基于跑步运动状态下的皮肤拉伸研究

王燕珍，王建萍，张燕，吴廷雅

(1.东华大学服装·艺术设计学院，上海 201620;2.上海工程技术大学服装学院，上海 201620)

运动是人的天性，跑步已经悄然成为最受人们欢迎的健身运动之一［1－2］。人体在跑步过程中的姿势变化是通过上下肢骨骼关节位置变化，肌肉收缩形变及上下肢皮肤拉伸共同作用的结果［3］。人体的整体骨骼结构由各种具有不同活动范围和方向的关节连接而成，通过骨骼关节、肌肉膨缩、伸缩等变化，在人体运动过程中皮肤在不同部位产生不均一的伸缩。人体关节的运动会产生人体不同部位皮肤横向和纵向的拉伸，皮肤拉伸量的变化可以指导服装造型及松量的变化［4－5］。

目前，国外学者对于人体的动态皮肤形变研究较多。1980年，在奥地利召开的第十九届国际化纤会议上公布了运动过程中皮肤表面拉伸率，其中的关于人体关节部位的数据对于服装松量及不同运动状态下如何考虑服装结构的变化有重要的参考价值［6］。日本的田中道一［7］得出了年龄不同，人体皮肤受到相同的拉伸应力时伸长率是不同的。柳尺澄子［8］定量分析各种运动变化对服装的具体要求。甘应进等［9］用服装剪切法分别对上下肢运动与服装的关系分析研究。王伟平［10］针对日常动作采用描线法对下体皮肤动态进行测量实验，研究职业女性贴体裤的结构。胡晓俐［11］用石膏法对女子腰臀部的运动变化进行研究;周捷［12］以动态皮肤拉伸实验为出发点，分析了人体动态松量的设置。国内外学者的研究主要以人体静态直立姿势为基准，运用未拉伸线法、体表画线法、石膏带法和捺印法等实验方法测量皮肤的伸缩变化情况，探讨由人体运动引起的皮肤变形，但并没有针对某一运动姿势进行测量，而且采用手工测量的方式，误差较大。

本文在跑步循环运动动作分解基础上，利用ScanWorkX系统进行三维扫描，通过VITUS SMART系统全方位获取皮肤拉伸数据，研究女子人体下肢皮肤拉伸变化。首先拟定跑步循环动作分解及体表表示点，设计实验方案，对获取的纵横向数据进行研究，获得跑步运动状态下女子下肢皮肤拉伸规律。

1 跑步循环动作分解

1.1 跑步循环运动分析

跑步是一种关节和肌群反复活动的全身性有氧运动。跑步是一个周期性活动，包括后蹬、前摆、腾空、着地缓冲等动作。

1)后蹬与前摆阶段:这一阶段摆动腿的大腿与水平面约成20°～30°;支撑腿在摆动腿积极前摆的配合下快速有力地伸展髋、膝、踝关节，与垂直线角度为 20°。

2)腾空阶段:当支撑腿结束后蹬进入腾空阶段时，与垂直线成20°～30°。与此同时，摆动腿膝关节放松，小腿随摆动下压准备着地。

3)着地缓冲阶段:当摆动腿的前脚掌着地时，腿部各关节开始缓冲，身体主动用力来加速身体重心的前移，然后转入后蹬。

通过跑步循环动作分解，为了实验可操作性，以人体左腿作为测试对象，根据腿部摆动的最大和最小幅度，取其中的3个动作(如图1所示的实验动作分解):动作一，左腿前迈至最大;动作二，左腿落地半屈;动作三，左腿后摆至最大。

1.2 实验动作线性表示

图1 实验动作分解Fig.1 Test action decomposition.(a)Action one;(b)Action two;(c)Action three

图2 线性表示图Fig.2 Action linear representation.(a)Action one;(b)Action two;(c)Action three

为了规范试验中动作的规范性，将图1中3个跑步分解动作做线性描述处理，图2为线性表示图。实验过程中，腿放置于与图2所示高度相同的踏台上，利用量角尺逐个确定测体时身体的前倾角度和摆腿角度。

2 下肢实验表示点确定

为了在VITUSSMART系统中能够获取皮肤拉伸数据，需要确定体表标示点位置，图3示出下肢表描线及标志点位置。

横向基准线:腰围线 b1-a1-e1-d1、中臀围线b2-a2-e2-d2(实际测量时跳过了这个围度的标志点)、臀围线 b3-a3-e3-d3、臀沟线b4-a4-e4-d4(实际测量跳过)、大腿围a5-b5-c5、膝围上线(大腿围与膝围线中点)a6-b6-c6、膝围线a7-b7-c7、膝围下线(小腿最大围)a8-b8-c8。

纵向线基准线:外侧缝a、前中 b、内侧缝c、后三等分线(靠近内侧缝)d、后三等分线(靠近外侧缝)e。

3 实验步骤

3.1 实验条件

实验地点:上海工程技术大学侧体实验室。

图3 下肢体表描线及标识点位置Fig.3 Lower limb described line and identifisation point positions.(a)Front;(b)Side;(c)Back

实验人员:协助测体及主观评价记录人员3名、实验协调人员1名(指导测试者调整姿势)、仪器操作1名。

实验方法:三维扫描捕捉。

实验仪器:SanWORKX三维扫描系统、温湿度测量仪、马丁测量仪、标志点、标志线。

测量原理:SanWORKX三维扫描系统主要由4台扫描仪组成。应用扫描系统的扫描人体体表变化，并利用分析软件输出人体标示点间分析结果。

实验对象:选择50名身高在155～165 cm的女性作为实验对象。

3.2 实验步骤

实验对象在下半身穿着紧身短裤，上半身穿着内衣的穿着状态进行实验;在实验对象下半身按规定在贴上标示带，找到标志点位置，测量静止时标志点的纵横向数据;将按动作一通过量角尺调整人体姿势，进行20 s的熟悉阶段后开始扫描数据，对数据记录;然后依次按动作二、动作三进行数据扫描;图4所示为实验动作扫描图。

图4 实验侧体图Fig.4 Experimental actions scans.(a)Running stride;(b)Fall;(c)Backswing

4 实验数据获取和分析

4.1 实验数据获取

4.1.1 横向测量数据获取

在人体不同的动态下(直立、前迈、半屈、后摆)，使用VITUSSMART三维扫描系统中的截面工具，截取每个动作下的 a5-b5-c5(大腿围)、a6-b6-c6(膝上围)、a7-b7-c7(膝围)和 a8-b8-c8(小腿围)横截面，并量取每段的围度，记录相应的数值。图5为横向界面示意图。

4.1.2 纵向测量数据获取

在3种动作下，使用VITUSSMART三维扫描系统中的线段工具，依次量得纵向标识点区间距离，同时计算连读的整段线段长度(如表1)。图6为腿部正背面皮肤测量示意图。

图5 腿部横向截面位置和截面示意图Fig.5 Legs horizontal cross-section location and diagram.(a)Legs horizontal cross-section location;(b)Cross-section diagram

表1 体表纵向标示点间皮肤数据记录表Tab.1 Vertical point recording sheet

图6 腿部正背面肌肉弧线的测量示意图Fig.6 Leg front and back muscles arc measurement picture

4.2 实验数据分析

4.2.1 皮肤拉伸率

人体动静态体表皮肤形变拉伸率K的计算方法如下:

式中:a为人体静态(直立)时的体表点位长度;b为人体动态(腿部前迈、落地、后摆)时的体表点位间长度;K的计算值精确到小数点后2位［12］。

4.2.2 横向皮肤拉伸率分析

通过Scanworkx系统获取数据，利用式(1)获得各个部位的皮肤拉伸率，计算横向皮肤拉伸率的均值。图7为横向皮肤拉伸率折线图。

图7 横向皮肤拉伸率折线图Fig.7 Horizontal skin stretching rate of line chart

从图7可看出大腿围、膝上围和小腿围的横向拉伸变化率都在±5%以内，围度变化不是很明显。但是同时可以看到a7-b7-c7膝围的变化率明显要比其他3个围度要大，在后摆时达到7.15%。在整个跑步运动过程中，大腿围始终是处于收缩状态，膝上围在腿部落地缓冲到自然后摆这个过程中也处于收缩状态，通过数据可以看到，在落地时，膝上围皮肤收缩了－3.02%，到后摆时，收缩幅度变小，为－0.72%，在落地到后摆这个过程，腿部的肌肉是从紧绷状态到自然舒张状态的过程，所以体表皮肤拉伸率呈一个递减趋势，说明体表皮肤的拉伸形变很大程度上是跟随着肌肉的舒张。

4.2.3 纵向皮肤拉伸率分析

利用式(1)获得各个部位的皮肤拉伸率，计算纵向皮肤拉伸率的均值。图8示出纵向皮肤拉伸率折线图。从图可看出腿部前迈时，大腿外侧和前中区域的皮肤都呈收缩状态，但由于膝盖弯曲，导致前中膝围上下区域的皮肤发生较大的拉伸形变，最大拉伸率达到38.39%。腿部内侧和背面中上部位都是表现出明显的拉伸形变，但膝上围线以下部位，又都统一的表现出收缩形变。腿部落地缓冲时，整个腿部皮肤的变化规律仍然跟随前迈状态时的形变情况，但同比的变化幅度有所减小。腿部后摆时，大腿内侧皮肤呈收缩状态，外侧皮肤拉伸，腰胯部位较为明显，中下部位不明显，但膝盖外侧区域的皮肤拉伸量特别大，靠近内缝区域拉伸较少或呈收缩状态。腿部背面靠近臀部区域的皮肤收缩，且臀围区域比腿部区域收缩更明显，靠近腿外侧和跨部的区域呈拉伸状态，外侧缝尤为明显，近外缝区域(e区域)拉伸相对较小。

图8 纵向皮肤拉伸率(区间长度)折线图Fig.8 Vertical skin stretch rate(interval length)line chart

5 结论

通过跑步运动分解后进行的皮肤拉伸实验可得，针对同一个跑步动作，腿部各个区域的皮肤拉伸率是不同的，主要集中在大腿外侧和膝盖区域，综合考虑3个动作对腿部皮肤拉伸形变的影响，前迈和后摆对腿部皮肤造成的形变虽然方向不同，但对比观察其拉伸变化幅度还是比较相近的。而且膝盖部位始终是一个变化率从质变和量变都比较大的区域。

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