基于三维动态捕捉系统的运动护腕防护性能研究

吴旭波，谢 红，王燕珍，汪世奎，曹蕊超

（上海工程技术大学，上海201620）

手腕是人体活动最频繁的关节之一，也是在运动过程中较易受伤的关节之一，正是因为手腕的频繁活动以及易受伤等特性，人们在运动过程中都会通过佩戴护腕来保护手腕。现阶段市场上有各种品牌的护腕在售卖，但是在护腕的商品介绍中只有关于材料成分以及符合GB 18401《国家纺织产品基本安全技术规范》标准的介绍，而对于护腕实际的防护性能的参数并没有介绍，而实际上在目前对护腕以及护具等研究中，也只是从面料的性能角度来进行研究，从生物力学角度出发研究护具防护性能的还较少。本文通过三维动态捕捉系统，以球撞击人体为例，从生物力学角度初步研究护腕对人体的防护性能。

1 实验部分

1.1 实验护腕

通过对比市场所售的护腕面料及款式，挑选三种相同厚度不同弹性的护腕作为本次实验的研究对象，1号实验护腕是现在市场上最常见的棉质护腕，2号实验护腕为国内某品牌生产的弹性护腕，3号实验护腕为美国某知名护具品牌生产的缠绕式护腕，在实验之前对于三款护腕的基本参数进行了测量（见表1）。

从表1中可以看出，三款护腕中只有2号护腕中加入了弹性纤维氨纶，因此这款护腕的弹性回复率明显优于其余两款护腕，而另外两款护腕的弹性回复率几乎相同。

表1 三款护腕的基本参数

1.2 实验对象

因为护腕对人体的防护性能并不因人体身材尺寸的变化而变化，因此，本实验选取一名中等身材男子来模拟球撞击人体实验，男子身高175 cm，体重65kg。

1.3 实验设备

本实验选取NDI三维运动测量系统，此系统可以通过高速摄像头捕捉人体运动，并通过标记在人体上的发光点来测得人体关节在运动过程中的运动轨迹，以三维坐标数据形式直接输出到Excel表进行数据分析。其高速摄像头的精度可达到0.1mmRMS，分辨率为0.01mmRMS，可同时采集512个mark点以及170个刚体，并且一个高速摄像头的摄像空间约在26m3左右，因此完全可以满足人体进行正常的运动而不受限制，此三维运动测量系统可以在精确的程度下进行对人体运动过程中人体各关节的三维坐标数据采集。

1.4 实验设计

实验包括运动过程中三维数据捕捉以及数据的客观计算分析。

本实验主要探究护腕对人体手腕的防护性能，因此在人体手腕内外侧黏贴两个mark点标记为mark1，mark2；并且在篮球朝向测量系统一边的表面中心位置黏贴一个mark点标记为mark3。

测试者以不带护腕以及佩戴护腕1、2、3号模拟篮球撞击人体实验，篮球在离手腕1.5m高处自由落体撞击人体，一共进行4组人体测量实验，每组实验设定捕捉时间为1s（1s＝100帧），每组实验设定重复10次，从中选取数据最稳定的5次进行数据分析。

1.5 实验原理

篮球在下落过程中进行自由落体运动，在接触人体的瞬间被反弹进行加速度为重力加速度（9.8m／s2）的匀减速运动，直至篮球速度为0后下落至地面。在整个篮球运动过程中，满足牛顿第二定律－动量守恒定律。因此，运用动量守恒定律即可计算出篮球在接触人体后的动量，从而反映出人体对篮球的动量吸收大小，通过佩戴不同性能的护腕来进行重复实验，通过动量被吸收的大小来反应护腕对人体的保护效果。

2 结果与分析

2.1 数据预处理

三维动态捕捉系统原点定义在摄像头探测范围内的空间某一点，规定人体面向摄像头站立是前后方向为X轴，左右方向为Y轴，上下方向为Z轴。在此次模拟实验中，篮球下落做自由落体运动撞击人体，主要在垂直方向即Z轴上的数据有大的变动，并且经过前期计算，篮球在1.5m高处进行自由落体运动，根据牛顿第二定律可以计算出篮球在下落的0.55s后接触人体，并且在接触人体前的垂直方向的末速度为5.42m／s，因此，本实验数据截取0.5～0.6s时间段内球接触人体以及反弹过程垂直方向数据进行分析。

2.2 篮球运动过程中相关参数提取

在整个模拟实验中，篮球的运动状态为自由落体运动，接触人体后进行加速度为9.8m／s2的匀减速运动，直至速度为0再次掉落地面。依据牛顿第二定律，计算篮球在进行自由落体及反弹过程中速度随时间变化的情况（见图1～图5）。

根据篮球反弹过程初速度，依据动量守恒定律，计算篮球在接触人体后的动量以及人体在被撞击时产生的动量（见表2）。

实验数据表明：

（1）在没有佩戴护腕的情况下，篮球反弹过程的初速度是最大的，佩戴2号护腕时，篮球反弹过程的初速度最小，佩戴1号3号护腕时，篮球反弹过程的初速度基本相同。

表2 触体后人体与篮球动量变化

（2）三款护腕佩戴后，篮球在触体后的动量相比于没有带护腕都有一定量的减小，说明护腕对人体起到了一定的效果，不难看出，佩戴2号护腕时篮球的动量减少的最多。

（3）人体在没有佩戴护腕以及佩戴护腕后，在被球撞击的瞬间人体自身产生的动量大小也不同，相较于没有佩戴护腕来说，佩戴2号护腕时人体产生的动量最大。

3 结论

本文测量了没有佩戴护腕，佩戴三款不同护腕4种状态下人体受球撞击过程中人体与球的三维坐标数据，通过牛顿第二定律以及动量守恒定律计算数据并进行分析，得到以下结论：

（1）在相同的撞击条件下，佩戴护腕对人体的确有一定的防护效果。

（2）仅从护腕的弹性参数方面考虑，护腕对人体的防护性能与护腕的弹性回复率呈正相关。

本文通过实验和数据分析，初步探究了运动护腕的弹性回复率与对人体的防护性能之间的关系，为研究运动护腕对人体的防护性能提供了一种客观的研究方法，并为消费者在挑选运动护腕时提供一定的参考。后续可以通过结合研究运动护腕的尺寸，面料厚薄等参数来进一步完善对运动护腕防护性能的研究。

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