基于跑步運動狀態(tài)下的皮膚拉伸研究

王燕珍，王建萍，張燕，吳廷雅

(1.東華大學(xué)服裝·藝術(shù)設(shè)計學(xué)院，上海 201620;2.上海工程技術(shù)大學(xué)服裝學(xué)院，上海 201620)

運動是人的天性，跑步已經(jīng)悄然成為最受人們歡迎的健身運動之一［1－2］。人體在跑步過程中的姿勢變化是通過上下肢骨骼關(guān)節(jié)位置變化，肌肉收縮形變及上下肢皮膚拉伸共同作用的結(jié)果［3］。人體的整體骨骼結(jié)構(gòu)由各種具有不同活動范圍和方向的關(guān)節(jié)連接而成，通過骨骼關(guān)節(jié)、肌肉膨縮、伸縮等變化，在人體運動過程中皮膚在不同部位產(chǎn)生不均一的伸縮。人體關(guān)節(jié)的運動會產(chǎn)生人體不同部位皮膚橫向和縱向的拉伸，皮膚拉伸量的變化可以指導(dǎo)服裝造型及松量的變化［4－5］。

目前，國外學(xué)者對于人體的動態(tài)皮膚形變研究較多。1980年，在奧地利召開的第十九屆國際化纖會議上公布了運動過程中皮膚表面拉伸率，其中的關(guān)于人體關(guān)節(jié)部位的數(shù)據(jù)對于服裝松量及不同運動狀態(tài)下如何考慮服裝結(jié)構(gòu)的變化有重要的參考價值［6］。日本的田中道一［7］得出了年齡不同，人體皮膚受到相同的拉伸應(yīng)力時伸長率是不同的。柳尺澄子［8］定量分析各種運動變化對服裝的具體要求。甘應(yīng)進等［9］用服裝剪切法分別對上下肢運動與服裝的關(guān)系分析研究。王偉平［10］針對日常動作采用描線法對下體皮膚動態(tài)進行測量實驗，研究職業(yè)女性貼體褲的結(jié)構(gòu)。胡曉俐［11］用石膏法對女子腰臀部的運動變化進行研究;周捷［12］以動態(tài)皮膚拉伸實驗為出發(fā)點，分析了人體動態(tài)松量的設(shè)置。國內(nèi)外學(xué)者的研究主要以人體靜態(tài)直立姿勢為基準，運用未拉伸線法、體表畫線法、石膏帶法和捺印法等實驗方法測量皮膚的伸縮變化情況，探討由人體運動引起的皮膚變形，但并沒有針對某一運動姿勢進行測量，而且采用手工測量的方式，誤差較大。

本文在跑步循環(huán)運動動作分解基礎(chǔ)上，利用ScanWorkX系統(tǒng)進行三維掃描，通過VITUS SMART系統(tǒng)全方位獲取皮膚拉伸數(shù)據(jù)，研究女子人體下肢皮膚拉伸變化。首先擬定跑步循環(huán)動作分解及體表表示點，設(shè)計實驗方案，對獲取的縱橫向數(shù)據(jù)進行研究，獲得跑步運動狀態(tài)下女子下肢皮膚拉伸規(guī)律。

1 跑步循環(huán)動作分解

1.1 跑步循環(huán)運動分析

跑步是一種關(guān)節(jié)和肌群反復(fù)活動的全身性有氧運動。跑步是一個周期性活動，包括后蹬、前擺、騰空、著地緩沖等動作。

1)后蹬與前擺階段:這一階段擺動腿的大腿與水平面約成20°～30°;支撐腿在擺動腿積極前擺的配合下快速有力地伸展髖、膝、踝關(guān)節(jié)，與垂直線角度為 20°。

2)騰空階段:當支撐腿結(jié)束后蹬進入騰空階段時，與垂直線成20°～30°。與此同時，擺動腿膝關(guān)節(jié)放松，小腿隨擺動下壓準備著地。

3)著地緩沖階段:當擺動腿的前腳掌著地時，腿部各關(guān)節(jié)開始緩沖，身體主動用力來加速身體重心的前移，然后轉(zhuǎn)入后蹬。

通過跑步循環(huán)動作分解，為了實驗可操作性，以人體左腿作為測試對象，根據(jù)腿部擺動的最大和最小幅度，取其中的3個動作(如圖1所示的實驗動作分解):動作一，左腿前邁至最大;動作二，左腿落地半屈;動作三，左腿后擺至最大。

1.2 實驗動作線性表示

圖1 實驗動作分解Fig.1 Test action decomposition.(a)Action one;(b)Action two;(c)Action three

圖2 線性表示圖Fig.2 Action linear representation.(a)Action one;(b)Action two;(c)Action three

為了規(guī)范試驗中動作的規(guī)范性，將圖1中3個跑步分解動作做線性描述處理，圖2為線性表示圖。實驗過程中，腿放置于與圖2所示高度相同的踏臺上，利用量角尺逐個確定測體時身體的前傾角度和擺腿角度。

2 下肢實驗表示點確定

為了在VITUSSMART系統(tǒng)中能夠獲取皮膚拉伸數(shù)據(jù)，需要確定體表標示點位置，圖3示出下肢表描線及標志點位置。

橫向基準線:腰圍線 b1-a1-e1-d1、中臀圍線b2-a2-e2-d2(實際測量時跳過了這個圍度的標志點)、臀圍線 b3-a3-e3-d3、臀溝線b4-a4-e4-d4(實際測量跳過)、大腿圍a5-b5-c5、膝圍上線(大腿圍與膝圍線中點)a6-b6-c6、膝圍線a7-b7-c7、膝圍下線(小腿最大圍)a8-b8-c8。

縱向線基準線:外側(cè)縫a、前中 b、內(nèi)側(cè)縫c、后三等分線(靠近內(nèi)側(cè)縫)d、后三等分線(靠近外側(cè)縫)e。

3 實驗步驟

3.1 實驗條件

實驗地點:上海工程技術(shù)大學(xué)側(cè)體實驗室。

圖3 下肢體表描線及標識點位置Fig.3 Lower limb described line and identifisation point positions.(a)Front;(b)Side;(c)Back

實驗人員:協(xié)助測體及主觀評價記錄人員3名、實驗協(xié)調(diào)人員1名(指導(dǎo)測試者調(diào)整姿勢)、儀器操作1名。

實驗方法:三維掃描捕捉。

實驗儀器:SanWORKX三維掃描系統(tǒng)、溫濕度測量儀、馬丁測量儀、標志點、標志線。

測量原理:SanWORKX三維掃描系統(tǒng)主要由4臺掃描儀組成。應(yīng)用掃描系統(tǒng)的掃描人體體表變化，并利用分析軟件輸出人體標示點間分析結(jié)果。

實驗對象:選擇50名身高在155～165 cm的女性作為實驗對象。

3.2 實驗步驟

實驗對象在下半身穿著緊身短褲，上半身穿著內(nèi)衣的穿著狀態(tài)進行實驗;在實驗對象下半身按規(guī)定在貼上標示帶，找到標志點位置，測量靜止時標志點的縱橫向數(shù)據(jù);將按動作一通過量角尺調(diào)整人體姿勢，進行20 s的熟悉階段后開始掃描數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)記錄;然后依次按動作二、動作三進行數(shù)據(jù)掃描;圖4所示為實驗動作掃描圖。

圖4 實驗側(cè)體圖Fig.4 Experimental actions scans.(a)Running stride;(b)Fall;(c)Backswing

4 實驗數(shù)據(jù)獲取和分析

4.1 實驗數(shù)據(jù)獲取

4.1.1 橫向測量數(shù)據(jù)獲取

在人體不同的動態(tài)下(直立、前邁、半屈、后擺)，使用VITUSSMART三維掃描系統(tǒng)中的截面工具，截取每個動作下的 a5-b5-c5(大腿圍)、a6-b6-c6(膝上圍)、a7-b7-c7(膝圍)和 a8-b8-c8(小腿圍)橫截面，并量取每段的圍度，記錄相應(yīng)的數(shù)值。圖5為橫向界面示意圖。

4.1.2 縱向測量數(shù)據(jù)獲取

在3種動作下，使用VITUSSMART三維掃描系統(tǒng)中的線段工具，依次量得縱向標識點區(qū)間距離，同時計算連讀的整段線段長度(如表1)。圖6為腿部正背面皮膚測量示意圖。

圖5 腿部橫向截面位置和截面示意圖Fig.5 Legs horizontal cross-section location and diagram.(a)Legs horizontal cross-section location;(b)Cross-section diagram

表1 體表縱向標示點間皮膚數(shù)據(jù)記錄表Tab.1 Vertical point recording sheet

圖6 腿部正背面肌肉弧線的測量示意圖Fig.6 Leg front and back muscles arc measurement picture

4.2 實驗數(shù)據(jù)分析

4.2.1 皮膚拉伸率

人體動靜態(tài)體表皮膚形變拉伸率K的計算方法如下:

式中:a為人體靜態(tài)(直立)時的體表點位長度;b為人體動態(tài)(腿部前邁、落地、后擺)時的體表點位間長度;K的計算值精確到小數(shù)點后2位［12］。

4.2.2 橫向皮膚拉伸率分析

通過Scanworkx系統(tǒng)獲取數(shù)據(jù)，利用式(1)獲得各個部位的皮膚拉伸率，計算橫向皮膚拉伸率的均值。圖7為橫向皮膚拉伸率折線圖。

圖7 橫向皮膚拉伸率折線圖Fig.7 Horizontal skin stretching rate of line chart

從圖7可看出大腿圍、膝上圍和小腿圍的橫向拉伸變化率都在±5%以內(nèi)，圍度變化不是很明顯。但是同時可以看到a7-b7-c7膝圍的變化率明顯要比其他3個圍度要大，在后擺時達到7.15%。在整個跑步運動過程中，大腿圍始終是處于收縮狀態(tài)，膝上圍在腿部落地緩沖到自然后擺這個過程中也處于收縮狀態(tài)，通過數(shù)據(jù)可以看到，在落地時，膝上圍皮膚收縮了－3.02%，到后擺時，收縮幅度變小，為－0.72%，在落地到后擺這個過程，腿部的肌肉是從緊繃狀態(tài)到自然舒張狀態(tài)的過程，所以體表皮膚拉伸率呈一個遞減趨勢，說明體表皮膚的拉伸形變很大程度上是跟隨著肌肉的舒張。

4.2.3 縱向皮膚拉伸率分析

利用式(1)獲得各個部位的皮膚拉伸率，計算縱向皮膚拉伸率的均值。圖8示出縱向皮膚拉伸率折線圖。從圖可看出腿部前邁時，大腿外側(cè)和前中區(qū)域的皮膚都呈收縮狀態(tài)，但由于膝蓋彎曲，導(dǎo)致前中膝圍上下區(qū)域的皮膚發(fā)生較大的拉伸形變，最大拉伸率達到38.39%。腿部內(nèi)側(cè)和背面中上部位都是表現(xiàn)出明顯的拉伸形變，但膝上圍線以下部位，又都統(tǒng)一的表現(xiàn)出收縮形變。腿部落地緩沖時，整個腿部皮膚的變化規(guī)律仍然跟隨前邁狀態(tài)時的形變情況，但同比的變化幅度有所減小。腿部后擺時，大腿內(nèi)側(cè)皮膚呈收縮狀態(tài)，外側(cè)皮膚拉伸，腰胯部位較為明顯，中下部位不明顯，但膝蓋外側(cè)區(qū)域的皮膚拉伸量特別大，靠近內(nèi)縫區(qū)域拉伸較少或呈收縮狀態(tài)。腿部背面靠近臀部區(qū)域的皮膚收縮，且臀圍區(qū)域比腿部區(qū)域收縮更明顯，靠近腿外側(cè)和跨部的區(qū)域呈拉伸狀態(tài)，外側(cè)縫尤為明顯，近外縫區(qū)域(e區(qū)域)拉伸相對較小。

圖8 縱向皮膚拉伸率(區(qū)間長度)折線圖Fig.8 Vertical skin stretch rate(interval length)line chart

5 結(jié)論

通過跑步運動分解后進行的皮膚拉伸實驗可得，針對同一個跑步動作，腿部各個區(qū)域的皮膚拉伸率是不同的，主要集中在大腿外側(cè)和膝蓋區(qū)域，綜合考慮3個動作對腿部皮膚拉伸形變的影響，前邁和后擺對腿部皮膚造成的形變雖然方向不同，但對比觀察其拉伸變化幅度還是比較相近的。而且膝蓋部位始終是一個變化率從質(zhì)變和量變都比較大的區(qū)域。

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