基于腰部关节活动的人体皮肤形变研究

周铭鑫 何佳琦

（武汉纺织大学服装学院，湖北 武汉 430200）

一、人体腰关节

腰椎骨、骶骨和两侧的髂骨共同构成了人体腰部的骨骼，这之中最重要的是腰椎，它上接胸椎，下连骶椎，共同构成人体躯干的中轴线，成为人体的支柱。同时，腰椎还肩负着支持骻部和下肢的重任，对身体有缓震、运动、平衡的作用。

人体腰部的形态特征呈梯形结构，腰围处最细依次到髋关节处。所以从服装设计的角度去审视人体，人体皮肤在向左右侧弯曲、前后弯曲动作的影响下，腰部位的变化随着弯曲的程度，皮肤有不同程度的滑移。腰脊关节与胸部连接紧密，活动幅度大、范围广，影响上下身连接的纸样设计。所以，在运动机能的结构设计上要多考虑腰脊关节运动的影响。因此，腰脊关节前屈、后仰、侧屈、水平扭转四个方向的动作对于服装的日常穿着来说，收腰过紧的衣服会让人感到不舒适。因此在设计服装时，需要考虑腰部运动区域的放松量。分析运动姿势，研究各种姿势下身体皮肤的变形是设计具有良好适体性功能服装的必要前提。

二、皮肤形变测量实验

1.实验条件、对象及工具

实验条件：室温22—24 度

实验对象：选取了10 名年龄为20-25 岁的A 体型在校女大学生，身高为160-165cm，体脂（BMI 指数）为18-23，均值可作为基础数据分析使用。

实验工具：塑料卷尺、水溶性签字笔、有机玻璃直尺、量角器、记录板。

2.实验步骤

测量人体动态形变的方法有拉伸线法、体表画线法、石膏带法与捺印法等。本实验采用体表画线法，在人体腰关节相应位置确立测量部位并划线，为确保实验姿态完成的准确性及正确掌握腰关节皮肤状态，需要在腰部绘制横纵向线，划分出腰围以下至髋关节的主要结构线，横向分五个横截面，纵向分八面，为后期测量奠定基础。如图1 所示。

图1 笔者绘制人体形变图

3.测量姿态

腰部的活动范围较小，经过前期资料查询和预实验测试，选用日常生活中经常做的4 个动作：1、静态姿势（自然站姿）。2、腰部向左侧弯曲30°。3、腰部向右弯曲30°。4、腰部向前俯 30°。

4.实验过程

整个实验过程中，受试者保持直立状态。测量时软尺贴于体表，不可紧压皮肤，且读取数据时视线垂直刻度线。测量人员需进行统一培训，为控制测量误差，每个部位测试5 次，取平均值，确保测量误差控制在允许范围内。首先测量静态下的数值，测量范围为画线部位的每个交点之间的距离。横轴纵轴分别测量每个交点的长度5 次，取平均值。由于腰部运动幅度不大，服装的应变表现为滑移、褶皱、延展或限制人体运动，本文根据人体腰关节的运动特点和范围得到人体在日常运动中经常做的动作，以此确定被测者分别呈自然姿态，腰部向左侧弯曲30°、腰部向右弯曲30°、腰部向前俯30°这4 种实验姿势。因皮肤的拉伸程度不同，因此在网格线图上每段的长度都会发生变化，根据静态测量的方式，以此类推，测量4 种不同状态下得到的相应皮肤拉伸变化的数据。

5.腰关节尺寸伸长率的计算

根据下公式计算腰关节皮肤静、动态长度形变率α：

式中：正值表示伸长，负值表示收缩。

三、试验结果与分析

1.数据分析

由试验测得的数据计算得出被测试者在四种不同状态下的腰脊关节皮肤网格数据平均值和皮肤形变率。

图2 从左往右步骤一：静态姿势（自然站姿）正面图，背面图，侧面图

图3 从左往右步骤二：腰部向左侧弯曲30°正面图，左侧面图，右侧面图

图4 从左往右步骤三：腰部向右弯曲30°，步骤四：腰部向前俯30°

2.静态姿势数据结果分析

在腰围——中间围——至髋关节围上围度是递增的，在从肚脐前侧长到左侧长是递减的，左侧长到后侧长是递增的。

3.向左侧弯腰30°数据结果分析

在人体向左侧弯曲30°之后，腰围收缩，中间围到髋关节围呈拉伸状态，前侧长到左前二处于逐步收缩状态，皮肤伸长率呈负增长，左侧长到左后二皮肤也是呈收缩状态，但是收缩状态依次递减，直到后侧长皮肤伸长率达到正值，也就是拉伸状态，是左缩右拉状态。

4.右弯腰30°数据结果分析

腰围仍处于收缩状态，中间围和髋关节围处于皮肤拉伸状态，皮肤伸长率为正值，但是逐步递减，也就是皮肤伸长率降低。

5.前俯 30°数据结果分析

前俯后的腰围至髋关节围都是处于收缩状态，皮肤伸长率为负值，而且腰围到髋关节围的皮肤收缩逐步减少。

6.前腰部向前俯45°数据结果分析

前俯后腰围至髋关节围都是处于拉伸状态，皮肤伸长率为正值，而且腰围到髋关节围的皮肤拉伸逐步减少。

7.腰部向后仰30°数据结果分析

后仰30°之后的腰围至髋关节围都是处于收缩状态，皮肤伸长率为负值，而且腰围到髋关节围的皮肤收缩逐步减少。

8.测量结果分析

表1 不同运动状态下腰部皮肤变化率测量结果分析表

9.数据结果分析

从腰部向下至髋关节皮肤伸长率逐步递减，从前侧长到左侧长皮肤伸长率逐步递减。

从左侧长到后侧长皮肤伸长率逐步递增，髋关节部位的皮肤伸长率最小，肚脐偏上至腰部位的皮肤伸长率与后背的同等位置皮肤伸长率最大。

图5 从左到右前面体表皮肤变化分析图，后背体表变化分析图，变化率分析图

四、结论

本文基于腰脊关节前屈、后仰、侧屈、水平扭转四个方向的动作，通过体表描线法，测量了受试者后中线、后侧线、侧缝线、前侧线、前中线各个部位的纵向皮肤形变，并对皮肤变化率与腰脊关节前屈角度进行相关性分析，研究表明：经过试验腰围以下至髋关节这部分，腰脊关节在侧屈 30°、水 平扭转45°、后 仰30°这三种极限位置时，全身各部位的纵向皮肤形变率均低于20%，体表尺寸较稳定。随着腰脊关节活动角度的增大而增加，其余部位尺寸较稳定。前身腰围到臀围区域在腰脊前屈时皮肤收缩形变最大，腰围至肚脐的横截面这部分的皮肤伸长率也最大，其次是腰部侧面变化率大。髋关节的皮肤伸长率变化小，髋关节起支架作用，支撑衣服。腰部至臀部是由脊椎支撑的，人体姿势与动作的不同，引起人体不同部位附近的体表皮肤发生相应的形变。皮肤的变形量是由于肌肉在运动过程中所引起的，人体在深呼吸以及饭前饭后腰围都发生极大的改变。