駱順華， 王建萍， 史　慧， 陳　琪， 杜奕瑩， 何　慧

(1.東華大學(xué) 服裝與藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院，上海 200051；2.山東工藝美術(shù)學(xué)院 服裝學(xué)院，濟(jì)南 250300)

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研究與技術(shù)

騎行動(dòng)作下肢動(dòng)態(tài)壓力變化研究

駱順華1,2， 王建萍1， 史慧1， 陳琪1， 杜奕瑩1， 何慧1

(1.東華大學(xué) 服裝與藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院，上海 200051；2.山東工藝美術(shù)學(xué)院 服裝學(xué)院，濟(jì)南 250300)

合適的壓力是影響緊身運(yùn)動(dòng)服裝運(yùn)動(dòng)性能和舒適度關(guān)鍵因素。為了分析周期騎行運(yùn)動(dòng)過程中下肢動(dòng)態(tài)壓力變化規(guī)律，創(chuàng)新性地采用Matlab三次樣條插值的方法把一個(gè)周期騎行過程中12個(gè)分解動(dòng)作離散靜態(tài)壓力值轉(zhuǎn)變成動(dòng)態(tài)壓力。數(shù)據(jù)分析表明：右踏板處于0°～30°位置時(shí)，8個(gè)測量點(diǎn)動(dòng)態(tài)壓力最大；其中大腿前中、大腿后中、股內(nèi)側(cè)肌末端與股外側(cè)肌末端的動(dòng)態(tài)壓力波動(dòng)與對應(yīng)肌肉拉伸量有很大相關(guān)性；腹部與臀部動(dòng)態(tài)壓力變化幅度很?。凰形恢脛?dòng)態(tài)壓力隨樣褲松量遞減而線性增加。研究結(jié)果為后續(xù)研究騎行褲不同部位合理松量設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)，以改善騎行褲舒適性與運(yùn)動(dòng)性能。

動(dòng)態(tài)壓力；下肢；緊身騎行褲；三次樣條插值

服裝壓力是因服裝與人體皮膚表面相接觸而產(chǎn)生。已有研究表明緊身運(yùn)動(dòng)服裝壓力對處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的人體有積極的作用，比如減少血乳酸集聚或加快血乳酸排出[1-2]、減緩肌肉酸痛或加快運(yùn)動(dòng)后恢復(fù)[3-4]、減輕在速跑或跳躍過程中的沖擊力[5-6]等。但是服裝壓力也不是越大就越好，不合適的壓力對運(yùn)動(dòng)機(jī)能有消極的作用[7-8]，而且有研究發(fā)現(xiàn)不同的運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目和不同的人體部位要施加不同程度的壓力[9-11]。因此，緊身騎行褲準(zhǔn)確地在人體下肢不同部位施加不同的壓力，對騎行穿著者的運(yùn)動(dòng)機(jī)能有重要的影響。而如何準(zhǔn)確確定不同部位合適壓力之前，必須明確騎行過程中下肢動(dòng)態(tài)壓力變化規(guī)律。基于此，本研究通過設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析了騎行過程中下肢各部位的動(dòng)態(tài)壓力變化規(guī)律。

1　實(shí)　驗(yàn)

1.1對象

10位年輕騎行愛好者自愿參于本實(shí)驗(yàn)，人體部位測量均值如表1所示。實(shí)驗(yàn)前確保自愿者無外傷或肌肉疼痛。

表1　10名實(shí)驗(yàn)對象人體尺寸均值及標(biāo)準(zhǔn)差Tab.1　Average value and standard deviation of body dimensions of ten subjects

注：BMI(Body Mass Index)。

1.2樣褲

緊身騎行褲樣褲(圖1)采用82%錦綸與18%氨

綸的緯編彈性針織面料縫制而成，面料平方米質(zhì)量為191 g/m2，厚度0.61 mm，在彈性回復(fù)率大于95%時(shí)，經(jīng)、緯向最大伸長率分別為80%、60%，款式相同。樣褲基礎(chǔ)紙樣在國家標(biāo)準(zhǔn)中間號(hào)型人臺(tái)上用立體裁剪方式獲取。為了研究松量與動(dòng)態(tài)壓力之間的關(guān)系，設(shè)計(jì)并制作6條不同松緊程度的樣褲(圍度從大到小編號(hào)分別為C1，C2，…，C6)，基礎(chǔ)紙樣在樣褲不同部位設(shè)定不同負(fù)松量(表2)。樣褲腰部與褲口分別用4 cm與2.5 cm寬的防滑松緊帶縫制，如圖1右側(cè)所示。

圖1　實(shí)驗(yàn)樣褲Fig.1　The experimental sample shorts表2　6條樣褲松量Tab.2　Easy allowances of six sample shorts

部位圍度/cm人臺(tái)C1C2C3C4C5C6腰圍80.5-6-12-18-24-30-36臀圍95-6-12-18-24-30-36檔根圍57-3-6-9-12-15-18大腿中圍53-3-6-9-12-15-18褲腳口圍35.5-3-6-9-12-15-18褲長55.4-1-2-3-4-5-6

1.3壓力測量點(diǎn)選擇

因?yàn)楦辜?、臀大肌、股直肌、股二頭肌、股內(nèi)側(cè)肌與股外側(cè)肌是騎行運(yùn)動(dòng)中活躍肌肉，這些肌肉對于腿部發(fā)力很重要[12]。另外，皮膚表面曲率對壓力的影響也很大[13]。綜合考慮肌肉活動(dòng)與體表曲率，選擇了8個(gè)壓力測量點(diǎn)，分別是腹凸點(diǎn)A1、臀凸點(diǎn)H1、大腿前中L1、大腿內(nèi)側(cè)中L2、大腿外側(cè)中L3、大腿后中L4、股內(nèi)側(cè)肌L5和股外側(cè)肌L6，如圖2所示。圖2來源于http://www.nipic.com/design/5/23/1.html。

圖2　壓力測量點(diǎn)Fig.2　Pressure measurement points

1.4騎行模擬

因?yàn)轵T行是周期循環(huán)運(yùn)動(dòng)，所以可以采用原地騎行方式模擬實(shí)際平地騎行姿勢(圖3)。自行車后軸由U形支架支撐，支架的寬度要和后軸寬度匹配，支架高度與后輪直徑匹配，這樣可以使后輪離開地面原地蹬踏。依據(jù)騎行運(yùn)動(dòng)特征設(shè)計(jì)一個(gè)角度圓盤并固定在中軸上。圓盤角度分為12份，每份30°，一個(gè)周期連續(xù)騎行運(yùn)動(dòng)分解為12個(gè)動(dòng)作?？紤]到左右腿動(dòng)作一致，大多數(shù)人以右腿發(fā)力，實(shí)驗(yàn)壓力測量選擇右腿為測試對象，以右踏板角度確定位置騎行姿勢。

圖3　騎行模擬Fig.3　Cycling simulation

1.5三次樣條插值

樣條是指工程設(shè)計(jì)中使用的木條或金屬條繪圖工具，應(yīng)用其將已知點(diǎn)連接成一條光滑曲線稱為樣條曲線，并使連接點(diǎn)處有連續(xù)曲率，三次樣條插值是指連接點(diǎn)之間的函數(shù)為三次多項(xiàng)式。其定義如下[14]：已知函數(shù)f(x)在區(qū)間[0°,360°]上的13個(gè)節(jié)點(diǎn)x1

1.6骨骼肌仿真

功能性服裝人體功能分區(qū)需要考慮生物力學(xué)要求及人體工效要求?；谶@個(gè)要求，需要采用人體模型與仿真系統(tǒng)仿真騎行運(yùn)動(dòng)中骨骼肌活動(dòng)規(guī)律[15]。人體建模仿真系統(tǒng)是建立計(jì)算模型模擬人體在給定的約束下自然真實(shí)的騎行運(yùn)動(dòng)，通過對真實(shí)人體騎行動(dòng)作的三維運(yùn)動(dòng)軌跡捕捉數(shù)據(jù)的量化分析，找到與騎行運(yùn)動(dòng)相關(guān)的下肢特征參數(shù)及騎行運(yùn)動(dòng)下肢骨骼肌的運(yùn)動(dòng)規(guī)律[16]。前期騎行動(dòng)作捕捉實(shí)驗(yàn)已經(jīng)獲取人體在給定約束下自然真實(shí)騎行運(yùn)動(dòng)軌跡捕捉數(shù)據(jù)及下肢骨骼肌運(yùn)動(dòng)規(guī)律[17]，本研究中選擇了4塊最活躍的肌肉(股直肌、股二頭肌、股外側(cè)肌和股內(nèi)側(cè)肌)，人體建模仿真系統(tǒng)模擬計(jì)算出肌肉拉伸、肌肉激活程度與肌肉力。其中肌肉拉伸數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

圖4　騎行運(yùn)動(dòng)中腿部肌肉拉伸變化Fig.4　Leg muscle stretching in cycling process

1.7壓力實(shí)驗(yàn)步驟

壓力測量儀為氣囊式接觸壓力測量系統(tǒng)(AMI3037)。具體實(shí)驗(yàn)步驟如下：實(shí)驗(yàn)開始之前，校準(zhǔn)壓力測量儀；根據(jù)身高與腿長調(diào)整鞍座使騎行姿勢符合標(biāo)準(zhǔn)要求；為了適應(yīng)測試程序，每一個(gè)測試對象要求蹬踏3 min熱身；氣囊式傳感器被準(zhǔn)確、牢固地粘貼在各壓力測量點(diǎn)上，并記錄標(biāo)準(zhǔn)站立姿勢下8個(gè)點(diǎn)空測數(shù)據(jù)，以校準(zhǔn)測試儀器是否在誤差范圍內(nèi)；因限于該儀器僅可測量靜態(tài)壓力，將一個(gè)周期騎行運(yùn)動(dòng)平均分解成12個(gè)動(dòng)作；采用氣囊式壓力測量儀測量穿著樣褲后標(biāo)準(zhǔn)站立姿勢下靜態(tài)壓力與12個(gè)分解動(dòng)作的壓力；在12個(gè)動(dòng)作靜態(tài)壓力數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上再采用Matlab的三次樣條插值函數(shù)轉(zhuǎn)化為連續(xù)騎行運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)壓力。

2　壓力變化分析

2.1靜態(tài)壓力與動(dòng)態(tài)壓力對比分析

分別計(jì)算8個(gè)壓力測量點(diǎn)中10名測試對象6條樣褲的壓力數(shù)據(jù)平均值，如圖5所示。8個(gè)測量點(diǎn)從站立姿勢到騎行姿勢過程中，除了大腿內(nèi)側(cè)中(L2)，壓力值增加都非常大。6個(gè)測量點(diǎn)(L1、L2除外)的站立姿勢靜態(tài)壓力值都是小于動(dòng)態(tài)壓力值。其中腹凸點(diǎn)(A1)與臀凸點(diǎn)(H1)的動(dòng)態(tài)壓力比站立姿勢靜態(tài)壓力要大0.5 kPa左右，原因在于騎行姿勢下腹部氣囊傳感器被壓迫得更緊，與靜態(tài)站立不同，在騎行狀態(tài)下上半身是向前傾斜，腹部因?yàn)橹亓ψ饔孟麓箟浩葰饽覀鞲衅?；而從?biāo)準(zhǔn)站立姿勢到騎行姿勢，臀部的皮膚拉伸形變達(dá)到最大，臀凸點(diǎn)(H1)的曲率也變化很大，所以標(biāo)準(zhǔn)站立姿勢下壓力與騎行姿勢下壓力差值較大。

實(shí)驗(yàn)中10名測試對象的8個(gè)壓力測量點(diǎn)中測得最大壓力數(shù)據(jù)為1.74 kPa。在較低壓力下(少于4.65 kPa)，外加壓力加快下肢皮膚血流速度，在此壓力范圍內(nèi)，樣褲越緊，下肢血液循環(huán)越好[8]。根據(jù)壓力測試結(jié)果，目前市場上騎行褲松量僅相當(dāng)于這次實(shí)驗(yàn)的樣褲C3或C4，因此市場上騎行褲壓力分布還可以進(jìn)一步適當(dāng)減小。

2.28個(gè)測量點(diǎn)動(dòng)態(tài)壓力變化

如圖5所示，所有8個(gè)點(diǎn)的最大動(dòng)態(tài)壓力是右踏板位置在0°～30°，最小動(dòng)態(tài)壓力右踏板位于150°～180°的騎行姿勢。A1點(diǎn)動(dòng)態(tài)壓力變化像起伏很小的波浪，經(jīng)分析與腹部呼吸時(shí)起伏有很大的關(guān)系，Mitsuno[2]也得出類似的結(jié)論。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以推斷出，實(shí)際騎行過程中由于呼吸更急促腹部起伏更大，壓力波動(dòng)應(yīng)該更大。H1點(diǎn)動(dòng)態(tài)壓力變化幅度也很小，因?yàn)橥尾康膭?dòng)作幅度很小，雖然大腿不停做循環(huán)騎行運(yùn)動(dòng)，但臀部僅僅髖關(guān)節(jié)做小幅度軸向運(yùn)動(dòng)。

圖5　8個(gè)壓力測量點(diǎn)壓力變化Fig.5　Pressure change of 8 pressure measurement points

根據(jù)8個(gè)壓力測量點(diǎn)的動(dòng)態(tài)壓力方差值可知，L1、L5和L6動(dòng)態(tài)壓力波動(dòng)相對劇烈，這三個(gè)點(diǎn)的股直肌、股內(nèi)側(cè)肌與股外側(cè)肌活動(dòng)是最活躍的(圖4)。L4動(dòng)態(tài)壓力波動(dòng)比較小，因?yàn)楣啥^肌的肌肉活動(dòng)小(圖4)。這個(gè)結(jié)論表明，在后續(xù)的騎行褲結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究中，L1、L5和L6是利用合適壓力控制肌肉活動(dòng)以提高騎行褲運(yùn)動(dòng)性能設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部位。

L1、L2、L3、L4的動(dòng)態(tài)壓力變化趨勢幾乎一致，因?yàn)檫@四個(gè)壓力測量點(diǎn)的位置在大腿同一水平線位置。與L1相比，L2點(diǎn)動(dòng)態(tài)壓力波動(dòng)減小了大約50%，這個(gè)結(jié)果與樣褲穿著時(shí)內(nèi)側(cè)縫位置與大腿之間實(shí)際狀態(tài)有關(guān)，騎行姿勢下騎行褲側(cè)縫因?yàn)橐d部的拉力被拉向檔點(diǎn)，樣褲與大腿內(nèi)側(cè)中就不夠緊貼，氣囊傳感器對動(dòng)作的變化就不敏感，所以測量出來的壓力值偏??；L3點(diǎn)動(dòng)態(tài)壓力的波動(dòng)相對要小。該結(jié)果由以下兩個(gè)因素引起，首先大腿外側(cè)中的股外側(cè)肌活動(dòng)不顯著，此外，大腿外側(cè)的皮膚形變比大腿前中要小。

總結(jié)以上分析，在臀凸點(diǎn)(H1)和腹凸點(diǎn)(A1)主要影響因素是曲率與皮膚形變；對于大腿前中(L1)、大腿后中(L4)、股內(nèi)側(cè)肌末端(L5)和股外側(cè)肌末端(L6)動(dòng)態(tài)壓力與肌肉活動(dòng)有很大相關(guān)性(P<0.01)；而大腿內(nèi)側(cè)中(L2)和大腿外側(cè)中(L3)與肌肉活動(dòng)幾乎沒有關(guān)聯(lián)性。

2.3松量與動(dòng)態(tài)壓力關(guān)系

6條樣褲動(dòng)態(tài)壓力隨著松量遞減而增大(圖6)，對6條樣褲動(dòng)態(tài)壓力與樣褲松量的線性擬合分析，8個(gè)壓力測量點(diǎn)A1、H1、L1、L2、L3、L4、L5和L6的相關(guān)系數(shù)為0.93、0.98、0.99、1、0.98、1、1和0.99(P<0.05)。表明動(dòng)態(tài)壓力變化與松量變化是線性的，同時(shí)也側(cè)面反映針織高彈性面料在有效伸長率范圍內(nèi)，面料伸長量與壓力變化為線性相關(guān)性，為后續(xù)騎行褲紙樣設(shè)計(jì)確定了數(shù)學(xué)模型。

圖6　6條不同松量樣褲平均動(dòng)態(tài)壓力變化Fig.6　Average dynamic pressure change of six sample shorts with different ease allowance

3　結(jié)　論

本研究創(chuàng)新地采用Matlab三次樣條插值函數(shù)，把12個(gè)連續(xù)分解動(dòng)作靜態(tài)壓力值轉(zhuǎn)換為周期動(dòng)態(tài)壓力值，首次定性表征了騎行運(yùn)動(dòng)下肢8個(gè)壓力測量點(diǎn)的動(dòng)態(tài)壓力變化規(guī)律，得出了以下結(jié)論。

1)所有8個(gè)點(diǎn)的最大動(dòng)態(tài)壓力位于騎行的0°～30°姿勢，最大動(dòng)態(tài)壓力比標(biāo)準(zhǔn)站立姿勢下的壓力要大很多，因此研究連續(xù)騎行運(yùn)動(dòng)動(dòng)態(tài)壓力非常必要。8個(gè)壓力測量點(diǎn)中，6條樣褲平均動(dòng)態(tài)壓力隨松量線性減小而線性增大，人體不同部位的動(dòng)態(tài)壓力受不同因素影響。

2)對于目前市場騎行褲，壓力在舒適和安全范圍內(nèi)，可以繼續(xù)減小松量。但是后續(xù)各分區(qū)最合適壓力研究中，確定最合適的松量需要結(jié)合壓力對運(yùn)動(dòng)性能的作用進(jìn)一步研究。

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Research on dynamic pressure variation of lower limbs during cycling

LUO Shunhua1, 2, WANG Jianping1, SHI Hui1, CHEN Qi1, DU Yiying1, HE Hui1

(1. Fashion·Art Design Institute, Donghua University, Shanghai 200051, China; 2. School of Fashion Design, Shandong University of Art and Design, Ji’nan 250300, China)

The appropriate pressure is a key factor which influences athletic performance and comfort of close-fitting sportswear. To qualitatively analyze dynamic pressure change rule of lower limbs in the process of cycling, Matlab cubic spline interpolation method was originally introduced to transform static pressures of twelve consecutive cycling postures into dynamic pressure in cycling process. Data analysis shows the following conclusions. Maximum dynamic pressure at eight points is produced when pedal is at 0°～30°. Dynamic pressure fluctuation at four points (middle rectus femoris, middle biceps femoris, distal vastus medialis, and distal vastus lateralis) is significantly related to muscle activation. Dynamic pressure change range at convex point of hip and abdomen is small. Dynamic pressure at all positions linearly rises when ease allowance gradually reduces. The findings are helpful to propose reasonable ease allowance at different parts of close-fitting cycling shorts and to improve pressure comfort and motion performance.

dynamic press; lower limbs; close-fitting cycling shorts; cubic spline interpolation

10.3969/j.issn.1001-7003.2016.07.008

2016-01-29;

2016-06-01

上海市大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目(15T10710)

TS941.17

A

1001-7003(2016)07-0038-05引用頁碼: 071108