三維動(dòng)作捕捉儀在服裝工效學(xué)評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

田苗,　李俊*,3

(1.東華大學(xué) 服裝·藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院，上海 200051；2.東華大學(xué) 功能防護(hù)服裝研究中心，上海 200051；3.東華大學(xué) 現(xiàn)代服裝設(shè)計(jì)與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200051)

?

三維動(dòng)作捕捉儀在服裝工效學(xué)評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

田苗1,2,李俊*1,2,3

(1.東華大學(xué) 服裝·藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院，上海 200051；2.東華大學(xué) 功能防護(hù)服裝研究中心，上海 200051；3.東華大學(xué) 現(xiàn)代服裝設(shè)計(jì)與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200051)

摘 要：從發(fā)展過(guò)程、應(yīng)用領(lǐng)域和不同產(chǎn)品優(yōu)缺點(diǎn)的角度出發(fā)，對(duì)三維動(dòng)作捕捉儀進(jìn)行回顧和分析。結(jié)合目前服裝工效學(xué)評(píng)價(jià)的一般方法，剖析了現(xiàn)有方法存在的問題及使用三維動(dòng)作捕捉儀的優(yōu)勢(shì);通過(guò)對(duì)現(xiàn)有研究的回顧，預(yù)測(cè)了三維動(dòng)作捕捉儀在服裝工效學(xué)評(píng)價(jià)領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)。結(jié)合步態(tài)分析和行走模式等生物力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)理論，可以從提高穿著者作業(yè)效率、減少職業(yè)傷害等角度，為服裝及裝備的設(shè)計(jì)提供更為科學(xué)合理的意見和建議;將三維動(dòng)作捕捉儀與可穿戴設(shè)備理念相結(jié)合，可以促進(jìn)服裝在健康監(jiān)控及職業(yè)防護(hù)等方向的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：動(dòng)作捕捉；工效學(xué)評(píng)價(jià)；服裝；肢體活動(dòng)范圍

三維動(dòng)作捕捉儀作為動(dòng)畫、游戲及電影輔助產(chǎn)品的用途廣為人知[1-2]，而其開發(fā)的最初目的是分析臨床病人的肢體動(dòng)作和步態(tài)，從而完善治療方案[3]。目前，其應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)展為與人體運(yùn)動(dòng)健康，醫(yī)療復(fù)健，甚至海軍設(shè)備水下測(cè)試[4]相關(guān)的各個(gè)領(lǐng)域。服裝作為人體與環(huán)境之間的主要介質(zhì)，是影響人體運(yùn)動(dòng)舒適性的主要原因。對(duì)于需要穿著特種服裝執(zhí)行任務(wù)的人群(如消防員或軍人)，服裝對(duì)人體動(dòng)作的限制會(huì)直接影響其作業(yè)效率，導(dǎo)致肌肉疲勞，甚至危及其生命安全[5]。近年來(lái)，一些國(guó)外學(xué)者將三維動(dòng)作捕捉儀應(yīng)用到服裝及特種服裝裝備的工效學(xué)評(píng)價(jià)中，通過(guò)科學(xué)和全面的分析，促進(jìn)服裝及裝備的設(shè)計(jì)與改良[6]。

文中從發(fā)展歷程，主要應(yīng)用領(lǐng)域及不同原理的優(yōu)缺點(diǎn)分析出發(fā)，回顧并總結(jié)了三維動(dòng)作捕捉儀的現(xiàn)狀。通過(guò)對(duì)服裝工效學(xué)一般研究方法的梳理，剖析目前方法存在的問題，及三維動(dòng)作捕捉儀應(yīng)對(duì)這些問題的優(yōu)勢(shì)。

1三維動(dòng)作捕捉儀

1.1發(fā)展過(guò)程及現(xiàn)狀

1.1.1三維動(dòng)作捕捉儀的開發(fā)早期進(jìn)行動(dòng)作捕捉相關(guān)研究的學(xué)者主要來(lái)自于醫(yī)院及人體運(yùn)動(dòng)科學(xué)領(lǐng)域，研究的主要目的是評(píng)估人體的運(yùn)動(dòng)能力，從而判斷手術(shù)、假肢等治療方案的有效性[7]。三維動(dòng)作捕捉系統(tǒng)常與測(cè)力平臺(tái)(Force platform)及EMG (Electromyography)遙測(cè)系統(tǒng)相結(jié)合，作為臨床步態(tài)分析的主要手段[8]。在三維動(dòng)作捕捉儀(3D motion capture)之前，具有相似功能的儀器一般被稱為三維分析 (3D analysis)或動(dòng)作分析(Motion analysis)系統(tǒng)[4]。利用該系統(tǒng)，可以進(jìn)行人體關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)，肌肉骨骼功能及步態(tài)分析等方面的研究。

動(dòng)作分析系統(tǒng)早期主要應(yīng)用于下肢的動(dòng)作跟蹤[9]，隨著定位點(diǎn)捕捉技術(shù)的發(fā)展，上肢及頭部等其他人體部位也逐漸被作為研究對(duì)象。除了捕捉范圍的擴(kuò)大，三維動(dòng)作捕捉儀的開發(fā)也更加追求精確性和時(shí)效性。

1.1.2三維動(dòng)作捕捉儀的構(gòu)成根據(jù)動(dòng)作跟蹤原理，目前用于人體動(dòng)作分析的三維動(dòng)作捕捉儀主要可分為光學(xué)運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)[10]和基于慣性傳感技術(shù)的運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)[11]?；诠鈱W(xué)的動(dòng)作捕捉系統(tǒng)主要由人體標(biāo)記點(diǎn)，用于捕捉標(biāo)記點(diǎn)信息的攝像機(jī)以及進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄和處理的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成?；趹T性傳感技術(shù)的捕捉系統(tǒng)則主要由位置跟蹤傳感器和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成。

在進(jìn)行動(dòng)作捕捉之前，首先需要對(duì)人體的不同區(qū)段進(jìn)行定位。以下肢為例，定位點(diǎn)主要在盆骨、大腿、小腿及腳部[12]。為了精確捕捉下肢各區(qū)段的動(dòng)作，光學(xué)動(dòng)作捕捉系統(tǒng)需要將紅外發(fā)光二極管或具有反光功能的標(biāo)記點(diǎn)固定在下肢各個(gè)定位點(diǎn)處，然后通過(guò)圍繞在人體周圍的攝像機(jī)對(duì)標(biāo)記點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行記錄。隨著技術(shù)的發(fā)展以及測(cè)量精度的提高，攝像機(jī)的數(shù)量逐漸從5個(gè)[3]發(fā)展到6個(gè)[13]、9個(gè)[14]等。基于慣性傳感技術(shù)的動(dòng)作捕捉系統(tǒng)，則需要在定位點(diǎn)放置位置跟蹤傳感器。該傳感器主要由3部分組成：用于測(cè)量地磁場(chǎng)的三維磁力儀，用于測(cè)量包括重力加速度在內(nèi)加速度的三維線性加速計(jì)，以及用于測(cè)量角速度的三維速率陀螺儀[15]。

標(biāo)記點(diǎn)或位置傳感器對(duì)于各個(gè)點(diǎn)的記錄是分離的，為更好地再現(xiàn)肢體動(dòng)作及獲得某區(qū)段或關(guān)節(jié)的活動(dòng)角度或運(yùn)動(dòng)速度，需建立人體力學(xué)模型對(duì)測(cè)量的標(biāo)記點(diǎn)進(jìn)行整合，即人體動(dòng)作的三維重建和動(dòng)態(tài)模型的獲得[7]。在目前的商業(yè)軟件中，已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)測(cè)量和人體力學(xué)模型運(yùn)動(dòng)的實(shí)時(shí)觀察。另外，除了三維肢體活動(dòng)角度之外，軟件通過(guò)設(shè)計(jì)人體力學(xué)模型內(nèi)部算法，還可以計(jì)算出各個(gè)傳感器的速度，加速度及人體質(zhì)心的位移等。因此，不僅可以對(duì)捕捉到的動(dòng)作信息進(jìn)行回放和分析，并且可以將數(shù)據(jù)導(dǎo)出，在Microsoft Excel,3ds Max，MATLAB等軟件中進(jìn)行后期處理[15]。

1.2應(yīng)用領(lǐng)域

三維動(dòng)作捕捉儀的應(yīng)用范圍非常廣泛，包括生物力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)、工效學(xué)等研究領(lǐng)域，以及虛擬現(xiàn)實(shí)、電影制作等應(yīng)用領(lǐng)域。

在生物力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)領(lǐng)域，三維動(dòng)作捕捉儀主要用于不同負(fù)重或身體狀態(tài)下的行走模式，動(dòng)作分析及身體平衡的判定，及不同身體截面方向特定關(guān)節(jié)(如腳踝、膝蓋等)的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征分析[16-18]。在三維動(dòng)作分析中，一般將人體分為3個(gè)截面，分別為冠狀面(Frontal plane)，矢狀面(Sagittal plane)和水平面(Transverse plane)[19]。通過(guò)測(cè)量隨時(shí)間變化的各個(gè)截面方向的肢體活動(dòng)，可以計(jì)算出臀部、膝蓋、腳踝等處在3個(gè)方向的肢體活動(dòng)范圍(Range of Motion，ROM)，以及角速度的變化等指標(biāo)，其中矢狀面的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)對(duì)于步態(tài)的分析具有更為重要的作用[20]。

生物力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)領(lǐng)域的相關(guān)研究結(jié)合關(guān)節(jié)處的力矩等特征，對(duì)可能造成的肌肉或骨骼傷害作出預(yù)測(cè)。LaFiandra等[9]利用動(dòng)作捕捉儀獲得了在不同負(fù)重條件下盆骨及胸部在水平面上的角加速度，結(jié)合所獲得的力矩參數(shù)，提出降低潛在風(fēng)險(xiǎn)的策略。另外，LaFiandra等[21]還對(duì)關(guān)節(jié)處角度的變化和步態(tài)參數(shù)的關(guān)系進(jìn)行了分析。如非負(fù)重狀態(tài)下，盆骨的旋轉(zhuǎn)角度較大，因此可以產(chǎn)生較大的步幅；反之在負(fù)重狀態(tài)下，盆骨的旋轉(zhuǎn)角度較小，因此產(chǎn)生的步幅較小。Smith等[16]對(duì)大學(xué)女生采用不同背包方式狀態(tài)下盆骨的傾斜和旋轉(zhuǎn)進(jìn)行研究，并發(fā)現(xiàn)當(dāng)背包時(shí)，盆骨的傾斜和旋轉(zhuǎn)的角度范圍都有所減小。另外，對(duì)于不同的行走狀態(tài)，Protopapadaki等[18]利用三維動(dòng)作捕捉儀研究了上下樓梯時(shí)臀部、膝蓋和腳踝處的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)，并發(fā)現(xiàn)與下樓梯相比，上樓梯對(duì)于人體生物力學(xué)的要求更高。

三維動(dòng)作捕捉儀還大量用于負(fù)重對(duì)軍人下肢活動(dòng)性影響的研究[13]。其中Birrell等[22]發(fā)現(xiàn)負(fù)重32 kg時(shí)，人體的膝部在矢狀面的ROM及盆骨旋轉(zhuǎn)ROM都有顯著下降。Park等[23]結(jié)合不同負(fù)重條件(0.06，9，18和27 kg)進(jìn)行防彈背心相關(guān)研究，結(jié)果表明隨著負(fù)重質(zhì)量的增加，盆骨旋轉(zhuǎn)會(huì)顯著減小，從而限制下肢對(duì)前行運(yùn)動(dòng)的控制。而由于負(fù)重所導(dǎo)致的身體前傾以及盆骨前傾則會(huì)增加背部骨骼肌肉受傷的風(fēng)險(xiǎn)。研究發(fā)現(xiàn)不同的負(fù)重分布(如左右平衡，或單側(cè)負(fù)重)同樣會(huì)影響下肢的ROM，且相對(duì)平衡的負(fù)重方式可以減少慢性腰痛等疾病的發(fā)生。此類研究有助于進(jìn)行軍人負(fù)重系統(tǒng)設(shè)計(jì)，從而減少對(duì)軍人行動(dòng)的限制及產(chǎn)生骨骼肌肉傷害的風(fēng)險(xiǎn)[13]。

另外，三維動(dòng)作捕捉儀還廣泛應(yīng)用于流水線工人的動(dòng)作分析，運(yùn)動(dòng)員的動(dòng)作分析和傷害預(yù)測(cè)以及通過(guò)監(jiān)測(cè)微小動(dòng)作進(jìn)行測(cè)謊等方面[24]。

1.3不同動(dòng)作捕捉儀的優(yōu)缺點(diǎn)分析

基于不同原理的動(dòng)作捕捉儀具有不同的特性，但都主要依靠位于人體表面不同區(qū)段的標(biāo)記點(diǎn)或位置傳感器記錄位置的變化。然而，動(dòng)作捕捉的根本目的是獲取骨骼或關(guān)節(jié)處的角度或位置隨時(shí)間的變化情況。因此，在人體活動(dòng)時(shí)，附著于人體表面的標(biāo)記點(diǎn)與骨骼之間相對(duì)位置的偏移決定了標(biāo)記點(diǎn)移動(dòng)軌跡重建的不確定性，即動(dòng)作捕捉的誤差[12]。Cappozzo[7]對(duì)測(cè)試方法中使用儀器導(dǎo)致的誤差進(jìn)行分析，并認(rèn)為在測(cè)量時(shí)應(yīng)考慮其對(duì)精確度的影響。

目前，市場(chǎng)上大部分動(dòng)作捕捉儀為光學(xué)捕捉系統(tǒng)?？蒲腥藛T對(duì)該系統(tǒng)的研究起步較早，技術(shù)相對(duì)成熟。但在測(cè)試時(shí)，需要使用紅外發(fā)光二極管或有反光效果的標(biāo)記點(diǎn)，并將其固定在皮膚或服裝表面。在受試者活動(dòng)時(shí)，標(biāo)記點(diǎn)存在脫落的可能性，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)缺失[14,25]。另外，當(dāng)受試者需要穿著厚重服裝時(shí)，標(biāo)記點(diǎn)是否可以保持與骨骼點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的位置也是值得考慮的問題。

對(duì)于基于慣性傳感技術(shù)的動(dòng)作捕捉系統(tǒng)，位置信息通過(guò)無(wú)線信號(hào)進(jìn)行收集，并且可以通過(guò)計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)觀測(cè)到虛擬人體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，無(wú)需任何附加設(shè)備(如攝像機(jī))。因此，具有更好的靈活性，不存在避免標(biāo)記點(diǎn)被遮擋或脫落的問題。但該系統(tǒng)易受外界磁場(chǎng)干擾，在磁場(chǎng)較強(qiáng)的環(huán)境難以進(jìn)行傳感器的校正[15]。因此，基于慣性傳感技術(shù)的動(dòng)作捕捉系統(tǒng)對(duì)操作環(huán)境要求較高。

2服裝工效學(xué)的一般研究方法

2.1主要測(cè)試指標(biāo)-ROM

服裝工效學(xué)研究的主要目的是對(duì)著裝后人體的活動(dòng)靈活性進(jìn)行評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)指標(biāo)一般為靜態(tài)動(dòng)作時(shí)肩部、腋下、襠部、腰部等部位的ROM[26]。通過(guò)比較著裝前后的ROM，對(duì)服裝的活動(dòng)靈活性進(jìn)行判斷。在目前服裝工效學(xué)評(píng)價(jià)中，ROM一般不會(huì)細(xì)分為3個(gè)截面方向的變化，而是選取認(rèn)為穿著服裝可能會(huì)顯著影響的部位，如肩部在冠狀面和矢狀面的ROM，臀部在冠狀面的ROM等，因此對(duì)于不同服裝，或不同批次實(shí)驗(yàn)所選擇的測(cè)試動(dòng)作并不完全一致。

2.2ROM的來(lái)源及測(cè)試方法

ROM早期用于臨床測(cè)量，主要目的是研究各個(gè)關(guān)節(jié)(尤其是下肢臀部、膝部關(guān)節(jié)等)的ROM與年齡的相關(guān)性等，因?yàn)镽OM是判斷肢體靈活度的重要標(biāo)準(zhǔn)[27-28]。大量調(diào)查表明，隨著年齡的增加，關(guān)節(jié)的靈活性會(huì)逐漸降低。如老年人活動(dòng)時(shí)臀部和膝部的平均ROM比年輕人低20%[29]。另外，ROM也是評(píng)價(jià)肌肉拉伸等治療手段對(duì)病人肢體或關(guān)節(jié)活動(dòng)性改善的重要指標(biāo)，因此，在臨床醫(yī)學(xué)中被廣泛應(yīng)用[30]。

角度計(jì)是測(cè)量ROM的主要技術(shù)手段，測(cè)量時(shí)需要兩位受過(guò)訓(xùn)練的測(cè)量者配合操作，其中一位操作角度計(jì)，另外一位進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄。雖然角度計(jì)是測(cè)量ROM的常用手段，但其準(zhǔn)確度和可靠性存在一些爭(zhēng)議。Gajdosik等[27]針對(duì)其可靠性進(jìn)行了研究并認(rèn)為使用角度計(jì)存在一定局限性，臨床醫(yī)生應(yīng)該采用更加標(biāo)準(zhǔn)化的方法進(jìn)行測(cè)試，而測(cè)量工具不應(yīng)該成為影響ROM的因素。

2.3ROM在服裝工效學(xué)中的應(yīng)用

在評(píng)價(jià)防護(hù)服裝系統(tǒng)對(duì)人體動(dòng)作限制時(shí)，Huck[26]借鑒了人體運(yùn)動(dòng)學(xué)和臨床領(lǐng)域所采用的人體坐標(biāo)系統(tǒng)，選取肩部屈曲/伸展(矢狀面)，肩部?jī)?nèi)收/外展(冠狀面)，肘部屈曲/伸展(矢狀面)，臀部屈曲/伸展(矢狀面)等9組動(dòng)作，分別測(cè)量人體著裝時(shí)所能達(dá)到的最大角度，并分別計(jì)算ROM。在測(cè)量肢體角度時(shí)，一般采用角度計(jì)，即通過(guò)肢體方向與鉛垂方向的角度差確定肢體角度，及一組肢體活動(dòng)的ROM。在評(píng)價(jià)穿著高溫防護(hù)服[31]、油罐清潔服[32]等防護(hù)服裝對(duì)肢體活動(dòng)靈活度的影響時(shí)，測(cè)量ROM的方法被廣泛使用。

這種測(cè)試方法簡(jiǎn)單易行，但同時(shí)存在測(cè)量準(zhǔn)確性的問題。另外，肢體最大角度的測(cè)量只能針對(duì)特定動(dòng)作，一方面某些極限動(dòng)作在實(shí)際作業(yè)情況下并不會(huì)發(fā)生，另一方面這種測(cè)試方法不能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)多部位的角度變化。因此，對(duì)于服裝工效學(xué)的評(píng)價(jià)需要更加全面和專業(yè)的方法和工具。三維動(dòng)作捕捉儀不但可以測(cè)量任何狀態(tài)下肢體在3個(gè)維度的活動(dòng)角度，而且能以一定的時(shí)間間隔進(jìn)行連續(xù)測(cè)量，準(zhǔn)確便捷，故可成為替代角度計(jì)的測(cè)量手段。

3動(dòng)作捕捉儀與服裝工效學(xué)的結(jié)合

3.1研究現(xiàn)狀

三維動(dòng)作捕捉儀在服裝領(lǐng)域的應(yīng)用報(bào)道較少。在國(guó)外學(xué)者進(jìn)行的相關(guān)研究中，三維動(dòng)作捕捉儀多用于厚重的防護(hù)性服裝裝備或軍隊(duì)裝備中[13,22]。在測(cè)試時(shí)，盡可能模擬服裝裝備所使用的實(shí)際情況，如正常行走，跨越障礙物、躲避障礙物和快速折返跑等[33]。在完成這些任務(wù)的同時(shí)進(jìn)行動(dòng)作捕捉，然后對(duì)所獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。Park等[6]利用三維動(dòng)作捕捉儀研究了消防員在穿著消防服、消防靴，并佩戴自給式呼吸器(Self-Contained Breathing Apparatus，SCBA)時(shí)下肢的肢體活動(dòng)范圍。研究發(fā)現(xiàn)佩戴SCBA時(shí)會(huì)顯著影響下肢各關(guān)節(jié)在矢狀面及水平面的ROM；另外，穿著不同材料的消防靴也會(huì)對(duì)腳踝和跖骨球的ROM產(chǎn)生顯著影響。針對(duì)軍人穿著戰(zhàn)術(shù)背心的相關(guān)研究表明，著戰(zhàn)術(shù)背心會(huì)顯著增大膝蓋屈曲和盆骨前傾，增加能量消耗并導(dǎo)致肌肉的快速疲勞，從而影響軍人的戰(zhàn)斗力并增加受傷的風(fēng)險(xiǎn)[34]。另外，在利用三維動(dòng)作捕捉儀進(jìn)行肢體活動(dòng)范圍測(cè)量時(shí)，國(guó)外學(xué)者還會(huì)結(jié)合EMG或腳底壓力測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)肌肉功能和行走模式進(jìn)行分析，從而比較不同裝備的影響。

3.2發(fā)展趨勢(shì)

雖然三維動(dòng)作捕捉儀在服裝工效學(xué)中的應(yīng)用仍有一些限制，如，在比較兩種或多種較為寬松服裝服的肢體活動(dòng)范圍時(shí)，效果并不明顯。但該問題在使用角度計(jì)時(shí)同樣存在。三維動(dòng)作捕捉儀的應(yīng)用可以覆蓋角度計(jì)的所有功能，并且在精確度、全面性等方面具有不可替代的作用。結(jié)合步態(tài)分析和行走模式等生物力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)理論，可以將服裝的工效學(xué)評(píng)價(jià)提升到更為科學(xué)的分析高度，從提高穿著者作業(yè)效率、減少職業(yè)傷害等以人為本的理念出發(fā)，為服裝及裝備的設(shè)計(jì)提供更為科學(xué)合理的意見和建議。

隨著國(guó)民對(duì)身體健康重視程度的提升，運(yùn)動(dòng)健身逐漸成為大家關(guān)注的熱點(diǎn)，各種具有監(jiān)測(cè)心率、計(jì)步、記錄能量消耗等健康監(jiān)測(cè)功能的設(shè)備熱銷。作為可以監(jiān)測(cè)肢體活動(dòng)的三維動(dòng)作捕捉儀，可與運(yùn)動(dòng)服裝相結(jié)合，一方面通過(guò)工效學(xué)評(píng)價(jià)，不斷改善功能和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；另一方面可以開發(fā)具有動(dòng)作監(jiān)測(cè)功能的智能服裝[35]，指導(dǎo)健康的運(yùn)動(dòng)方式，減少運(yùn)動(dòng)傷害。

對(duì)于防護(hù)服裝或職業(yè)工裝，在利用三維動(dòng)作捕捉儀對(duì)其進(jìn)行工效學(xué)評(píng)價(jià)，指導(dǎo)服裝的設(shè)計(jì)和改良的同時(shí)，也可以將其與服裝相結(jié)合，監(jiān)測(cè)作業(yè)人員在執(zhí)行任務(wù)時(shí)的肢體動(dòng)作，通過(guò)動(dòng)作分析，更好地進(jìn)行服裝的功能性設(shè)計(jì)，科學(xué)指導(dǎo)作業(yè)方法，減少職業(yè)傷害。

4結(jié)語(yǔ)

無(wú)論是在科學(xué)研究領(lǐng)域，還是市場(chǎng)應(yīng)用方面，三維動(dòng)作捕捉儀都發(fā)揮著積極的作用。文中從發(fā)展過(guò)程，應(yīng)用領(lǐng)域以及不同產(chǎn)品優(yōu)缺點(diǎn)出發(fā)，對(duì)三維動(dòng)作捕捉儀進(jìn)行了回顧和分析。結(jié)合服裝領(lǐng)域進(jìn)行工效學(xué)評(píng)價(jià)的一般方法，發(fā)現(xiàn)其與動(dòng)作捕捉儀應(yīng)用領(lǐng)域所存在的交叉點(diǎn)。三維動(dòng)作捕捉儀在服裝工效學(xué)方向應(yīng)用的現(xiàn)有研究表明，與原有的角度計(jì)相比，三維動(dòng)作捕捉儀具有測(cè)量效率高，測(cè)量范圍廣且精確便捷的優(yōu)勢(shì)。結(jié)合步態(tài)分析和行走模式等生物力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)等理論，可以將服裝的工效學(xué)評(píng)價(jià)提升到更為科學(xué)的分析層次，從提高穿著者作業(yè)效率，減少職業(yè)傷害等角度，為服裝及裝備的設(shè)計(jì)提供更為科學(xué)合理的意見和建議。另外，將三維動(dòng)作捕捉儀與可穿戴設(shè)備的理念相結(jié)合，從大眾應(yīng)用方面，可以擴(kuò)大健康監(jiān)控的范圍。從職業(yè)工作方面，可以科學(xué)的指導(dǎo)作業(yè)任務(wù)，充分發(fā)揮三維動(dòng)作捕捉儀的應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn):

[1] 俞曉妮.論影視動(dòng)畫創(chuàng)作的過(guò)程中運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)的應(yīng)用[J].電子技術(shù)與軟件工程,2013(22):99.

YU Xiaoni.The application of motion capture on the artistic process of film animation[J].Electronic Technology and Software Engineering,2013(22):99.(in Chinese)

[2] Robin C.Brigham young university-owned [EB/OL].[2015-08-17].https://www.xsens.com/customer-cases/brigham-young-university-owned.

[3] Whittle M W.Clinical gait analysis:a review[J].Human Movement Science,1996,15(3):369-387.

[4] Jorn J.Norwegian marine technology research institute-MARINTEK-performs research,development and research-based advisory services in the maritime sector for companies in the field of marine technology [EB/OL].[2015-08-17].http://www.qualisys.com/applications/customer-cases/marine-at-marintek.

[5] Konitzer L N,Fargo M V,Brininger T L,et al.Association between back,neck,and upper extremity musculoskeletal pain and the individual body armor[J].Journal of Hand Therapy,2008,21(2):143-149.

[6] Park H,Trejo H,Miles M,et al.Impact of firefighter gear on lower body range of motion[J].International Journal of Clothing Science and Technology,2015,27(2):315-334.

[7] Cappozzo A.Three-dimensional analysis of human walking:experimental methods and associated artifacts[J].Human Movement Science,1991,10(5):589- 602.

[8] Novacheck T F.The biomechanics of running[J].Gait and Posture,1998,7(1):77-95.

[9]Lafiandra M,Holt K G,Wagenaar R C,et al.Transverse plane kinetics during treadmill walking with and without a load[J].Clinical Biomechanics,2002,17(2):116-122.

[10] Imogen M.Vicon [EB/OL].[2015-08-17].http://www.vicon.com/#.

[11] Casper P.Xsens [EB/OL].[2015-08-17].https://www.xsens.com.

[12] Cappozzo A.Gait analysis methodology[J].Human Movement Science,1984,3(1):27-50.

[13]Majumdar D,Pal M S,Majumdar D.Effects of military load carriage on kinematics of gait[J].Ergonomics,2010,53(6):782-791.

[14] Mullins A K,Annett L E,Drain J R,et al.Lower limb kinematics and physiological responses to prolonged load carriage in untrained individuals[J].Ergonomics,2015,58(5):770-780.

[15] Casper P.Mvn Biomech [EB/OL].[2015-08-17].http://www.xsens.com/products/mvn-biomech.

[16] Smith B,Ashton K M,Bohl D,et al.Influence of carrying a backpack on pelvic tilt,rotation,and obliquity in female college students[J].Gait and Posture,2006,23(3):263-267.

[17] Costigan P A,Deluzio K J,Wyss U P.Knee and hip kinetics during normal stair climbing[J].Gait and Posture,2002,16(1):31-37.

[18] Protopapadaki A,Drechsler W I,Cramp M C,et al.Hip,knee,ankle kinematics and kinetics during stair ascent and descent in healthy young individuals[J].Clinical Biomechanics,2007,22(2):203-210.

[19] Nadeau S,Mcfadyen B J,Malouin F.Frontal and sagittal plane analyses of the stair climbing task in healthy adults aged over 40 years:what are the challenges compared to level walking?[J].Clinical Biomechanics,2003,18(10):950-959.

[20] Eng J J,Winter D A.Kinetic analysis of the lower limbs during walking:what information can be gained from a three-dimensional model?[J].Journal of Biomechanics,1995,28(6):753-758.

[21] Lafiandra M,WAgenaar R C,Holt K G,et al.How do load carriage and walking speed influence trunk coordination and stride parameters? [J].Journal of Biomechanics,2003,36(1):87-95.

[22] Birrell S A,Haslam R A.The effect of military load carriage on 3-D lower limb kinematics and spatiotemporal parameters[J].Ergonomics,2009,52(10):1298-1304.

[23] Park H,Branson D,Petrova A,et al.Effects of body armor and load carriage on lower limb joint movement[J].Journal of Human Performance in Extreme Environments,2014,10(2):3.

[24] Casper P.Customer cases [EB/OL].[2015-08-17].http://www.xsens.com/customer-cases.

[25] Borghese N A,Bianchi L,Lacquaniti F.Kinematic determinants of human locomotion[J].The Journal of Physiology,1996,494(3):863-879.

[26] Huck J.Protective clothing systems:a technique for evaluating restriction of wearer mobility[J].Applied Ergonomics,1988,19(3):185-190.

[27] Gajdosik R L,Bohannon R W.Clinical measurement of range of motion review of goniometry emphasizing reliability and validity[J].Physical Therapy,1987,67(12):1867-1872.

[28] Mecagni C,Smith J P,Roberts K E,et al.Balance and ankle range of motion in community-dwelling women aged 64 to 87 years:a correlational study[J].Physical Therapy,2000,80(10):1004-1011.

[29] Roach K E,Miles T P.Normal hip and knee active range of motion:the relationship to age[J].Physical Therapy,1991,71(9):656- 665.

[30] Bandy W D,Irion J M,Briggler M.The effect of static stretch and dynamic range of motion training on the flexibility of the hamstring muscles[J].Journal of Orthopaedic and Sports Physical Therapy,1998,27(4):295-300.

[31] 田苗,王云儀,張向輝,等.高溫防護(hù)服的舒適工效性能評(píng)價(jià)與優(yōu)化對(duì)策[J].東華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2013,39(6):754-759.

TIAN Miao,WANG Yuyi,ZHANG Xianghui，et al.Comfort-ergonomics evaluation and optimization of thermal protective clothing[J].Journal of Donghua University(Nature Science),2013,39(6):754-759.(in Chinese)

[32] 張龍女,王云儀,李億光.油罐清潔連體作業(yè)服的開發(fā)和工效學(xué)評(píng)價(jià)[J].紡織學(xué)報(bào),2013,34(8):105-109.

ZHANG Longnü,WANG Yuyi,LI Yiguang.Development and ergonomic evaluation of overall for oil tank cleaners[J].Journal of Textile Research,2013,39(6):754-759.(in Chinese)

[33] Peoples G,Silk A,Notley S,et al.The effect of a tiered body armour system on soldier physical mobility[R].Australia:University of Wollongong,2010.

[34] Park H,Nolli G,Branson D,et al.Impact of wearing body armor on lower body mobility[J].Clothing and Textiles Research Journal,2011,29(3):232-247.

[35] 田苗,李俊.智能服裝的設(shè)計(jì)模式與發(fā)展趨勢(shì)[J].紡織學(xué)報(bào),2014,35(2):109-115.

TIAN Miao,LI Jun.Design pattern and development tendency of smart clothing[J].Clothing and Textiles Research Journal,2011,29(3):232-247.(in Chinese)

(責(zé)任編輯：邢寶妹)

Application of 3D Motion Capture on Ergonomic Evaluation of the Clothing

TIAN Miao1,2,LI Jun*1,2,3

(1.College of Fashion and Design,Donghua University,Shanghai 200051,China; 2.Protective Clothing Research Center,Donghua University,Shanghai 200051,China; 3.Key Laboratory of Clothing Design and Technology,Donghua University,Shanghai 200051,China)

Abstract：The status of 3D motion capture was reviewed and analyzed from the aspects of development process,application fields and the merit and demerit of the products.As for the general method of ergonomic evaluation of clothing,the problems of currently existing methods were concluded and the advantages of the 3D motion capture were proposed.According to the literature review,the application of 3D motion capture on ergonomic assessment of the clothing was predicted.Considering the theories of gait analysis and walking pattern from biomechanics and sports science,more scientific and reasonable recommendations could be presented for the design of clothing and related equipment,from the aspects of improving work efficiency and decreasing occupational injuries.Besides,the combination of the 3D motion capture and the concept of wearable technology might contribute to the development of the health monitor and occupational protection.

Key words:motion capture,ergonomic evaluation,clothing,ROM

中圖分類號(hào)：TS 941.73

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：2096-1928(2016)01-0030-05

作者簡(jiǎn)介：田苗(1989—)，女，博士研究生。*通信作者：李俊(1970—)，男，教授，博士生導(dǎo)師。主要研究方向?yàn)楣δ芊雷o(hù)服裝。Email:lijun@dhu.edu.cn

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51576038)；人因工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題項(xiàng)目(SYFD150051812K)；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)基金項(xiàng)目(15D110735/36)。

收稿日期：2015-08-20；

修訂日期：2015-10-26。