挺胸驼背体态可调节人台的设计与研究

任雨佳，陈 郁

(上海工程技术大学 纺织服装学院，上海 201620)

人台作为服装生产过程中的重要载体，在服装的设计、制作及合体性检验中都起到了极为关键的作用[1]。大部分服装均是根据标准人体号型设计制作的，然而不良的生活习惯会导致人体骨骼发生变化进而形成特殊体型，体型变化增加了服装板型的修正难度，使该类人群无法购买到合体服装。目前，对于特殊体型人台的研究主要通过标准人台补正实现，在人台的特定部位上利用压实的修正棉和弹力布[2]垫高人台表面模拟挺胸体[3]、凸肚体、驼背体[4]的体表形态。Lim等[5]通过三维扫描技术和3D打印技术在标准人台上的胸、腰、臀等部位添加垫料来构建不同体型人台，实现人台轮廓的个性化。但增加衬垫的方法操作复杂，3D打印垫料所需时间较长，且不能完全模拟人体曲线，特别是曲线凹下的部分，因此有必要研发一种能够准确模拟人体体型的人台，使其成为一个更为灵活的服装工作平台。

近年来出现的可调节人台由于具有节约资源和空间的优点而得到广泛的应用，东华大学[6]发明了躯干内设7个截面的可调人台，实现各个围度的独立调节。张一帆等[7]设计了一种由单片机控制的试衣机器人，执行机构为由驱动器和直线导轨滑台组成的步进电动机滑台系统，能够根据客户的肩宽、胸围、腰围数据自动变形。郭增荣等[8]设计了一种基于远程试衣技术的双层面板式试衣机器人，创新地使用了双层面板机械结构实现了人体围度以及高度的变化。大多数可调节人台通过对高度、围度等尺寸的调节可以替代多种号型的传统人台，同时可调节人台在各部位的角度调节方面也获得了一定的研究成果。翁佳伟[9]设计了“骨骼—肌肉—皮肤”多层试衣机器人，该机器人可以通过调整肩峰点相对于颈侧点的位置模拟含肩动作。Li等[10]提出了一种由柔带和弹性杆为主体的机器人模型，根据人体形状设计弹性杆和线性致动器的推动量，使柔带可以有效地模仿人体轮廓的凹凸情况。

本文采用三维扫描技术、机电一体化技术设计并制作出一种体态可调节人台。以180/96A的标准男体人台为数据基础，对外部面板、机械结构以及控制系统的设计方案进行探究，通过肩部、胸部、背部的运动来实现驼背体与挺胸体的仿真模拟，以达到根据特殊体型设计更为适合的服装的目的，解决特殊人群对服装合体性的诉求，满足服装制造商对人台多样化的需求。

1 外部面板设计

活动面板的外形与体态可调节人台的仿真程度息息相关。为了获得体态可调节人台的基础模型，首先使用三维扫描仪获取180/96A标准男体人台的点云数据，然后利用Geomagic Studio软件建立初始人台模型，最后对标准人台模型的活动区域进行划分，以及对活动面板的形状进行设计。

1.1 模型构建

选择180/96A标准男体人台作为初始模型，面板分割以及机械结构尺寸设计均以此号型的人台为数据参考。使用Einscan Pro 2X多功能手持式3D扫描仪对标准男体人台进行扫描，使用Geomagic Studio软件将扫描所得点云数据进行去噪、平滑等处理后得到封闭光滑的多边形封装人台模型，如图1所示。将封装模型与原始模型进行点云偏差计算，由图2可知，模型整体呈现绿色，点云与模型之间的最大距离是0.216 6mm/-0.932 7mm，平均距离是-0.000 3mm，标准偏差是0.014 1mm，说明模型曲面与原始点云偏差较小，很好地实现了人台模型的曲面重建。

图1 封装模型Fig.1 Encapsulation model

图2 模型偏差Fig.2 Model deviation

1.2 面板设计

驼背体与挺胸体的主要变化部位为肩部、胸部以及背部，因此可以使用Geomagic Studio软件将人台分割为颈部、左肩部、右肩部、胸部、背部、腰腹部6部分。考虑到人台内部空间较小，面板个数的增加就意味着机械结构复杂度增加。本文旨在使用较少的零件完成运动仿真，因此人台面板共有6块区域，没有对各个部位的面板进行细分。以颈根围线为分割线可以确定颈部面板所在区域，以下胸围线为分割线可以确定腰腹部面板所在区域，参考胸高点、背凸点以及肩峰点所在的位置经过前颈点、后颈点绘制左右肩部分割线，以人台侧中线作为胸部和背部的分割线。

使用Geomagic Studio软件中的曲线绘制工具绘制模型面板形状，面板形状设计时需要考虑各面板对服装的支撑作用以及其活动空间，需要在尽量保持面板完整的情况下合理设置面板空隙量，防止活动过程中面板间的互相阻挡。经过多次调整后，颈部面板与肩部面板的距离调整为20mm；肩部面板与胸部面板、背部面板之间的空隙分别为35mm；胸部面板与腰腹部面板之间的空隙量设置为20mm；胸部面板与背部面板之间的空隙为90mm。面板设计效果如图3所示。

图3 面板形状设计图Fig.3 Shape design of face plate design.(a)Front;(b)Side;(c)Back;(d)Total

2 机械结构设计

机电一体化系统的机械部分是支撑体态可调节人台运动的关键，包括框架结构、部件连接、运动机构等部分。机械结构设计时需要考虑人台内部尺寸、各部位的活动情况等因素，以达到对机械结构的小型、轻量、节能高效、高可靠性的要求。

2.1 人台内部空间限制

机械结构位于胸腔处，机械结构的安装平台设为4层。负责肩部运动的执行机构和颈部支柱安装于第1层平台，负责胸背部面板的执行机构安装于第2层平台，第3层平台负责驱动装置的安装，第4层平台位于与腰腹部面板上端平齐的位置，负责安装腰腹部支柱。4层平台之间均有间隔，其分布情况如图4所示。

综上所述，在肿瘤发展的过程中，表皮生长因子具有十分重要的意义，通过大量的研究，表皮生长因子不会导致肿瘤的发生，更不是肿瘤发生的启动因素，通过试验，表皮生长因子和恶性肿瘤没有明确的关联性，表皮生长因子在临床上主要当做外用制剂，虽然有不良反应发生，但均能耐受，所以，临床应用具有安全性。

图4 人台分层Fig.4 Mannequin segmentation

人台横截面的形状接近于矩形，所以主要测量截面的长度和宽度即可。经测量，4个横截面的宽度由上往下逐渐增大，长度逐渐减小。安装平台位于胸部正中位置，其长度应小于最小长度，即314mm，宽度应小于最小宽度，即126mm。由于胸部面板、背部面板向内的移动距离最大值分别为45.1和19.8mm，并且考虑到安装平台上需要足够的空间放置机械零件，因此安装平台应该设为长度310mm、宽度70mm的圆角矩形。

2.2 机械机构设计

体态可调节人台是在现有标准人台的基础上增加活动装置，使其能够从标准体型调整为特殊体型。为了确保体态可调节人台的仿真效果，前期研究中利用X Scan 2017博克三维人体扫描仪对年龄、体型相近的17名在校男大学生的标准体态、驼背体态、挺胸体态进行扫描，经过计算发现与人体冠状面垂直的前后运动为肩部、胸部、背部的主要运动方向，且3个部位指标的相关性较小。因此，肩部模块根据胸锁关节的运动原理以前颈点为基准进行前后摆动，胸部模块和背部模块均为水平前后移动，胸部面板、背部面板以及肩部面板的运动需要分别控制，3个指标的活动范围如表1所示。其中，肩开角的正负为摆动方向，正为前摆，负为后摆，胸凸量和背凸量的正负为移动方向，正为外凸，负为内收。

表1 关键指标数据表Tab.1 Statistical table of key indicators

利用机械结构的设计原理，结合人台内部空间尺寸、各个部位的运动方向和运动范围获得体态可调节人台的整体机械结构，如图5所示。该机械结构共需要4个42系列步进电动机，左右肩部模块、胸部模块、背部模块分别由1个步进电动机直接控制，摆杆可以使肩部模块实现前后摆动的运动，右肩的齿轮啮合可以使左右肩部的摆动方向一致，齿轮和齿条的配合可以实现胸部模块和背部模块前后移动的运动。合理安排各个活动模块的旋转轴位置，便于各模块的安装与控制。

图5 机械结构Fig.5 Mechanical structure

如图6所示，将机械结构与人台面板进行模拟安装，发现该机械结构与人台面板有很好的适配度，确保机械结构与面板之间的有效安装。

图6 安装示意图Fig.6 Installation diagram

3 控制系统设计

为了实现对特殊体型的模拟，需要设计体态可调节人台的控制系统，使用GX Works2软件设计步进电动机系统的控制指令，实现步进电动机控制系统对体态可调节人台的控制。

3.1 控制程序

体态可调节人台的控制系统所需的硬件有计算机、42系列步进电动机、DM442驱动器、FX3U-32MT/ES-A三菱PLC控制器、按钮点动开关、直流电源等。控制系统通过电源提供系统运转所需动力，保证系统运行正常。通过计算机将人体数据转化为步进电动机的仿真指令，通过PLC编程电缆将计算机中的控制指令输出到PLC控制器中，驱动器将控制器发出的电脉冲转化为角位移，驱动步进电动机按照设定的方向发生一定角度的转动，达到体态可调节人台变形效果，具体的控制流程如图7所示。

图7 控制系统流程图Fig.7 Control system flow chart

PLC控制器的输入端需要连接点动开关和直流电源，实现机械结构的运动方向、运动开始与停止的控制。1个步进电动机由1个驱动器控制，PLC的输出端需要连接4个步进电动机的驱动器。由于人体的左肩与右肩的运动是对称的，所以左肩模块与右肩模块的步进电动机驱动器可以连接到同一输出点位上，实现左右肩部运动的一致性，背部模块与胸部模块则分别连接到不同的输出点位上。

3.2 控制参数计算

系统所需的控制参数是体态可调节人台模拟人体外形轮廓时需要的定时器参数。控制参数的计算过程首先将目标人体模型与标准人台模型对齐，然后根据尺寸之间的几何关系计算体态可调节人台的肩部模块、胸部模块、背部模块的活动量，最后结合步进电动机参数计算达到模块活动量所需的控制参数。

胸部和背部的活动量可以通过Geomagic Studio软件进行测量。测量胸部曲线处人体与人台的最大距离m1作为体态可调节人台需要调整的胸部数值；测量背部曲线处人体与人台的最大距离m2作为体态可调节人台需要调整的背部数值。由于肩部摆杆的旋转轴并不在人台中心轴上，因此摆杆旋转角度无法直接测量，人体肩部角度与摆杆旋转角度的换算示意图如图8所示。

图8 摆杆角度与肩开角的几何关系Fig.8 Geometrical relationship between pendulum angle and shoulder opening angle

测量标准人台的前颈点到肩峰点斜线与人台冠状面的角度α1，人体的前颈点到肩峰点斜线与其冠状面的角度α2，测量人台前颈点到肩峰点的斜线长l1以及人体前颈点到肩峰点的斜线长l2，由式(1)可以求得人台肩峰点与人体肩峰点的垂直距离l3。利用式(2)，摆杆长度l0=9.3 cm，可以得到摆杆旋转角度β。

l3=l1×sinα1-l2×sinα2

(1)

(2)

由式(3)～(5)可知，肩部摆杆旋转角度β为肩部电动机旋转角度a，由弧长公式可以计算胸部电动机旋转角度b与背部电动机旋转角度c。其中，m1为胸部齿条的水平移动距离，mm；m2为背部齿条的水平移动距离，mm；r为与齿条啮合的齿轮半径15mm。

a=β

(3)

(4)

(5)

步进电动机的细分数设置为4 000时，步进电动机的步距角为0.09°，控制器的脉冲频率为1 000，定时器为100 ms型，由式(6)～(8)可计算各模块的步进电动机旋转角度与定时器参数之间的计算公式。其中，t1为肩部电动机所需的定时器参数，t2为胸部电动机所需的定时器参数，t3为背部电动机所需的定时器参数。

(6)

(7)

(8)

4 模型组装

采用3D打印技术获得模型面板及零件，使用PLA材料通过DX-750S 3D打印机得到外轮廓面板。将活动零件与打印的模型面板进行组装，组装后的体态可调节人台如图9所示。由于体态可调节人台各面板之间的空隙量较大，导致内部机械结构裸露而影响人台的美观性，因此选用氨纶含量为39%的黑色弹力面料包覆体态可调节人台，在保证美观的同时实现体态可调节人台的立裁功能。考虑到蒙皮的存在会影响人台面板的移动，在电动机控制线所在一侧的腰腹部侧缝处设置拉链，方便蒙皮的摘取，蒙皮后的体态可调节人台如图10所示。

图9 体态可调节人台Fig.9 Posture adjustable mannequin.(a)Front;(b)Side;(c)Back

图10 蒙皮后的体态可调节人台Fig.10 Covering posture adjustable mannequin.(a)Front;(b)Right side;(c)Left side;(d)Back

5 验证评估

为了评估体态可调节人台的性能指标和仿真效果，从变形效果、变形范围及效率和变形精度3方面验证人台自身性能，并依据人体数据对体态可调节人台进行个性化调整，从人台与人体的重合度以及各部位截面曲线的变化情况验证体态可调节人台的仿真效果。

5.1 人台性能

5.1.1 变形效果

通过调整肩部、胸部、背部面板的控制参数可以获得不同程度的驼背状态人台和挺胸状态人台，体态可调节人台的变化效果如图11～14所示。由图可知，体态可调节人台确实可以实现胸部、背部、肩部的变化，其变化情况与预期设想相符。

图11 驼背状态的变形效果Fig.11 Deformation effect of the posture adjustable mannequin in humpback state.(a)Front;(b)Side;(c)Back

图12 最大驼背状态的变形效果Fig.12 Deformation effect of the posture adjustable mannequin in maximum humpback state.(a)Front;(b)Side;(c)Back

图13 挺胸状态的变形效果Fig.13 Deformation effect of the posture adjustable mannequin in straightening chest state.(a)Front;(b)Side;(c)Back

图14 最大挺胸状态的变形效果Fig.14 Deformation effect of the posture adjustable mannequin in maximum straightening chest state.(a)Front;(b)Side;(c)Back

5.1.2 变形范围及效率

变形范围表示体态可调节人台可模拟的范围，变形范围越大，可以覆盖的特殊体型越广。变形效率可以通过各模块从最大驼背程度调整为最大挺胸程度的变形时间来衡量，时间越短，效率越高。经过测试，体态可调节人台的变形范围及变形时长结果如表2所示，体态可调节人台与人体的关键指标的变形范围对比如表3所示。其中，肩部旋转角度的正负为摆动方向，正为前摆，负为后摆，胸部和背部平移距离的正负为移动方向，正为外凸，负为内收。

表2 体态可调节人台变形范围及变形时长Tab.2 Deformation range and time of the posture adjustable mannequin

表3 人台与人体的变形范围对比表Tab.3 Comparison table of the deformation range of the mannequin and the human size

在面板的实际运动过程中，胸部面板以及背部面板向人台内部推进时需要考虑机械结构的平台对面板运动的阻碍，且向外移动时齿条需要与齿轮始终啮合、不能脱离齿轮，肩部摆杆旋转时也会受到机械结构的影响。由表2可知，各运动模块变形范围较广，并且变形迅速，能够满足体态可调节人台的工作需要。由表3可知，体态可调节人台的肩开角、胸凸量以及背凸量的变化范围均覆盖了前期研究所得的人体尺寸变化范围，说明该体态可调节人台的尺寸变形范围较广，满足体态可调节人台的尺寸变化需求。

5.1.3 变形精度

变形精度对仿真结果有直接影响，可以通过设定值与测量值的差距评价体态可调节人台的变形精度。将体态可调节人台按照胸部齿条平移距离、背部齿条平移距离、肩部摆杆旋转角度的设定值进行调整，测量体态可调节人台各个活动面板的实际移动值，二者的数据对比结果如表4所示。

表4 体态可调节人台的变形精度Tab.4 Deformation precision of the posture adjustable mannequin

由表4可知，肩部摆杆旋转角度的平均误差为2.6°，胸部齿条平移距离的平均误差为0.4mm，背部齿条平移距离的平均误差为0.8mm，人台调整过程中出现误差的主要原因为定时器参数只能精确到0.1 s，但肩部面板、胸部面板和背部面板的变形误差较小，因此体态可调节人台的各个部位的变形精度符合要求。

5.2 仿真效果

邀请2位体型与标准人台相近的男性作为验证对象，使用三维人体扫描仪采集实验对象A和实验对象B的人体数据，经过调整获得符合实验对象体型的人台。将体态可调节人台模型、标准人台模型分别与人体模型的坐标系进行对齐，使用Geomagic Studio软件获取各个模型的肩部截面曲线、胸部截面曲线和背部截面曲线如图15、16所示，其中，虚线为该实验对象的截面曲线，实线为标准人台或者体态可调人台的截面曲线。

图15 截面曲线对比(实验对象A)Fig.15 Section curve comparison (the object A).(a) Shoulder curve of standard mannequin and human body;(b) Shoulder curve of the posture adjustable mannequin and human body;(c) Chest curve of standard mannequin and human body;(d) Chest curve of the posture adjustable mannequin and human body;(e) Back curve of standard mannequin and human body;(f) Back curve of the posture adjustable mannequin and human body

图16 截面曲线对比(实验对象B)Fig.16 Section curve comparison (the object B).(a) Shoulder curve of standard mannequin and human body;(b) Shoulder curve of the posture adjustable mannequin and human body;(c) Chest curve of standard mannequin and human body;(d) Chest curve of the posture adjustable mannequin and human body;(e) Back curve of standard mannequin and human body;(f) Back curve of the posture adjustable mannequin and human body

由图15可知，在肩部截面曲线中，标准人台曲线与人体曲线的前胸处相差12mm，后背处相差8mm，体态可调节人台的肩部则有明显的前倾趋势，其曲线在前胸与后背处均与人体曲线重合；在胸部截面曲线中，标准人台曲线与人体曲线的前胸处相差24mm，后背处相差16mm，体态可调节人台则缩小了人台面板在前胸和后背处的尺寸差距，其曲线在前胸处均与人体曲线重合；在背部截面曲线中，标准人台曲线与人体曲线的前胸处相差22mm，肩胛骨处相差6mm，体态可调节人台曲线在前胸处与肩胛骨处均与人体曲线重合。同样地，由图16数据可知，体态可调节人台的肩部、胸部、背部的截面曲线与实际人体之间的差距也比标准人台小。综上所述，与标准人台相比，体态可调节人台截面曲线与人体曲线的重合度更好。

6 结束语

人台在服装版型设计和制作中具有关键作用，可调节人台是人台未来发展的重要方向。本文基于服装人台的研究现状，提出并制作了一种体态可调节人台。在对人体挺胸、驼背体态变化规律分析总结后，将人台分解为颈部、前胸、后背、左右肩和腰腹部6个模块，采用步进电动机的机械驱动装置分别控制前胸、后背和双肩的运动，实现了人台对挺胸和驼背特殊体态的模拟。

经测试，该可调节人台具有良好的仿真精度，为体态可调节人台的设计和制作提供了参考。