可活動式男體立裁人臺手臂的研制方法對比

許 珂,王 旭,趙 慧,黃文娟,宣璐佳,曹幸路

(1.河南省纖維檢驗局,河南 鄭州 450042;2.河南工程學院 服裝學院,河南 鄭州 451191;3.上海工程技術大學 紡織服裝學院,上海 201620)

0 引 言

立裁人臺作為服裝合體性的試金石,在產品設計、制作工藝、成衣效果展示等過程中起著至關重要的作用。最早的人臺是由美國John Hall公司開發的,至今已有140 多年的歷史[1]。我國人臺發展起步較晚,1987年,研制出了我國第一例可插針立裁人臺[2]。近年來,隨著生產技術的快速發展和服裝產業的轉型升級,相關行業對服裝人臺的研究不斷深入,產品類型及其表現方式不斷向前推進,不同性別、年齡的工業人臺[3-4]發展迅猛,人體尺寸也更加精準,從固定體態人臺逐步向可調式人臺[5-6]和可活動式人臺[7]發展,從實物人臺到虛擬人臺[8]過渡,人臺種類也不斷豐富,特殊體型人臺[9]、變色人臺[10]、數控人臺[11]和多功能服裝人體模型[12]相繼涌現出來,逐步滿足當前服裝設計中功能性、合體度、個性化、多樣性以及虛擬試衣的需求。

人臺手臂作為人臺的一個組成部分,在袖型設計、肩部設計以及立裁教學中都起著至關重要的作用。服裝袖子要根據人體上肢的自然形態及運動規律進行款式和結構尺寸設計[13]。目前,市場上的立裁人臺品牌眾多,產品系列主要以軀干部人臺為主,缺少規范化配套人臺手臂。長久以來,服裝從業人員主要使用一些手工制作的絲棉填充手臂,此類產品尺寸不標準,外形不美觀,質地松軟、易變形,也無法模擬人體手臂進行擺動,這些局限致使服裝設計、加工過程中出現放松量難以把控、袖身造型不合體、手臂活動不方便等問題。

傳統的立裁人臺制作需要雕刻泥模型,通過泥模型確定人臺的形狀,此類制作方法對人員要求較高、制作周期長[14]。隨著計算機技術的飛速發展,服裝產業向智能化、數字化方向邁進。近年來,研究人員開始將數字化人臺建模技術應用于人臺制作領域[15],并借助3D打印技術實現人臺的加工和制作[16-17],該方法加工效率高、生產成本低,加工的產品的尺寸精準。由于逆向設計和正向設計方法各有所長[18],本文基于2019年最新采集的200個河南省青年男體手臂尺寸數據,通過三維掃描設備獲取標準男體手臂點云,分別利用正向建模技術和逆向建模技術構建數字化青年男體手臂模型及可活動式肩部連接件,采用快速成型技術設計制作出2種可活動式青年男體立裁人臺手臂,并進行對比分析,探討出最佳的產品加工方式,為標準化服裝立裁人臺手臂的研制提供設計思路和技術參考,滿足服裝立裁教學和成衣制作的要求,實現服裝袖型設計與制作的合體度與精準度,提高成衣制作的工作效率,并為服裝的舒適性研究、個性化設計和服裝效果展示提供基本工具,補充現有的人臺體系,有利于推動服裝立裁設計朝著更加多樣化方向發展。

1 男體手臂數據采集

人體尺寸是制定服裝號型規格標準的基礎,也是服裝人臺制作的前提條件。人臺必須在一定的人體測量數據的統計處理和體型分析基礎上來進行設計,對某一特定人群的體型特征具有高度的代表性[19]。我國的人體數據庫更新緩慢,分別在1988年和2008年公布了GB 10000—1988 《中國成年人人體尺寸》和GB/T 1335.1—2008 《服裝號型 男子》。這2項標準給出了成年男體的上臂長、前臂長、全臂長3個長度方向的參考尺寸,但并未對肘圍、腕圍、臂根圍等圍度尺寸進行標定。隨著人民生活水平的提高,我國人體尺寸發生了一定程度的變化,然而國標數據并沒有及時更新。為了確保人臺手臂尺寸的精準性,2019 年2月至6月,研究利用直角規、彎腳規、馬丁測量尺、軟尺等工具,采用手工測量的方式對年齡18～25歲,身高165～175 cm,體重55～75 kg的200名河南籍漢族男體的全臂長、前臂長、上臂長、臂根圍、腕圍、肘圍等11 項指標進行測量[20],具體指標及測量方法見圖1。

a-臂根圍;b-上臂圍;c-圍度一;d-圍度二; e-肘圍;f-圍度三;g-圍度四;h-腕圍; i-全臂長;j-上臂長;k-前臂長圖 1 男體手臂測量指標示意圖Fig.1 Schematic diagram of measurement index of male arm

為了構建標準化男體手臂的三維模型,對獲取的200 組青年男體手臂尺寸數據進行處理,研究采用2種方式獲取模型構建的參考數據。其中對于正向建模所需要的手臂特征指標,首先利用Matlab軟件進行數據分析,探明手臂的各項測量指標與身高(x)及胸圍(y)的關系,構建二元線性回歸模型,如表1所示,p值均遠小于0.05,回歸模型成立;隨后,以170/88A號型的男體為例,將身高(170 cm)和胸圍(88 cm)代入回歸方程,計算出該體型男體11 項手臂測量指標的具體數據,按照就近取整的原則,以0.5 為跨度,對計算值向上或向下取整,得到170/88A體型男體手臂各項特征指標的尺寸數據。

對于逆向建模所需要的點云數據,首先通過計算加權算術平均值,從200名志愿者中找出最接近170/88A體型的中間體志愿者,如表1所示,作為逆向建模的人體數據原型;然后,采用ZGScanTM智能手持式激光三維掃描儀對中間體志愿者的手臂進行掃描,掃描前在志愿者的手臂周圍均勻粘貼上標記點,掃描過程中要求志愿者將手臂及周圍皮膚裸露,手掌輕握,掌心向內,手臂自然下垂,手臂與身體的夾角為15°,肌肉放松,盡量保持手臂靜止,精確獲取中間體志愿者的手臂點云數據,如圖2所示。

圖 2 中間體志愿者的手臂點云數據Fig.2 Point cloud data of the intermediate volunteer′s arm

表 1 男體手臂測量指標的回歸方程

2 手臂及關節模型構建

2.1 手臂模型構建

在手臂模型構建的過程中,本文采用正向建模和逆向建模2種方法,分別使用Rhino和Imageware 2種建模軟件,并配合使用SolidWorks軟件進行肩關節設計,完成2個手臂的模型構建,對比2種建模方式的構建過程及效果差異。

1) 逆向建模方法。在逆向建模過程中,首先將掃描獲取的點云數據導入Imageware軟件中,通過點云分割、數據精簡、去除噪點和點云定位完成對點云數據的預處理;隨后通過創建平行點云截面,由點云截面擬合出公差曲線,再由公差曲線構建放樣曲面。為了確保模型的準確度和曲面的光順性,通過誤差分析進行模型評估,判斷該模型是否符合要求,如果不符合要求則返回模型重建的各個操作步驟,調整參數設置,重新建模、評估,待模型評估合格,導出IGES格式的曲面模型[21]。最后利用SolidWorks軟件進行曲面的二次設計,轉換成STL格式輸出,方便3D打印,具體的操作步驟如圖3(a)所示。

(a) 逆向建模步驟

2) 正向建模方法。與逆向建模方法不同,正向建模需要根據手臂的大致形狀,結合手臂圍度和長度尺寸進行正向設計[22],具體的操作步驟如圖3(b)所示。在正向建模過程中,首先在Rhino軟件里插入繪有手臂輪廓的骨骼肌肉底圖。打開T-Splines插件,通過BOX布局,構建手臂的基礎造型,如圖4(a)所示。框選點云縮小和放大手臂不同部位,調整手臂尺寸,并擠出肩頭部分。研究表明,人體上肢自然下垂狀態時,從肩端點豎直向下做垂線,手臂垂線到手腕中點之間的水平間距為4.99 cm,手臂垂線與手腕中線的夾角為6.18°,手臂肘部鉛垂線與手腕中線的夾角為12.41°[23]。為方便調整手臂的長度和前臂的傾斜角度,插入幾條角度線和圓形參考線,如圖4(b)所示。根據計算出來的170/88A 體型男體手臂的尺寸數據,分別框選肘部和腕部點云數據移動至長度參考線,以此調整模型的前臂長和上臂長,并通過調整布線,調整腕部位置、肩部切面、手臂傾斜角度等,確保曲面的圓順度,如圖4(c)所示。再根據手臂圍度尺寸,調整手臂的特征圍度和截面造型,然后按照人體手臂線條走向和肌肉狀態,調整控制點修繕設計曲線,綜合分析并調整長度及圍度尺寸;檢查物件并運行網格修復精靈命令,自動修復網格;調整BOX的控制點,調節網格的勻整性,并使用網格工具對網格結構線和邊緣進行修調。最后進行NURBS曲面轉化,如圖4(d)所示,并對模型進行評估,如果不符合標準,需要對網格進行再次移動和縮放調整,直至模型符合手臂的長度和圍度標準,輸出STL格式的數據模型。

(a) BOX布局 (b) 插入參考線

2.2 肩部關節模型構建

目前,市場上的立裁人臺手臂主要采用珠針或磁石與人臺進行連接,手臂姿勢固定,難以實現對绱袖角度的調整參考,以及對廣袖、插肩袖、連身袖等特殊袖型的設計參考。為此,本文利用SolidWorks軟件設計出一套可活動式的肩部連接件用于正向建模手臂的制作,與人臺連接后實現手臂上下抬起和前后擺動,并保證足夠的活動空間,如圖5所示。連接件包括2個肩部臂根切面的盤片、1對阻尼鉸鏈和1個碗狀物,其中2個盤片的長半軸為50.0 mm、短半軸為42.5 mm、厚度為2.0 mm。碗狀物嵌套粘貼在手臂臂根部位,通過自攻螺絲固定在盤片B上,選用阻尼鉸鏈將2個盤片連接起來,盤片A中間設計一個直徑為20 mm的圓臺突起,可吸附在人臺袖窿處的凹型磁石上,實現手臂和人臺的自由裝配。通過調整阻尼鉸鏈的開合,可將手臂抬起任意角度,通過旋轉盤片和手臂,可實現手臂前后擺動。逆向建模手臂僅使用盤片A和碗狀物的組合裝置,然后直接吸附在人臺肩部磁石上,完成手臂的前后擺動。

(a) 盤片連接側視圖 (b) 碗狀物側視圖圖 5 肩部連接件示意圖Fig.5 Schematic diagram of shoulder connector

3 人體手臂成品制作

3.1 關節連接件加工與選擇

在連接件加工過程中,2種手臂均采用快速成型技術實現模型輸出,使用CNC泡沫雕刻機直接讀取手臂的三維模型數據對泡沫板進行雕刻,采用3D打印機制作出光敏樹脂材質的碗狀物,如圖6(a)所示。利用激光切割技術和金屬沖壓技術制作出2個金屬盤片。連接盤片所需的阻尼鉸鏈可從市場上直接采購。為確保鉸鏈開合的穩定性和順暢性,根據手臂的自重和長度,實驗選用0.2～0.7范圍內不同扭矩的鉸鏈進行安裝試用,觀察手臂抬起的難易程度及穩定效果,最終選用扭矩值為0.5 N·m的雙孔S型阻尼鉸鏈,滿足手臂自由靈活抬起并穩定固定的要求,最后通過螺絲將2個盤片連接起來,如圖6(b)所示。

(a)碗狀物 (b)盤片組件圖 6 肩部關節連接組件Fig.6 Shoulder joint connection assembly

3.2 成品組裝與包覆

為了便于安插珠針,進行立裁操作,還需要選擇合適的外包材料對泡沫手臂進行包覆,以確保立裁人臺手臂的彈性、柔軟度和造型效果。實驗選用不同厚度和密度的海綿材料,3 mm和5 mm厚的低密、中密和高密共計6 種海綿襯墊材料,對比組合包覆材料(外包棉布和海綿襯墊材料)與人臺的硬度及彈性,最終選擇3 mm厚的中密度海綿和0.4 mm厚的純棉布對泡沫手臂進行組合包覆,確保最終成品的硬度及彈性與人臺接近。然后使用弧形針進行縫合。最后把金屬盤片組件、碗狀物和包覆過的泡沫手臂組裝起來,并在手臂的上臂圍、肘圍、腕圍、臂長方向貼上標記帶,如圖7和圖8所示,最終完成手臂的制作。

(a) 側向抬起45° (b) 前擺45°圖 7 正向手臂成品Fig.7 Forward arm of dress form

(a) 前擺90° (b) 后擺45°圖 8 逆向手臂成品Fig.8 Reverse arm of dress form

4 成品評價與對比分析

實驗采用主觀評價和客觀評價的方法對比分析2種加工方式制作的手臂成品,以期探討最佳的產品制作方案。

4.1 主觀評價

實驗邀請了30名18～25歲的服裝從業人員(高校研究人員、服裝設計師等),對產品的美觀性、功能性及實用性進行5級評價,1 級為性能差,2 級為性能較差,3 級為性能一般,4 級為性能較好,5 級為性能好,依次用1～5表示。功能性主要表征手臂的活動性,通過旋轉、擺動手臂,根據手臂活動范圍及固定效果對手臂做出評分;實用性包括插針效果、彈性等,通過使用珠針分別多次插在2款手臂及普通男體人臺上,根據插針難易程度、面料固定效果以及按壓手感進行綜合評判;美觀性主要通過觀察2款手臂的外觀、手臂與人臺的連接效果進行評分。

主觀評價對比如圖9所示。由圖9可知,正向手臂的功能性明顯比逆向手臂優異,實用性和美觀性差異不大。正向手臂由于使用阻尼鉸鏈,可以實現手臂的側向抬起和前后擺動,在人體冠狀面可側向抬起90°,在人體矢狀面可實現360°旋轉。而逆向手臂僅能實現人體矢狀面的旋轉,無法實現手臂抬起動作,難以作為廣袖、琵琶袖、插肩袖等特殊服裝袖型的立裁參考和成衣展示。2種手臂的實用性均比較好,手感柔軟,彈性適中,珠針插拔容易,面料固定牢固,便于立裁操作。由于手工縫制經驗不足,人臺手臂的袖窿弧線與人臺肩部切面沒有完全吻合,2種手臂的美觀性有待進一步提高。

圖 9 主觀評價對比Fig.9 Comparison of subjective evaluation

4.2 客觀評價

1) 模型對比。為了對比2種模型的差異性,利用Could Compare軟件將正向建模和逆向建模的模型放在同一個坐標系下,通過模型配準將2個模型調整為相似的尺寸并對齊,通過計算模型與點云之間的距離,分析2個模型之間的差異,如圖10所示。

(a) 正向手臂模型 (b) 逆向手臂模型

顏色柱子越靠近中間區域表明模型差異越小,靠近兩端的說明模型差異較大。對比發現,大部分顏色柱子落在中間區域,但也存在一定范圍的顏色柱子分布在兩端。根據2個模型對比區域的顏色變化情況可知,正向建模所得模型與逆向建模所得模型在圍度方面存在一定的差異,在整體形態和曲線變化上也有不同。分析認為,正向建模使用的計算數據與逆向建模使用的掃描數據本身存在一定誤差;在肘點、腕點等曲率變化明顯的部位,正向建模方法難以精確地控制模型的凹凸形狀;為了保證人臺手臂的順滑性,正向建模方法沒有模擬肱二頭肌、肱三頭肌、三角肌等肌肉的真實形態,手臂的線條流暢性較好,并在肘關節處設計了人體手臂自然下垂時前臂的傾斜角度,逆向建模則完全按照人體手臂真實的形態進行模型重構,手臂形態更加真實自然,因此2個模型的曲面形態存在一定程度的差異。

對比2種建模過程,正向建模方法的可控性較好,操作者可以自由設計長度方向、圍度方向的尺寸,可對模型形狀進行合理調控,但建模過程相對復雜,對人體曲率變化較大的部位較難把握,精度不易控制。在確保掃描數據完整性的基礎上,逆向建模方法可以快速實現模型重構,對人體形態的還原性較高,但不同人體的個體差異性也比較大。此外,如果人體掃描數據存在較大面積的漏洞,則首先需要進行漏洞修補,然后再構建模型,為確保模型的精準性,需要反復進行模型評估和修改。由此可見,2種建模方法各有優勢,為此在今后的產品開發過程中,建議使用高精度激光掃描設備獲取點云數據,在此基礎上采用正逆向混合建模技術,確保模型的構建精度,同時提高工作效率。

2)尺寸和重量對比。在尺寸控制方面,對正向、逆向成品手臂的臂長、肘圍、臂根圍等項目進行測量,并與原始的手臂數據進行對比,其中正向建模采用的是軟件計算數據,逆向建模采用的是中間體手臂測量數據。由表2可知,2種方法制作的成品人臺手臂與原始數據差異不大,均控制在1 cm以內,相對誤差控制在3%以內。此外,除了前臂長和腕圍2個指標有一定的誤差,2種手臂的其他尺寸差異均比較小,產品的制作效果較為理想。在產品重量上,2個產品的重量均比較輕,其中正向手臂的質量為292.5 g,逆向手臂為242.1 g,方便運輸和使用。

表 2 成品手臂尺寸的對比

5 結 論

在立體裁剪中,服裝人臺手臂作為袖型設計的工具,大部分存在尺寸不標準、易變形、無法模擬人體手臂基礎動作等缺陷,影響袖身設計的合體度和精準度。本文采用2種方法研制青年男體立裁人臺手臂,并進行對比分析,以期探討出最佳的產品設計和制作方法,為標準化立裁人臺手臂的開發提供技術參考。

1) 對比2種建模方法發現,正向建模技術具有尺寸操控性強、模型光順度高等優點,逆向建模技術具有建模速度快、數據還原度高等優點,同時2種方法也各有缺點。建議在進行立裁人臺手臂研制時,根據標準人體尺寸,采用正逆向混合建模技術進行模型構建,適當修正手臂形態,既考慮手臂尺寸的科學性及合理性,又兼顧手臂形態的美觀性。

2) 采用阻尼鉸鏈進行肩關節連接的正向手臂可實現冠狀面90°、矢狀面360°旋轉。逆向手臂沒有使用阻尼鉸鏈,僅能實現矢狀面360°旋轉,其功能性不及正向手臂,難以完成插肩袖、連身袖等特殊袖型的試衣參考、結構調整和展示。因此,有阻尼鉸鏈結構的手臂功能優于無阻尼鉸鏈結構的手臂。