王康 李艷梅 王蓉

摘要： 為滿(mǎn)足服裝壓力測(cè)試的需要，并降低真人測(cè)試的實(shí)驗(yàn)成本，文章研制了一種柔性仿真腿模，該腿模仿照人體下肢的組織特征，其結(jié)構(gòu)分為骨骼層、肌肉層和皮膚層，各層均由硬度、彈性性能與真人相似的等效材料代替。腿模尺寸參照中國(guó)成人人體尺寸標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)3D打印模具，并利用聚氨酯發(fā)泡和硅膠分層澆筑而成。利用壓力傳感器對(duì)壓力襪進(jìn)行壓力測(cè)試，將腿模的壓力仿真結(jié)果與腿部尺寸相近的真人測(cè)試結(jié)果對(duì)比分析，柔性腿模各測(cè)試部位的壓力仿真效果接近真人，說(shuō)明該腿?？纱嬲嫒诉M(jìn)行服裝壓力性能測(cè)試。

關(guān)鍵詞： 壓力測(cè)試;人體仿真;3D打印;腿模;壓力襪

中圖分類(lèi)號(hào)： TS941.56;TS955.8 ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A ? 文章編號(hào)： 1001-7003（2019）04-0018-06 ? 引用頁(yè)碼： 041104

Abstract： In order to meet the needs of garment pressure test and reduce the experiment cost of human body test， a soft simulated leg model was invented. The leg model imitates tissue features of human lower limbs， and the structure includes bone layer， muscle layer and skin layer， and each layer is replaced by the equivalent materials similar to a human being in hardness and elasticity. The size of leg model was made through a 3D printing mold， polyurethane foam and silicone layered by reference to the human body size standard of Chinese adults. The pressure test was conducted for the compression socks with the pressure sensor. The pressure simulation result of the leg model was compared with the test result of human body with similar leg size. The pressure simulation effect of the soft leg model was close to the human body， so it can be used to replace the human body for the garment pressure test.

Key words： pressure test; human body simulation; 3D printing; leg model; compression socks

服裝壓力是評(píng)估緊身類(lèi)服裝舒適性、功能性和安全性的最重要指標(biāo)之一。不適當(dāng)?shù)募訅簳?huì)影響穿著者的機(jī)能、工作效率和健康。壓力不足會(huì)限制效率，并可能降低服裝的美學(xué)吸引力，而過(guò)大的壓力會(huì)導(dǎo)致心肺功能降低，并可能對(duì)健康造成嚴(yán)重?fù)p害。為了使壓力在緊身類(lèi)服裝中起到正面的效果，通過(guò)壓力測(cè)量系統(tǒng)測(cè)試織物在變形狀態(tài)下實(shí)際產(chǎn)生的壓力值是必不可少的?，F(xiàn)有研究在壓力測(cè)試方面多在真人身上測(cè)試，但是在真人測(cè)試存在以下問(wèn)題：其一，真人實(shí)驗(yàn)耗費(fèi)人力物力;其二，即使使用同一測(cè)試者，如果在不同時(shí)間進(jìn)行測(cè)量，人體狀態(tài)、尺寸也會(huì)有不確定的變化，影響測(cè)試結(jié)果[1]。為了解決這些問(wèn)題，Kirk等[2]提出利用拉普拉斯定律來(lái)預(yù)測(cè)膝關(guān)節(jié)支撐的壓力，該法則涉及紡織品拉伸性能和人體曲率;Macintyre等[3]使用不同曲率圓柱體進(jìn)行壓力預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)拉普拉斯定律顯著高估了在某些情況下實(shí)際施加的壓力。Zhang等[4]通過(guò)有限元模型，建立人體下肢3D模型來(lái)預(yù)測(cè)壓力襪的壓力分布，但是有限元建?；诤?jiǎn)化的幾何模型，并不能真實(shí)地模擬人體下肢的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。

目前研究人員已經(jīng)開(kāi)發(fā)了各種類(lèi)型的人體模型作為人體的替代品，特別是用于測(cè)量熱量和水分傳遞性質(zhì)的出汗暖體假人[5]，然而用于測(cè)量服裝壓力的人體模型的研究有限。畢研旬[6]等通過(guò)聚氨酯海綿、硅橡膠等材料制作了女性上肢軟體假人，可模仿人體不同姿勢(shì)，但其關(guān)節(jié)仍處于裸露狀態(tài)。Bolliger等[7]開(kāi)發(fā)了第一臺(tái)醫(yī)用襪子測(cè)試儀（MST），MST由木腿、薄塑料管、小型空氣泵和電壓傳感器組成，但在測(cè)試過(guò)程中仍存在許多問(wèn)題：如腿模各部位除圍度不同外，皆為圓筒狀，并不能很好地模擬人腿真實(shí)形態(tài)，此外木腿模型為硬質(zhì)材料，而人腿是柔性的，在壓力測(cè)試過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生很大差別。

針對(duì)以上問(wèn)題，本文主要解決腿部形態(tài)仿真問(wèn)題及柔性仿真問(wèn)題。對(duì)人體下肢進(jìn)行三維建模，構(gòu)建高仿真腿部模型，并測(cè)試不同規(guī)格的聚氨酯發(fā)泡材料與硅膠材料，選取與真人腿部壓力性能接近的材料組合用于柔性腿模的制作。

1 人體下肢的結(jié)構(gòu)分析

人體下肢作為一個(gè)多層次鞘狀局部主要可以分為兩層，即淺層結(jié)構(gòu)和深層結(jié)構(gòu)。淺層結(jié)構(gòu)主要包含皮膚和淺筋膜，其中淺筋膜的重要組成結(jié)構(gòu)有淺靜脈、淋巴管和皮神經(jīng)等[8]。深層結(jié)構(gòu)主要包含骨、肌肉、血管、神經(jīng)和深筋膜。制作的壓力測(cè)試用腿模重點(diǎn)在于模擬人體下肢的柔軟性，不考慮人體下肢中的筋膜、血管及神經(jīng)，將人體下肢簡(jiǎn)化為由四個(gè)部分組成，分別是骨、肌肉、皮下脂肪和皮膚，如圖1所示[9]。

骨骼在人體中主要對(duì)肌肉和皮膚起支撐作用，由于人體皮膚肌肉各部位分布不均，骨骼的存在會(huì)影響不同部位的柔軟性。因服裝壓力較小，不會(huì)對(duì)骨骼產(chǎn)生較大的沖擊力，不需要考慮骨骼內(nèi)部結(jié)構(gòu)，因此選用幾何穩(wěn)定性較高的PVC材料的仿真骨骼進(jìn)行模擬。本文直接購(gòu)買(mǎi)的人體等比例骨骼模型，其尺寸與標(biāo)準(zhǔn)成年人下肢尺寸接近，股骨長(zhǎng)44cm，脛骨長(zhǎng)35cm。

肌肉在人體下肢中不僅起著維持人體直立姿勢(shì)、負(fù)重和行走等至關(guān)重要的功能，其在下肢中所占的體積也是最大的，大腿及小腿處都有大量肌群。因肌肉組織屬于內(nèi)部結(jié)構(gòu)，對(duì)其表面性質(zhì)仿真要求不高，故采用彈性回復(fù)效果好且成本低的聚氨酯發(fā)泡材料進(jìn)行模擬。不同部位的肌肉層厚度存在很大差異，各部位肌肉厚度在0.233～4.048cm[10]。

皮膚包括表皮、真皮及皮下組織三部分。其中表皮層和真皮層的厚度變化較小，為0.5～4mm，而皮下組織由于不同性別、不同部位脂肪的堆積量不同，所以皮下脂肪層的厚度亦有不同，且變化程度較大。劉海晶[10]對(duì)成年女子身體各部位進(jìn)行了不同組織厚度的測(cè)試，所測(cè)部位的脂肪厚度在0.244～2366cm。其中接近骨骼位置點(diǎn)的平均脂肪厚度較小，約為0.3cm;脂肪容易堆積的部位平均脂肪厚度較大，均值在2cm左右。女性下肢脂肪蓄積的主要部位為大腿外側(cè)、大腿內(nèi)上部、大腿后側(cè)、膝內(nèi)側(cè)及小腿后側(cè)。因表皮厚度較小，制作工藝難度大，將皮膚與皮下脂肪組織統(tǒng)一定義為皮膚層，采用延展性好、表面性質(zhì)與皮膚接近的硅橡膠材料進(jìn)行模擬。

在腿模尺寸設(shè)計(jì)中以國(guó)標(biāo)XYB-6女性吊架下半身人臺(tái)尺碼為主要依據(jù)，下半身人臺(tái)尺碼表中給出大腿圍、小腿圍、膝蓋圍等尺寸，而各部位長(zhǎng)度并不明確，因此選擇GB10000—1988《中國(guó)成年人人體尺寸》作為補(bǔ)充參考。為使數(shù)據(jù)具有代表性，選擇了18～25歲年齡段50百分位女性下肢測(cè)量數(shù)據(jù)中的大腿長(zhǎng)、小腿長(zhǎng)尺寸數(shù)據(jù)，具體尺寸如表1所示，測(cè)量部位如圖2所示。

選擇與上述尺寸接近的青年女性腿部掃描圖像為基礎(chǔ)，使用Siemens NX 10.0軟件進(jìn)行人體腿部3D模型重建，保留腿部形態(tài)曲線，對(duì)關(guān)鍵部位進(jìn)行尺寸縮放，使其符合表1中的尺寸要求，并在此基礎(chǔ)上制作成型模具（圖3），用于3D打印。

2 柔性材料制備與測(cè)試

2.1 材料準(zhǔn)備

柔性腿模的肌肉層材料選擇自結(jié)皮和高回彈兩種聚氨酯發(fā)泡材料（表2）。自結(jié)皮發(fā)泡材料，由A（自結(jié)皮白料）、B（黑料）按照100 ︰ 43的比例配置，并通過(guò)攪拌使A、B料充分混合，靜置1min后發(fā)泡成型，體積膨脹3～4倍，彈性適中。高回彈制品，由A（高回彈白料）、B（黑料）按照100 ︰ 40的比例配置，通過(guò)攪拌充分混合A、B料，靜置2min即可成型，發(fā)泡倍率比自結(jié)皮產(chǎn)品發(fā)泡倍率高很多，為20倍，且彈性更大，更柔軟。

用于模擬皮膚層的硅橡膠材料選取的是三種不同硬度的雙組分加成型室溫硫化硅橡膠，使用前為無(wú)色或皮膚色油狀液體，硫化后即可成為柔軟的彈性材料。該硅橡膠收縮率較低，交聯(lián)過(guò)程中不放出低分子，故體積不變，收縮率小于0.1%，并且其流動(dòng)性非常好，容易灌注，同時(shí)不受制品的厚度限制，可以深度固化。使用時(shí)將A劑（不含催化劑）、B劑（含催化劑）兩組分按重量1 ︰ 1混合攪拌均勻，經(jīng)真空脫泡后即可澆灌，室溫25℃，2～3h即可完全固化;加熱60～120℃，可在數(shù)10min內(nèi)完全固化，在使用過(guò)程中要避免與含N、S、P、Sn等元素的化合物接觸[11]。

為了更好地反映整體的仿真效果，將硅橡膠與聚氨酯發(fā)泡組合疊放進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試前準(zhǔn)備如表3所示試件，共6種組合。因大腿部位所占區(qū)域較大，故仿真材料測(cè)試方案將大腿區(qū)域作為主要對(duì)比部位，參照人體皮膚層、肌肉層平均厚度，將上層疊放2cm厚硅橡膠作為皮膚層，下層疊放3cm聚氨酯發(fā)泡作為肌肉層，并將試件制作成5cm×5cm方塊用于測(cè)試[12]。

2.2 壓縮回彈性測(cè)試

2.2.1 測(cè)試設(shè)備

自制一種由FlexiforceA201型壓力傳感器、LabVIEW壓力測(cè)試系統(tǒng)及游標(biāo)卡尺等組成的簡(jiǎn)易裝置[13-14]，用于評(píng)價(jià)材料的壓縮回彈性能，如圖4所示。

2.2.2 測(cè)試方法

測(cè)試前對(duì)傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)，確保測(cè)試結(jié)果的精度[15]。首先將試件通過(guò)雙面膠固定在兩片方形玻璃片中間，然后將傳感器置于游標(biāo)卡尺的外測(cè)量爪并且經(jīng)由雙面膠固定。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，手動(dòng)緩慢推移游標(biāo)對(duì)試件進(jìn)行壓縮，每移動(dòng)0.5mm靜止10s記錄壓力值，直到壓縮到設(shè)定的壓縮量為止，設(shè)定最大壓縮量為5mm。重復(fù)測(cè)試5次，求平均值。

2.2.3 人體皮膚壓縮回彈性測(cè)試

由于人體皮膚的壓縮回彈性無(wú)法取樣測(cè)試，因此設(shè)計(jì)另一套原理相同的測(cè)試裝置進(jìn)行人體皮膚壓縮回彈性測(cè)試，裝置中的游標(biāo)卡尺可以上下移動(dòng)，用于測(cè)試不同部位，同時(shí)可以前后移動(dòng)用于讀取位移量，如圖5所示。測(cè)試過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)者站在游標(biāo)卡尺探頭前方，保持靜立，不可前后晃動(dòng)，游標(biāo)卡尺探頭和人體測(cè)試部位之間放置壓力傳感器，用于測(cè)量不同壓縮量的壓力值。本次實(shí)驗(yàn)對(duì)象為5名身高155～165cm，體重50kg左右的青年女性。

2.3 結(jié)果與分析

整理后的數(shù)據(jù)如表4所示。由于人體各部位肌肉和脂肪厚度分布不同，以及受骨骼的影響，各部位的壓縮回彈性能差異較大，因此在與仿真材料進(jìn)行對(duì)比分析時(shí)，將皮膚層、肌肉層組織厚度分布與試件相似的大腿部位作為主要評(píng)價(jià)依據(jù)，其他部位作為參考值，標(biāo)示出壓力范圍，如圖6陰影所示。

對(duì)各組試件的測(cè)試結(jié)果統(tǒng)計(jì)取平均值，從圖6所示壓縮回彈性曲線可以看出，組合S1與組合S3的壓力變化范圍與人體相似度較高。但試樣厚度固定，無(wú)法與腿部各部位匹配，選擇與試樣厚度相似的大腿部位作為主要參考值，因此在模型制備時(shí)，最終選擇與大腿部位壓縮過(guò)程壓力變化曲線更接近的S1組合，即采用硅膠A模擬皮膚層組織，用高回彈發(fā)泡模擬肌肉層組織，使仿真效果最優(yōu)化。

3 模型制作與仿真性能分析

3.1 模型制作

通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)得到了高回彈發(fā)泡與硅膠A可以較好地模擬人體肌肉皮膚的彈性效果。在腿模制備過(guò)程中，由于人體下肢皮膚層厚度分布不均，模型制作工藝難度較大，本文根據(jù)人體下肢皮膚層厚度分布[8]，結(jié)合人體下肢剖面圖，在不同部位填充0.3～2cm的油泥作為臨時(shí)填充層（圖7），使各部位厚度與人體皮膚層厚度相似。然后將仿真骨骼固定于相對(duì)位置上，將高回彈發(fā)泡A、B料混合均勻澆注其中，進(jìn)行肌肉層制作，成型效果如圖8所示。

待肌肉層高回彈發(fā)泡冷卻成型后取下油泥層，將硅膠A的A、B料充分混合，經(jīng)過(guò)抽真空處理，去除氣泡后，進(jìn)行皮膚層澆筑，2～3h后硫化成型，最終成型效果如圖9所示。

3.2 仿真性能分析

為驗(yàn)證仿真腿模的壓力仿真效果，選取M號(hào)一級(jí)醫(yī)用壓力襪作為測(cè)試材料，分別在真人與腿模上進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試部位參照醫(yī)療行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YY/T0853—2011《醫(yī)用靜脈曲張壓縮襪》中壓力分布測(cè)試位置（圖10），本文選取F、E、C、B1、B五個(gè)測(cè)試點(diǎn)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。

從圖11可以看出，F(xiàn)點(diǎn)到B點(diǎn)壓力呈遞增趨勢(shì)，真人測(cè)試結(jié)果與腿模測(cè)試結(jié)果保持一致，符合壓力襪壓力分布規(guī)律。人體各測(cè)試部位與腿模測(cè)試部位的最大壓力誤差保持在0.6kPa以?xún)?nèi)。由于個(gè)體差異，這是不可避免的，但并不影響壓力襪壓力分布的評(píng)價(jià)。

4 結(jié) 論

本文以中國(guó)成人人體尺寸標(biāo)準(zhǔn)及標(biāo)準(zhǔn)人臺(tái)尺寸為依據(jù)，利用三維建模及3D打印技術(shù)，建立仿照人腿真實(shí)曲線結(jié)構(gòu)的腿部模型，并對(duì)柔性仿真材料進(jìn)行仿真性能測(cè)試。根據(jù)人體皮膚、肌肉分布，在不同部位澆注相應(yīng)厚度的聚氨酯發(fā)泡作為肌肉填充、硅橡膠作為皮膚層填充。通過(guò)壓力襪壓力分布測(cè)試，驗(yàn)證了該柔性腿模的壓力仿真效果，可以用于代替真人進(jìn)行服裝壓力測(cè)試，具有一定的推廣意義。

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