基于跑步運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的皮膚拉伸研究

王燕珍，王建萍，張燕，吳廷雅

(1.東華大學(xué)服裝·藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院，上海 201620;2.上海工程技術(shù)大學(xué)服裝學(xué)院，上海 201620)

運(yùn)動(dòng)是人的天性，跑步已經(jīng)悄然成為最受人們歡迎的健身運(yùn)動(dòng)之一［1－2］。人體在跑步過(guò)程中的姿勢(shì)變化是通過(guò)上下肢骨骼關(guān)節(jié)位置變化，肌肉收縮形變及上下肢皮膚拉伸共同作用的結(jié)果［3］。人體的整體骨骼結(jié)構(gòu)由各種具有不同活動(dòng)范圍和方向的關(guān)節(jié)連接而成，通過(guò)骨骼關(guān)節(jié)、肌肉膨縮、伸縮等變化，在人體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中皮膚在不同部位產(chǎn)生不均一的伸縮。人體關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生人體不同部位皮膚橫向和縱向的拉伸，皮膚拉伸量的變化可以指導(dǎo)服裝造型及松量的變化［4－5］。

目前，國(guó)外學(xué)者對(duì)于人體的動(dòng)態(tài)皮膚形變研究較多。1980年，在奧地利召開(kāi)的第十九屆國(guó)際化纖會(huì)議上公布了運(yùn)動(dòng)過(guò)程中皮膚表面拉伸率，其中的關(guān)于人體關(guān)節(jié)部位的數(shù)據(jù)對(duì)于服裝松量及不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下如何考慮服裝結(jié)構(gòu)的變化有重要的參考價(jià)值［6］。日本的田中道一［7］得出了年齡不同，人體皮膚受到相同的拉伸應(yīng)力時(shí)伸長(zhǎng)率是不同的。柳尺澄子［8］定量分析各種運(yùn)動(dòng)變化對(duì)服裝的具體要求。甘應(yīng)進(jìn)等［9］用服裝剪切法分別對(duì)上下肢運(yùn)動(dòng)與服裝的關(guān)系分析研究。王偉平［10］針對(duì)日常動(dòng)作采用描線法對(duì)下體皮膚動(dòng)態(tài)進(jìn)行測(cè)量實(shí)驗(yàn)，研究職業(yè)女性貼體褲的結(jié)構(gòu)。胡曉俐［11］用石膏法對(duì)女子腰臀部的運(yùn)動(dòng)變化進(jìn)行研究;周捷［12］以動(dòng)態(tài)皮膚拉伸實(shí)驗(yàn)為出發(fā)點(diǎn)，分析了人體動(dòng)態(tài)松量的設(shè)置。國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究主要以人體靜態(tài)直立姿勢(shì)為基準(zhǔn)，運(yùn)用未拉伸線法、體表畫(huà)線法、石膏帶法和捺印法等實(shí)驗(yàn)方法測(cè)量皮膚的伸縮變化情況，探討由人體運(yùn)動(dòng)引起的皮膚變形，但并沒(méi)有針對(duì)某一運(yùn)動(dòng)姿勢(shì)進(jìn)行測(cè)量，而且采用手工測(cè)量的方式，誤差較大。

本文在跑步循環(huán)運(yùn)動(dòng)動(dòng)作分解基礎(chǔ)上，利用ScanWorkX系統(tǒng)進(jìn)行三維掃描，通過(guò)VITUS SMART系統(tǒng)全方位獲取皮膚拉伸數(shù)據(jù)，研究女子人體下肢皮膚拉伸變化。首先擬定跑步循環(huán)動(dòng)作分解及體表表示點(diǎn)，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，對(duì)獲取的縱橫向數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，獲得跑步運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下女子下肢皮膚拉伸規(guī)律。

1 跑步循環(huán)動(dòng)作分解

1.1 跑步循環(huán)運(yùn)動(dòng)分析

跑步是一種關(guān)節(jié)和肌群反復(fù)活動(dòng)的全身性有氧運(yùn)動(dòng)。跑步是一個(gè)周期性活動(dòng)，包括后蹬、前擺、騰空、著地緩沖等動(dòng)作。

1)后蹬與前擺階段:這一階段擺動(dòng)腿的大腿與水平面約成20°～30°;支撐腿在擺動(dòng)腿積極前擺的配合下快速有力地伸展髖、膝、踝關(guān)節(jié)，與垂直線角度為 20°。

2)騰空階段:當(dāng)支撐腿結(jié)束后蹬進(jìn)入騰空階段時(shí)，與垂直線成20°～30°。與此同時(shí)，擺動(dòng)腿膝關(guān)節(jié)放松，小腿隨擺動(dòng)下壓準(zhǔn)備著地。

3)著地緩沖階段:當(dāng)擺動(dòng)腿的前腳掌著地時(shí)，腿部各關(guān)節(jié)開(kāi)始緩沖，身體主動(dòng)用力來(lái)加速身體重心的前移，然后轉(zhuǎn)入后蹬。

通過(guò)跑步循環(huán)動(dòng)作分解，為了實(shí)驗(yàn)可操作性，以人體左腿作為測(cè)試對(duì)象，根據(jù)腿部擺動(dòng)的最大和最小幅度，取其中的3個(gè)動(dòng)作(如圖1所示的實(shí)驗(yàn)動(dòng)作分解):動(dòng)作一，左腿前邁至最大;動(dòng)作二，左腿落地半屈;動(dòng)作三，左腿后擺至最大。

1.2 實(shí)驗(yàn)動(dòng)作線性表示

圖1 實(shí)驗(yàn)動(dòng)作分解Fig.1 Test action decomposition.(a)Action one;(b)Action two;(c)Action three

圖2 線性表示圖Fig.2 Action linear representation.(a)Action one;(b)Action two;(c)Action three

為了規(guī)范試驗(yàn)中動(dòng)作的規(guī)范性，將圖1中3個(gè)跑步分解動(dòng)作做線性描述處理，圖2為線性表示圖。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，腿放置于與圖2所示高度相同的踏臺(tái)上，利用量角尺逐個(gè)確定測(cè)體時(shí)身體的前傾角度和擺腿角度。

2 下肢實(shí)驗(yàn)表示點(diǎn)確定

為了在VITUSSMART系統(tǒng)中能夠獲取皮膚拉伸數(shù)據(jù)，需要確定體表標(biāo)示點(diǎn)位置，圖3示出下肢表描線及標(biāo)志點(diǎn)位置。

橫向基準(zhǔn)線:腰圍線 b1-a1-e1-d1、中臀圍線b2-a2-e2-d2(實(shí)際測(cè)量時(shí)跳過(guò)了這個(gè)圍度的標(biāo)志點(diǎn))、臀圍線 b3-a3-e3-d3、臀溝線b4-a4-e4-d4(實(shí)際測(cè)量跳過(guò))、大腿圍a5-b5-c5、膝圍上線(大腿圍與膝圍線中點(diǎn))a6-b6-c6、膝圍線a7-b7-c7、膝圍下線(小腿最大圍)a8-b8-c8。

縱向線基準(zhǔn)線:外側(cè)縫a、前中 b、內(nèi)側(cè)縫c、后三等分線(靠近內(nèi)側(cè)縫)d、后三等分線(靠近外側(cè)縫)e。

3 實(shí)驗(yàn)步驟

3.1 實(shí)驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)地點(diǎn):上海工程技術(shù)大學(xué)側(cè)體實(shí)驗(yàn)室。

圖3 下肢體表描線及標(biāo)識(shí)點(diǎn)位置Fig.3 Lower limb described line and identifisation point positions.(a)Front;(b)Side;(c)Back

實(shí)驗(yàn)人員:協(xié)助測(cè)體及主觀評(píng)價(jià)記錄人員3名、實(shí)驗(yàn)協(xié)調(diào)人員1名(指導(dǎo)測(cè)試者調(diào)整姿勢(shì))、儀器操作1名。

實(shí)驗(yàn)方法:三維掃描捕捉。

實(shí)驗(yàn)儀器:SanWORKX三維掃描系統(tǒng)、溫濕度測(cè)量?jī)x、馬丁測(cè)量?jī)x、標(biāo)志點(diǎn)、標(biāo)志線。

測(cè)量原理:SanWORKX三維掃描系統(tǒng)主要由4臺(tái)掃描儀組成。應(yīng)用掃描系統(tǒng)的掃描人體體表變化，并利用分析軟件輸出人體標(biāo)示點(diǎn)間分析結(jié)果。

實(shí)驗(yàn)對(duì)象:選擇50名身高在155～165 cm的女性作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象。

3.2 實(shí)驗(yàn)步驟

實(shí)驗(yàn)對(duì)象在下半身穿著緊身短褲，上半身穿著內(nèi)衣的穿著狀態(tài)進(jìn)行實(shí)驗(yàn);在實(shí)驗(yàn)對(duì)象下半身按規(guī)定在貼上標(biāo)示帶，找到標(biāo)志點(diǎn)位置，測(cè)量靜止時(shí)標(biāo)志點(diǎn)的縱橫向數(shù)據(jù);將按動(dòng)作一通過(guò)量角尺調(diào)整人體姿勢(shì)，進(jìn)行20 s的熟悉階段后開(kāi)始掃描數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)記錄;然后依次按動(dòng)作二、動(dòng)作三進(jìn)行數(shù)據(jù)掃描;圖4所示為實(shí)驗(yàn)動(dòng)作掃描圖。

圖4 實(shí)驗(yàn)側(cè)體圖Fig.4 Experimental actions scans.(a)Running stride;(b)Fall;(c)Backswing

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲取和分析

4.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲取

4.1.1 橫向測(cè)量數(shù)據(jù)獲取

在人體不同的動(dòng)態(tài)下(直立、前邁、半屈、后擺)，使用VITUSSMART三維掃描系統(tǒng)中的截面工具，截取每個(gè)動(dòng)作下的 a5-b5-c5(大腿圍)、a6-b6-c6(膝上圍)、a7-b7-c7(膝圍)和 a8-b8-c8(小腿圍)橫截面，并量取每段的圍度，記錄相應(yīng)的數(shù)值。圖5為橫向界面示意圖。

4.1.2 縱向測(cè)量數(shù)據(jù)獲取

在3種動(dòng)作下，使用VITUSSMART三維掃描系統(tǒng)中的線段工具，依次量得縱向標(biāo)識(shí)點(diǎn)區(qū)間距離，同時(shí)計(jì)算連讀的整段線段長(zhǎng)度(如表1)。圖6為腿部正背面皮膚測(cè)量示意圖。

圖5 腿部橫向截面位置和截面示意圖Fig.5 Legs horizontal cross-section location and diagram.(a)Legs horizontal cross-section location;(b)Cross-section diagram

表1 體表縱向標(biāo)示點(diǎn)間皮膚數(shù)據(jù)記錄表Tab.1 Vertical point recording sheet

圖6 腿部正背面肌肉弧線的測(cè)量示意圖Fig.6 Leg front and back muscles arc measurement picture

4.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

4.2.1 皮膚拉伸率

人體動(dòng)靜態(tài)體表皮膚形變拉伸率K的計(jì)算方法如下:

式中:a為人體靜態(tài)(直立)時(shí)的體表點(diǎn)位長(zhǎng)度;b為人體動(dòng)態(tài)(腿部前邁、落地、后擺)時(shí)的體表點(diǎn)位間長(zhǎng)度;K的計(jì)算值精確到小數(shù)點(diǎn)后2位［12］。

4.2.2 橫向皮膚拉伸率分析

通過(guò)Scanworkx系統(tǒng)獲取數(shù)據(jù)，利用式(1)獲得各個(gè)部位的皮膚拉伸率，計(jì)算橫向皮膚拉伸率的均值。圖7為橫向皮膚拉伸率折線圖。

圖7 橫向皮膚拉伸率折線圖Fig.7 Horizontal skin stretching rate of line chart

從圖7可看出大腿圍、膝上圍和小腿圍的橫向拉伸變化率都在±5%以內(nèi)，圍度變化不是很明顯。但是同時(shí)可以看到a7-b7-c7膝圍的變化率明顯要比其他3個(gè)圍度要大，在后擺時(shí)達(dá)到7.15%。在整個(gè)跑步運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，大腿圍始終是處于收縮狀態(tài)，膝上圍在腿部落地緩沖到自然后擺這個(gè)過(guò)程中也處于收縮狀態(tài)，通過(guò)數(shù)據(jù)可以看到，在落地時(shí)，膝上圍皮膚收縮了－3.02%，到后擺時(shí)，收縮幅度變小，為－0.72%，在落地到后擺這個(gè)過(guò)程，腿部的肌肉是從緊繃狀態(tài)到自然舒張狀態(tài)的過(guò)程，所以體表皮膚拉伸率呈一個(gè)遞減趨勢(shì)，說(shuō)明體表皮膚的拉伸形變很大程度上是跟隨著肌肉的舒張。

4.2.3 縱向皮膚拉伸率分析

利用式(1)獲得各個(gè)部位的皮膚拉伸率，計(jì)算縱向皮膚拉伸率的均值。圖8示出縱向皮膚拉伸率折線圖。從圖可看出腿部前邁時(shí)，大腿外側(cè)和前中區(qū)域的皮膚都呈收縮狀態(tài)，但由于膝蓋彎曲，導(dǎo)致前中膝圍上下區(qū)域的皮膚發(fā)生較大的拉伸形變，最大拉伸率達(dá)到38.39%。腿部?jī)?nèi)側(cè)和背面中上部位都是表現(xiàn)出明顯的拉伸形變，但膝上圍線以下部位，又都統(tǒng)一的表現(xiàn)出收縮形變。腿部落地緩沖時(shí)，整個(gè)腿部皮膚的變化規(guī)律仍然跟隨前邁狀態(tài)時(shí)的形變情況，但同比的變化幅度有所減小。腿部后擺時(shí)，大腿內(nèi)側(cè)皮膚呈收縮狀態(tài)，外側(cè)皮膚拉伸，腰胯部位較為明顯，中下部位不明顯，但膝蓋外側(cè)區(qū)域的皮膚拉伸量特別大，靠近內(nèi)縫區(qū)域拉伸較少或呈收縮狀態(tài)。腿部背面靠近臀部區(qū)域的皮膚收縮，且臀圍區(qū)域比腿部區(qū)域收縮更明顯，靠近腿外側(cè)和跨部的區(qū)域呈拉伸狀態(tài)，外側(cè)縫尤為明顯，近外縫區(qū)域(e區(qū)域)拉伸相對(duì)較小。

圖8 縱向皮膚拉伸率(區(qū)間長(zhǎng)度)折線圖Fig.8 Vertical skin stretch rate(interval length)line chart

5 結(jié)論

通過(guò)跑步運(yùn)動(dòng)分解后進(jìn)行的皮膚拉伸實(shí)驗(yàn)可得，針對(duì)同一個(gè)跑步動(dòng)作，腿部各個(gè)區(qū)域的皮膚拉伸率是不同的，主要集中在大腿外側(cè)和膝蓋區(qū)域，綜合考慮3個(gè)動(dòng)作對(duì)腿部皮膚拉伸形變的影響，前邁和后擺對(duì)腿部皮膚造成的形變雖然方向不同，但對(duì)比觀察其拉伸變化幅度還是比較相近的。而且膝蓋部位始終是一個(gè)變化率從質(zhì)變和量變都比較大的區(qū)域。

［1］ COZA A，NIGG B M.Compression apparel effects on soft tissue vibrations［C］//University Michigan.Ann Arbor，USA:2008.

［2］ 傅維杰，劉宇，魏書(shū)濤，等.緊身裝備在體育科學(xué)領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀與展望［J］.中國(guó)體育科技，2011，47(2):114－120.FU Weijie，LIU Yu，WEI Shutao.Research advancements and prospects of compression equipment in sports science［J］.China Sprot Science and Technology，2011，47(2):114 －120.

［3］ 李曉慧.功能性運(yùn)動(dòng)服裝的前景研究［J］.北京體育大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，28(3):426 －427.LIXiaohui.Perspective on functional sports suits［J］.Journal of Beijing Sport University，2005，28(3):426 －427.

［4］ 楊樂(lè).現(xiàn)代大學(xué)體育教程［M］.北京:北京體育大學(xué)出版社，2007:83－85.YANG Le.The Modern University Sports Curriculum［M］.Beijing:Beijing Sport University Press，2007:83－85.

［5］ 海倫·約瑟夫-阿姆斯特朗.美國(guó)時(shí)裝樣板設(shè)計(jì)與制作教程［M］.北京:中國(guó)紡織出版社，2011.ARMSTRONG Helen Joseph.Patternmaking for Fashion Design［M］.Beijing:China Textile＆ Apparel Press，2011.

［6］ 荒谷善夫.彈力衣料.國(guó)外紡織技術(shù)［J］.1983(14):34－37.DROUGHT Gushanfu. Elastic fabric［J］. Textile Technology Overseas，1983(14):34 －37.

［7］ 田中道一.運(yùn)動(dòng)服和彈性機(jī)織、針織物［J］.國(guó)外紡織技術(shù)，1983(14):37－43.TIANZHONG Daoyi. Sports wear， and elasticity weaving and Knitted Fabric［J］.Textile Technology Overseas，1983(14):37 －43.

［8］ 柳尺澄子.被服體型學(xué)［M］.光生館，1976:76－112.LIUCHIChengzi.Clothing Somatotypology［M］.Guangsheng Pavilion，1976:76－112.

［9］ 甘應(yīng)進(jìn)，白越.男上體運(yùn)動(dòng)變形與服裝放松量的關(guān)系［J］.長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2002(S1):137－140.GAN Yingjin，BAI Yue.Study on the relation ship between action deformation of man's upper body and clothing relaxation［J］.Journal of Changchun University of Technology，2002(S1):137 －140.

［10］ 王偉平.上海地區(qū)職業(yè)女性貼體褲的結(jié)構(gòu)研究［D］.上海:東華大學(xué)，2007.WANG Weiping.Study on fitted trousers for business women in Shanghai［D］. Shanghai: Donghua University，2007.

［11］ 胡曉俐.補(bǔ)正內(nèi)衣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理與生理反應(yīng)［D］.上海:東華大學(xué)，1999.HU Xiaoli.Study on structure design principle and physiological reaction of supplement underwear［D］.Shanghai:Donghuai University，1999.

［12］ 周捷.基于人體生理特征的文胸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究［D］.西安:西安工程科技學(xué)院，2003.ZHOU Jie.The study of bra structure design based on the characteristics of human physiologica［D］.Xi'an:Xi'an Institute of Engineering Technology，2003.