田友如

摘? 要：該研究的主要目的是初步嘗試?yán)萌S動態(tài)捕捉系統(tǒng)，模擬在下蹲過程中膝關(guān)節(jié)處所受到的最大服裝壓力值。選取1名健康跑步愛好者以及7條不同彈性的運(yùn)動褲以及相對應(yīng)的拉力測試布料。采用英斯特朗拉力測試機(jī)來測量布料拉伸長度和拉伸力量之間的關(guān)系。采用Vicon動態(tài)捕捉系統(tǒng)采集下蹲過程中，貼于膝關(guān)節(jié)位置處的反光點(diǎn)在空間中的三維坐標(biāo)信息。通過有限元分析預(yù)測7條不同彈性的運(yùn)動褲與膝關(guān)節(jié)之間的服裝壓力峰值。因此，利用該種方法可以有效地預(yù)測出特定部位的服裝壓力。

關(guān)鍵詞：三維動態(tài)捕捉系統(tǒng);服裝壓力;壓力分布;有限元分析

中圖分類號：TP391? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

在評價(jià)服裝舒適性時(shí)，服裝壓力常被作為一個(gè)重要的指標(biāo)。服裝壓力受多種因素共同影響，包括人體因素、服裝因素和著裝時(shí)間的影響[1]。例如，當(dāng)人體進(jìn)行關(guān)節(jié)活動度變化較大的屈伸運(yùn)動時(shí)，使得局部體表的曲率增加，從而影響該部位的壓力狀態(tài)[2]，最終導(dǎo)致人體穿著舒適性下降[3]。此外，服裝材料本身有著不同的力學(xué)特性以及款式結(jié)構(gòu)。相同款式和結(jié)構(gòu)的服裝，當(dāng)材料的彈性模量和拉伸伸長率越小時(shí)，其彈性回復(fù)性能越好，服裝對身體產(chǎn)生的壓力就越小[4]。

根據(jù)先前的方法，服裝壓力的測試方法主要基于壓力測試系統(tǒng)[5]、壓力分布理論預(yù)測模型[6-7]和深度學(xué)習(xí)[8]等。雖然近年來柔性壓力傳感器得到了不斷發(fā)展，但是利用壓力測試系統(tǒng)進(jìn)行測量仍舊會受到人體運(yùn)動姿勢以及傳感器固定方法的影響，使得傳感器在測試過程中發(fā)生位移，從而影響測試的準(zhǔn)確性。利用壓力分布理論模型進(jìn)行估算時(shí)，會涉及多方面的參數(shù)，包括面料的拉伸性能、服裝的伸長率、面料的縱橫比等[1]。此外，有些模型需要將人體視為剛體進(jìn)行計(jì)算，而有些模型則是將人體視為彈性體[1]。最后，深度學(xué)習(xí)方法雖然可以通過人體某一關(guān)鍵部位的壓力信息，預(yù)測出其他關(guān)鍵部位的壓力信息，但是其仍會受到計(jì)算模型和學(xué)習(xí)樣本量的限制。因此服裝壓力預(yù)測的方法和穿著舒適性的研究，仍然值得進(jìn)一步探討。

從理論上講，服裝壓力是服裝和人體共同作用的結(jié)果。因此，無法脫離人體運(yùn)動特征討論服裝壓力，尤其是運(yùn)動服裝。其舒適性可能會直接影響運(yùn)動人群的運(yùn)動表現(xiàn)和運(yùn)動損傷的風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)先前的研究，對人體特征、面料的彈性模量、拉伸性能進(jìn)行有限元建模，最后計(jì)算出彈性運(yùn)動背心對人體造成的壓力。此外，也有研究利用三維人體模型來計(jì)算不同部位的服裝壓力。但是，這些研究都忽視了人體運(yùn)動是一個(gè)動態(tài)的過程。

三維動態(tài)捕捉系統(tǒng)常被應(yīng)用在動畫和運(yùn)動生物力學(xué)領(lǐng)域。該設(shè)備可以捕捉三維空間中反光小球的坐標(biāo)信息，并且其精度可達(dá)到0.01 mm。綜上所述，該研究的主要目的是初步嘗試?yán)萌S動態(tài)捕捉系統(tǒng)，模擬在下蹲過程中膝關(guān)節(jié)處所受到的最大服裝壓力值。從而為運(yùn)動裝備的設(shè)計(jì)和改善提供科學(xué)的建議。

1 研究對象和方法

1.1 研究對象

該研究選取1名（身高：175 cm，體重：67 kg）體態(tài)勻稱有長期運(yùn)動習(xí)慣的跑步愛好者試穿所有運(yùn)動褲，并完成相應(yīng)的測試動作。此外，選取7種不同彈性布料制成的運(yùn)動褲，其尺寸以受試者的實(shí)際測量數(shù)值為依據(jù)，所有運(yùn)動褲采用統(tǒng)一版型，并由同一個(gè)人完成開版和針車制作。其分別為瘦身布運(yùn)動褲、20S棉平紋運(yùn)動褲、錦棉打雞布運(yùn)動褲、50D滌綸平紋運(yùn)動褲、滌氨健康布運(yùn)動褲、75D緯捻四面彈運(yùn)動褲、32S棉彈力斜紋運(yùn)動褲。同時(shí)，對于所有選取的布料準(zhǔn)備符合拉力測試規(guī)格（25 cm×5 cm）的徑向和緯向的布條各3條，且保證裁剪出來的材料邊緣整齊，同時(shí)包含形同的絲線（如圖1所示）。上述所選彈性面料均為運(yùn)動褲常用原料。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

1.2.1 拉力測試儀

美國英斯特朗拉力測試機(jī)被用來測量布料拉伸長度和拉伸力量之間的關(guān)系（如圖2所示）。測試標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)紡織品織物拉伸性能的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)（GB/T3923.1—2013），采樣頻率設(shè)置為100 Hz。

1.2.2 三維動態(tài)捕捉系統(tǒng)

英國Vicon公司生產(chǎn)的三維動態(tài)捕捉系統(tǒng)用來采集下蹲過程中，貼于膝關(guān)節(jié)位置處的反光點(diǎn)在空間中的三維坐標(biāo)信息，采樣頻率為100 Hz。反光點(diǎn)（直徑為0.5 cm）成7×7的正方形矩陣，每個(gè)點(diǎn)之間的距離為1.5 cm。該反光點(diǎn)矩陣通過熱壓工藝轉(zhuǎn)引至運(yùn)動褲右腿膝關(guān)節(jié)位置。根據(jù)受試者的實(shí)際情況，運(yùn)動褲最上沿距離最上端反光點(diǎn)的位置為50 cm，運(yùn)動褲最下沿距離最下端反光點(diǎn)的位置為59 cm （如圖3所示）。

1.3 測試方法和評價(jià)參數(shù)

1.3.1 拉力測試方法

拉力測試在恒溫恒濕（溫度：20 ℃，濕度：65%）的標(biāo)準(zhǔn)大氣環(huán)境中進(jìn)行。所有測試由同一名實(shí)驗(yàn)人員按照GB/T 3923.1—2013進(jìn)行操作測試。每一布料經(jīng)緯向各采集3次有效數(shù)據(jù)。所有數(shù)據(jù)保存為Excel文件用以后續(xù)計(jì)算。

1.3.2 下蹲測試

受試者隨機(jī)穿著7條不同的運(yùn)動褲，按照要求完成下蹲動作。要求受試者從直立位置開始直到下蹲至所能達(dá)到的最低位置并保持3 s時(shí)間，采集這一過程中反光點(diǎn)三維空間的位置變化。

1.3.3 評價(jià)參數(shù)

拉力測試機(jī)測得的數(shù)據(jù)，取拉伸長度為0 mm～80 mm所對應(yīng)的拉力。三維動態(tài)捕捉數(shù)據(jù)取受試者下蹲值最低位置時(shí)，反光點(diǎn)的三維位置坐標(biāo)（如圖4所示）。利用犀牛軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行有限元分析，計(jì)算出不同位置所產(chǎn)生的服裝壓力。事實(shí)上，主要是利用拉力數(shù)據(jù)和三維位置坐標(biāo)數(shù)據(jù)計(jì)算實(shí)際情況下的經(jīng)向分力、緯向分力和合力。經(jīng)向分力公式為：經(jīng)向張力×曲面半徑。緯向分力公式為：緯向張力×曲面半徑。合力公式為。

2 結(jié)果和討論

表1和圖5說明了不同彈性面料運(yùn)動褲峰值服裝壓力和峰值服裝壓力位置的分布情況?？梢杂^察到大部分材料的峰值服裝壓力出現(xiàn)在股骨內(nèi)上髁，其可能的原因是當(dāng)下蹲到最低位置時(shí)，股骨內(nèi)上髁處褲子最易發(fā)生褶皺，從而增加褲子的曲面半徑，使得該處所受的壓力呈最大值。此外，由于75D緯捻四面彈運(yùn)動褲在下蹲到最低位置時(shí)，與身體完全貼合，因此在髕骨平面處曲面半徑最大，所以最大值出現(xiàn)在該處。

利用三維動態(tài)捕捉系統(tǒng)能夠有效和快速的構(gòu)建出人體運(yùn)動時(shí)，服裝在特定位置時(shí)發(fā)生的形變。先前依據(jù)三維人體模型的有限元法，主要是根據(jù)人體測量學(xué)的參數(shù)，通過計(jì)算機(jī)模擬預(yù)測彈性服裝和人體接觸時(shí)的壓力分布[7]。Li等人[7]在預(yù)測胸部服裝壓力時(shí)，使用了一種混合模型的新技術(shù)（將胸部視為彈性體、將軀干視為剛體），該方法雖然能夠有效預(yù)測人體胸部和內(nèi)衣之間的動態(tài)接觸壓力，但是這種方法顯然不適用于其他身體部位。事實(shí)上，當(dāng)人體運(yùn)動時(shí)下肢關(guān)節(jié)的活動度遠(yuǎn)大于胸部位置的活動情況。此外，也有研究證明了使用儀器測量和有限元預(yù)測分析得到的壓力分布數(shù)值的最大值之間的誤差為7%。同樣的有限元分析是基于三維人體模型，這種人體模型常將人體作為剛體來分析，因此會對最后預(yù)測的結(jié)果造成一定的誤差。相比之下，通過三維動態(tài)捕捉系統(tǒng)，可以測得人體在運(yùn)動時(shí)，特定身體部位對服裝造成的變化情況，通過計(jì)算可以直接得到材料的曲面半徑，根據(jù)測得的材料拉伸變化率和拉伸力之間的關(guān)系，通過有限元模型計(jì)算出不同位置的服裝壓力值。另一方面，也有學(xué)者通過假人模型和傳感器技術(shù)直接測量服裝壓力。其設(shè)計(jì)了一款內(nèi)層為剛體，表面微彈性體，并且在人體重要部位放置有8個(gè)壓力傳感器，同時(shí)可以在水平面方向上有5 cm的移動范圍。但是該假人模型仍存在不足，其不能完成一系列連續(xù)的人體動作，且只能在固定平面內(nèi)做微小的運(yùn)動。

該研究的主要局限性是利用三維動態(tài)捕捉技術(shù)去采集反光點(diǎn)的三維空間坐標(biāo)時(shí)，受反光點(diǎn)的直徑和間隔的影響較大，并且只有在采集較大關(guān)節(jié)矢狀面上的運(yùn)動時(shí)，才能較好地保證數(shù)據(jù)的質(zhì)量。由于深度學(xué)習(xí)理論的發(fā)展，其可以通過某一關(guān)鍵部位的壓力信息，預(yù)測出其他關(guān)鍵部位的壓力信息。因此，在未來的研究中，需要將三維動態(tài)捕捉技術(shù)和深度學(xué)習(xí)技術(shù)相結(jié)合，來幫助研究人員更好地預(yù)測服裝壓力。

3 結(jié)論

該文提出了一種探索性的方法來解決人體穿著運(yùn)動裝備進(jìn)行特定運(yùn)動時(shí)，身體某一部位的服裝壓力信息。在該文的實(shí)驗(yàn)中，利用拉力傳感器直接測得布料拉伸率和拉伸力之間的關(guān)系，同時(shí)利用三維動態(tài)捕捉系統(tǒng)測得在下蹲時(shí)，膝關(guān)節(jié)運(yùn)動褲的形變情況，從而獲得運(yùn)動褲表面的曲率半徑。利用此種方法可以輕易地計(jì)算出特定部位的服裝壓力。其可以通過科學(xué)的數(shù)據(jù)判斷運(yùn)動裝備的舒適性并且可以為運(yùn)動裝備設(shè)計(jì)師提出相關(guān)的建議，用來改進(jìn)設(shè)計(jì)中存在的不合理的結(jié)構(gòu)。

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