基于骑行动作骨骼肌仿真的女性下肢皮肤形变表征

骆顺华，张 健

(1.山东工艺美术学院 服装学院，山东 济南 250300;2.东华大学 服装·艺术学院，上海 200051;3.上海硅步科学仪器有限公司，上海 201101)

高弹性紧身运动功能性服装结构是由人体静态形体和动态变化共同决定的，运动中体表皮肤变化对运动服装松量设计和功能设计影响最显著［1－2］。国内对于人体骨骼肌活动、皮肤形变与服装运动功能性之间关系的研究起步较晚，已有骑行运动骨骼肌的研究仅关注于骑行运动训练中如何科学地保护人体免受伤害，高弹性紧身骑行服装结构功能方面的研究尚未考虑下肢骨骼肌的作用。针对目前市场上的骑行服结构分割差异大且随意等问题，拟以骑行动作下女性下肢仿真建模为基础，探究骑行运动下大腿部骨骼肌活动与皮肤形变规律，为后续骑行裤设计与改良提供科学的可参考理论依据。

骑行运动中主要是下肢活动量大，因此骑行运动皮肤形变的研究重点放在大腿部。计算骑行周期动作每一帧的皮肤形变不太现实也没必要，在了解骑行周期动作运动规律基础上，只需合理选择骑行周期动作中影响皮肤形变的关键帧。而大腿部位的皮肤形变与骨骼肌活动关系密切，大腿部的肌肉与骨骼活动无法通过肉眼直接观察，因此需要通过人体建模仿真系统来解决这一问题，这也是选择关键帧的依据所在。

皮肤形变测量方法多样，常用方法有体表描线法［1］、网格法、石膏法等，且已有皮肤形变研究多为日常动作，张华玲等［3］的连体裤设计采用体表描线法计算日常基本动作皮肤形变;周捷等［4］通过做网格线计算女性上体日常动作下的皮肤形变，为文胸设计提供理论基础;王红歌等［5］研究弹性女裤动态松量时采用特征线法分析了女性下肢日常动作下的皮肤形变;郅晓磊［6］分别采用石膏法、圆点按印法和特征线法对男子下肢动态皮肤变化从横、纵、斜3个方向做了详细讨论。由于动态皮肤测量的繁琐和工作量问题，体表描线和网格线法只能测量横纵方向上的伸长率，不能对皮肤形变面积变化做出进一步研究以及不能获取形变后的平面展开图，而高性能运动服装在松量设计上要求较为准确把握每个部位的皮肤面积变化。石膏法虽然可测量皮肤面积形变及获取平面展开图，但该方法存在对人体束缚大、不适感强、操作困难、石膏干燥时间长让受试者难以承受的缺点，且涂抹石膏后的绷带是硬物质，所能拓印的动作与部位受人体活动限制。针对功能性运动服装的动态皮肤形变研究较少，仅高雪梅［7］对瑜伽动作的下肢皮肤形变提出讨论;Seo［8］、王燕珍等［9］采用三维人体扫描测量仪分析人体皮肤形变。三维扫描测量仪虽然测量快，不需要与人直接接触，但人体有些部位不能被扫描到，准确性低，计算复杂，适应性较差。基于此，本文设计了一种凝胶网格拓印新方法，获取了骑行动作下的人体皮肤形变。

1 骑行动作建模仿真

人体运动仿真是利用计算机模拟自然真实人体运动过程，首先建立人体计算机模型，通过在给定约束条件下仿真计算虚拟人自然真实的物理运动过程，并在计算机生成的虚拟环境中以三维图形方式逼真呈现该运动过程［10］。骑行动作实验采用人体建模仿真系统仿真模型中女性下肢骨骼肌的活动情况以及骨骼肌的力学特征。

1.1 骑行仿真实验方案

为分析骑行运动中人体腿部骨骼肌活动，实验采用仿真软件中标准人体骨骼肌模型，通过调整人体模型函数与实验对象取得一致性，依据人体特征数据(如身高、体重、上肢长度、下肢长度)修改参数，骨骼肌物理特征、脊柱弯曲角度等体几何参数，建立与动作捕捉实验对象相符的骨骼肌模型，并导入系统已建好的自行车模型，经过人体模型的躯干固定在鞍座上、连接脚与踏板、设定脚踝角度、固定膝关节横向位置、设定自行车模型骑行转速、阻力以及驱动踏板等步骤实现2个模型合体的骑行动作仿真。

建立人体骑行动作模型后，驱动该模型需要将动作捕捉得到的运动学C3D(储存捕捉三维动作的一种文件格式)文件导入仿真系统，驱动之前需要将文件中36个标识点与人体模型骨骼上的特征点对应，然后得到人体骑行运动下肢仿真图、肌肉激活程度、关节力矩、肌肉力与肌肉拉伸等生物力学数据。

1.2 实验结果及分析

人体骑行运动仿真得到1个运动周期(0.75 s)腿部肌肉(股外侧肌、股直肌、股内侧肌、股中肌、股二头肌和半腱肌)激活程度曲线图，结果如图1所示。

图1 骑行运动中腿部肌肉激活情况曲线图Fig.1 Graph of thigh muscle activation during cycling

观察肌肉激活程度曲线图以及肌肉位置，将肌肉分为2类肌肉群:前肌肉群和后肌肉群。前肌肉群包括股外侧肌、股直肌、股内侧肌和股中肌，因为这4块肌肉的变化趋势基本一致。后肌肉群包括股二头肌和半键肌，这2块肌肉激活程度变化曲线也基本相同。

分别从总、前、后3个角度对肌肉群的平均激活程度进行计算，统计得到肌肉激活程度的最大值和最小值及其所在的关键帧时刻位置。依据上述肌肉群激活程度临界值所对应的骑行动作帧与骑行仿真模拟周期中人体骨骼关节的活动范围，筛选5个关键帧进行腿部皮肤形变实验，如图2所示。分别为:膝盖部位角度最小/总肌群激活最小0.70 s(动作1)，后肌群激活最小/骑行最大做功开始0.11 s(动作2)，总肌群和前肌群激活程度最大0.20 s(动作3)，膝盖部位角度最大0.34 s(动作4)，后肌群激活程度最大0.53 s(动作5)。

图2 骑行运动中关键帧Fig.2 Key frames during cycling.(a)Frame of 0.70 s;(b)Frame of 0.11 s;(c)Frame of 0.20 s;(d)Frame of 0.34 s;(e)Frame of 0.53 s

2 大腿部皮肤形变实验

凝胶网格拓印直接准确获取人体任何动作的皮肤形变图，并基于图形像素技术快速算出皮肤形变面积与形变率，凝胶对人体无束缚减少了因束缚压迫导致的皮肤变形误差，不适感低，而且操作程序简单、快捷及准确，提高了工作效率。综合考虑皮肤形变测量的准确性、可操作性与计算的简便性，拟采用凝胶网格拓印的方法来获取骑行动作关键帧的皮肤形变，并采用图形像素计算面积分析皮肤形变量。

2.1 实验方案

实验对5个关键帧的大腿部皮肤形变拓印，计算出骑行运动过程中大腿部表面各区域的形变规律。实验以大转子处水平线与大腿的夹角α和髌骨为圆心点的大腿与小腿夹角β来确定皮肤形变动作姿势，腿部关节夹角如图3所示。因为在骑行过程中，大转子和髌骨关节是下肢骨骼活动的轴心，这2个角度可确保实验过程中模拟动作与实际动作的一致性。

2.1.1 实验工具

软尺、直尺、量角器、水性油墨笔、毛巾、铅垂线、凝胶、剪刀、窄透明胶带等。

2.1.2 实验对象

挑选5名22～25岁，身高在165～168 cm，BMI(body mass index，体质指数)为20～25 kg/m2;的女性专业骑行运动爱好者，作为实验对象。

图3 腿部关节夹角Fig.3 Angles of leg joints

2.1.3 实验过程

实验步骤如下:1)室内环境调整到人体舒适范围内，受试者穿着修改结构后的内衣在室内休息5 min以适应实验环境;2)受试者静态站立，在其大腿部(纵向从腰围线到膝盖上方3 cm位置，横向以前后中心线为基准)用眉笔画3 cm×3 cm左右的网格，网格分布如图4所示;3)将凝胶从腰部开始均匀涂抹在大腿部位，用吹风机加速凝固速度，待凝胶物质凝固成型后，再用窄的透明胶带粘贴一层，防止凝胶变形，先从侧缝线和下档线位置剪开并从大腿上剥离，再从臀部和会阴点下方的横向网格线水平剪开，然后分前上、前下、后上、后下4片样本;4)按照选取的动作以及控制该动作的夹角α、β来固定骑行时的姿势，实验对象固定该姿势，重复上述拓样过程;5)将拓印得到的膜样本小心剥离下来，用剪刀按网格线剪开并按照图4进行编号，按编号的位置及顺序依次贴放在白纸上，并将白纸上的方格图扫描、保存图片;6)扫描的图片保存格式为bmp(无损位图格式)格式，用Photoshop获取单元网格像素数及分辨率后计算网格面积。

图4 大腿部网格分布示意图Fig.4 Diagram of grid distribution on thigh

2.2 下肢皮肤形变分析

通过对实验得到的5个实验对象扫描网格图片进行像素计算并与静立时网格面积进行比较，得到5个实验对象、5个动作下单元网格的皮肤变形率，计算公式为

式中:Ri为单元格皮肤变形率，%;Si为5个骑行动作关键帧的单元网格面积，cm2;S0为静态站立下单元网格面积，cm2。

将缺失和有显著差异性的数据剔除。5个动作下大腿部皮肤单元网格的平均形变率曲线图如图5所示。

图5 大腿部皮肤形变率曲线图Fig.5 Graph of skin deformation rate on thigh

由图5可发现:5个关键帧动作大腿各部位的皮肤形变趋势基本一致(因绘图软件问题，图中圆圈是缺失数据位置，实际没有线)，说明骑行周期运动过程中，总体上每个区域各动作之间皮肤形变相比变化较小;无论什么动作下 C1～C8、D1～D8、E1～E8、F1～F8、G1～G8、H1～H8与 C12～C14区域的皮肤总体呈拉伸状态，根据图4显示这部分区域属于人体臀部，臀部在骑行动作下始终处于拉伸状态，而且曲线图显示臀部的拉伸变化与骑行动作姿势相关性很大;动作2和动作3的夹角β不同、α相同，曲线形状重合度较高，说明β角度的变化对2种动作的皮肤形变没有太大的影响;动作3和动作5的夹角β相同、α不同，但曲线形态相对来说有较大差异，尤其是臀部和腹部的皮肤形变率差异较大，体现夹角α对腿部皮肤形变影响较大;5个动作下的臀部C7～C8与D7～D8区域在骑行过程中拉伸量最大，分别为58.01%、45.36%，这块区域位于人体站立时的臀褶区域，而骑行姿势是人体整体向前弯曲近似成C字形，因此测量结果验证与姿势是一致的;从 K3～K4、L4～L6、M5～M6到 N6～N7区域这一靠近腹股沟区域在骑行运动中皮肤收缩逐渐增大，最大收缩率达到－50%，其变化率随动作不同差异较大，其中动作1与动作4最为明显;大腿前部与大腿后部的皮肤在骑行过程中既有拉伸又有收缩，大腿后侧皮肤形变率比前部要大1倍左右，从横档至髌骨，皮肤形变从拉伸量最大到收缩量最大，同样大腿后部变化比前部变化大，并且靠近髌骨位置的皮肤拉伸较大，主要因为膝盖弯曲导致髌骨周围皮肤拉伸。

3 结论

通过分析各网格区域皮肤面积变化数据发现，不同区域皮肤拉伸形变差异较大，因此后续骑行裤功能性研究中关注大腿皮肤形变因素是非常必要的。女性下肢皮肤形变规律如下:臀部区域的皮肤整体是拉伸变形，臀褶区域拉伸率最大达到58%;夹角α的变化对皮肤形变的影响较大，相反夹角β变化对皮肤形变的影响较小;靠近腹股沟并与腹股沟方向一致的斜向区域皮肤收缩逐渐增大，收缩率达到50%左右;大腿前部皮肤形变比大腿后部皮肤形变量小。经实验验证，对人体骑行运动进行仿真模拟获取了骨骼肌的活动规律，从而发现骑行过程中皮肤形变的5个关键位置，大大简化了皮肤形变实验，而皮肤形变率采用图形像素的计算方法同样加快了数据的处理速度和准确性，凝胶拓印法获取皮肤形变的可操作性比石膏法强，且与描线法、网格法相比误差小，前面2种方法也无法获取皮肤面积的变化。

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