騎行姿態(tài)下腿部皮膚伸展大小的研究

黃 莉，陳敏之，鄭萬里，李佳慧，汪華為

(浙江理工大學(xué) a.服裝學(xué)院；b.機械與自動控制學(xué)院；c.藝術(shù)與設(shè)計學(xué)院，杭州 310018)

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騎行姿態(tài)下腿部皮膚伸展大小的研究

黃 莉a，陳敏之a(chǎn)，鄭萬里b，李佳慧b，汪華為c

(浙江理工大學(xué) a.服裝學(xué)院；b.機械與自動控制學(xué)院；c.藝術(shù)與設(shè)計學(xué)院，杭州 310018)

以騎行狀態(tài)下的下肢皮膚拉伸為研究對象，利用三維運動捕捉系統(tǒng)對騎行動作進行捕捉，作為研究人體下肢動態(tài)皮膚拉伸的新方法。通過運動捕捉實驗掃描獲取的騎行狀態(tài)下的人體數(shù)據(jù)，來構(gòu)建人體動態(tài)運動模型，同時提取運動瞬間人體皮膚體表長度數(shù)據(jù)，建立騎行狀態(tài)下皮膚拉伸曲線圖，分析得到人體下肢運動的規(guī)律和關(guān)鍵姿態(tài)，為騎行裝備的設(shè)計改良提供依據(jù)。

騎行運動；動作捕捉；皮膚拉伸；分解動作；關(guān)鍵姿勢

隨著現(xiàn)今國內(nèi)騎行運動大熱，越來越多的科學(xué)研究者開始思索如何設(shè)計出更貼合體表皮膚拉伸的功能性運動服裝，然而令人遺憾的是，如今國內(nèi)市場此類服裝設(shè)計單一匱乏，缺乏其科學(xué)合理性，因此有不少相關(guān)學(xué)者開始研究體表皮膚變化與服裝結(jié)構(gòu)設(shè)計之間的聯(lián)系，使功能性運動服裝的改良設(shè)計有了長足的發(fā)展[1-2]。

現(xiàn)代三維測試技術(shù)的快速發(fā)展，動態(tài)皮膚拉伸研究也進入了一個嶄新的階段。如王燕珍等[3]以跑步狀態(tài)下的皮膚拉伸為研究對象，利用SCANSMART三維掃描系統(tǒng)得到在不同姿勢下，下肢不同部位皮膚拉伸數(shù)據(jù)，初步嘗試獲得了在跑步運動中皮膚變化的規(guī)律。羅逸葦[4]應(yīng)用Vicon系統(tǒng)的高速高精度運動捕捉功能對貼在人體上的反光球進行運動捕捉，利用牛頓運動定律對捕捉到的這些反光球的三維坐標進行分析，并通過生物力學(xué)分析軟件Bodybuilder建立人體動作分析的一般模型，輸出人體各部位運動動作分析結(jié)果。然而此類實驗針對性不強，研究還不盡完善，與服裝設(shè)計應(yīng)用結(jié)合緊密度不高，功能性運動服裝的設(shè)計前景依然不容樂觀。因此，本文借助前人的實踐形式，采用三維動態(tài)測量手段，分析騎行狀態(tài)下的下肢皮膚拉伸，為騎行裝備的設(shè)計改良提供依據(jù)。

1 騎行狀態(tài)下腿部皮膚拉伸實驗

利用Vicon三維運動捕捉系統(tǒng)，通過在被測者的腿部關(guān)鍵部位設(shè)置光標點，構(gòu)建騎行狀態(tài)下人體腿部三維模型，并捕捉各關(guān)鍵點三維空間中的運動軌跡，從而探究下肢在騎行運動中的皮膚拉伸的規(guī)律。

光標沿著外側(cè)縫、前中線、內(nèi)側(cè)縫、后中線4個縱向，以及髖部、大腿圍、膝圍、小腿圍、踝圍等5個橫向進行設(shè)置。為了適應(yīng)在運動過程中光標點的捕捉，橫向的光標點主要集中于腿部的外側(cè)。各光標點的設(shè)置均按照先找對應(yīng)的人體關(guān)節(jié)點，再將關(guān)節(jié)點間距離均分的方式確定光標點，各光標點名稱及定義如表1所示。

表1 下肢體表光標點的說明

點名稱點類型定義A1關(guān)節(jié)點髖骨股骨連接處關(guān)節(jié)前側(cè)A2兩條測量線交點大腿圍與A1A3交點A3關(guān)節(jié)點膝蓋關(guān)節(jié)前凸點A4等分點A3A5等分點A5等分點小腿脛骨前側(cè)等分點B1等分點大腿圍后側(cè)等分點B2關(guān)節(jié)點膝蓋節(jié)點后凹點B3等分點B2B4等分點B4等分點小腿圍后側(cè)等分點C1兩條測量線交點大腿圍與側(cè)縫線交點C2兩條測量線交點臀圍線與側(cè)縫線交點C3關(guān)節(jié)點膝蓋關(guān)節(jié)外側(cè)凸點C4等分點C3C5等分點C5關(guān)節(jié)點踝關(guān)節(jié)外側(cè)凸點D1關(guān)節(jié)點膝蓋關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)凸點D2兩條測量線交點小腿中圍與側(cè)縫線交點

其中體表弧線(如圖1所示)：前中線A1-A2-A3-A4-A5，用L1表示；外側(cè)縫C1-C2-C3-C4-C5，用L2表示；后中線B1-B2-B3-B4，用L3表示；內(nèi)側(cè)縫D1-D2，用L4表示?？v向共4條線段。大腿外圍線A2-C2-B1，用W1表示；膝圍線A3-C3-B2-D1，用W2表示；小腿中圍線A4-C4-B3-D2，用W3表示；踝圍線A5-C5-B4，用W4表示。橫向共4條線段。髖部外側(cè)圍線A1-C1-B1(大腿內(nèi)側(cè)坐凳遮擋，將數(shù)據(jù)進行分析整理，由于掃描技術(shù)的限制，未掃到該光標點，不能形成圍合。因此，大腿內(nèi)側(cè)光標點的數(shù)據(jù)無法測得，此圍度無法成立。

圖1 下肢體表標志點及描線(左：前側(cè)、右：后側(cè))

在蹬踏過程中左右腿變化一致，本實驗以左腿為例：曲柄轉(zhuǎn)動一周為一個踏蹬周期，因踏蹬是一個圓周循環(huán)動作，一側(cè)踏蹬，另一側(cè)提拉，當(dāng)曲柄處于垂直向上位置時，定義為踏蹬周期的0°位置(見圖2)，一側(cè)曲柄處于0°時，對側(cè)曲柄處于180°。根據(jù)這個特點，將被測者在專業(yè)自行車健身器材上的自行車踏板角速度定義為“按踏板運動一周360°作為一個循環(huán)來考量下肢皮膚的拉伸情況”模擬騎行的運動過程。

圖2 左腿圓周運動角度示意

動作捕捉儀以50幀/s的精度全程記錄了每個光標點的移動位置數(shù)據(jù)。在采樣過程中，將整個圓周分20等分，采集該角度下的皮膚拉伸的數(shù)據(jù)。經(jīng)數(shù)據(jù)整理，本實驗一共獲得21組數(shù)據(jù)(第1組和第21組重合)，對其21組數(shù)據(jù)組進行研究。蹬踏階段對應(yīng)的采集位置見表2。

表2 蹬踏階段對應(yīng)的采集點

編號123456789101112131415161718192021蹬踏角度/(°)01836547290108126144162180188206219232256270293314344360

2 結(jié)果與討論

2.1 騎行狀態(tài)下下肢皮膚拉伸率的獲取

人體動態(tài)體表皮膚形變拉伸率K的計算方法如下：

式中：a是人體靜態(tài)(直立姿勢180°)時的體表弧線上各點位間的線段長度之和，b是特定人體動態(tài)下(如腿部前邁、落地、后擺)相應(yīng)體表弧線上點位間線段長度之和。

以腿部蹬踏角度為橫軸，以體表皮膚拉伸變化率K為縱軸，繪制散點圖。通過所繪制曲線的波動情況及經(jīng)驗公式求導(dǎo)分析體表皮膚拉伸幅度大小與動作的關(guān)系，從而得出騎行狀態(tài)下皮膚拉伸形變的關(guān)鍵姿態(tài)。

從該實驗得到的體表皮膚拉伸變化率散點圖(圖3、圖4)中可以看出，騎行運動下縱橫向各條體表曲線長度變化率呈非線性曲線。本實驗按照偏差平方和最小的原則，利用Matlab軟件采用最小二乘法多項式進行曲線擬合。

由圖3可知，腿從腳踏板在最高點蹬出時，腿部外側(cè)及后側(cè)的皮膚整體上一直呈現(xiàn)收縮狀態(tài)，L1隨腿部蹬踏運動的變化體表皮膚被拉長，圖3、表3顯示拉伸率多為正值；L2、L3、L4隨腿部蹬踏運動的變化體表皮膚相對直立狀態(tài)下均有收縮，圖表顯示拉伸率多為負值。L1拉伸率的最大值在0°和360°，最小值在108°；L2、L3、L4在腿部蹬踏過程中，回腿動作形成皮膚收縮，故最大值均在180°；L2的最小值則在0°和360°；L3的最小值在54°和256°；L4的最小值在219°。

圖3 縱向體表皮膚拉伸長度變化

線段角度/(°)縱向皮膚拉伸率最大值/%角度/(°)縱向皮膚拉伸率最小值/%L10/3603.71080.7L218000/3604.9L3180054/256-8.6L41800219-2.7

由圖4、表4可知：W1最大值在0°和360°，最小值在180°；而W2、W3、W4的最大值在180°，最小值分別是W2、W3在0°/360°，W4在219°。由此可見，W1、W3在蹬踏運動時皮膚拉伸基本每什么變化，W2(膝圍線)的拉伸變化最明顯。

圖4 橫向體表皮膚拉伸長度變化

線段角度/(°)橫向皮膚拉伸率最大值/%角度/(°)橫向皮膚拉伸率最小值/%W10/3600.51800W218000/360-14.3W318000/360-1.6W41800219-2.7

2.2 關(guān)鍵騎行分解動作的提取

根據(jù)人體在騎行運動過程中腿部皮膚拉伸變化率最值表獲知：在整個騎行過程中0°與360°的狀態(tài)是一致的，因此0°(360°)是騎行關(guān)鍵姿態(tài)之一；54°和256°的最值一致，為又一騎行關(guān)鍵姿態(tài)；其余的219°和180°均是騎行關(guān)鍵姿態(tài)。最終得到4個騎行狀態(tài)下體表皮膚拉伸的關(guān)鍵姿態(tài)，如圖5所示。

圖5 4個騎行狀態(tài)下體表皮膚拉伸的關(guān)鍵姿勢

3 結(jié) 論

通過騎行狀態(tài)下腿部皮膚拉伸實驗與數(shù)據(jù)分析，研究人員發(fā)現(xiàn)腿部各個區(qū)域的皮膚拉伸變化是不同的，主要集中在大腿外側(cè)和膝蓋區(qū)域，大腿后外側(cè)肱二頭肌部位在騎行過程中基本不產(chǎn)生橫向拉伸。運動過程中，小腿內(nèi)側(cè)腓腸肌運動縱向拉伸變化最明顯，膝蓋部位始終是一個變化率在質(zhì)變和量變上都比較大的區(qū)域。通過體表皮膚拉伸變化率變化的最值確定了4個騎行狀態(tài)下體表皮膚拉伸的關(guān)鍵姿勢，為進行精確的三維人體掃描實驗建立了實驗基礎(chǔ)。同時本文也提供了在騎行狀態(tài)下研究皮膚拉伸的新思路，并為騎行裝備的設(shè)計改良提供依據(jù)。

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(責(zé)任編輯：唐志榮)

A Study on Leg Skin Extension Under Cycling Posture

HUANGLia,CHENMinzhia,ZHENGWanlib,LIJiahuib,WANGHuaweic

(a.School of Fashion Design and Engneering; b.Faculty of Mechanical Engineering & Automation;c.College of Art and Design, Zhejiang Sci-Tech University, Hangzhou 310018, China)

This paper takes the legs’ skin stretching in cycling condition as the object of study and applies 3D motion capture system to capture cycling movement as a new method to study dynamic skin stretching of legs. Firstly, the human body data in cycling condition through the motion capture experiment were obtained. Then, the cycling conditions to build the dynamic movement model were scanned. Meanwhile, This study extract length data of skin and body surface from the instant movement and establish skin stretching curve chart in cycling state. Through the analysis, the rules of human lower limb movement and the key postures are gained. The results can provide the basis of design and improvement of cycling equipment.

cycling; motion capture system; skin stretching; movement decomposition; key postures

2016-01-05

黃 莉(1980-)，女，浙江桐廬人，講師，主要從事服裝人體工學(xué)與數(shù)字化服裝方面的研究。

陳敏之，E-mail：cmz_m@163.com

TS941.55

A

1009-265X(2016)06-0043-04