基于跑步动作肌纤维主动力仿真的下肢皮肤形变表征_张龙琳.pdf

第 44 卷 第 3 期2023 年 3 月纺 织 学 报Journal of Textile ResearchVol.44,No.3Mar.,2023DOI:10.13475/j.fzxb.20211204306基于跑步动作肌纤维主动力仿真的下肢皮肤形变表征张龙琳1,2,石 茜1,3,张 敏1,3,周 莉1,3,李新荣4(1.西南大学 蚕桑纺织与生物质科学学院,重庆 400715;2.纺织服装产业互联网研究院,北京 100036;3.重庆市生物质纤维材料与现代纺织工程技术研究中心,重庆 400715;4.天津工业大学 机械工程学院,天津 300387)摘 要 为探究跑步运动时女性下肢肌肉、皮肤形变与服装运动功能性之间的关系,通过生物力学仿真系统对周期跑步运动人体下肢肌肉的肌纤维主动力进行分析,选取肌纤维主动力均值明显的肌肉,将其峰值所在的时间帧对应的动作作为关键帧动作,并使用手持式三维扫描仪对关键帧动作的下肢皮肤进行扫描;综合左右半身的皮肤形变情况,分析不同动作的下肢皮肤形变数据差异性,同时对比动静态人体模型展开的细分曲面。研究发现:臀围到中腿围区域的体后侧、臀围至大腿围区域的体前侧的变化幅度最大,膝关节附近区域变化幅度较大,其它区域变化不明显。本文研究可为相关裤装结构设计与研究提供参考。关键词 跑步动作;生物力学仿真;肌纤维主动力;皮肤形变;模型细分曲面;运动服装中图分类号:TS 941.17 文献标志码:A 收稿日期:2021-12-20 修回日期:2022-10-30基金项目:国家重点研发计划项目(2018YFB1308801);重庆市教委科学技术项目(KJQN202100219);中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(SWU221002)第一作者:张龙琳(1976),男,副教授。主要研究方向为服装基础理论研究与智能应用。E-mail:。运动状态的皮肤表面变化规律对于紧身功能服服装结构设计影响显著。国内在生物力学与服装学的应用结合上起步较晚,已有的服装与生物力学结合的相关研究主要关注于穿着功能服状态下如何更科学地保护人体不受伤害1-3,仅少数学者在功能服结构方面考虑人体生物力学特性的影响4-5。在动作分解中关键帧的判断上,尤其是与服装相关研究方面,多数学者6-8利用动作幅度及类似方法进行动作分解。将计算机模拟仿真获得的生物力学特性用于动作分解,是一种快速有效的动作分解方法,有利于深刻理解人体与运动的关系。骆顺华等5以肌肉激活程度的最值情况来判定关键动作,利用一个运动周期内的运动骨骼肌仿真结果进行动作分解,考虑了肌肉特性对皮肤形变的影响。OpenSim 是斯坦福大学 Delp 等开发的一款开源软件平台9,可用于创建和更改骨骼肌肉系统的计算机模型,并进行相应的运动动力学和生物力学仿真分析。肌肉由肌腱与肌腹组成,肌腹由肌纤维组成,可以收缩与舒展,而肌腱没有收缩功能。肌纤维在收缩过程中产生的力称为肌纤维主动力10。皮表形变是多种因素综合影响形成的结果,主要受肌肉收缩、关节活动、脂肪堆积、皮肤褶皱的影响。肌纤维主动力较大的肌肉收缩活动明显,能一定程度上反映皮表形变规律。本文选择肌纤维主动力作为人体运动生物力学表征参数,根据 1 个跑步周期内部分肌肉的肌纤维主动力变化峰值进行动作分解,以跑步运动状态下女性下肢(指腰围线以下、足部以上部位)仿真建模为基础,使用人体下肢生物力学特性判断关键帧位置,探究皮肤形变规律,可为跑步裤及相关裤装结构设计与改良提供参考依据。1 跑步运动建模仿真1.1 跑步仿真实验方案 为对跑步运动进行相关生物力学特征分析,本文采用 opensim 平台中建立的名为 gait2392 的下肢肌骨仿真模型,并利用 Hamner 等11得到的正常人体跑步运动轨迹数据与对应的测力台数据及其实际人体肌骨比例系数,来进行仿真实验。在将肌骨仿真模型与实际人体肌骨比例一一对比并调整后,对调整好的肌骨模型进行逆向运动学计算,并根据测力台数据计算误差,进行迭代运算,得到与实际运动误差最小的人体运动仿真模型,最后对运动仿真模型进行正向运动学计算,可获得该运动周期内各部位肌肉力、关节力矩、关节角度及肌肉拉伸等相关生物力学数据。纺织学报第 44 卷1.2 关键帧动作分析 由于 1 个正常人体跑步周期的左右半身(左右半身以人体肚脐所在垂直于地面的直线为中心线)的肌纤维主动力变化规律基本相同,本文依据 1 个跑步周期内右半身部分肌肉的肌纤维主动力变化状况来判断关键帧。将人体右半身下肢肌肉的纤维主动力数据进行均值比较,综合考虑其最值、均值及标准差情况,最终选用骼肌、腓肠肌、半膜肌、比目鱼肌、胫骨后肌及股外侧肌这 6 块肌纤维主动力变化明显的人体肌肉,根据其肌纤维主动力变化峰值进行动作分解。人体下肢主要肌肉(肌纤维主动力均值及最值排名均靠前)的肌纤维主动力情况如表 1 所示。表 1 人体下肢主要肌肉的肌纤维主动力情况Tab.1 Mean value of active fiber-force of main muscles of human lower limbs肌肉名称个案数肌纤维主动力/N最小值最大值平均值标准差比目鱼肌4 261-232.626 142.03645.731 299.85髂肌4 261-133.012 578.78472.41743.15股外侧肌4 2610.002 826.15448.83690.53半膜肌4 2610.001 639.88396.85566.67腹外斜肌4 26120.84640.43393.73175.59股内侧肌4 2610.002 115.03305.69502.10腰大肌4 261-153.892 017.17299.26466.76股直肌4 261-34.792 100.3294.7458.99腹内斜肌4 26132.04536.98263.85113.31胫骨后肌4 261-72.512 658.26263.09575.89半腱肌4 2610.00724.33239.81258.76腓肠肌4 2610.001 793.4232.96488.94臀中肌4 261-39.121 160.87170.53275.13按系统抽样法选用肌肉 1 个跑步周期内的 61 个主动力数据样本,并进行处理,得到肌纤维主动力变化曲线如图 1 所示。由于每块肌肉的主动力峰值所在具体时间点不同,选择关键帧动作需要综合考虑多块肌肉的峰值情况。本文选择仿真实验中 1.015、1.200 及1.322 s 对应的动作为3 个关键帧动作,并以此进行人体下肢皮肤形变实验,如图 2 所示。图 1 一个跑步周期内肌纤维主动力变化曲线Fig.1 Curve of active fiber-force for a running cycle图 2 跑步运动关键帧Fig.2 Running key frames2 下肢皮肤形变实验方案2.1 实验方案 挑选 8 名 2025 岁,身高在 160170 cm 之间,BMI 指数为2022 的女性跑步运动爱好者,作为实验对象。利用 EX Scan 便携式扫描仪,对自然站立及3 个关键帧动作状态下的人体下肢皮肤进行三维人体扫描,步骤如下:1)调试实验设备,进行预实验,数据扫描正常后开始正式实验;2)在常温常湿环境(温度25,相对湿度(6520)%)下,受试者穿着紧身短裤在室内休息 5 min 以适应环境;3)在人体表面关键部位(腰围、腹围、臀围、大腿围、中腿围、膝围、小腿围)贴标记点;4)受试者静态站立,实验人员将扫描仪平行对准需要扫描的皮肤平面,保持一定距离和同一方向,缓慢平稳地对人体下肢皮肤进行扫描,直至获得该动作下完整的人体下肢数据;5)重复步骤 4),分别获得动作 1、动作 2 及动作 3 对应的人体数据。2.2 数据处理 对获得的人体数据进行处理,可得到 3 个关键帧对应的完整的人体下肢数据模型。在 Geomagic studio 中,将各标记点进行横向连接与纵向连接。各标记点连接线段的长度即对应的实际皮表长度,将各线段进行命名。为方便后续研究,以人体中心线为对称轴,左半身皮肤横纵向各线与右半身对称部位的线命名相同。A G 表示左右半身横向围度各线,Ai表示组成 A 围度的第 i 条横线;af 表示左右半身纵向各线,ai表示第 a 排(每 2 个围度之间的区域构成一排)的第 i 条纵线。如 A1表示组成A 围度(腰围)的第 1 条横线,a1表示第 a 排(胸围与腹围之间)的第 1 条纵线。人体下肢右半身横纵向线分布及肌肉分布如图 3 所示。将 GS(geomagic studio)中处理好的线段存储为.igs 文件,利用 NX三维建模软件打开.igs 格式的线段文件及.stl 格式的模型对象,对各标记点连接的线段进行测量记录。691第 3 期张龙琳 等:基于跑步动作肌纤维主动力仿真的下肢皮肤形变表征 图 3 右半身横纵线及部分肌肉分布Fig.3 Transverse and longitudinal line distribution and some muscle distribution of right side of body3 结果与分析 对比各动作与静立状态下的标记点间线段长度,得到各个动作的皮肤形变率。皮肤变化幅度大不仅表现在皮表变化率值较大,还表现在各动作变化率值的差异性较大。各动作变化率最值的差值越大,皮肤变化幅度越大,皮肤形变越明显。由于跑步动作下的左右腿状态并不一致,左右腿动作幅度不同,即一个跑步动作存在 2 个动作幅度,本文综合考虑左右半身的横、纵皮肤变形情况,关注左右腿不同动作幅度下皮肤形变的异同,可较全面地判断跑步运动皮表形变规律。左右半身横、纵向皮表形变率最值差值分别如图 4、5 所示。图 4 左右半身横向皮肤表面形变率的最值差值Fig.4 Maximum difference of lateral skin deformation rate between left and right sides of body3.1 皮肤表面形变横向变化率分析 由图 4 可知,整体上看,腰围、腹围、臀围及小腿围各动作变化率值差异性较小,髋部关节活动、肌肉收缩、脂肪堆积及其它因素对髋部围度变化影响不大。大腿围、中腿围及膝围各动作变化率值差异性明显,主要受到肌肉收缩及关节活动的影响。由于左腿膝关节活动角度大于右腿,左半身膝围的差异性比右半身大。单条线段上看,左右半身的 D7、D8、E2、E3、E6、E7与左半身的 F2、F3、F6、F7各动作变化率值差异性最明显,其变化率值差值在 10%15%之间。其中,F2、F3、F6、F7受关节运动及皮肤褶皱影响,D7、791 纺织学报第 44 卷 图 5 左右半身纵向皮肤表面形变率的最值差值Fig.5 Maximum difference of longitudinal skin deformation rate between left and right sides of bodyD8同时受到脂肪堆积与肌肉收缩影响,其变化率值存在较大差异性。E2、E3、E6、E7处股内外侧肌、股直肌、半腱肌、半膜肌对应体表区域,肌肉收缩明显。3.2 皮肤表面形变纵向变化率分析 由图 5 可知,整体上看,臀围至中腿围区域纵向线各动作变化率值差异性明显,腰围至臀围区域纵向各动作变化率值差异性较小,髋部的脂肪堆积与关节运动及腿部肌肉收缩对臀围至中腿围间区域纵向形变影响较大,腰围至臀围区域受各因素影响较小。由于左腿膝关节活动角度大于右腿,左半身中腿围至小腿围区域的皮肤纵向变化幅度明显大于右半身。单条线段上看,左右半身的 c2、c3、c7、c8、d6、d7、d8及左半身的 e3、e6、e7、f6、f7各动作变化率值差异性最明显,各动作变化率差值在 14%以上。其中,c2、c3受关节与皮肤褶皱影响较大,c7、c8受脂肪堆积与关节运动的影响,d6、d7、d8同时受到脂肪堆积、关节运动及半腱肌、半膜肌的肌肉收缩影响,f6、f7在腓肠肌、比目鱼