骑行姿态下腿部皮肤伸展大小的研究

黄 莉，陈敏之，郑万里，李佳慧，汪华为

(浙江理工大学 a.服装学院；b.机械与自动控制学院；c.艺术与设计学院，杭州 310018)



骑行姿态下腿部皮肤伸展大小的研究

黄 莉a，陈敏之a，郑万里b，李佳慧b，汪华为c

(浙江理工大学 a.服装学院；b.机械与自动控制学院；c.艺术与设计学院，杭州 310018)

以骑行状态下的下肢皮肤拉伸为研究对象，利用三维运动捕捉系统对骑行动作进行捕捉，作为研究人体下肢动态皮肤拉伸的新方法。通过运动捕捉实验扫描获取的骑行状态下的人体数据，来构建人体动态运动模型，同时提取运动瞬间人体皮肤体表长度数据，建立骑行状态下皮肤拉伸曲线图，分析得到人体下肢运动的规律和关键姿态，为骑行装备的设计改良提供依据。

骑行运动；动作捕捉；皮肤拉伸；分解动作；关键姿势

随着现今国内骑行运动大热，越来越多的科学研究者开始思索如何设计出更贴合体表皮肤拉伸的功能性运动服装，然而令人遗憾的是，如今国内市场此类服装设计单一匮乏，缺乏其科学合理性，因此有不少相关学者开始研究体表皮肤变化与服装结构设计之间的联系，使功能性运动服装的改良设计有了长足的发展[1-2]。

现代三维测试技术的快速发展，动态皮肤拉伸研究也进入了一个崭新的阶段。如王燕珍等[3]以跑步状态下的皮肤拉伸为研究对象，利用SCANSMART三维扫描系统得到在不同姿势下，下肢不同部位皮肤拉伸数据，初步尝试获得了在跑步运动中皮肤变化的规律。罗逸苇[4]应用Vicon系统的高速高精度运动捕捉功能对贴在人体上的反光球进行运动捕捉，利用牛顿运动定律对捕捉到的这些反光球的三维坐标进行分析，并通过生物力学分析软件Bodybuilder建立人体动作分析的一般模型，输出人体各部位运动动作分析结果。然而此类实验针对性不强，研究还不尽完善，与服装设计应用结合紧密度不高，功能性运动服装的设计前景依然不容乐观。因此，本文借助前人的实践形式，采用三维动态测量手段，分析骑行状态下的下肢皮肤拉伸，为骑行装备的设计改良提供依据。

1 骑行状态下腿部皮肤拉伸实验

利用Vicon三维运动捕捉系统，通过在被测者的腿部关键部位设置光标点，构建骑行状态下人体腿部三维模型，并捕捉各关键点三维空间中的运动轨迹，从而探究下肢在骑行运动中的皮肤拉伸的规律。

光标沿着外侧缝、前中线、内侧缝、后中线4个纵向，以及髋部、大腿围、膝围、小腿围、踝围等5个横向进行设置。为了适应在运动过程中光标点的捕捉，横向的光标点主要集中于腿部的外侧。各光标点的设置均按照先找对应的人体关节点，再将关节点间距离均分的方式确定光标点，各光标点名称及定义如表1所示。

表1 下肢体表光标点的说明

点名称点类型定义A1关节点髋骨股骨连接处关节前侧A2两条测量线交点大腿围与A1A3交点A3关节点膝盖关节前凸点A4等分点A3A5等分点A5等分点小腿胫骨前侧等分点B1等分点大腿围后侧等分点B2关节点膝盖节点后凹点B3等分点B2B4等分点B4等分点小腿围后侧等分点C1两条测量线交点大腿围与侧缝线交点C2两条测量线交点臀围线与侧缝线交点C3关节点膝盖关节外侧凸点C4等分点C3C5等分点C5关节点踝关节外侧凸点D1关节点膝盖关节内侧凸点D2两条测量线交点小腿中围与侧缝线交点

其中体表弧线(如图1所示)：前中线A1-A2-A3-A4-A5，用L1表示；外侧缝C1-C2-C3-C4-C5，用L2表示；后中线B1-B2-B3-B4，用L3表示；内侧缝D1-D2，用L4表示。纵向共4条线段。大腿外围线A2-C2-B1，用W1表示；膝围线A3-C3-B2-D1，用W2表示；小腿中围线A4-C4-B3-D2，用W3表示；踝围线A5-C5-B4，用W4表示。横向共4条线段。髋部外侧围线A1-C1-B1(大腿内侧坐凳遮挡，将数据进行分析整理，由于扫描技术的限制，未扫到该光标点，不能形成围合。因此，大腿内侧光标点的数据无法测得，此围度无法成立。

图1 下肢体表标志点及描线(左：前侧、右：后侧)

在蹬踏过程中左右腿变化一致，本实验以左腿为例：曲柄转动一周为一个踏蹬周期，因踏蹬是一个圆周循环动作，一侧踏蹬，另一侧提拉，当曲柄处于垂直向上位置时，定义为踏蹬周期的0°位置(见图2)，一侧曲柄处于0°时，对侧曲柄处于180°。根据这个特点，将被测者在专业自行车健身器材上的自行车踏板角速度定义为“按踏板运动一周360°作为一个循环来考量下肢皮肤的拉伸情况”模拟骑行的运动过程。

图2 左腿圆周运动角度示意

动作捕捉仪以50帧/s的精度全程记录了每个光标点的移动位置数据。在采样过程中，将整个圆周分20等分，采集该角度下的皮肤拉伸的数据。经数据整理，本实验一共获得21组数据(第1组和第21组重合)，对其21组数据组进行研究。蹬踏阶段对应的采集位置见表2。

表2 蹬踏阶段对应的采集点

编号123456789101112131415161718192021蹬踏角度/(°)01836547290108126144162180188206219232256270293314344360

2 结果与讨论

2.1 骑行状态下下肢皮肤拉伸率的获取

人体动态体表皮肤形变拉伸率K的计算方法如下：

式中：a是人体静态(直立姿势180°)时的体表弧线上各点位间的线段长度之和，b是特定人体动态下(如腿部前迈、落地、后摆)相应体表弧线上点位间线段长度之和。

以腿部蹬踏角度为横轴，以体表皮肤拉伸变化率K为纵轴，绘制散点图。通过所绘制曲线的波动情况及经验公式求导分析体表皮肤拉伸幅度大小与动作的关系，从而得出骑行状态下皮肤拉伸形变的关键姿态。

从该实验得到的体表皮肤拉伸变化率散点图(图3、图4)中可以看出，骑行运动下纵横向各条体表曲线长度变化率呈非线性曲线。本实验按照偏差平方和最小的原则，利用Matlab软件采用最小二乘法多项式进行曲线拟合。

由图3可知，腿从脚踏板在最高点蹬出时，腿部外侧及后侧的皮肤整体上一直呈现收缩状态，L1随腿部蹬踏运动的变化体表皮肤被拉长，图3、表3显示拉伸率多为正值；L2、L3、L4随腿部蹬踏运动的变化体表皮肤相对直立状态下均有收缩，图表显示拉伸率多为负值。L1拉伸率的最大值在0°和360°，最小值在108°；L2、L3、L4在腿部蹬踏过程中，回腿动作形成皮肤收缩，故最大值均在180°；L2的最小值则在0°和360°；L3的最小值在54°和256°；L4的最小值在219°。

图3 纵向体表皮肤拉伸长度变化

线段角度/(°)纵向皮肤拉伸率最大值/%角度/(°)纵向皮肤拉伸率最小值/%L10/3603.71080.7L218000/3604.9L3180054/256-8.6L41800219-2.7

由图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°，最小值分别是W2、W3在0°/360°，W4在219°。由此可见，W1、W3在蹬踏运动时皮肤拉伸基本每什么变化，W2(膝围线)的拉伸变化最明显。

图4 横向体表皮肤拉伸长度变化

线段角度/(°)横向皮肤拉伸率最大值/%角度/(°)横向皮肤拉伸率最小值/%W10/3600.51800W218000/360-14.3W318000/360-1.6W41800219-2.7

2.2 关键骑行分解动作的提取

根据人体在骑行运动过程中腿部皮肤拉伸变化率最值表获知：在整个骑行过程中0°与360°的状态是一致的，因此0°(360°)是骑行关键姿态之一；54°和256°的最值一致，为又一骑行关键姿态；其余的219°和180°均是骑行关键姿态。最终得到4个骑行状态下体表皮肤拉伸的关键姿态，如图5所示。

图5 4个骑行状态下体表皮肤拉伸的关键姿势

3 结 论

通过骑行状态下腿部皮肤拉伸实验与数据分析，研究人员发现腿部各个区域的皮肤拉伸变化是不同的，主要集中在大腿外侧和膝盖区域，大腿后外侧肱二头肌部位在骑行过程中基本不产生横向拉伸。运动过程中，小腿内侧腓肠肌运动纵向拉伸变化最明显，膝盖部位始终是一个变化率在质变和量变上都比较大的区域。通过体表皮肤拉伸变化率变化的最值确定了4个骑行状态下体表皮肤拉伸的关键姿势，为进行精确的三维人体扫描实验建立了实验基础。同时本文也提供了在骑行状态下研究皮肤拉伸的新思路，并为骑行装备的设计改良提供依据。

[1] 田中道一.运动服和弹性机织、针织物[J].国外纺织技术,1983(14):37-43.

[2] 傅维杰,刘宇,魏书涛,等.紧身装备在体育科学领域的研究现状与展望[J].中国体育科技,2011,47(2):114-120.

[3] 王燕珍,王建萍,张燕,等.基于跑步运动状态下的皮肤拉伸研究[J].纺织学报,2013,34(8):115-119.

[4] 罗逸苇.Vicon三维运动捕捉系统在人体运动分析中的应用[J].浙江工贸职业技术学院学报,2007,7(1):40-43.

[5] 戴璐.人体工程学在服装结构设计中的应用与表现[J].河南商业高等专科学校学报,2006(3):321-322.

[6] 李晓慧.功能性运动服装的前景研究[J].北京体育大学学报,2005,28(3):426-427.

[7] 张键,李听.对自行车运动员在骑行过程中踏蹬动作的生物力学分析[J].北京体育师范学院学报,1997,9(1):52-55.

[8] STONE C, HULL M L. Rider/bicycle interaction loads during standing treadmill cycling[J]. J Appl Biomeeh, 1993(9):527-541.

(责任编辑：唐志荣)

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

黄 莉(1980-)，女，浙江桐庐人，讲师，主要从事服装人体工学与数字化服装方面的研究。

陈敏之，E-mail：cmz_m@163.com

TS941.55

A

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