普象-让好设计发光

颈椎按摩仪的人体工学设计方法

未来穿戴健康科技股份有限公司    周红超

本文已发表核心期刊-清华大学（装饰），为该行业首篇实践型论文。笔者在工作之余将方法总结成文以飨读者，以促进该行业发展。本文主要示范智能穿戴产品设计方法，例如颈椎按摩仪、按摩眼罩、头戴式产品、VR眼镜、医疗口罩，U形枕等。方法和思路可通用于其它品类产品，不限于头部、颈部和肩部等领域。适合设计师或产品经理参考学习。本文字数1万，阅读需要30分钟。

摘要：笔者在SKG未来穿戴公司工作期间，设计实践多款颈椎按摩仪产品量产上市，先后获得了德国红点奖、IF奖和中国优秀专利奖以及实用新型专利。本文通过对设计过程进行记录、总结和归纳，研究了与人体工学直接相关的学科。强调从医学、产品定位、人体工学设计、测试和上市售后反馈五个宏观要素来全面化开发设计产品。其中提出4个重要原则以及影响颈椎按摩仪舒适度的20个参数，并以一个系列的三款产品为案例，阐述人体工学设计的运用。意在为颈椎按摩仪等穿戴产品提供人体工学设计方法参考。

关键词：颈椎按摩仪、颈椎病、人体工学、颈椎侧面曲度、贴合度、压力。

颈椎按摩仪是近几年来比较流行的产品，主要治疗颈椎病及颈部疼痛劳损。根据世界卫生组织统计显示，颈椎病的患病率占人口总数的7%—10%；25—40岁的青壮年颈椎患病率高达59.1%【1】 。目前有很多品牌，涉足该领域，其中SKG市场份量最大，处于行业领导位置，为行业第一品牌。该行业在人体工学设计上不够全面，多属于复制和抄袭，没有形成一个完备设计方法和全面的产品开发思维。苗务泽提出《基于人工智能的颈椎枕设计》， 张小杰提出《基于层次分析法和灰色关联分析的颈椎按摩仪设计》，邓晓悦提出《基于iNPD和AHP的颈椎按摩仪创新设计研究》。均为理论实验性研究，但是基于医学、产品定位、人体工学设计、测试和上市售后反馈这五个学科的实践型论文缺少。

     笔者在SKG工作期间，主要设计颈椎按摩仪，有多款产品上市，设计期间记录了产品开发的过程，并总结成功方法，尤其在人体工学上总结为4个重要原则以及影响颈椎按摩仪舒适度的20个参数，综合考量上述五个学科，将人体工学舒适度和功效做到最优。产品上市后获得了红点奖、IF奖以及中国优秀专利奖认可，产品销量位居前列，售后消费者反馈良好，不仅佩戴舒适而且辅助治疗脊椎病效果明显。

一：产品规划与排布

    产品规划3款产品同时进行设计，因此要界定好型号与型号之间的区隔，理清用户群定位、疼痛部位区域界定、功能参数选择之间的关系。我们根据用户洞察，将颈部的疼痛分三类区域。第一类，是基于L2-L3周边的疼痛（图1中红色框），定义为产品P1。第二类，是基于L2- L5大面积的（图1中绿色框），定义为产品P2。第三类，基于L3-L7更大面积（图1中蓝色框），定义为产品P3。这些划分是基于脖子颈椎侧面曲度，一个产品很难满足3类用户群，因此将其划分3个产品有针对性的满足。前期的规划和产品定位与人体工学相关，直接影响人舒适度和功效。

1.1根据医学指导划分疼痛区域：(图1中L1-L7)颈椎是由七个椎骨组成的柱状结构，支持头部并提供灵活性，但也容易受到损伤和退化的影响，颈椎病是指颈椎间盘突出或颈椎退行性变引起的压迫颈椎神经根的疾病【2】。其中图2中a5就是脖子颈椎侧面曲度，等同于医学中的Cobb角。基于脖子生理弯曲角度这个共性特征，将颈部疼痛划分三个区域，这样贴合度的功效最佳。

根据骨科医生指导，划分三个区域满足三类用户群。区域1：针对第一类用户群，图1从后视图看，在L2和L3这个范围内疼痛的，用红色的线将范围框出来（图1中a）。针对第二类用户群，L2到L5这个范围内疼痛的，用绿色的框将其覆盖面积和部位框出来(图1中b)。针对第三类用户群，L2到L7这个范围内疼痛的，用黄色的框将其标识出来(图1中c)。从侧视图看（图2）红色的区域，它会覆盖到L2到L3这个区域，其中线a1是颈夹肌，如果产品具有电脉冲牵引功能，神经科医生建议要接触这条线，但不要超过这条线，因为脖子的后部起肌肉支撑作用，脖子前部有脉搏跳动，不适合脉冲牵引，否者造成使用不适。这是条界限，如果脉冲接触这里，会刺激神经达到牵引效果。线a2是下巴线，颈椎按摩仪佩戴时，不要碰到下巴，保证头部的转动活动。线a5是脖子侧面曲线（颈椎侧面曲度）。线a4是第三个颈椎骨，这时a1、a2、a4、a5四条线将围成了作用区域,即（图1中a）。针对L2和L3这个范围内疼痛的，即小面积按摩治疗，产品型号P1就是这个定位。

    同理，图1中绿色的区域，区域2：针对第二类用户群，红色的区域是覆盖L2-L5，用a3这条线将其区分出来，那么a1 、a2 、a3、 a5这四条线围成了作用区域,经中医针灸医生建议，此区域覆盖“天柱穴”，产品配置加热红光技术有利于刺激此穴位以促进康复，产品型号P2就针对这个部位(图1中b)。

这些区域位置都保证了我们在设置按摩头加热理疗功能模块的精准性，避免不会犯错，它能满足针对疼痛部位带来效果，而且能够满足人体工学不会触碰到下巴和肩膀。区域3：a1、a2、a5、a6这四条线围成了作用区域，此区域覆盖“大椎穴”，产品型号P3就针对这个部位(图1中c)。根据医学疼痛部位指导，结合颈椎侧面曲度和七颗颈椎骨界限，因此划分三个区域，对应三个产品分别满足。   

1.2根据医学指导定义产品功能参数：明确疼痛区域划分之后，接下来设置按摩头的功能、数量和分布。颈椎病治疗包括物理疗法、热敷、冷敷、药物治疗、红光脉冲以及推拿等【3】。因此按摩头功能设计模仿上述手法，按摩头是颈椎按摩的核心部位，起到功能作用于人体，并且按摩头的数量决定了人体工学、成本、贴合、功效。因此要事先研究好按摩头的数量和针对的位置，覆盖的区域和效果。满足疼痛部位带来效果，满足脖子曲面带来贴合，满足神经部位带来牵引功能。与康复科医生充分沟通将功能定义如下。

关于按摩头数量、分布与人的疼痛部位统称A。（图3）针对L2到L3区，产品P1 的功能定义用四个按摩头分别为A1-A4，其中A1和A2是震动和拍打颈部的肌肉，A3和A4是起到脉冲牵引拉伸脖子的作用，4个按摩头横向分布做作用于该区域。（图4）产品P2 的功能定义六个按摩头，分别为A1-A6，其中A1、A2、A3、A4那主要起到震动拍打的作用，它是针对于L2-L5区，它的面积与前者相比更大。其中A5和A6这两个起到脉冲牵引拉伸的作用，六个按摩头呈椭圆方向分布作用于该区域。（图5）产品P3的功能定义九个按摩头，分别为A1-A9，其中A1、 A2、 A3 、A4、 A5，作用于L2-L7之间，起到按摩拍打的作用，A7和A8起到了脉冲牵引作用，A9位于L7这个颈椎上（富贵包）和大椎穴，起到了按摩和促进经络的作用，此处应设置加热和红光功能，通过热辐射的刺激，促进局部的血液循环和代谢，减轻炎症反应，缓解疼痛，并调整人体的气血流动【4】，因此数量是九个，呈倒三角形分布作用于该区域。以上规划分布经过医学功效指导，合理设置按摩头数量、分布于疼人部位。继而制作功能原型机进行医学功效测试，测试结果表面此分布能快速缓解疼痛并促进颈椎病康复。

     颈椎按摩仪不同于传统电子产品，以颈部疼痛区域和佩戴为主兼顾按摩、拍打、加热、脉冲和红光功能。产品规划与人体工学紧密相关，不能根据设计师和产品经理用户调研单方面假设，而实建立在颈椎生理特征的基础上并结合医学功效指导产品规划和定义。

二：人体工学要点

明确产品规划定义以及功能参数后，即解决了功效和康复的问题。接下来用户测量并分类，继而建立人体工学设计要点和评价体系。首先对目标用户进行尺寸测量，为用户定位于25-40岁，是颈椎疼痛的主要人群，通过测量其关键特征值和颈部的特征点，然后形成一个尺寸数据表，最终建模形成一个三维的头颈部模型（如图6）。因用户群年龄差异大，尺寸差异比较大，所以模型中分为了三类，小脖子，中脖子，大脖子。那我们在设计的时候就考虑基于小脖子，然后通过按摩仪的塑胶的弹性来覆盖中脖子和大脖子，或者通过局部的推动调节实现覆盖。

在测量的基础上，初步归纳出人体工学的要点并结合产品上市后市场反馈，改善优化这些要点。最终形成的4个重要的原则以及影响颈椎按摩仪舒适度的20个参数，简述如下。

如图6所示，完整舒适的产品佩戴由四部分构成，将其归纳为4个原则。第一个是功能区域的贴合、压力、功效，这是产品最本质的（图6中1）。第二个是可以覆盖小中大脖子（图6中2），主要通过塑胶的弹性以及收缩展开的压力，能满足大中小脖子，这就对产品的原始的直径和弹性的塑胶进一步去研究。第三个是前部加持力（图6中3），因用户多是在家庭或者户外使用，防止身体走动震动导致的产品滑脱。第四是产品前部的接触曲面要光滑（图6中4），曲面平整，这样对脖子的压力最小，不对动脉跳动产生影响，同时人的头部行为中会仰头、转头、摆头和低头，并且表面的柔软材质不会摩擦皮肤。

原则1.针对于功能区域的压力、贴合度和功效。如图7，细化为四个参数因为这个功能区域里面是包含了一个震动马达，能够带来震动和按摩的功效，因此a是硅胶褶皱，它可以左右摆动，产生一定的震动效果。b是前不锈钢材质的电极片，它的曲面接近于脖子的曲线，这样贴合率是最好的，而且其是处于双曲线，从经方向和纬方向，都能够完整贴合。c是按摩头与按摩头之间的间距，间距它的摆动幅度是左右五毫米，因此间距设置应该是大于4毫米，避免各个模块儿相互碰撞。d是压力，施加于脖子上，脖子是给它一个压力，然每个人的压力的触觉不同，需求产生细分，针对此需求设计了两个实用新型专利。

实用新型专利1：因为用户在使用颈椎按摩仪的时候，他会出现低头伏案写作或抬头转头去看东西，这里会设置一个弹性褶皱，对人的这个亲和度是非常好，可以自适应头部转动【5】。因此（图8）设计实用新型专利1（专利号（ZL202322644601.3），特征在于褶皱式风琴结构，当抬头低头时，脖子发生弯曲，挤压使硅胶周长变长变短，带来浮动的贴合效果。称之为“动态贴合”通常作用于脖子纬方向。能够给予一定的压力，让其贴合，贴合效果更佳。实用新型专利2：是针对人的触觉不同，给一牛顿的力，用户没有什么感觉，必须给两牛顿的力，因此（图9中a）,内置卡扣结构，可以将其往下拉，越往下拉，它的压力就会越大（图9中b），所以通过调节来满足人的触觉的需求。

 原则2.可以覆盖小中大脖子。主要通过塑胶的弹性以及收缩展开的压力。首先进行测试，找到目标用户100位，然后分为三组，小脖子（直径90毫米）的10人，中脖子（直径100毫米）和大脖子（直径120毫米），计时30分钟的佩戴，根据主观舒适性评价，通过受试者主观感受来评定舒适性。采用7级评价标准，由受试者根据主观感受来评定各部位舒适性等级，然后将所得的数据进行分析。测试结果发现脖子的接受压力范围在60克-100克之间是可以接受的，不会有压迫感，压力感很舒适。那接下来进一步指导产品设计，因为这常规的塑胶支架可以撑开后，因塑胶是有弹性的，导致压力变大。那么我们新设计的要改变这个塑胶弹性，因此进行指导塑胶支架的弹性设计。因此在结构的弹性设计上，那它的初始状态为零，撑开1是60克（对应直径90毫米的小脖子），那撑开2是80克（对应直径100毫米的中脖子），撑开3是100克（对应直径110毫米的大脖子）。因此在结构设计的时候，弹性支架要有局部的结构阻力设计，来改变这个弹性越来越大这个现状，然后塑胶的壁厚要局部减少，然后保证压力在60克-100克之间，不要超过这个范围，并用压力测试仪辅助结构弹性和压力设计优化。

原则3前部加持防止滑落：首先小脖子的标准直径是90毫米，中脖子的戴上去之后可以撑开，其次前端的距离，会严重影响人的呼吸的脉搏，所以我们设置它一个距离为40毫米。最后脖子皮肤与产品的接触面，通常是400平方毫米（图10），这里贴合的面积越大，对这个脉搏的压力越小。这三个要素能够保证产品佩戴的加持力，让其在使用过程中不会滑落而且贴合舒适。

原则4.产品前部的接触曲面要光滑平整。如图10，a坐落于颈夹肌这块肌肉上，肌肉可以承托压力，而不能压在脉搏上，否则就头部眩晕。b是贴合的面积，经过计算测试和产品销量百万而得到的数据,一般是大约400平方毫米。c是这个截面儿的经方向和纬方向，那如果经方向是直线（图11中a），那么它的与柔软脖子相互挤压产生的接触面积越大，如果是反凹的（图11中b），面积更小，如果是外凸（图11中c），它的面积也很小。另外这里的材质的话会使用橡胶软胶，与皮肤比较贴合，或者在塑胶上是附加一种手感漆，让其皮肤触感更加的舒适。

基于上述4个原则，进一步细化为影响颈椎按摩仪舒适度20个参数：如图12所示，①脖子的直径：通常是直径90毫米周长在282毫米，先让它覆盖贴合小脖子。通过它的支撑，可以撑开覆盖中脖子和大脖子。②.前面间距：要大于40毫米，没有束缚脖子的感觉。而且操作掰开的时候非常方便，同时也对前部的脖子的压力很小。③前触面贴合面积：此处的曲面设计应该平坦，脖子贴合的面积大于110平方毫米，这样对脖子的压力最小。④前触面材质：材质要柔软而且不能用金属太冰凉，以免在冬天造成不适，其软度对脖子贴合压力比较小。⑤按摩头曲面的形状：脖子是经纬方向是曲面的，需双曲面设计，另外这个曲面的面积有一定的要求，通常它受加热面积指导，加热面积要达到一定的范围，这样对功效才有帮助。这里要计算其单个有效贴合面积，以及它的贴合率要大于90%以上。⑥按摩头之间的间距：应该大于20毫米，首先按摩头不要正对颈椎骨，这样会拍打起来造成咯咯的响，另外中间的红光要穿透照射治疗，不要遮挡红光。⑦是按摩头深度：硅胶的深度一般要大于20毫米，那弹性需要褶皱设计，有一定的弹性，同时褶皱设计有一定的压力，让贴合在脖子上的触觉更加明显，功效感更强。⑧支架弹性：通常是用PP材料或ABS+PC加材料，韧性比较好，容易撑开和回弹。⑨内侧材质的压拉力：通常使用硅胶加褶皱设计，这样外边是弹性，内侧是拉力，这样在撑开的时候能够满足用户的触觉压力不至于过大。⑩按摩头的宽度：通常设置在20毫米左右，因为太宽，就无法保证贴合面积以贴合率。⑪按摩头的长度：因脖子从侧面看上去是曲线，长度已不能大于35毫米，而且是曲线的覆盖，这样的贴合率更好，而且在头部转动的时候，与其自适应贴合，增强功效。⑫内部支架：要满足一个摆动范围，通常是左右、上下、前后摆动五毫米，这样的震动起来，对用户的治疗效果最有效。⑬按摩头上的钢片：钢片儿可以快速加热和导热，能够传递电脉冲，其角度与脖子侧面的曲度一致，这样贴合率最佳。⑭是佩戴斜度：当颈椎按摩仪佩戴脖子上的时呈45度，人自然状态下头是往后仰的，与脖子产生最佳自然角度。佩戴起来和人行动起来最为舒适。⑮锁骨线的距离：产品的下边缘与锁骨要大于20毫米的间距，那这样的佩戴的时候，产品不会压到锁骨，尤其比较瘦的用户锁骨比较硬，会产生不舒适感和摩擦感。⑯颈夹肌线：如果配置脉冲和牵引功能，那其中一个按摩头的钢片儿要覆盖到这个位置上，这样才能刺激神经实现牵引的功能。⑰按摩头与产品边框的间距：间距要大于7毫米，因为当按摩头贴合到脖子的时，随着头的转动，这个按摩头会碰到产品边缘，从而影响弹性和功效。⑱产品前部与脖子的接触线：通常是在颈夹肌的前面，但不要触碰到喉结和喉咙，避免产生窒息感和压力感，也会影响吞咽动作。⑲马达与马达之间的间距：为了做到最大的贴合率，那么间距应该越小越好，但是因为马达是震动的，为了预防马达不会相互碰撞而发出异响影响功能，所以间距设计应该≥5毫米。⑳ 产品整机的重量：此处放置的电池和PCB等电路，会增加重量会，根据产品的配置功能，整机应该小于等于200克，否者但在脖子上，时间稍久就会产生负担感和沉重的压力，造成使用的不适。

基于以上原则和参数设计出3D模型，并制作功能体验机并加以外观设计语言和造型修饰，外观设计这里不再赘述。以下案例均遵循上述4个大原则。案例1：K55颈椎按摩仪（对应上文P1），产品主要作用于区域1。(如图14中a)有褶皱设计，具备一定的弹性，可以左右摆动，同时硅胶有一定的压力，可以让皮肤贴合的更紧带来最好的功效，同时内置可推动的设计调节能够调节压力，满足不同人触觉的需要。(如图14中b)前面的间距为40毫米，可以根据弹性撑开可以覆盖大中小脖子，同时加持力非常舒适。如图中c所示，按摩头贴合脖子的曲面，为双曲面设计，能够满足脖子的曲面，带来贴合率高。(如图14中c)与脖子前部接触的面比较平坦，面积在400平方毫米，并有软胶覆盖，这样与脖子接触更为舒适，没有任何的压迫感。

案例2：G5颈椎按摩仪（对应上文P2），(如图15中a)接触面光滑且平整，其接触面积大于110平方毫米，与脖子的压力最为舒适。(如图14中b)六个按摩头可以覆盖颈椎区域，能够带来最大的功效。

案例3：G7-1颈椎按摩仪（对应上文P3），(如图16中a)用了硅胶回弹设计，可以对脖子的压力进行自适应调节。(如图14中b)附带配件海绵包，材质很柔软，接触脖子的时候非常舒适。同时可以拆卸替换组合，这样对可以满足不同人的触觉压力的需求，让佩戴更紧固，按摩头贴合压力更大，带来最大的功效。

三：测试与售后反馈优化

   3.1.原型机阶段测试：根据4大原则和20个参数，具备理论可行，接下来制作功能机，验证实际来决定是否开模生产。进行用户测试，用户选择标准，25-40岁办公人群颈椎高发者，在深圳科技园区招募志愿者选取用户100位，使用Borden法测量确定为颈椎生理曲度异常为研究对象。测试项目包括：1.热敏实验，主要是来测试按摩头钢片贴合度的关系。2.压力实验，主要测试佩戴后的压力舒适，注意为三种类型人群，一是敏感型。即使一接触皮肤，它的促进非常明显，第二个属于叫普通型，普通型就是日常的办公族，不经常运动，它的触觉压力居中。第三个是肌肉型，是经常运动，脖子上有很多肌肉，需要用很大的压力才能感受到。3功效实验，持续测试30天看颈椎恢复情况，并测量Borden值、Cobb角比较、结合恢复情况的疼痛感受主观评价比较。在满足功能原型机的人体工学和功效的前提下，进行外观曲线曲面、特征造型、年轻化色彩等设计。

3.2试产机阶段测试：试产1000台产品，进行大范围测试，统计反馈, 仍发现一些不足。如图17，脖子的剖面按照一个几何正圆来设计，因此最左边的按摩头的角度是30度。但根据试产后测试的结果，有悬空不贴合的情况。之后进一步研究脖子的剖面，（图18）发现脖子的剖面倾向于一个不规则形状，因此将按按摩头的角度调整为27度，更符合现实，加强其贴合率。

3.2量产后收集市场反馈：在产品上市之后，销量超过100万台，收集用户的反馈。并且进行用户深度访谈，绘制出柱状图，汇总到数据库分析，进一步优化这20个参数以及四个原则。假设多数用户反馈颈椎按摩仪的前端接触脖子的地方压力太强，有明显压迫感，则对这里的贴合面积和软硬度和加持力，再进行分析研究并优化参数，以此迭代下一代产品，改善此不足。

总结：上述三款产品上市后消费者满意度良好，经实践发现人体工学并不局限于舒适、健康、安全、高效、尺寸贴合、适配等微观的数据测量。人体工学贯穿整个产品生命周期管理，满足医学、产品定位、人体工学设计和测试以及售后反馈这五个宏观要素，可使产品的功能体验、人体工学和功效做到最佳，同时四个重要原则可以使产品不犯方向性错误，产品体验具备评价体系，带来最佳体验。20个参数可以指导设计师更加精准的设计，避免来回摸索。将用户的反馈转换成设计的具体参数数值并不断进化丰富数据库，使设计师更容易理解产品设计的内在逻辑。最终将人体工学的设计参数形成标准化、体系和方法，进而构建人体工学方法论以及人因工程平台，为产品设计夯实基础。

参考文献：

【1】苗务泽.《基于人工智能的颈椎枕设计》.哈尔滨:哈尔滨理工大学，2022，第9页.

【2】李洪梅;王晓琴：《蠲痛舒筋胶囊联合雷火灸治疗神经根型颈椎病的疗效观察》，辽宁中医杂志，沈阳，2024，第15页。

【3】张小杰;《张小平基于层次分析法和灰色关联分析的颈椎按摩仪设计》，工业设计，2023，第15页

    【4】侍昊,黄谦,姚文平,何雷,张传东,杨正明.《针刺联合雷火灸治疗风寒湿型神经根型颈椎病的随机对照研究》J.针刺研究,第23页.

    【5】方圣杰,朱立国,魏戌,等,《颈痛颗粒治疗神经根型颈椎病的研究进展》中国医药导报,2021,第8页。

K55颈椎按摩仪获奖链接：https://www.red-dot.org/project/k55-vibration-traction-neck-massager-68520

G7颈椎按摩仪获奖链接：https://www.sohu.com/a/747179755_121611562

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