跑步循环动作的手臂皮肤拉伸测量

程慧婕 王燕珍

摘 要：为研究在跑步时人体手臂皮肤的变化特征，进而指导紧身跑步服衣袖面料弹性参数和样板设计，将跑步时的手臂循环动作分解成后摆、缓冲和前抬，利用三维运动捕捉系统，采集运动员跑步时摆臂稳定后3个实验动作对应标记点的三维坐标，并计算各动作的手臂角度;再用体表描线法，分别测量7名女子按角度摆放不同动作时手臂皮肤网格线的伸缩量，分析各动作时手臂皮肤横、纵向分段与整线的形变特征。结果表明：各动作的手臂皮肤横向变化率更复杂且差异较大，在臂根附近的皮肤随手臂的运动方向相应产生较明显的变化;纵向线的伸缩特征由于手臂的弯折，主要集中表现在肘部附近，且屈曲越大，肘部的变化率越大。

关键词：跑步;手臂;皮肤;拉伸测量;变化率

中图分类号：TS941.17  文献标志码：A

文章编号：1009-265X（2021）03-0057-08

Abstract： In order to study the change characteristics of human arm skin during running， and then guide the design of the fabric or pattern of the sleeves of tight running clothes， firstly the cyclic movement of the arm during running was decomposed. Back swinging， buffering and front lifting were used as experimental movements. The three-dimensional motion capture system was used to collect the three-dimensional coordinates of the marked points corresponding to the three experimental movements after the athletes swing arm became stable during running， and the arm angle in each movement was calculated. Then the stretching values of the arm skin grid lines of 7 women in different movements at different angles were measured by the body surface line drawing method， and the deformation characteristics of the horizontal and vertical segments of arm skin and the entire line were analyzed under each movement. The results showed that the horizontal change rate of the arm skin in each movement was complex and differed a lot. The skin near the root of the arm changed significantly with the direction of the arms movement. Due to the bending of the arm， the vertical extension characteristics mainly concentrated near the elbow， and the greater the flexion， the greater the change rate of the elbow.

Key words：running; arm; skin; stretching measurement; change rate

运动时，人体各部位产生的不均匀皮肤形变会作为第三运动特征与服装在体表的附着形态相互影响[1]。结合人体功效学，研究运动状态时的人体皮表变化指导紧身服装弹性参数设计

满足人体肢体动作引发的皮肤伸缩变化，保障技术动作的出色完成。近年来，皮肤拉伸测量广泛应用在各类运动服装设计中，王燕珍等[2]、刘婕羽等[3]测量人体在不同跑步姿势时的下肢皮表变化量，用于优化跑步裤装的样板;Choi等[4]从腰线以下测量人体基本动作的皮表变化来指导裤装放松量并结合织物的拉伸特性以达到裤装合身度。刘鹏林等[5]测量模拟登山运动姿态时的上半身皮肤拉伸数据，应用于户外冲锋衣设计。高雪梅[6]测量瑜伽基本体式的女性腿部皮表的横纵数值，以指导瑜伽贴体裤装的样版生成;冯洋等[7]测量模拟典型足球技术动作时男子下肢皮肤网格线长度;陈子豪等[8]与黄莉等[9]测量骑行时被测者腿部关键点间的皮肤伸缩变化;严雅洁[10]将典型高尔夫挥杆动作时人体上半身皮肤表面形变数据，应用在高尔夫服设计中。但是，皮膚拉伸测量方法在紧身跑步服设计领域中还少有涉及。手臂决定人体的最大活动范围，跑步服的衣袖既贴合手臂外形又满足跑步时皮表的拉伸变化是衣袖弹性参数设计的关键之一。将跑步时手臂典型循环动作分解后确定3种实验动作，利用三维运动捕捉获得系统较为规范的实验动作角度，再进行模拟动作后相应的皮肤拉伸测量，分析手臂皮肤的变化特征，以此作为集人体穿着功能性与美观性合为一体的跑步服设计依据，促进运动服装产业的精细化发展。

1 实验设计

1.1 跑步时手臂循环动作分解

跑步时上肢带作以肩为轴、前后不断摆臂的周期性运动。要对跑步时的人体手臂皮肤变化进行测量，但考虑到实验条件，人体在跑步时瞬间的皮肤形变量难以获取[11]，且双臂在跑步过程中的动作总是相似的，故实验用摆放典型手臂动作来代表跑步时手臂的运动状态。

如图1，根据跑步时手臂循环动作的特点，将实验动作定为后摆与前抬，另外，手臂从向后摆到向前抬间，有一个过渡过程，在其中择一代表定为缓冲。

1.2 跑步时手臂循环动作捕捉

1.2.1 实验设备

采用NDI OptotrakCertus三维运动捕捉系统（图2）、德国H/P/COSMOS公司1.5 m×0.5 m的专业运动防滑跑台与一台摄像头精度可达0.1 mm（均方值）且摄像空间为30 m3的高速摄像机，对人体左臂的跑步循环动作进行捕捉。该系统使用过程中传感器主动发光，通过红外测量技术精确捕捉光源位置来定位传感器（测量点）的坐标[12]，以确定人体各部位在运动过程中的运动轨迹，实验数据能以三维坐标的形式直接导出。配套的位移传感器外轮廓直径20 mm，内部发光部分直径7.5 mm，如图3。

1.2.2 仪器标定

测量前需进行NDI仪器标定。首先，用标定锤标定位置，保证实验空间范围内所有点都能被捕捉到。再用探针标定三维坐标系，原点设置在跑步机的跑步带前端平面，人体左侧方向为X轴，向左为正;后方为Y轴，向后为正;垂直方向为Z轴，向上为正，如图4。

1.2.3 数据采集

由于实验需要采集的坐标点全部位于人体左侧的手臂，因此将一套Optotrak设备包含两台带3个摄像头的NDI各放在跑步机左、右上角1m处，可完整捕捉到左臂前后摆的运动轨迹，并在左上角架上摄像机来录制跑步过程的图像。请专业跑步运动员穿着运动文胸与短裤，在其上臂肩点A1、肘关节A2与腕关节A3等关键点处用可直接接触人体的医用胶带（可孚PE胶带）黏贴位移传感器后站上运动跑台。由于是在跑步机上做匀速运动，符合平地中长跑的运动特征[13]（慢跑时速度基本在7.5～8.5 km/h），故设跑步速度为8.5 km/h，录像时间为1 min。点击开始按钮，被测者以中长跑的跑步姿势开始跑步。

1.3 手臂关键点三维坐标数据处理

在录像中提取手臂动作稳定时（30 s左右），同时找到在导出的所有坐标中此间A2点达到最高点（图5（a））与最低点间的图像（图5（c））与三维坐标（表1），作为实验动作中后摆与前抬的三维坐标。由前文可知，缓冲动作处于手臂从后摆切换到前抬的一次动作循环内，故截取此时段内（30.17～31.11 s）的任一手臂动作的图像（图5（b））和对应的三维坐标，作为缓冲的三维坐标（表1）。

由以上各点坐标，可以得到下列向量。

当A2点达到最高时：A1A2=（3，21，-10.5），A2A3=（-1，-7.5，-21），A1A3=（2，13.5，-31.5）

当A2点处于缓冲时：A1A2=（3，8，-18），A2A3=（-2，-20，-4），A1A3=（1，-12，-22）

当A2点达到最低时：A1A2=（2，-10，-23），A2A3=（-3，-11，14），A1A3=（-1，-21，-9）

再由向量坐标，可计算出各向量之间的夹角，以及上臂与垂直方向、下臂与水平面的夹角。计算结果如下：

a）后摆时：人体肩部向后上耸，下臂作为支撑，使肘关节摆到最高。∠A1A2A3=85°，∠A1A3A2=45.5°，∠A3A1A2=40.5°，上臂与垂直方向夹角=64°，下臂与水平面的夹角=70°。

b）缓冲时：肘关节在腰线附近自然弯曲，肩部略微放松下垂，手臂开始有向前抬的趋势。∠A1A2A3=76.7°，∠A1A3A2=51°，∠A3A1A2=52°，上臂与垂直方向夹角=25.8°，下臂与水平面的夹角=11.5°。

c）前抬时：上臂与下臂均为前摆状态，肘关节屈曲变大（上下臂夹角最小），并达到最低点。∠A1A2A3=61.3°，∠A1A3A2=75°，∠A3A1A2=44°，上臂与垂直方向夹角=24.5°，下臂与水平面的夹角=51.3°。

为了使实验动作更加清晰直观，将选取的3个典型动作用线性图表示，如图6。

1.4 皮肤拉伸测量实验

1.4.1 实验环境与工具

实验室温度（22±2 ℃），相对湿度65%±2%，风速小于等于1 m/s。采用油性记号笔，皮软尺，马丁测量仪，双臂量角器，标志带等工具，同时招募数据测量员与记录员各一名。

1.4.2 实验对象

选取7名有跑步习惯的女性作为实验对象，实验对象信息统计如表2。为减少误差，实验对象事先刮净体毛，上身穿运动文胸，下身穿运动短裤，提前半小时进入实验室适应环境，以稳定生理和心理状况。

1.4.3 确定手臂测量的基准线

为了更明确的了解手臂各区域的拉伸变化情况，以人体左臂为测量对象，在手臂自然下垂摆放状态下，

根据《服装结构和人体测量—人体尺寸》[14]中的相关标准与人体手臂特征，在手臂关键部位确定基准点，作为形成测量用网格线的基础。所有被测者横纵方向网格数一致，具体边长由横、纵向臂围决定。各标志点形成的手臂特征线和点如表3，网格線在手臂上的分布如图7。

1.4.4 皮肤拉伸数据获取过程

a）在人体手臂皮肤表面用黑色油性记号笔描出测量用网格。为减小误差，所有描线由一个人完成;b）测量人员用皮软尺、马丁测量仪等工具，保证人体不受尺压迫的拉紧尺，按先纵后横、先上后下的次序和统一的读数标准，尽力将误差控制在允许范围内，读取每名实验对象在静止站立（手臂自然下垂）、用双臂量角器辅助摆放3个典型手臂动作时手臂上每一条线段的围度和长度，同时记录员仔细核对数据并记录;c）利用体表形变率公式ΔL=[（LD-LJ）/LJ]×100%（其中LD为动作下的网格线段长，LJ为静立时的网格线段长，当公式中ΔL为正值时，对应部位在该动作下呈拉伸变形;为负值时，对应部位在该动作下呈收缩变形）结合测量到的所有数据，计算实验对象不同状态的各线段变化率均值。

2 结果与分析

将7名实验对象在3个动作时皮肤横、纵线段的平均伸縮率归纳到相应的变化范围内，结合人体手臂动作后对应的皮肤状态，讨论实验对象在手臂后摆、缓冲、前抬时皮肤横、纵向的形变情况，对手臂皮肤伸缩变化率做出分区。

2.1 手臂在后摆时的变化特征

如表4可知，手臂由于后抬臂的原因，腋下d1a1拉伸14.8%，过腋底的弧线段Y1-Y-Y2，a1b1，d2a2，b4-d4略微收缩，后肩部S-Y2、b0Y2主要处于收缩状态。动作引起上臂肌肉鼓起牵扯前袖山弧线顶端的S-Y1、手臂上侧的b1-d1与横2、3发生少量的拉伸变化，腋底附近的横3、4略微拉伸，均可视为不变。肘关节附近内侧的横向线收缩，后肘凸处横5拉伸17.9%。下臂的横6的内外侧，腕关节横9及其附近的横8的内到外侧、横7内侧，无肌肉分布，皮肤层较薄，呈略收缩状态，同样可视为不变。横6、横7的下侧略微拉伸，而上侧轻微拉伸10%～15%。

如表5可知，由于手臂向后折叠，后腋点附近的Y2-a2处后摆时皮肤堆积，收缩16.9%～19.7%。腋点Y下方的d1d2受到手臂动作牵扯，拉伸率为26.4%。由于肱二头肌是后摆时主要参与肌肉，手臂后弯引起肌肉收缩使这部分区域（a2a3、b0-b3、c2c3、d2d3）的皮肤变化较大，缩率在-13.9%～-7.9%。后肘凸的a4-a6拉伸率达到34.3%;处于肘窝处的前纵线c4-c6在手臂后摆时，皮肤呈收缩状态，缩率达-31.5%，在附近的b3b4、b5b6、c6c7、d4d5受其影响，缩率在-10.8%～-29%。下臂：a7-a9、b6-b8、b8b9、c7-c9、d5-d9略微收缩，但不明显。此外，a3a4、a6a7、b0b1、c1c2、d3d4的数值轻微波动，视为无明显变化。

综上，在后摆时手臂网格线的横、纵向皮肤拉伸变化率中，纵向的变化比横向的趋势更大，变化特征也更清晰。变化较大的部位为肩头部位、前后腋点间与大臂围线附近、后肘部位。纵向中值得注意的有后肘凸处的显著拉伸、肘窝附近的较大收缩、上臂肌肉处的收缩。而腋下皮肤同样富有移动性，这片区域拉伸比较明显。

2.2 手臂在缓冲时的变化特征

如表6，手臂在缓冲时，肩点下方的Y1-b0-Y2、上臂外侧的横1、2、3与下侧的横3、4，过肩腋点的弧线R1略微变化，可以不计。此时上臂稍向前摆导致肌肉发力而绷紧，腋底附近横1、2呈收缩状态。屈肘后，在肘凸附近横5拉伸19.1%，在肘窝收缩-9.8%。下臂中：手腕附近的上下侧横8横9无明显变化，而此时下臂支撑的发力点所在的横8、9上有较明显收缩-17.7%～-12.2%;另，横6横7偏内下侧轻微拉伸，偏外上处轻微收缩。

如表7所示，手臂在缓冲动作时，肘窝附近b3-b7、c4-c7、d4-d6收缩-10.8%～-37.1%，肘凸附近a4-a6拉伸22.4%～31%。肩点下方的Sb0与b1b2、前后腋点附近Y1-c2与Y2-a2、上臂肌肉发达处、腋底周围d1d2，还有腕关节附近的纵7、8、9的变化都可视为不变。手臂内纵线的纵3、4、5略微收缩，纵2、3、4略微拉伸。

综上，由于手臂在缓冲时，动作幅度较小，上臂的状态几乎与手臂自然下垂时差不多，所以上臂皮肤网格线在横向的伸缩变化视为可忽略的较多。此外，肘部弯曲引起的肘关节附近的伸缩变化最为显著。

2.3 手臂在前抬时的变化特征

由表8，手臂横向变化明显的部位在臂根，越接近肩头与腋下变化越明显，具体表现为：手臂前抬时过袖山弧线顶端的前弧线S-Y1与其附近的Y1b0处的皮肤在上臂前抬时被聚集，呈轻微收缩状态，而后弧线S-Y2被牵引，呈拉伸状态;过腋点的弧线Y1-Y-Y2、腋点下方的d2a2收缩明显，缩率达到-11.1%～-24.9%。又因手臂的上抬，腋下c1d1的拉伸比较明显。屈肘后的肱三头肌舒张、肱二头肌的收缩，引起肘外缘皮肤的伸长以及大臂围度（b1c1、b2c2、a3-c3）的增加，导致袖窿宽部位变化幅度最大。横4外侧受其影响，轻微拉伸。上臂外侧横1横2、上臂内侧的横2横3视为无明显变化。屈肘后的肘凸处的横5内、下侧拉伸明显，外侧轻微拉伸，而上侧无明显变化。受其影响，肘关节外侧的b4c4同样拉伸显著，内侧c4d4轻微拉伸，下侧d4-b4无明显变化。下臂中线横7上侧、横6内侧拉伸明显，而横7内侧与横6上侧、手腕处的横8、9微变化可忽略。

如表9，因为上臂的向前举起，此时皮肤积聚在前腋点附近，故外纵线上的肩头附近S-b3、前腋点附近的前纵线Y1-c3轻微收缩，而后腋点受到牵引，附近的Y2a1有些许拉伸，另外腋下的a2a3、d1d2处的皮肤收到拉扯，呈拉伸状态。手臂在前抬时，肘关节的屈曲最大，此时肘关节附近的外纵线b3-b7、前纵线c3-c7、内纵线d4-d6的缩率达到-14.6%～-44.4%。肘凸a4a5处拉伸30.8%。d3d4与后纵线的a1a2、a3a4略微伸长，视为无变化。手腕附近的后纵线a6-a9，外纵线的b8b9，前纵线的c8c9与内纵线的d7-d9略微变化，也可不计影响。

比较发现前抬动作横纵向的皮肤变化幅度最大。运动方向决定了手臂横向拉伸最大部位为前腋点附近的c1d1，最小值为其相对的后腋点a1b1，纵向拉伸与之相反。纵向线中，从肘关节往上的后纵线拉伸显著，而肘关节内外纵向线及其往下臂方向附近基本呈收缩状态，此时还需注意腋下附近、后腋点附近的纵向拉伸变化。

2.4 不同动作的手臂皮肤横、纵向变化率比较

分析手臂皮膚在3种姿态下的横、纵向整线的伸缩率，可以了解体表皮肤在各状态下的基本规律和变化幅度较大部位的拉伸程度。

2.4.1 不同动作的手臂皮肤横向变化率分析

如图8，第一条横向线R1中唯前抬时后腋下弧线收缩，其他无明显变化。横1、2为手臂肌肉群部位，这里皮肤的变化比较明显，其中特别注意在后摆动作时由于手臂的运动方向而在手臂内侧附近与其他动作的皮肤状态相反。在前抬时手臂内侧的横3略微收缩。前抬时横4上从外到内呈先拉后缩的趋势，而另2个动作相反。横5、6、7各个动作的伸缩趋势比较一致。横8在前抬时基本无显著变化，其他动作呈手臂上侧拉伸，下侧收缩的状态。手腕处的横9上侧在前抬时与其他动作的皮肤状态相反。

2.4.2 不同动作的手臂皮肤纵向变化率分析

如图9，由于手臂围度有限，手臂的整体横向变化率较小，但纵向线伸缩幅度较大，变化率也比横向大。后纵线在肘凸处统一大幅度拉伸，同时要注意后摆时后腋点处变化与其他不同，受手臂动作方向影响，呈收缩状态。过前腋点与肘窝的前纵线在3个动作的皮肤状态主要为收缩变化，同时影响相邻的外纵线，使其也呈收缩状态，但程度更小。手臂内纵线属于腋下靠近躯干的一侧，各动作皮肤拉伸变化较为一致，基本呈收缩趋势。

3 结 论

运动方向决定了手臂皮肤的伸缩状态。借助直接测量法对跑步时手臂皮肤伸缩变化按动作进行分段及整线分析，得到几个比较容易变化的区域，横向：肩头部位、臂根、上臂肌肉部位、肘关节部位，对应到服装上应注意肩线、袖笼弧线、袖笼宽（影响胸宽与背宽）、中肘线这些结构线;纵向：肘关节附近变化最为明显，内、外纵线与前纵线主要为收缩变化，后纵线主要为拉伸变化，指导了前后袖长的不同以及肘部的舒适性设计。因此在皮肤收缩处的服装尺寸不宜过大，可有效防止运动中面料堆叠;在手臂皮肤拉伸明显的部位，需在结合袖装款式，适当增加面料的经纬向弹性或服装宽裕量，或是通过面料拼接、改变结构线等方式减少人体皮肤与面料间的相对滑移，降低表皮摩擦力，提高动作或身体定位的准确性，从而构建一个基于人体静、动态和体表变化的多维跑步服样板设计理论，以达到人体与服装协调统一的效果。

参考文献：

[1]陈东升.服装卫生学[M].北京：中国纺织出版社，2000.

[2]王燕珍，王建萍，张燕，等.基于跑步状态下的皮肤拉伸研究[J].纺织学报，2013，34（8）：115-119.

[3]刘婕羽，赵欲晓.基于下肢体表测试的针织女跑步裤结构优化[J].针织工业，2018（1）：78-82.

[4]CHOI S， ASHDOWN S P. 3D body scan analysis of dimensional change in lower body measurements for active body positions[J].Textile Research Journal，2011，81（1）：81-93.

[5]刘鹏林，王永进.人体上半身体表变化对软壳冲锋衣结构设计的影响[J].服装学报，2018，3（2）：100-105.

[6]高雪梅.女子贴体瑜伽运动裤结构的研究与优化设计[D].上海：东华大学，2011.

[7]冯洋，王永进.基于足球运动的男子下肢体表皮肤形变的研究[J].北京服装学院学报，2017，37（2）：25-32.

[8]陈子豪，李桐.女体下肢带运动与骑车裤结构关系研究[J].轻纺工业与技术，2018（12）：52-57.

[9]黄莉，陈敏之，郑万里，等.骑行姿态下腿部皮肤伸展大小的研究[J].现代纺织技术，2016（6）：43-46.

[10]严雅洁.高尔夫全挥杆动作人体躯干皮肤形变研究[D].北京：北京服装学院，2015.

[11]吴廷雅，王建萍，王燕珍.基于跑步动作的女子下体动态测量[J].浙江纺织服装职业技术学院学报，2013（4）：45-49.

[12]陈晓娜，王二会.文胸钢圈对乳房竖直位移的影响[J].纺织学报，2019，40（7）：133-137.

[13]宋彦杰.高性能跑步服的结构设计与应用[D].北京：北京服装学院，2014.

[14]ISO8559，1989.Garment Construction and Anthropometric Surveys-body Dimensions[S].IX-ISO.1989.