CN104392063B - 传感器嵌入式服装压力测试用仿真软体假人的构建方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种传感器嵌入式服装压力测试用仿真软体假人的构建方法，包括：以一定样本量的某年龄段人体的真实人体数据为基础，通过数理统计的方法获得该群体的中间体体型及对应各部位尺寸；选取体型与中间体十分接近的模特，提取三维人体模型，通过逆向工程构建中间体三维人体人台；根据人体软组织厚度由中间体相应向内缩小构建人台硬质内壳的三维模型；采用快速成型技术打印人台硬质内壳，人台软组织的材料采用人体硅胶，人体皮肤替代材料采用光滑弹性织物；选择传感器嵌入点，将传感器固定在人体软体材料表面，引线穿过软体材料和内部硬质内壳引出体外，与外部数据采集装置连接。本发明可便捷有效地用于人体压力舒适性评价。
Description
技术领域
本发明涉及服装人体工程学技术领域，特别是涉及一种传感器嵌入式服装压力测试用仿真软体假人的构建方法。
背景技术
随着我国服装行业的发展，人们的穿着方式越来越多样化，对服装舒适性的要求也越来越高，其中压力舒适性作为服装舒适性重要的组成部分，越来越受到人们的关注。在实际操作中，真人服装压力测量具有以下不足：招募测量对象需要花费大量时间，成本较高；与测量对象皮肤直接接触引起的生理和心理不舒适等。人们迫切需要一种可以代替人体进行服装压力测量和评价的模型，人台作为真人的替代品，是沟通人体和服装的媒介，在服装产业中发挥着巨大的作用，通过人台，设计师可以直观地看出款式美观性和尺寸合适度。研发一款体表形态仿真，具有与人体极其相似的柔软性能，具有一定体型代表性的的服装压力测试评价用人台是目前国内服装业和教育科研急需的科技产品之一。人台的仿真度越高，越有利于帮助人们通过人台实现服装的舒适性和评价舒适性。现有的柔性人台和用于压力测试的人台专利有：
公开号为CN203234091U的多功能柔性人台实用新型(2010年)和公开号为CN103027412A的多功能柔性人台及其制作方法所示的柔性人台是根据皮肤弹性、软组织硬度和厚度等数据，找出等效的高分子材料对人体不同区域进行仿真模拟；用三维人体扫描获取单个人体的三维体表形态数据和骨骼三维数据，构建计算机虚拟人台模型，制作多功能柔性人台。人台的骨骼层由快速成型技术打印得到；肌肉层的材料为海绵，其浇注在骨骼层的外部；皮肤层的材料为硅胶，其浇注在肌肉层的外部；乳房是按照实际尺寸在模具里浇注形成。可替代现有的硬质人台进行服装设计和立体裁剪，代替真人进行服装试穿，尤其是内衣产品的试穿。该发明采用单个样本的人体数据，体型不具有代表性，
公开号为CN101839787A的服装人台压力测试系统(2009年)是将压力传感器埋设在硬质服装人台表面，外接无极传动装置控制其突出人台的高度和速度，数据采集模块采集测量数据。该发明压力传感器和数据连接线都埋在人台内部，可实现多点服装压力同时测量。该测量系统是在160/84A的硬质人台的指定部位上挖孔置入压力传感器，造成的不足就是人台的材料与人体实际柔软度有很大差异，不能很好地模拟真实人体受到压力作用产生形变，测量结果的准确性难以保证。
申请号为200710172236的可活动式女性下体软体假人(2007年)和申请号为200810202241.9的女性上体软体假人(2008年)，这两项发明包括主体和固定的底盘支架两部分，主体为由内向外依次分为四层：骨骼模型及人工关节、乳胶海绵、聚氨酯热缩弹性体及气囊装置、仿皮肤布，所述的乳胶海绵加工成型为近似模拟人体深层静体位肌肉，聚氯酯热塑弹性体加工成型为模拟人体外层动体位肌肉，液体硅胶模拟人体乳房，仿皮肤面料为光滑高弹面料。此类人台能逼真模拟人体各种动作形态，能示范女性不同动作形态下的着装效果和舒适度，并有助于对真人进行各个动作形态下服装压力预测。该发明为了达到关节可活动的效果，肩部、肘部和膝盖处的金属转轴外露，不能完整地表现人体；其次人台从内到外需要完成四层材料的衔接，都由手工完成，表面的光滑性欠佳；模拟乳房的液体硅胶使用寿命有限，一段时间之后会有一定的变形。
公开号为CN101912169A的带有放松量的服装立体裁剪用工业人台的建立方法(2010年)采用一定年龄段的三维人体数据，以统计分析得到的中间体数据为依据，建立上半身每一类体型带有放松量的服装立裁人台。该发明能够满足设计师对于外套服装造型的需求。实体人台外形轮廓由ABS材料三维打印后粘合而成。
总结相关专利和参考文献，用于服装压力测量的柔性人台的研究正处于探索阶段，存在以下不足：
现有的带传感器的人台都为硬质人台，人台的材料与人体实际柔软度有很大差异，不能很好的模拟真实人体受到压力作用产生形变，难以保证测量结果的准确性。
从材料上来看，主要用于内衣试穿的柔性人台用到的仿生材料主要有：骨骼为金属支架、玻璃钢、塑料等；肌肉、乳房等软组织主要以聚氨酯海绵、硅橡胶和液体硅胶模拟；皮肤使用光滑高弹性面料替代。这些柔性材料的优点是质量较轻，但缺陷是容易变形，对后期服装压力测量有很大影响。
从技术上来看，柔性人台的研发机构过少，主要是高校和研究所，人台材料的衔接性比较差，人台质量和使用寿命有待进一步提高；目前柔性人台的成本仍然较高，在市场上占有的比例较小。
从品类上来看，柔性人台种类单一，绝大多数为紧身服装的试穿和设计而研发，其中能用于服装压力测试评价的更是少之又少。
已有的能用于服装压力测量评估的柔性人台中大多数为女性的上半身人台，对下半身人台的研究较少。
从使用范围来看，柔性人台的研发刚刚起步，人台尺寸获取或基于经验或基于个人，体型不具有群体代表性；而且人台的号型规格不全，不成体系。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种传感器嵌入式服装压力测试用仿真软体假人的构建方法，能够克服上述现有人台在柔软度仿真性、材料衔接性、体型代表性、使用长久性等方面存在的缺陷。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种传感器嵌入式服装压力测试用仿真软体假人的构建方法，包括以下步骤：
(1)以一定样本量的某年龄段人体的真实人体数据为基础，通过数理统计的方法获得该群体的中间体体型及对应各部位尺寸；
(2)选取体型与中间体十分接近的模特的三维体表数据，构建中间体三维人体人台；
(3)根据人体软组织厚度由中间体相应向内缩小构建人台硬质内壳的三维模型；
(4)采用快速成型技术打印人台硬质内壳，人台软组织的材料采用人体硅胶，浇注在三维人体人台和硬质内壳之间，人体皮肤替代材料采用光滑弹性织物，包覆人台软组织；
(5)择传感器嵌入点，将传感器固定在人体软体材料表面，引线穿过软体材料和内部硬质内壳引出体外，与外部数据采集装置连接。
所述步骤(2)包括：
(A)根据人体扫描时的点云疏密程度，将人体模型切割成多个水平截面，并以水平截面的中心为原点逆时针等角度分割截面，将截面轮廓曲线划分为均匀的点云，完成对人体模型的分解；
(B)对每个模特进行分层取特征点，将特征点转化为三维空间坐标；
(C)对同一部位同一特征点的坐标均值化，并关于人体对称轴对称，生成该年龄段中间体三维人体点云矩阵；
(D)将点云矩阵导入逆向工程软件，生成三维网格模型，最终拟合成NURBS曲面，封闭NURBS曲面即为一个实体，从而完成中间体三维人体模型。
所述步骤(A)中将人体模型切割成90个水平截面。
所述步骤(C)中按照m×n矩阵的形式构建中间体的模型，将每一个三维模型的每一层上每一个特征点的三维特征值取平均值，构建中间体模型点云矩阵，得到其中，表示第j名模特第n层第K号点，Ijn(Δxjn,Δyjn,0)表示第j名模特第n层的中心偏移量。
所述步骤(C)中人体对称轴对称处理包括躯干和下肢的点云对称处理。
所述下肢的点云对称处理只需提取人体右下肢的三维点云数据，人体中心轴所在平面作为对称中心平面，人体左下肢与右下肢关于Y轴对称，左下肢上任一型值点与其右下肢对应特征点的X坐标互为相反数；其中，X轴为对称中心平面的横轴，Y轴为对称中心平面的纵轴。
所述步骤(5)中的传感器的引线置于人台内部中空处，并从腰围处引出。
所述步骤(5)中传感器嵌入点为：腰围与前中心线的交点，腹围线与前中心线的交点，大腿最大围前中心点，膝点，小腿最大围前中心点，腰围与侧缝线的交点，腹围线与侧缝线的交点，髋骨突出点，臀围线与侧缝线的交点，腰围与后中心线的交点，腹围线与后中心线的交点，臀凸点，臀沟线与后中缝线的交点，大腿最大围后中心点，小腿最大围后中心点。
有益效果
由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：
本发明选择与人体皮肤和肌肉相近的材料，制作人体下肢柔性人台，最后将压力轻薄的传感器嵌入人台皮肤下，构建传感器嵌入式软体人台。
体型代表性：柔性人台的的数据来自200名18-25岁青年女性群体的中间体模型，柔性人台选用该群体的中间体数据，使人台体型具有代表性。
材料仿生性：人台主体材料采用人体硅胶，该材料能够真实模拟人体的柔软度，受到力的作用挤压形变后能迅速回弹，能比较准确地反映人体的力学性能；表面包覆的织物为弹性轻薄面料，既能模拟人体皮肤弹性和光滑度，还可以保护内部材料和压力传感器；制作柔性人台替代真人用于服装压力测量和舒适性评价，优于硬质人台，将人台的研究推向新的领域。
传感器内置式：找出人体下体压力舒适性的关键点，在人台相应位置的皮肤层下嵌有固定的压力传感器，移动方便，方便服装压力测量。
柔性人台可用于服装压力测量与真实人体的数据对比，找出两者的线性关系，就可以利用软体假人研究真实人体的着装压力分布，建立压力预测模型。
广泛应用：柔性人台是一种新型的用于服装压力舒适性测试的工具，其大小和形状仿造真人模特，在贴身内衣的舒适性评价、医用绷带压力测试等领域会有广泛的应用。
提高效率：应用柔性人台进行服装压力测试，测试结果不受主观因素的影响，可以长时间工作，提高工作效率。
降低成本：避免了使用真人模特所带来的费用，降低了测量成本。
附图说明
图1为本发明的人台分层示意图；
图2为本发明的正面压力测量点示意图；
图3为本发明的侧面压力测量点示意图；
图4为本发明的背面压力测量点示意图；
图5为本发明的人台嵌入传感器正视图；
图6为本发明的人台嵌入传感器侧视图；
图7为本发明的人台嵌入传感器背视图；
图8为本发明的传感器嵌入正视图；
图9为本发明的传感器嵌入方式横切面示意图；
图10为人体下体分割成51层示意图；
图11为每一层截面等角等分坐标图；
图12为对称化处理之前的截面；
图13为对称化处理后的截面。
M1：人台包覆材料，M2：人台软体材料，M3：内层硬质材料；
图中字母A、B、C、D、E、F、G、H、I、J、K、L、M、N、O为传感器嵌入点；
图中数字1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15分别表示对应A、B、C、D、E、F、G、H、I、J、K、L、M、N、O嵌入点引出的传感器引线。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
本发明的实施方式涉及一种传感器嵌入式服装压力测试用仿真软体假人的构建方法，包括以下步骤：以一定样本量的某年龄段人体的真实人体数据为基础，通过数理统计的方法获得该群体的中间体体型及对应各部位尺寸；选取15个体型与中间体十分接近的模特的三维体表数据，构建中间体三维人体人台；根据人体软组织厚度由中间体相应向内缩小构建人台硬质内壳的三维模型；采用快速成型技术打印人台硬质内壳，人台软组织的材料采用人体硅胶，浇注在三维人体人台和硬质内壳之间，人体皮肤替代材料采用光滑弹性织物，包覆人台软组织；择传感器嵌入点，将传感器固定在人体软体材料表面，引线穿过软体材料和内部硬质内壳引出体外，与外部数据采集装置连接。
下面以一个具体的实施例进一步说明本发明。
步骤1、以200个18～25岁青年女性的真实人体数据为基础，通过数理统计的方法获得该群体的中间体体型及对应各部位尺寸。
步骤2、选取15个体型与中间体十分接近的模特的三维体表数据，采用逆向工程技术构建中间体三维人体人台。具体如下：
步骤A：根据人体扫描时的点云疏密程度，将人体模型切割成多个水平截面，由图10可知人体躯干比下肢的点云密度稍大，接近踝骨的部分点云最密集，为了最大程度接近人体模型点云疏密实际情况，将人体分90层。
步骤B：以水平截面的中心为原点逆时针等角度分割截面，将截面轮廓曲线划分为均匀的点云，完成对人体模型的分解。如图11所示，以水平X轴正方向为与截面曲线的交点为1号点，逆时针编号，最终61号点与1号点重合。
步骤C：将每一层截面的61个特征点转化为三维空间坐标。每个模特都有一个对应的三维人体点云矩阵，见式(1)。其中n为点坐标所在的层数，K为每层的坐标的点数，每层的z坐标都相同，式中表示第n层的第K个点坐标。
步骤D：由于站姿或仪器系统误差等原因，人体躯干各层截面的中心点可能会有微笑的偏移。Z轴方向由于是高度方向，没有偏差。为了减少后期建立中间体模型的误差，需要将中心调整到新的0点，调整后的坐标矩阵见式(2)，其中ΔIn(Δxn,Δyn,0)表示第n层的中心需要的偏移量。
步骤E、对同一部位同一特征点的坐标均值化，并关于人体对称轴对称，生成该年龄段中间体点云矩阵。按照m×n矩阵的形式构建中间体的模型，将调整坐标后每一个三维模型的每一层上每一个特征点的三维特征值取平均值，重新构建中间体模型点云矩阵，如式(3)所示。其中表示第名j模特第n层第K号点，Ijn(Δxjn,Δyjn,0)表示第j名模特第n层的中心偏移量。
步骤F、将人体看成是以正中矢面为对称轴的左右对称体，以人体的右侧为基准，对称化处理主要包括躯干和下肢的点云对称处理，实施步骤如下：
躯干截面对称处理：
人体躯干截面关于Y轴左右对称后，第1个点和第31个点位于X轴上，且关于Y轴对称；第16个点和第46个点位于Y轴上，且为人体横截面的前后中心点。
有x31＝-x1，y31＝y1；第16个点和第46个点位于Y轴上，且为人体横截面的前后中心点；第2个点与与30个点关于Y轴对称，第32个点与第60个点关于Y轴对称。有依次类推，对于第1～31个点，第n个点与第32-n个点关于Y轴对称，有xn＝-x32-n，yn＝y32-n；对于第32至第60个点，第n个点与第92-n个点关于Y轴对称有xn＝-x92-n，yn＝y92-n；人体对称化处理的计算公式如下：
下肢对称处理
下肢对称处理只需提取人体右下肢的三维点云数据，人体中心轴所在平面作为对称中心平面，人体左下肢与右下肢关于Y轴对称，左下肢上任一型值点与其右下肢对应特征点的X坐标互为相反数，Y、Z坐标不变.点坐标公式如下：xL＝-xR，yL＝yR，zL＝zR。图12和图13为对称处理前和对称处理后人体截面对比。
步骤G、最后将处理好的中间体三维点云导入逆向工程软件中，构建三维网格模型最终拟合成NURBS曲面，封闭NURBS曲面即为一个实体，从而完成中间体三维人体模型。
步骤3、根据人体软组织厚度由中间体相应向内缩小构建构建人台硬质内壳M3的三维模型。
步骤4、采用快速成型技术打印人台硬质内壳M3。人体软组织的材料M2为人体硅胶，浇注在所述人体人台和硬质内壳M3之间。人体皮肤替代材料M1为光滑弹性织物，用于包覆人台软组织和传感器(见图1)。
步骤5、选择传感器嵌入点。仅以女性人体右侧为例，如图2-图4所示，选择的压力传感器嵌入点为A：腰围与前中心线的交点，B：腹凸点(腹围线与前中心线的交点)，C：大腿最大围前中心点，D：膝点，E：小腿最大围前中心点，F：腰围与侧缝线的交点，G：腹围线与侧缝线的交点，H：髋骨突出点，I：臀围线与侧缝线的交点，J：腰围与后中心线的交点，K：腹围线与后中心线的交点，L：臀凸点，M：臀沟线与后中缝线的交点，N：大腿最大围后中心点，O：小腿最大围后中心点，共计15个点。
步骤6、传感器嵌入的方法为：将传感器固定在人体软体材料表面，引线穿过软体材料和内部硬质内壳引出体外，与外部数据采集装置连接。如图5-图7所示，1号引线对应A测量点，2号引线对应B测量点，3号引线对应C测量点，4号引线对应D测量点，5号引线对应E测量点，6号引线对应F测量点，7号引线对应G测量点，8号引线对应H测量点，9号引线对应I测量点，10号引线对应J测量点，11号引线对应K测量点，12号引线对应L测量点，13号引线对应M测量点，14号引线对应N测量点，15号引线对应O测量点。如图8和图9所示，传感器的引线置于从人台内部中空处，并从腰围处引出，按顺序连接到数据采集装置上，数据采集装置对数据信号放，传至计算机，计算机对数据信号进行记录。存储和输出。
Claims (8)
1.一种传感器嵌入式服装压力测试用仿真软体假人的构建方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)以一定样本量的某年龄段人体的真实人体数据为基础，通过数理统计的方法获得群体的中间体体型及对应各部位尺寸；
(2)选取体型与中间体十分接近的模特的三维体表数据，构建中间体三维人体人台；
(3)根据人体软组织厚度由中间体相应向内缩小构建人台硬质内壳的三维模型；
(4)采用快速成型技术打印人台硬质内壳，人台软组织的材料采用人体硅胶，浇注在三维人体人台和硬质内壳之间，人体皮肤替代材料采用光滑弹性织物，包覆人台软组织；
(5)选择传感器嵌入点，将传感器固定在人体软体材料表面，引线穿过软体材料和内部硬质内壳引出体外，与外部数据采集装置连接。
2.根据权利要求1所述的传感器嵌入式服装压力测试用仿真软体假人的构建方法，其特征在于，所述步骤(2)包括：
(A)根据人体扫描时的点云疏密程度，将人体模型切割成多个水平截面，并以水平截面的中心为原点逆时针等角度分割截面，将截面轮廓曲线划分为均匀的点云，完成对人体模型的分解；
(B)对每个模特进行分层取特征点，将特征点转化为三维空间坐标；
(C)对同一部位同一特征点的坐标均值化，并关于人体对称轴对称，生成该年龄段中间体三维人体点云矩阵；
(D)将点云矩阵导入逆向工程软件，生成三维网格模型，最终拟合成NURBS曲面，封闭NURBS曲面即为一个实体，从而完成中间体三维人体模型。
3.根据权利要求2所述的传感器嵌入式服装压力测试用仿真软体假人的构建方法，其特征在于，所述步骤(A)中将人体模型切割成90个水平截面。
4.根据权利要求2所述的传感器嵌入式服装压力测试用仿真软体假人的构建方法，其特征在于，所述步骤(C)中按照m×n矩阵的形式构建中间体的模型，将每一个三维模型的每一层上每一个特征点的三维特征值取平均值，构建中间体模型点云矩阵，得到其中，表示第j名模特第n层第K号点，Ijn(Δxjn,Δyjn,0)表示第j名模特第n层的中心偏移量。
5.根据权利要求2所述的传感器嵌入式服装压力测试用仿真软体假人的构建方法，其特征在于，所述步骤(C)中人体对称轴对称处理包括躯干和下肢的点云对称处理。
6.根据权利要求5所述的传感器嵌入式服装压力测试用仿真软体假人的构建方法，其特征在于，所述下肢的点云对称处理只需提取人体右下肢的三维点云数据，人体中心轴所在平面作为对称中心平面，人体左下肢与右下肢关于Y轴对称，左下肢上任一型值点与其右下肢对应特征点的X坐标互为相反数；其中，X轴为对称中心平面的横轴，Y轴为对称中心平面的纵轴。
7.根据权利要求1所述的传感器嵌入式服装压力测试用仿真软体假人的构建方法，其特征在于，所述步骤(5)中的传感器的引线置于人台内部中空处，并从腰围处引出。
8.根据权利要求1所述的传感器嵌入式服装压力测试用仿真软体假人的构建方法，其特征在于，所述步骤(5)中传感器嵌入点为：腰围与前中心线的交点，腹围线与前中心线的交点，大腿最大围前中心点，膝点，小腿最大围前中心点，腰围与侧缝线的交点，腹围线与侧缝线的交点，髋骨突出点，臀围线与侧缝线的交点，腰围与后中心线的交点，腹围线与后中心线的交点，臀凸点，臀沟线与后中缝线的交点，大腿最大围后中心点，小腿最大围后中心点。
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