12 矯形器的偏差色譜圖

圖13 矯形器匹配度可視化評(píng)價(jià)

矯形器設(shè)計(jì)方案通過匹配度檢驗(yàn)后，利用Keyshot進(jìn)行材質(zhì)渲染，最終確立拇外翻矯形器設(shè)計(jì)方案，如圖14所示。

圖14 拇外翻矯形器最終設(shè)計(jì)方案

利用3D打印技術(shù)制作拇外翻矯形器原型，對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行驗(yàn)證，如圖15所示。

圖15 拇外翻矯形器原型佩戴示意圖

采用魁北克輔助科技使用者滿意度評(píng)估量表QUEST2.0，并結(jié)合李克特量表法設(shè)計(jì)滿意度評(píng)估量表，采用1，3，5，7，9分別對(duì)應(yīng)非常不滿意、不滿意、一般、滿意、非常滿意。由被試者佩戴矯形器原型根據(jù)其坐立行不同狀態(tài)的感受進(jìn)行評(píng)價(jià)見表3，得到各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的滿意度均值為8.11，處于滿意與非常滿意之間。結(jié)果表明，該方案具備拇外翻矯形器的力學(xué)性能，與個(gè)體足部形狀特征匹配良好，具有較好的舒適度。

表3 拇外翻矯形器滿意度評(píng)估量表

4 結(jié)束語

(1) 建立了基于足部數(shù)字化模型與TRIZ沖突解決原理相結(jié)合的足部矯形器定制設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)模型以及具體方法流程，通過輕度拇外翻患者案例，論證了所建立模型與方法流程的可行性。

(2) 針對(duì)拇外翻矯形器現(xiàn)存問題，利用TRIZ沖突解決原理，有效消除設(shè)計(jì)沖突，得到具體創(chuàng)新設(shè)計(jì)方向，并結(jié)合精準(zhǔn)的足部數(shù)字化模型，快速產(chǎn)生矯形器設(shè)計(jì)方案。

(3) 提出矯形器方案模型匹配度分值計(jì)算方法，以及方案模型可視化評(píng)價(jià)方法，確保設(shè)計(jì)方案的精準(zhǔn)度。

后續(xù)研究可以引入步態(tài)特征、足底壓力分布等方法對(duì)拇外翻矯形器進(jìn)行評(píng)價(jià)，更好地提升拇外翻矯形器的舒適度。

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Customized Design of Hallux Valgus Orthosis Based on Digital Foot Model

ZHANG Fang-lan, CHEN Rui-ying

(School of Art and Design Yanshan University, Qinhuangdao Hebei 066004, China)

To improve the accuracy and fitness of rapidly customized orthosis, a customized design and evaluation model of hallux valgus orthosis was established based on digital foot model, and the specific methods and processes were formulated as well. Together with the interview, the ergonomic user needs three-dimensional classification was utilized to get the initial user needs of hallux valgus patients, and the Analytic Hierarchy Process was applied to identify the priority of user needs. The TRIZ Conflict Resolution Principles were used for generating the innovative design direction of orthosis. The point cloud model of foot was obtained by 3D scanning, and then the three-stage data processing and deviation analysis were performed to ensure the accuracy of digital foot model. In combination with the innovative design directions, the basic model of the hallux valgus orthosis based on digital foot model were applied to generate the orthosis design alternative. The average deviation and standard deviation are used for acquiring the Orthosis Fit Index. The accuracy of the final design alternative was evaluated by the Orthosis Fit Index and the visual evaluation of the design alternative. Finally, a case of the customized design of hallux valgus orthosis is conducted to demonstrate the feasibility of the model and the specific methods and processes.

digital foot model; hallux valgus; orthosis; customized design; fit index

TB 47

10.11996/JG.j.2095-302X.2019050961

A

2095-302X(2019)05-0961-07

2019-04-18；

2019-05-16

河北省社科基金項(xiàng)目(HB19YS004)；2018年河北省專業(yè)學(xué)位教學(xué)案例(庫)立項(xiàng)建設(shè)項(xiàng)目(KCJSZ2018021)

張芳蘭(1980-)，女，陜西寶雞人，副教授，博士，碩士生導(dǎo)師。主要研究方向?yàn)楫a(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)理論與方法、人因工程。E-mail：fanglanzhang@163.com