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    基于3種騎行姿勢下虛擬壓力的騎行服上衣樣板優(yōu)化方法

    2022-02-14 20:16:26田金鈺屠曄
    現(xiàn)代紡織技術(shù) 2022年1期

    田金鈺 屠曄

    摘 要:為了提高在不同路況下男式騎行服上衣的動態(tài)壓力舒適性,以170/88A男性中間體為研究對象,借助三維人體動作捕捉系統(tǒng),捕捉人體在平地,上坡和下坡3種不同姿勢下的騎行動作,獲取其動態(tài)數(shù)據(jù),導入至Motion Builder和3DSMAX軟件中進行虛擬模特的建模。借助CLO 3D軟件的虛擬壓力測量模塊,測量并分析站立和3種姿勢下騎行服上衣的動、靜態(tài)壓力及其差值,不同騎行姿勢下的壓力分布情況存在差異,且不同衣片的壓力情況也存在差異。在各衣片的樣板優(yōu)化過程中,分別基于壓力顯著較高的姿勢下的虛擬模特進行試穿和結(jié)構(gòu)優(yōu)化。優(yōu)化后平地,上坡和下坡姿勢下騎行服上衣的壓力總值分別下降了46.6%,43.7%和38.7%,壓力折線趨于平緩,大部分測量點的壓值顯著下降,上述結(jié)果表明該方法顯著提升了騎行服的服裝壓力舒適性。

    關(guān)鍵詞:騎行服上衣;動作捕捉;虛擬壓力測量;樣板優(yōu)化;壓力舒適性

    中圖分類號:TS941.2

    文獻標志碼:A

    文章編號:1009-265X(2022)01-0212-12

    Abstract: To improve the dynamic pressure comfort of men's cycling jacket under different road conditions, 170/88A median men are taken as the research objects, and the riding actions of human body in three different postures: on the ground, uphill and downhill are captured, with the help of a three-dimensional human motion capture system. In order to obtain the dynamic data of different riding actions, they are imported into Motion Builder and 3DSMAX software to model virtual models. With the help of a virtual pressure measurement module of CLO 3D software, the dynamic and static pressures of the cycling jacket and their difference in standing and three postures are measured and analyzed. There are differences in the pressure distribution in different riding postures, and there are also differences in the pressure of different garment pieces. In the optimization process of the template of each garment piece, the virtual models try on in postures with a significantly high pressure and the structure is optimized. After optimization, the total pressure of the cycling jacket on the ground, uphill and downhill decrease by 46.6%, 43.7% and 38.7%, respectively. The broken line of pressure tends to be flat, and the pressure values of most measuring points fall significantly. The above results show that the proposed method significantly improves the pressure comfort of the cycling jacket.

    Key words: cycling jacket; motion capture; virtual pressure measurement; template optimization; pressure comfort

    近年來,隨著節(jié)能環(huán)保理念的普及及共享單車的流行,自行車騎行逐漸成為一項全民運動。作為一項高強度的戶外運動,騎行服的穿著舒適性尤為重要。過高的服裝壓不僅會影響穿著舒適性,還會影響人體生理和心理健康[1]。作為緊身型服裝,合理的騎行服樣板設計有助于減小運動風阻,減少血管擴張,提高運動效能。騎行服的設計應滿足靜態(tài)和動態(tài)兩個條件下的舒適性和合體性,然而基于動態(tài)壓力的服裝舒適性優(yōu)化目前仍然難以實現(xiàn)。目前關(guān)于動態(tài)服裝壓力舒適性的研究主要采用的是主觀壓力評價實驗及客觀壓力測量的方式進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化[2-4],然而這兩種實驗具有一定的局限性。主觀實驗具有一定的偶然性和主觀性,客觀壓力測量則需要昂貴的壓力測量裝置,與主機相連的傳感器會限制被測者的活動[5],此外,人體各部位表面的曲率變化、運動姿勢的改變及呼吸等因素還會使傳感器的位置出現(xiàn)滑移,造成測量誤差[6]。

    Liu等[7]及于欣禾等[8]提出一種基于動、靜態(tài)服裝壓力差值的服裝樣板優(yōu)化方法,然而其樣板的優(yōu)化僅局限于平地路況下的騎行姿勢。若僅基于平地姿勢下的騎行動作進行結(jié)構(gòu)的設計,所得到的騎行服在上坡和下坡姿勢下的著裝舒適性難以保證。因此,以170/88A的男性虛擬模特為研究對象,借助三維人體動作捕捉系統(tǒng)獲取人體在平地,上坡和下坡3種姿勢下的騎行動態(tài)數(shù)據(jù)并建模。利用CLO 3D對3種姿勢下騎行服上衣的虛擬壓力進行測量并分析,進一步優(yōu)化樣板,并驗證基于虛擬服裝壓力的樣板優(yōu)化方法的有效性。

    1 動作捕捉實驗

    人體運動姿勢的改變會引起相關(guān)部位發(fā)生變形和移位,致使體表曲率產(chǎn)生變化,從而影響局部的受壓狀態(tài)[9]。因此將平地,上坡和下坡的姿勢動作也考慮到結(jié)構(gòu)設計中,借助三維動作捕捉系統(tǒng)捕捉騎行者在3種姿勢下的騎行周期動作,獲得騎行動作點云數(shù)據(jù)。

    1.1 實驗對象

    選取3名20~25歲,體型接近于170/88A男性中間標準體的騎行愛好者作為實驗對象。

    1.2 儀器與條件

    采用瑞典Qualisys公司生產(chǎn)的QUALISYS動作捕捉系統(tǒng)捕捉人體的騎行運動,該設備由9個Oqus 500高速視頻的運動捕捉攝像機、QTM跟蹤軟件組成。其他輔助器材有自行車、自行車支架和墊臺。

    1.3 試驗內(nèi)容

    借助支架和墊臺模擬上坡和下坡狀態(tài),在實驗對象穩(wěn)定勻速騎行的狀態(tài)下,以平地,上坡和下坡3種姿勢分別進行騎行實驗,獲取10s左右的騎行動作。動態(tài)測試做3次以上的重復測試,獲取3種姿勢下3名實驗對象的騎行動作點云數(shù)據(jù)。

    騎行運動是有規(guī)律的周期運動,將蹬踩360°視作1個周期,由上死點(0°)開始,按照右腳蹬騎轉(zhuǎn)動的角度,將一個周期的騎行過程平均分為8個階段。通過比較3名實驗對象騎行動作分解的圖像幀,從中選用最穩(wěn)定的一組,并導出其3種騎行姿勢下C3D 格式的騎行動作點云數(shù)據(jù)文件。

    1.4 建立虛擬人模

    在3DSMAX中根據(jù)男性170/88A中間標準體的尺寸修改模特細部尺寸數(shù)據(jù),進行建模和骨骼綁定;借助Motion Builder實現(xiàn)騎行動作與虛擬模特的綁定;導入3DSMAX中,分別將平地和上坡的騎行周期動作各分解為8個階段的靜態(tài)動作,如圖1所示;播放騎行動作到所需的關(guān)鍵幀并塌陷后,將其導出為OBJ格式的虛擬人體模型,包含1個站立模型,1個下坡模型及平地和上坡各8個模型,如圖2所示。

    2 男式騎行服設計

    2.1 騎行服款式

    騎行服上衣款式如圖3所示,款式設計為立領(lǐng),全開拉鏈,插肩袖,前片長短于后片長,后背設有貼袋。

    2.2 騎行服的規(guī)格尺寸及樣板

    由于緊身型針織物放松量因織品的彈性率較大而取負值[10],M型號男式騎行服上衣的尺寸如表1所示。

    參考《服裝紙樣設計原理與技術(shù)·男裝編》[11],使用ET軟件繪制170/88A男性標準體的騎行服樣板。將樣板導入CLO 3D中,對站立姿勢下的虛擬模特進行試穿,并調(diào)整樣板至合體,調(diào)整后的樣板如圖4所示。

    2.3 虛擬面料性能設置

    在CLO 3D的虛擬面料設置中修改各項性能參數(shù)[7],在CLO 3D中生成所需針織運動服面料,具體參數(shù)設置見表2。

    3 三維虛擬壓力測量實驗

    CLO 3D軟件具備虛擬壓力測量的功能,能夠快速、準確地模擬真實情況,有較高的效率和穩(wěn)定性[12]。研究表明,通過數(shù)值計算來模擬 3D 人體和緊身服裝壓力分布的方法可用于分析、預測服裝壓力舒適性[13]。

    3.1 虛擬壓力測量點選取

    為了分析騎行服整體和局部的壓力情況,以胸圍線為水平基準線,以過胸高點和袖窿底點的線為垂直基準線,以過肩點的橫、縱向基準線分別作為袖片的垂直和水平基準線,在各衣片水平及垂直方向上以5cm為間隔設置基準線[8],并在基準線與基準線、基準線與輪廓線的交點設置測量點,最終形成145個壓力測量點,其分布如圖5所示。

    根據(jù)動靜態(tài)壓力分布情況選擇代表點,分別在平地姿勢下騎行服的后片,上坡姿勢下的前片及下坡姿勢下的袖片上,選取B10,B13,F(xiàn)11,F(xiàn)17和S155個代表點。分別以上述點為中心,以1cm為間隔,繪制如圖6所示5cm×5cm的方格。借助CLO 3D的虛擬壓力測量圖層,依次測量各點的壓力。為了減少誤差,每組進行3次模擬試穿,每個點測量3次,求平均值作為代表點各次試穿的測量結(jié)果。借助SPSS對5組壓力數(shù)據(jù)進行正態(tài)性檢驗,多因素方差分析和單樣本t檢驗,結(jié)果表明以5cm為間隔所形成的145個壓力測量點能夠反映各衣片服裝壓力分布情況。

    3.2 虛擬壓力測量實驗步驟

    虛擬試穿及動、靜態(tài)虛擬壓力測量實驗流程見圖7。

    測量前的準備工作主要包括:a)導入1.4中所建立的虛擬人體模特;b)導入3.1中已設置好壓力測量點的二維衣片紙樣并安排衣片(見圖7(a)、圖7(b));c)虛擬縫合與試穿(見圖7(c)、圖7(d))。

    基于CLO 3D的壓力圖層,測量靜、動態(tài)的虛擬壓力值(見圖7(e)、圖7(f)),方法如下:

    選取站立和下坡姿勢下虛擬模特右半身的145個測量點,每個點測量3次,取其平均值分別作為靜態(tài)和下坡的壓力數(shù)據(jù);b)選取平地和上坡姿勢下各8個階段虛擬模特右半身的145個測量點,每個點測量3次,得到各點8個階段下共計24個壓力值,求平均值作為平地和上坡的壓力數(shù)據(jù)。

    4 壓力分析及樣板優(yōu)化

    4.1 各衣片壓力分析

    為了提升騎行服上衣的壓力舒適性,分別將平地,上坡和下坡3種姿勢下各衣片的動、靜態(tài)壓力及動、靜態(tài)壓力差值繪制成折線圖,并分析其整體的變化趨勢,波動幅度等,據(jù)此分區(qū)域進行樣板的調(diào)整優(yōu)化。動、靜態(tài)壓力差值越大表示動態(tài)壓力舒適性降低得越多[8]。虛擬壓力的單位為虛擬kPa,區(qū)別于實際壓力單位kPa。

    由圖8、圖9可知,袖片的壓力由上部到下部整體呈上升趨勢??傮w來看上坡姿勢下的壓力和動靜態(tài)壓力差值最大,下坡壓力最小。依據(jù)壓力折線變化規(guī)律,對各部位的壓力折線進行分析:

    a)肩部S1~S9處在3種姿勢下的壓力及差值較小,其中平地和下坡最小。這說明在騎行時人體的肩部聳起,導致前袖窿部的余量增大。

    b)臂山頂端S10~S21處在上坡狀態(tài)下的壓值和壓力差值尤其大。腋下部位S18和S24處的動、靜態(tài)壓力值和差值顯著增大,其中上坡壓力接近于30kPa。上坡騎行時人體的重心上移,上肢力度增加,肩部聳起,大臂后側(cè)拉伸,腋下部位加緊,其舒適性顯著降低。

    c)袖口部位S31~S36處壓值較大。對S31~S36在4種姿勢下的壓力進行單因素方差分析,得到P<0.05,可知4種姿勢下S31~S36處的壓力存在顯著性差異,是由于騎行動作而不是原樣板過小引起的袖口部位壓力變大。

    綜上可得,在袖片的樣板優(yōu)化過程中,應著重于上坡姿勢下的虛擬模特進行試穿和調(diào)整。

    由圖10、圖11可知,前片的整體壓力折線波動幅度較大。

    a)上中部F1~F10處在3種騎行姿勢下的壓力及壓力差值較小。由于騎行者附身向前的動作使得前片上中部的合體度下降。與站立姿勢相比,騎行時肩部的前屈與內(nèi)收導致肩寬減小,該處的松量隨之增大。

    b)腋下部F11,F(xiàn)12和上腹部F16~F27處的壓力較大,上坡姿勢下最大,且F11處的動靜態(tài)壓力差值較大。這是由于上坡時騎行者采取的是接近直立狀態(tài)的姿勢,導致腋下和胸腹部的面料較為緊繃。

    綜上可得,在前片的樣板優(yōu)化過程中,應著重于上坡姿勢下的虛擬模特進行試穿和調(diào)整。

    由圖12、圖13可知,后片大部分的動靜態(tài)壓力差值為正且較大。

    a)上背部B7~B26處3種姿勢的壓力較大,且下坡狀態(tài)遠大于平地和上坡。由于騎行時的背寬相較靜態(tài)增大,后背的橫、縱向伸展性顯著增強,騎行者身體的前屈和手臂的抬舉導致背部衣料的拉伸,壓力增大,且在下坡姿勢下動作幅度達到最大。

    b)肩胛部B11~B22處3種姿勢的壓力較大,下坡姿勢下B11~B16,B21~B24處的壓值和壓力差值尤其大。這是由于騎行時,騎行者的肩胛骨因發(fā)力突出,導致肩胛部所受壓力顯著增長,在下坡狀態(tài)下尤為顯著。

    c)腋下部B11,B17~B20處的靜態(tài)壓力驟增,這些點接近于袖窿底點所在的位置,說明站立時腋下過于緊繃,應適量增加其松量。

    綜上可得,在后片的樣板優(yōu)化過程中,應著重于下坡姿勢下的虛擬模特進行試穿和調(diào)整。

    由圖14、圖15可知,P1~P7腰側(cè)部的壓力由腋下至腰部呈遞減趨勢。袖窿底點P1處的壓力及差值較大,在上坡姿勢下的壓力達到最高。

    綜上可得,在側(cè)片的樣板優(yōu)化過程中,應著重基于上坡和站立姿勢下的虛擬模特進行試穿,對腋下部位進行調(diào)整。

    由圖16、圖17可知,領(lǐng)子整體的壓力較低,壓力差值較低且曲線平緩。在騎行時,隨著身體的前傾,頸部前屈的幅度也隨之變大,衣料向前滑移,壓力略有上升,領(lǐng)后部貼合頸部可以避免風阻的影響。

    4.2 樣板優(yōu)化

    綜合考慮騎行服對皮膚的摩擦及運動效能等因素,通過優(yōu)化樣板結(jié)構(gòu)以改善騎行服的壓力舒適性,從而提升騎行時人體的生理及心理舒適性。樣板的調(diào)整過程是在CLO 3D的2D窗口完成,實時的壓力情況會同步反映在3D窗口的騎行服上,具體優(yōu)化方法如圖18所示。在每一次試穿的過程中,檢驗各試穿姿勢下是否有壓力明顯較大或較小的部位。通過增減松量逐步優(yōu)化樣板直至壓力降低,壓力曲線趨于平緩。觀察騎行服所受應力變化情況,調(diào)低騎行服的透明度觀察各部位是否合體。優(yōu)化前后騎行服樣板對比如圖19所示,各衣片樣板調(diào)整優(yōu)化如下:

    a)騎行者上肢前舉時,前腋點周圍壓縮,其下部向橫向拉伸,后腋點周圍作伸展擴大變形,而臂山頂端處的空隙量減少[14]。相較于人體而言,后袖窿弧線過短,前袖窿弧線過長,導致前腋窩產(chǎn)生許多褶皺,且后腋窩過于緊繃,腋窩處的壓力過大。為了適應手臂前伸的騎行狀態(tài),調(diào)整袖窿弧線的形態(tài),前袖窿弧線向內(nèi)凹,后袖窿弧線向外凸,將前袖窿弧線的長度縮短1cm,沿著后袖窿方向增加1cm后袖窿曲線的長度,增加后腋窩處的松量,減少前袖窿處面料的堆積及后袖窿處的緊繃感,優(yōu)化見圖19(a)。

    b)騎行時人體的手臂前伸且肘部彎曲,袖口過緊會阻礙手臂的活動,不利于血液循環(huán),長時間地高強度騎行會導致生理上的不適。因此向后袖窿方向增加2.8cm的袖口圍以減少袖口的牽制束縛感,見圖19(a)。

    c)騎行服的前中心線處松量過大會增加騎行時的風阻,降低騎行效率,因此在前中心線處以1.5cm的撇門量減少其松量,領(lǐng)圈長度不變,見圖19(b),前中心處與人體的貼合度得到改善。

    d)由于騎行運動是一項高強度的戶外運動,騎行者呼吸急促會導致胸部起伏較大,因此在前片壓力較大的F16~F19點所在的基準線處增加1cm的松量。將前片的前袖窿弧線縮短1cm,使之與袖片的前袖窿弧線長度一致,調(diào)整前片的袖窿形態(tài)使其與袖山曲線吻合,見圖19(b)。

    e)騎行運動中后背的伸展性較大,尤其是下坡騎行姿勢下更加明顯,增加2.5cm的后背寬以降低肩胛部及后背部的壓力。將后片的后袖窿弧線增長1cm,使之與袖片的后袖窿弧線長度保持一致,同時調(diào)整后片的袖窿形態(tài)使其與袖山曲線吻合,見圖19(c)。

    f)人體手臂在運動時,運動量主要為從側(cè)腋分前后兩脈向上運行的走向,經(jīng)前胸及后背而集中于底腋處[15]。因此將側(cè)片腋下兩側(cè)的長度隨前、后片的增長而相應地增長。由于P1~P7的壓力由腋下至腰部逐漸減小,增加的松量也由腋下至腰部逐漸減小,適應騎行時大臂根部的運動特征,優(yōu)化見圖19(d)。

    g)前片撇門的修改使得領(lǐng)口部位與頸部的合體度降低,因此將領(lǐng)片的起翹量由2.7cm增加至4.6cm,見圖19(e)。使領(lǐng)子貼合頸部曲線以防止領(lǐng)口灌風,增強運動效能,同時與頸部留有合理的空隙量,不會對頸部造成壓迫,減少騎行過程中領(lǐng)子對頸部皮膚的摩擦。

    5 樣板優(yōu)化結(jié)果分析

    5.1 壓力優(yōu)化結(jié)果

    圖20為優(yōu)化后的騎行服樣板。在樣板優(yōu)化后,分別測量各測量點在3種姿勢下的壓力值,通過計算可得優(yōu)化后平地,上坡和下坡姿勢下騎行服的壓力總值分別下降了46.6%,43.7%和38.7%。

    圖21為優(yōu)化后的壓力折線。優(yōu)化后騎行服整體的壓力折線趨于平緩,局部壓力較高部位的壓力值也顯著降低。

    5.2 樣板相對優(yōu)化程度

    通過計算樣板相對優(yōu)化程度D進一步對壓力舒適性的優(yōu)化進行定量分析,其計算方法為:

    D=∑n1(Ci-Ci'Ci)n(1)

    式中:n為服裝壓力測量點總數(shù);Ci為修改前樣板第i個測量點處的壓力值,kPa;Ci'為修改后樣板第i個測量點處的壓力值,kPa。

    該定量指標代表樣板相對優(yōu)化的程度,D的值越高說明樣板優(yōu)化后壓力舒適性的提高越顯著,其結(jié)果見表3。

    綜合3種姿勢的結(jié)果,各衣片的相對優(yōu)化程度由大到小依次為:袖片,側(cè)片,后片,領(lǐng)片,前片。

    5.3 模擬試穿效果

    優(yōu)化后,騎行服上衣的前后袖窿處褶皺明顯減少,前中心處的貼合度顯著提高,整體上更加合體。

    借助CLO 3D中的應力圖層,對比優(yōu)化前后3種姿勢下騎行服所受拉伸強度的情況,以平地姿勢下的應力圖(見圖22)為例。由圖22可知,優(yōu)化后騎行服所受應力顯著降低。

    綜合以上結(jié)果可知,樣板優(yōu)化后,騎行服整體的壓力顯著降低,這表明基于虛擬壓力值進行樣板優(yōu)化的方法能夠有效提升服裝的壓力舒適性。

    6 結(jié) 論

    本文以170/88A的男性虛擬模特為研究對象,借助三維人體動作捕捉系統(tǒng)獲取人體在平地,上坡和下坡3種姿勢下的騎行動態(tài)數(shù)據(jù)并建模,并利用CLO 3D對3種姿勢下騎行服上衣的虛擬壓力進行測量分析,得到如下主要研究結(jié)果:

    a)通過人體動作捕捉系統(tǒng),對平地,上坡和下坡狀態(tài)下的人體進行建模,根據(jù)人體不同騎行姿勢的動作特征進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化,有助于改善不同騎行姿勢下騎行服的舒適度和合體度。

    b)借助SPSS軟件對試穿次數(shù)及壓力測量點設置的合理性進行分析可得:模擬試穿次數(shù)的不同對壓力測量結(jié)果不會產(chǎn)生顯著影響;中心點的壓力可以用來代表方格內(nèi)其他點的壓力;壓力測量點的設置方法能夠體現(xiàn)各衣片的壓力分布狀況。

    c)通過研究3種姿勢下各衣片的動靜態(tài)壓力和壓力差值折線圖,可知不同姿勢下騎行服的壓力分布狀況存在顯著差異,且不同衣片的壓力情況也不盡相同。在各衣片的樣板優(yōu)化過程中,分別基于CLO 3D中各衣片壓力及動靜態(tài)差值相對較高的姿勢下的虛擬模特進行試穿和結(jié)構(gòu)優(yōu)化。騎行服壓力較大的部位為腋下,胸腹部,肩胛部,臂山頂端和袖口部位。經(jīng)樣板優(yōu)化后,上述部位的壓力顯著降低,壓力折線趨于平緩,平地姿勢下的優(yōu)化效果最為顯著。各衣片的樣板優(yōu)化程度由大到小依次為袖片,側(cè)片,后片,領(lǐng)片,前片。基于虛擬壓力的騎行服樣板優(yōu)化方法能夠有效改善其壓力舒適性,提升服裝的功能性價值,能夠應用于服裝的樣板優(yōu)化設計中。

    本文的所有實驗是在虛擬環(huán)境中進行的,與傳統(tǒng)的壓力測量方法相比,便捷且具有可重復性,無需昂貴的壓力測量儀器,節(jié)約了時間和成本,提高了生產(chǎn)效率。將CLO 3D應用于服裝樣板優(yōu)化中,有利于提升服裝的設計速度,減少資源的浪費。

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