CN103605832A - 预测人体小腿对于服装压力分布的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种预测人体小腿对于服装压力分布的方法，首先，对人体下肢点云数据进行获取后选取脚踝到膝盖的小腿部分的点云数据，并对人体小腿点云数据进行预处理，获得人体小腿的曲面模型，通过人体小腿的曲面模型构建人体小腿三维实体模型，创建人体小腿有限元模型，其中，人体小腿有限元模型中皮肤的弹性模量为150kPa，泊松比为0.46；软组织的弹性模量为60kPa，泊松比0.49；骨骼的弹性模量为7300MPa，泊松比为0.3；将织物套在待测者的小腿上，采用服装压力测试仪对待测者的小腿上的10个测试点获得不同的压力值后，将这10个测试点的压力值作为载荷直接施加在有限元模型中并进行求解，获得待测者的小腿各个部位的等效应力图。

Description

预测人体小腿对于服装压力分布的方法

技术领域

本发明涉及纺织领域，更具体地说，是涉及一种预测人体小腿对于服装压力分布的方法。

背景技术

服装压力舒适性是影响其整体舒适性的一个非常重要的因素，也是评价服装舒适性的一项重要指标。服装压是指服装垂直作用于人体所产生的力。过大或过小的服装压力均不符合人体生理要求。压力过小，不利于人体防护和运动效率的提高，也不符合审美观念；压力过大，则会造成人体疲乏，影响人体的呼吸、脉搏及血液循环，严重损害身体健康。合适的服装压力对人体塑形、运动防护、缓解腿部疲劳，辅助医疗都有积极的作用。例如随着人们生活节奏不断加快，长期站立使得双下肢负重时间加长，很容易导致人体下肢静脉曲张，并伴有不同程度的沉重感、疼痛、肿胀。于是缓解人体静脉曲张的医用弹力袜或压力带等产品应运而生，其适当的压力分配对静脉曲张有显著的辅助治疗作用。但很多产品由于过度紧身而导致对人体束缚力过大，患者普遍反映穿着不舒适。这就需要对此类产品的压力值进行研究，然后对产品进行改进，但要一一测试人体穿着时各个点的压力值是非常困难而且耗费时间的。

从上个世纪60年代开始，Wm.Kirk等学者就开始关注弹性面料，并在1966年总结出人体穿着弹性服装时对服装弹性的要求；1970年Denton的研究得到西裤背带的舒适压力范围,并指出人体不舒适的临界压力大约为6.86kpa。上世纪90年代后，日本的学者对服装压进行了较多的研究。1995年，Norik.Ito等人探讨了织物的物理性能和紧身短裤的穿着舒适性之间的关系；1997年，Kazuya等人研究并讨论了内衣舒适和内衣压的关系。但此阶段的研究大多采用主观方法完成对服装压力舒适性的评价，在客观测试和压力预测理论方面涉及很少。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的是提供一种预测人体小腿对于服装压力分布的方法。

为达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：

一种预测人体小腿对于服装压力分布的方法，该方法的具体步骤为：

A.人体下肢点云数据的获取，即通过四摄像头非接触式三维人体激光扫描仪，采用三维人体扫描法，将待测者的整个下肢全部扫描出来，形成三维人体下肢的扫描图；

B.对于三维人体下肢的扫描图进行截取，选取脚踝到膝盖的小腿部分的点云数据，并对人体小腿点云数据进行预处理，获得人体小腿的曲面模型；

C.通过人体小腿的曲面模型构建人体小腿三维实体模型；

D.创建人体小腿有限元模型，即人体小腿主要由厚度为1.5mm的皮肤、软组织以及内填圆柱状的骨骼组成，并且定义人体小腿部的皮肤、软组织以及骨骼均为各向同性均匀的线弹性材料，

其中，人体小腿有限元模型中皮肤的弹性模量为150kPa，泊松比为0.46；软组织的弹性模量为60kPa，泊松比0.49；骨骼的弹性模量为7300MPa，泊松比为0.3；

E.将织物套在待测者的小腿上，采用服装压力测试仪对待测者的小腿上的10个点测试获得不同的压力值后，将这10个测试点的压力值作为载荷直接施加在有限元模型中并进行求解，获得待测者的小腿各个部位的等效应力图；

上述10个测试点通过以下步骤获得：

将待测者的膝盖下沿至小腿与足背的腕横纹处四等分，获得五条均匀间隔的水平环线，从上而下依次为第一环线、第二环线、第三环线、第四环线以及第五环线，以第五环线的“解溪穴”为起点，沿小腿的正面垂直向上获得第一垂线，第一垂线与第一环线、第二环线、第五环线的交点分别为第一测试点、第二测试点以及第四测试点；将第一垂线沿小腿外周面旋转180度获得第二垂线，第二垂线与上述五条水平环线的交点从上而下分别为第五测试点、第六测试点、第八测试点、第九测试点以及第十测试点；将第一垂线沿小腿外周面向小腿的外侧旋转90度获得第三垂线，第三垂线与第二环线、第三环线的交点分别为第七测试点以及第三测试点。

所述步骤B的具体步骤为：

B1.将三维人体下肢的扫描图在Geomagic Studio中进行截取，选取脚踝到膝盖的小腿部分的点云数据；

B2.对小腿部分的点云数据进行减少噪声、去除体外孤点和冗点处理，从而得到一个完整的小腿点云数据；

B3.通过数据封装操作生成STL格式的三角面片模型，对三角面片进行填充孔、去除特征、光滑打磨处理，得到一个不变形的人体三角网格模型；

B4.对人体三角网格模型进行轮廓线技术处理，探测轮廓线、探测曲率、细分/延伸轮廓线，进行曲面片处理；

B5.完成曲面的处理，拟合成一个曲面模型。

所述步骤E中不同测试点的对应压力值获得方法为：对同一测试点进行若干次采集后的算术平均值。

与现有技术相比，采用本发明的一种预测人体小腿对于服装压力分布的方法，采用非接触式三维人体扫描仪对实验者进行小腿部位数据的扫描，获得其外轮廓的点云数据，在逆向工程软件里进行曲面模型的拟合，快速、简便地建立三维人体有限元模型，把10个关键点的服装压力值作为载荷输入，用以模拟并展示人体小腿各部位的服装压力分布情况。应力分布图不仅可以直观的显示实验中人体小腿10个关键点的服装压力分布情况，还可以预测小腿其他各部位的压力值大小，并以三维模拟显示的方式呈现出来，从而达到服装压力分布与预测的目的。

附图说明

图1为本发明的一种预测人体小腿对于服装压力分布的方法的主体流程示意图；

图2为本发明的方法中的小腿测试点分布的前视图；

图3为图2中的小腿测试点分布的后视图；

图4为本发明中选取小腿测试点的压力绷带示意图；

图5为本发明的实施例中的人体下肢三维扫描图；

图6为本发明的实施例中的小腿曲面模型图；

图7为本发明的实施例中的人体小腿三维实体模型图；

图8为本发明的实施例的人体小腿有限元模型图；

图9为本发明的实施例的压力边界载荷施加示意图；

图10为本发明的实施例的位移变形图；

图11为本发明的实施例的应力云图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步说明本发明的技术方案。

参见图1所示的一种预测人体小腿对于服装压力分布的方法，该方法的具体步骤为：

A.人体下肢点云数据的获取，即通过四摄像头非接触式三维人体激光扫描仪，采用三维人体扫描法，将待测者的整个下肢全部扫描出来，形成三维人体下肢的扫描图；

B.对于三维人体下肢的扫描图进行截取，选取脚踝到膝盖的小腿部分的点云数据，并对人体小腿点云数据进行预处理，获得人体小腿的曲面模型；

C.通过人体小腿的曲面模型构建人体小腿三维实体模型；

D.创建人体小腿有限元模型，即人体小腿主要由厚度为1.5mm的皮肤、软组织以及内填圆柱状的骨骼组成，并且定义人体小腿部的皮肤、软组织以及骨骼均为各向同性均匀的线弹性材料，

其中，人体小腿有限元模型中皮肤的弹性模量为150kPa，泊松比为0.46；软组织的弹性模量为60kPa，泊松比0.49；骨骼的弹性模量为7300MPa，泊松比为0.3；

E.将织物套在待测者的小腿上，采用服装压力测试仪对待测者的小腿上的10个点测试获得不同的压力值后，将这10个测试点的压力值作为载荷直接施加在有限元模型中并进行求解，获得待测者的小腿各个部位的等效应力图；

上述10个测试点通过以下步骤获得：

1）材料选取

再请参见图4所示的压力绷带，压力绷带50选取市场上普遍使用的医用弹力袜的面料（面料成分为锦纶70%，氨纶30%，具有良好的拉伸弹性），制作成及膝长度的压力绷带作为此次服装压力舒适性研究用材料。为了方便以后研究该压力绷带的服装压力舒适范围，我们模仿塑身类服装的款式结构，在该压力绷带上依次装上六列扣36、37、38、39、40、41以界定绷带不同的紧身度，从松至紧共分为6个档次，每档的间隔距离为1cm。

2）测试点的选取

由于人体小腿上点非常多，不可能也没有必要做到对每个点都进行压力测试研究，为了找出主观压感明显的测试部位，我们做了大量的服装压力测试预实验。

以人体右腿为例，将待测者的膝盖下沿至小腿与足背的腕横纹处四等分，获得五条均匀间隔的水平环线，从上而下依次为第一环线、第二环线、第三环线、第四环线以及第五环线，以第五环线的“解溪穴”为起点，沿小腿的正面垂直向上获得第一垂线，该垂线跟五条环线就有5个交点，这样正前方这一方位就有5个点，将这5个点分别平移至正后方、右腿的左右两侧的相应位置，又可得到15个交点，一共是20个点。选取10名在校女大学生作为实验对象。其各项指标要满足以下要求：身高158-162cm，小腿长33-35cm，体型相似，腿型较健康。先请实验对象依次穿着6个不同档次的压力绷带，并请她们对这20个点的压感舒适性做出主观评价。

其中主观评价等级采用Hollies五级标尺法：将主观感觉分为5个级别，它们分别是:很不舒适（评价等级1）、不舒适（评价等级2）、适中（评价等级3）、舒适（评价等级4）、很舒适（评价等级5）。并规定以穿着最小款实验服为压迫感最强，穿着最不舒适。该过程采用问卷调查法，分别记录下10位测试者对各个点的评价等级（各个点是如何定义或确定的？这些点的分布本身是否符合取点的客观规律）。最终每个点的综合评价等级值取其主观评价等级次数出现最多的数值。

最终选择那些压力数值较大或者变化较明显，主观评价等级较低的点，一共是10个测试点进行测试研究。以图2、图3的右腿为例，对于一个确定的人体，其小腿长度和围度也是确定的，这样我们把其膝盖下沿至小腿与足背的腕横纹处四等分，获得五条均匀间隔的水平环线，从上而下依次为第一环线、第二环线、第三环线、第四环线以及第五环线，压力绷带50上从上而下依次排列的第一水平线31、第二水平线32、第三水平线33、第四水平线34以及第五水平线35与上述五条环线相对应。以第五环线的“解溪穴”为起点，沿小腿的正面垂直向上获得第一垂线，第一垂线与第一环线、第二环线、第五环线的交点分别为第一测试点S1、第二测试点S2以及第四测试点S4；将第一垂线沿小腿外周面旋转180度获得第二垂线，第二垂线与上述五条水平环线的交点从上而下分别为第五测试点S5、第六测试点S6、第八测试点S8、第九测试点S9以及第十测试点S10；将第一垂线沿小腿外周面向小腿的外侧旋转90度获得第三垂线，第三垂线与第二环线、第三环线的交点分别为第七测试点S7以及第三测试点S3。

较佳地，步骤B的具体步骤为：

B1.将三维人体下肢的扫描图在逆向工程软件Geomagic Studio中进行截取，选取脚踝到膝盖的小腿部分的点云数据；

B2.对小腿部分的点云数据进行减少噪声、去除体外孤点和冗点处理，从而得到一个完整的小腿点云数据；

B3.通过数据封装操作生成STL格式的三角面片模型，对三角面片进行填充孔、去除特征、光滑打磨处理，得到一个不变形的人体三角网格模型；

B4.对人体三角网格模型进行轮廓线技术处理，探测轮廓线、探测曲率、细分/延伸轮廓线，进行曲面片处理；

B5.完成曲面的处理，拟合成一个曲面模型。

所述步骤E中不同测试点的对应压力值获得方法为：对同一测试点进行若干次采集后的算术平均值。

实施例：

（1）人体小腿点云数据的获取

采用四摄像头非接触式三维人体激光扫描仪对人体基本数据进行采集。测试中，要求受试者赤裸双腿静立在三维人体扫描仪上，测量时尽量保持身体处于静止状态，避免人体晃动给测量结果带来误差，从而获得较精确的测量数据。本实验采用三维人体扫描方法，将试验者的整个下肢全部扫描出来，其人体下肢三维扫描图如图5所示。

（2）人体小腿点云数据的预处理

将三维人体下肢的扫描图在逆向工程软件Geomagic Studio中进行截取，选取脚踝到膝盖的小腿部分的点云数据进行分析研究。对点云数据进行减少噪声、去除体外孤点和冗点等相关技术处理，从而得到一个完整而理想的点云数据，通过数据封装操作生成STL格式的三角面片模型。对三角面片进行填充孔、去除特征、光滑打磨等细致的处理，得到一个精确、完整、光滑且不变形的人体三角网格模型。然后对此模型进行轮廓线技术处理，探测轮廓线、探测曲率、细分/延伸轮廓线，进行曲面片处理，构造、编辑、移动曲面片，栅格处理等操作完成NURBS曲面的处理，从而拟合成一个如图6所示的完美理想的曲面模型。

（3）人体小腿实体模型的构建

打开有限元分析的ansys建模系统，进入到建模状态，导入从Geomagic软件中拟合的曲面模型，先使用缝合命令将这些曲面片缝合成一个整体，然后建立一个半径不小于小腿最大围度的圆，并进行拉伸圆柱操作，实现对人体下肢曲面模型的填充作用，最后利用修建体将模型以外的其他部分修剪去除，得到三维实体模型。并以parasolid格式导出，用于有限元分析。人体小腿三维实体模型见图7。

（4）人体小腿有限元模型的创建

人体小腿主要是由皮肤、软组织和骨骼组成的。有限元模型要根据实物形状进行模拟建立，其模拟的几何相似度对分析结果的精度有很大的影响。为了准确的分析人体着装时的压力分布趋势，将小腿内部的各组织按照其对应的位置、形状分别进行构建。将人体小腿进行简化处理，分为如图4所示的厚度为1.5mm的皮肤11、软组织和内填圆柱状的骨骼12。人体小腿三维模型见图8。

将人体视为弹性体，将人体小腿与实验服装的接触定义为弹性体与弹性体的接触。因此，在分析时假设人体小腿部的皮肤、软组织和骨骼均为各向同性均匀的线弹性材料。

人体下肢各部分的材料属性为：其皮肤的弹性模量为150kPa，泊松比为0.46；软组织的弹性模量定义为60kPa，泊松比0.49；骨骼材料是参照皮质骨和松质骨在下肢所占的体积比，定义其弹性模量为7300MPa，泊松比为0.3。有限元模型参数设置如表1所示：

表1

名称	单元类型	弹性模量（MPa）	泊松比
				皮肤	Shell93	0.15	0.46
软组织	Solid185	0.06	0.49
				骨骼	Solid185	7300	0.3

（5）载荷的施加与求解

在ansys中，对应不同的分析类型，载荷可以分为不同种类，其中压力是结构分析中常见的载荷，载荷可以直接施加在有限元模型上，将载荷直接施加在这10个关键点（即测试点）上。在分析类型中选择为Static静态分析，在define loads定义载荷菜单项中的apply加载子菜单项中，选择structural结构下的force，即可展开集中力载荷的施加，在on keypoints(在关键点上施加集中力载荷)一项里，直接将事先测得的人体小腿上10个关键点的压力值作为压力载荷输入，其施加的方向为垂直于下肢表面的视图方面，接着在求解选项里系统会自动选择合适的求解方法，具体见图9。

通过仿真信息汇总命令查看边界条件和载荷情况设置是否合理，有限元模型检查没有失败单元后，进行求解。然后就可以在仿真模型后处理中查看人体小腿各个部位的等效应力图。

再请参见图11所示，其中为穿着压力绷带上的列扣40时，待测者的小腿各部位的应力分布云图。在模型左侧的颜色带中，用不同的颜色表示不同大小的应力和位移值，最下面的颜色表示应力及位移最小，而最上面的颜色则表示应力及位移的数值最大。从图中可以看到，当穿着压力绷带后，最大的等效应力出现在小腿肚围度上的前侧位置，其应力大小为3.038Kpa。在该等效应力图中，我们可以直观的看到小腿10个测试点部位的压力分布情况。并且鼠标点到的位置可以在图像右侧实时显示该部位的压力值大小，所以说通过10个关键点的压力值就可以知道小腿其他各个点的压力分布，达到了压力预测的目的。

在此解释一下该方法的理论依据：我们在解决本发明中提出的问题时，将人体小腿看成一个复杂连续的结构，通过网格划分将小腿的有限元模型分散成有限的单元体，这些有限的单元体之间只以指定的节点进行连接，然后我们用其中10个点的压力值作为集中力载荷来模拟某些单元的受力，设立各个节点上的平衡方程组，并将这些方程组连立成整个结构力学特性的方程组，在边界条件的约束作用下求解其相关数值解。我们把人体跟服装间的接触看成弹性接触，而服装对人体施加外力之后，会产生相应的应力，应力是不能直接得到的，现在这10个点的压力值起到一个外力的作用并作为载荷输入有限元软件，这样基于弹性力学理论，经过一系列的运算，最后先得到待测者的小腿与服装接触变形之后的位移变化（见图10），而应力变化是位移变化的派生结果，这样就获得了小腿各个点的压力值。

需要说明的是，上述不同测试点的对应压力值获得可以采用对同一测试点进行若干次采集后的算术平均值来获得，这样更符合客观事实。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明的目的，而并非用作对本发明的限定，只要在本发明的实质范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求的范围内。

Claims (3)

1.一种预测人体小腿对于服装压力分布的方法，其特征在于：该方法的具体步骤为：

A.人体下肢点云数据的获取，即通过四摄像头非接触式三维人体激光扫描仪，采用三维人体扫描法，将待测者的整个下肢全部扫描出来，形成三维人体下肢的扫描图；

B.对于三维人体下肢的扫描图进行截取，选取脚踝到膝盖的小腿部分的点云数据，并对人体小腿点云数据进行预处理，获得人体小腿的曲面模型；

C.通过人体小腿的曲面模型构建人体小腿三维实体模型；

D.创建人体小腿有限元模型，即人体小腿主要由厚度为1.5mm的皮肤、软组织以及内填圆柱状的骨骼组成，并且定义人体小腿部的皮肤、软组织以及骨骼均为各向同性均匀的线弹性材料，

其中，人体小腿有限元模型中皮肤的弹性模量为150kPa，泊松比为0.46；软组织的弹性模量为60kPa，泊松比0.49；骨骼的弹性模量为7300MPa，泊松比为0.3；

E.将织物套在待测者的小腿上，采用服装压力测试仪对待测者的小腿上的10个点测试获得不同的压力值后，将这10个测试点的压力值作为载荷直接施加在有限元模型中并进行求解，获得待测者的小腿各个部位的等效应力图；

上述10个测试点通过以下步骤获得：

将待测者的膝盖下沿至小腿与足背的腕横纹处四等分，获得五条均匀间隔的水平环线，从上而下依次为第一环线、第二环线、第三环线、第四环线以及第五环线，以第五环线的“解溪穴”为起点，沿小腿的正面垂直向上获得第一垂线，第一垂线与第一环线、第二环线、第五环线的交点分别为第一测试点、第二测试点以及第四测试点；将第一垂线沿小腿外周面旋转180度获得第二垂线，第二垂线与上述五条水平环线的交点从上而下分别为第五测试点、第六测试点、第八测试点、第九测试点以及第十测试点；将第一垂线沿小腿外周面向小腿的外侧旋转90度获得第三垂线，第三垂线与第二环线、第三环线的交点分别为第七测试点以及第三测试点。

2.根据权利要求1所述的预测人体小腿对于服装压力分布的方法，其特征在于：

所述步骤B的具体步骤为：

B1.将三维人体下肢的扫描图在Geomagic Studio中进行截取，选取脚踝到膝盖的小腿部分的点云数据；

B2.对小腿部分的点云数据进行减少噪声、去除体外孤点和冗点处理，从而得到一个完整的小腿点云数据；

B3.通过数据封装操作生成STL格式的三角面片模型，对三角面片进行填充孔、去除特征、光滑打磨处理，得到一个不变形的人体三角网格模型；

B4.对人体三角网格模型进行轮廓线技术处理，探测轮廓线、探测曲率、细分/延伸轮廓线，进行曲面片处理；

B5.完成曲面的处理，拟合成一个曲面模型。

3.根据权利要求1所述的预测人体小腿对于服装压力分布的方法，其特征在于：

所述步骤E中不同测试点的对应压力值获得方法为：对同一测试点进行若干次采集后的算术平均值。

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