CN112182683A - 服装压力测量装置、人体生物力学模型建模方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种服装压力测量装置、人体生物力学模型建模方法及系统，其中，服装压力测量装置包括固定框架、若干个高清相机、若干个测力传感器和压片；若干个高清相机和若干个测力传感器间隔安装在固定框架上；测力传感器和若干个压片之间固定连接有可调伸缩杆；当压片作用在未穿紧身衣的人体部位产生变形后得到的三维形态与预设的三维形态相同时测力传感器输出压力值，该压力值即为紧身服装对人体产生的压力。基于该服装压力测量装置能够准确的测量出人体穿着紧身衣时，该紧身衣作用在人体表面的压力值。另外，基于该压力值以及人体表面的变形情况，引入有限元模型，准确的构建出人体待测部位的生物力学模型。

Description

服装压力测量装置、人体生物力学模型建模方法及系统

技术领域

本发明涉及服装智能工程技术领域，特别是涉及一种服装压力测量装置、人体生物力学模型建模方法及系统。

背景技术

运动服装在体育活动发挥重要作用，合理的运动服装能够在运动过程中为人体不同部位提供不同的压力，能够有效促进运动动作的发挥，从而提高运动效果，保护运动员的运动健康。随着我国经济社会的发展和人民物质精神文明水平的提升，滑冰、自行车等体育比赛越来越多，与人们日常生活的联系日益紧密，这一类体育运动也逐渐成为青少年体育训练的重要项目，运动员对运动过程中的服装要求也从过去的单一款式向多类型、多款式、定制化转变，同时要求服装具有良好的功能性和舒适性。因此，现代运动服装需要针对不同的运动员体型和运动特点，满足运动项目对动作、款式、面料、版型的需求，需要实现运动服装的大规模个性化定制。

运动服装的大规模个性化定制是一项特定的任务，对服装的版型制作要求比较高，当要求紧身运动服装在人体特定位置满足一定的压力时，对服装版型的制作要求会进一步提高，服装对人体表面产生的压力是通过紧身服装的弹性收缩产生的。服装作用在人体表面的压力的准确测量以及生物力学建模模拟一直是一项艰巨的任务，难以实现准确的有限元模型的力学物理属性的测量和估计。本发明针对这一问题，提出了一种服装压力测量装置、人体生物力学模型建模方法及系统。

发明内容

本发明的目的是提供一种服装压力测量装置、人体生物力学模型建模方法及系统，能够准确的测量出服装作用在人体表面的压力，基于该压力值结合服装作用在人体表面时的变形，引入有限元模型，准确地构建出人体待测部位的生物力学模型。

为实现上述目的，本发明提供了一种服装压力测量装置，包括固定框架、若干个高清相机、若干个测力传感器和压片；

若干个所述高清相机间隔固定在所述固定框架上；

若干个所述测力传感器间隔固定在所述固定框架内侧；所述测力传感器和所述若干个压片之间固定连接有可调伸缩杆，

若干个所述压片作用在未穿紧身衣的人体待测部位表面；

所述测力传感器，用于当所述压片作用在未穿紧身衣的人体待测部位产生变形后得到的待测部位三维形态与预设的三维形态相同时输出压力值，该压力值即为紧身服装对人体产生的压力；所述预设的三维形态为人体身穿紧身衣时待测部位的三维形态。

可选的，所述压片与所述可调伸缩杆垂直连接，所述压片的内侧表面弧度与人体表面的弧度相同；

所述压片的数量根据人体待测部位的位置和周长确定，所述测力传感器的数量与所述压片数量相同。

可选的，所述可调伸缩杆伸出最大长度时，所有所述压片围成的面积小于人体部位水平截面的最小面积；所述可调伸缩杆缩回最大长度时，所有所述压片围成的面积大于人体部位水平截面的最大面积。

可选的，所述固定框架包括第一固定框架和第二固定框架，所述第二固定框架的直径小于所述第一固定框架的直径，所述第一固定框架与第二固定框架同心设置；

若干个所述高清相机等间隔安装在所述第一固定框架上，若干个所述测力传感器等间隔安装在所述第二固定框架的内侧。

可选的，在所述第一固定框架和所述第二固定框架上固定连接有支撑架，所述支撑架的长度可调；所述支撑架与第一固定框架直径的两端和第二固定框架直径的两端固定连接，或者所述支撑架分别与第一固定框架和第二固定框架有三个连接点。

可选的，所述第一固定框架与第二固定框架之间连接有连接杆，所述第一固定框架或所述第二固定框架种固定连接有支撑架。

所述支撑架与第一固定框架直径的两端或第二固定框架直径的两端固定连接，或者所述支撑架与第一固定框架或第二固定框架有三个连接点。

本发明还提供了一种基于服装压力测量装置构建人体生物力学模型的方法，包括：

获取测力传感器的数值为零时未穿紧身衣的人体待测部位的初始彩色图像和初始深度图像；基于所述初始深度图像和所述初始彩色图像构建所述未穿紧身衣的人体待测部位的初始三维形态，基于所述初始三维形态和压片的作用中构建初始网格；

获取调节各可调伸缩杆后使压片作用在未穿紧身衣的人体待测部位表面产生变形时的变形彩色图像和变形深度图像；基于所述变形深度图像和所述变形彩色图像构建所述未穿紧身衣的人体待测部位的变形三维形态；

判断所述变形三维形态与身穿紧身衣的人体待测部位的三维形态是否相同，得到判断结果；

当判断结果为是时，则所述变形三维形态为目标变形三维形态，读取测力传感器的压力值，该压力值即为所述身穿紧身衣对人体待测部位表面产生的压力；当判断结果为否时，返回步骤“获取调节各可调伸缩杆后使压片作用在未穿紧身衣的人体待测部位表面产生变形时的变形彩色图像和变形深度图像”，直至得到所述目标变形三维形态；

基于所述目标变形三维形态、所述压片的作用中心点和所述初始网格的节点间拓扑关系构建变形网格；

基于所述初始网格和所述变形网格，得到变形前后各所述压片的作用中心点的位移量；

基于所述变形网格构建所述未穿紧身衣的人体待测部位的生物力学有限元模型；

根据所述压片的作用中心点的位移量和各所述测力传感器的压力值优化所述人体待测部位的生物力学有限元模型的参数，得到优化后的所述人体待测部位的生物力学有限元模型即为人体待测部位的生物力学模型；所述参数包括人体肌肉皮肤组织的弹性模量、泊松比和剪切模量。

可选的，所述基于所述初始深度图像和所述初始彩色图像构建所述未穿紧身衣的人体待测部位的初始三维形态，基于所述初始三维形态和压片的作用中构建初始网格，具体包括：

基于初始深度图像得到所述未穿紧身衣的人体待测部位的三维空间点云，基于初始彩色图像的像素，对所述三维空间点云设置颜色值，得到彩色三维空间点云，基于所述彩色三维空间点云构建所述未穿紧身衣的人体待测部位的三维形态，得到所述初始三维形态；

基于所述初始三维形态，提取所述压片的作用中心点构成初始曲线，在所述初始曲线内确定若干个内节点，连接所述内节点和各所述压片的作用中心点构成初始网格。

可选的，所述基于所述变形网格构建所述未穿紧身衣的人体待测部位的生物力学有限元模型，具体包括：

在所述变形网格上，定义所述压片的作用中心点为载荷施加节点，施加的载荷值为所述压力值，定义所述变形网格内中心位置的若干节点为固定节点，所述固定节点用于模拟人体待测部位的骨骼，基于所述压片的作用中心点的载荷值和位移量得到人体待测部位的所述生物力学有限元模型。

可选的，所述根据所述压片的作用中心点的位移量和所述压力值优化所述生物力学有限元模型的参数，得到优化后的所述生物力学有限元模型即为人体待测部位的生物力学模型，具体包括：

根据经验值确定人体肌肉皮肤组织的弹性模量的范围区间和泊松比的范围区间，根据设定的循环步长，确定若干个弹性模量值和若干个泊松比数值，基于若干个所述弹性模量值和若干个泊松比数值确定若干个剪切模量，基于若干个所述弹性模量值、若干个所述泊松比数值和若干个剪切模量值得到若干个不同参数值的所述生物力学有限元模型，对每一个参数组合下的所述生物力学有限元模型结合所述压力值，计算各所述压片的作用中心点产生的计算位移；

计算各所述计算位移与对应的所述位移量的偏差值，得到各所述压片的作用中心点的偏差值的累计值；

选取所述累计值最小时对应的参数组合为所述生物力学有限元模型的优化参数，该优化参数组合下的所述生物力学有限元模型即为人体待测部位的生物力学模型。

本发明还提供了一种构建人体生物力学模型的系统，包括：

初始网格构建模块，用于获取测力传感器的数值为零时未穿紧身衣的人体待测部位的初始彩色图像和初始深度图像；基于所述初始深度图像和所述初始彩色图像构建所述未穿紧身衣的人体待测部位的初始三维形态，基于所述初始三维形态和压片的作用中构建初始网格；

变形三维形态获取模块，用于获取调节各可调伸缩杆后使压片作用在未穿紧身衣的人体待测部位表面产生变形时的变形彩色图像和变形深度图像；基于所述变形深度图像和所述变形彩色图像构建所述未穿紧身衣的人体待测部位的变形三维形态；

目标变形三维形态判断模块，用于判断所述变形三维形态与身穿紧身衣的人体待测部位的三维形态是否相同，得到判断结果；

当判断结果为是时，则所述变形三维形态为目标变形三维形态，读取测力传感器的压力值，该压力值即为所述身穿紧身衣对人体待测部位表面产生的压力；当判断结果为否时，返回步骤“获取调节各可调伸缩杆后使压片作用在未穿紧身衣的人体待测部位表面产生变形时的变形彩色图像和变形深度图像”；

变形网格构建模块，用于基于所述目标变形三维形态、所述压片的作用中心点和所述初始网格的节点间拓扑关系构建变形网格；

位移量获取模块，基于所述初始网格和所述变形网格，得到变形前后各所述压片的作用中心点的位移量；

生物力学有限元模型构建模块，用于基于所述变形网格构建所述未穿紧身衣的人体待测部位的生物力学有限元模型；

生物力学模型构建模块，用于根据所述压片的作用中心点的位移量和各所述测力传感器的压力值优化所述人体待测部位的生物力学有限元模型的参数，得到优化后的所述人体待测部位的生物力学有限元模型即为人体待测部位的生物力学模型；所述参数包括人体肌肉皮肤组织的弹性模量、泊松比和剪切模量。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

(1)本发明提供了一种服装压力测量装置、人体生物力学模型建模方法及系统，其中，服装压力测量装置包括固定框架、若干个高清相机、若干个测力传感器和压片；若干个所述高清相机间隔固定在所述固定框架上；若干个所述测力传感器的间隔固定在所述固定框架内侧；所述测力传感器和所述若干个压片之间固定连接有可调伸缩杆，若干个所述压片作用在未穿紧身衣的人体待测部位表面；所述测力传感器，用于当所述压片作用在未穿紧身衣的人体待测部位产生变形后得到的待测部位三维形态与预设的三维形态相同时输出压力值，该压力值即为紧身服装对人体产生的压力；所述预设的三维形态为人体身穿紧身衣时待测部位的三维形态。基于该服装压力测量装置能够准确的测量出人体穿着紧身衣时，该紧身衣作用在人体表面的压力值。另外，基于该压力值以及服装作用在人体时表面的变形情况，引入有限元模型，准确的构建出人体待测部位的生物力学模型。

(2)基于构建的人体生物力学模型，引入边界条件以及服装设计目标，能够得出人体待测部位的内部组织的应力应变图，结合人体待测部位表面的压力情况，能够辅助运动紧身衣版型的设计。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1提供的服装压力测量装置结构示意图；

图2为本发明实施例1提供的一种人体生物力学模型建模方法流程图；

图3为本发明实施例1提供的初始网格示意图；

图4为本发明实施例1提供的变形网格示意图；

图5为本发明实施例1提供的多个服装测力装置分布在人体不同层上的示意图；

图6为本发明实施例1提供的多层的三维有限元网格示意图；

图7为本发明实施例2提供的一种人体生物力学模型建模系统框图；

符号说明：

1：固定框架；1-1：第一固定框架；1-2：第二固定框架；2：高清相机；3：测力传感器；4：可调伸缩杆；5：压片。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种服装压力测量装置、人体生物力学模型建模方法及系统，能够准确的测量出服装作用在人体表面的压力，基于该压力值结合服装作用在人体表面时的变形，引入有限元模型，准确的构建出人体待测部位的生物力学模型。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例1

如图1所示，本实施例提供了一种服装压力测量装置，包括固定框架1、若干个高清相机2、若干个测力传感器3和压片5；

其中，若干个高清相机2间隔固定在固定框架1上；

若干个测力传感器3间隔固定在固定框架1内侧；测力传感器3和若干个压片5之间固定连接有可调伸缩杆4，

若干个压片5作用在未穿紧身衣的人体待测部位表面；

测力传感器3，用于当所述压片5作用在未穿紧身衣的人体待测部位产生变形后得到的待测部位三维形态与预设的三维形态相同时输出压力值，该压力值即为紧身服装对人体产生的压力；所述预设的三维形态为人体身穿紧身衣时待测部位的三维形态。

需要说明的是，预设的三维形态为人体身穿紧身衣时待测部位的三维形态，此处，人体身穿紧身衣时待测部位的三维形态可以是基于已经设计出来的一种紧身衣，利用该服装压力测量装置测量该紧身衣作用在人体表面产生变形时的压力，基于该压力值可以了解该紧身衣对人体产生的舒适度；也可以是该紧身衣并未设计出来，根据人们希望穿着紧身衣后的三维形态，来计算该并未设计出的紧身衣作用在人体表面时的压力，以该压力信息作为紧身衣设计时的数据支持，以便设计出一款符合要求的紧身衣。

为了保证压力测量装置结构简化，可以将若干个高清相机2和若干个测力传感器3均设置在同一个固定框架1上，其中为了不影响高清相机2和测力传感器3各自的功能，可以将高清相机2固定在固定框架1的外侧，测力传感器3设置在固定框架1的内侧，该固定框架1可以设置为圆形的，其直径可以选1m，固定框架1的形状和尺寸也可根据实际需求调整。并且为了能够更全面的了解人体表面变形情况，以及人体表面各部位受力情况，要求高清相机2和测力传感器3要覆盖到固定框架1整个周长上，也就是说高清相机2和测力传感器3环绕设置在固定框架1上。高清相机2的数量与测力传感器3的数量可相同也可不同，但测力传感器3与压片5是一一对应的。所以压片5的数量根据人体待测部位的位置和周长确定，例如测量紧身衣对人体腰部表面的压力时，由于腰部的周长较大，所以可以设置的压片5数量多一些，压片5的间隔距离越小，模拟腰部变形情况更准确，那么，由测力传感器3得出的数值则更准确。另外，对于压片5作用中心点之间的间隔距离可以根据有限元模型的单元规格确定，从而能够在建立有限元模型时，每个压片5的作用力等效于施加在有限元的节点上。例如，有限元网格划分的规格如果定义大约5cm边长一个网格，周长如果是60cm，就确定为12个压片5作用点，根据周长和网格规格，取一个便于等分的数目，如12、16、18、24、32等，便于实现有限元网格对称。

高清相机2可以采用RGBD深度相机，也可以根据需求确定，高清相机2均朝向固定框架1的中心点。测力传感器3可以是微电压信号输出的拉压力传感器，传感器中利用内置的数据采集卡采集压力数据。测力传感器3与可伸缩杆之间可通过螺钉连接，也可根据需求选择连接方式。

为了能够更真实的模拟紧身衣对人体表面产生的变形，同时也保证压片5作用在人体表面时的舒适性，要求压片5的内侧表面弧度与人体表面的弧度相同。同时能更便于控制压片5作用在人体表面，可以要求压片5与可调伸缩杆4垂直连接。对于压片5的形状大小，可以设置成正方形单位面积的压片5，厚度可以选择2mm，压片5的设计数据也可以根据实际需求确定。

由于本实施例中的压力测量装置是利用可调伸缩杆4对人体各部位表面的产生变形时读取测力传感器3的压力值，所以要求该压力测量装置能够适用于人体各个部位，那么就要求可调伸缩杆4伸出最大长度时，所有压片5围成的面积小于人体部位水平截面的最小面积；可调伸缩杆4缩回最大长度时，所有压片5围成的面积大于人体部位水平截面的最大面积。可调伸缩杆4的调节方式可以采用螺口方式。

另外，高清相机2和测力传感器3可以分别设置于不同的固定框架1上，可以要求固定框架1包括第一固定框架1-1和第二固定框架1-2，第二固定框架1-2的直径小于第一固定框架1-1的直径，第一固定框架1-1与第二固定框架1-2同心设置；这种情况下，则要求若干个高清相机2等间隔安装在所述第一固定框架1-1上，若干个测力传感器3等间隔安装在所述第二固定框架1-2的内侧。另外，保证高清相机2能够清楚的拍出人体表面图像，要求第一固定框架1-1和第二固定框架1-2之间间隔的距离不能太大。

考虑到固定框架1的固定问题，可以对固定框架1设置支撑架。对于包括第一固定框架1-1和所述第二固定框架1-2的情况，可以将第一固定框架1-1和第二固定框架1-2上固定连接在同一支撑架，支撑架的长度可调；支撑架与第一固定框架1-1直径的两端和第二固定框架1-2直径的两端固定连接，所述支撑架分别与第一固定框架1-1和第二固定框架1-2有三个连接点。除了上述的固定方式外，还可以在第一固定框架1-1与第二固定框架1-2之间连接连接杆，在第一固定框架1-1或第二固定框架1-2上固定连接支撑架。支撑架与第一固定框架1-1直径的两端或第二固定框架1-2直径的两端固定连接，或者所述支撑架与第一固定框架1-1或第二固定框架1-2有三个连接点。为了能够保证固定框架的稳定性，支撑架与固定框架的连接点可根据实际需要设定，本实施例中的两个连接点和三个连接点对本发明不具有限定作用。除此之外，固定支架还可以通过万向臂实现支撑。

另外，本实施例中的服装压力测量装置可以单一使用，也可以同时设置多个，测量不同位置的变形情况，根据实际需求确定。

本实施例中，服装压力测量装置通过调节可调伸缩杆4对人体表面产生变形，当变形后的三维形态与人体身穿紧身服装时的三维形态相同时，读取测力传感器3的压力值即可得知紧身服装对人体表面产生的压力。显然，基于该服装压力测量装置能够准确的测量出服装作用在人体表面的压力，基于该压力值可以了解紧身服装作用在人体时的舒适度，也可以根据该压力值对紧身服装版型做调整。

实施例2

如图2所示，本实施例提供了一种人体生物力学模型建模方法，包括以下步骤：

S1：获取测力传感器的数值为零时未穿紧身衣的人体待测部位的初始彩色图像和初始深度图像；基于所述初始深度图像和所述初始彩色图像构建所述未穿紧身衣的人体待测部位的初始三维形态，基于所述初始三维形态和压片的作用中构建初始网格；

首先调整各可调伸缩杆，使压片作用在未穿紧身衣的人体待测部位表面时，读取到测力传感器的数值为零；其中，测力传感器读数为零或数值波动范围在一定的极小值范围内，认为没有作用力；压片作用在未穿紧身衣的人体待测部位表面时是无作用力的接触时，而测力传感器有一定的读数，可以将测力传感器读数置零，便于后续测力的准确性。

步骤S1具体包括：

基于初始深度图像得到所述未穿紧身衣的人体待测部位的三维空间点云，基于初始彩色图像的像素，对所述三维空间点云设置颜色值，得到彩色三维空间点云，基于所述彩色三维空间点云构建所述未穿紧身衣的人体待测部位的三维形态，得到所述初始三维形态；

基于所述初始三维形态，提取所述压片的作用中心点构成初始曲线，在所述初始曲线内确定若干个内节点，连接所述内节点和各所述压片的作用中心点构成初始网格，如图3所示。

其中，采用深度相机获取深度图像和颜色图像，深度相机可使用primesense、orbbec、kinect等，图像分辨率可使用640*480像素；使用OpenNI将深度图像转化为三维空间的点云，并将彩色图像像素与点云相配准，设置点云颜色值；使用颜色纹理信息，确定图像中一定范围内相邻像素灰度值的梯度变化，辅助特征点的定位。通过固定坐标系将多个深度相机拍摄的图像中的点云合成到全局坐标系，形成完整的待测部位的人体表面三维点云。也就是说，建立一个全局坐标系，然后计算每一个相机相对坐标系到全局坐标系的变换矩阵(平移矩阵、旋转矩阵)，将多个深度相机使用各自的变换矩阵转化到全局坐标系中，多幅三维点云同时位于全局坐标系内，合并为同一个模型，即为待测部位的人体表面三维点云。

构建初始网格时，以压片的作用中心点为网格最外侧的节点，确定内节点数量，而内节点数量的选取取决于构建的初始网格是三角网格还是四边形网格。另外，划分网格时，最外侧节点可以与压力作用点相同，也可以不同，但是网格最外侧节点数要多于压片的作用中心点数量，且每一个压片的作用中心点处必须对应一个网格节点。

S2：获取调节各可调伸缩杆后使压片作用在未穿紧身衣的人体待测部位表面产生变形时的变形彩色图像和变形深度图像；基于所述变形深度图像和所述变形彩色图像构建所述未穿紧身衣的人体待测部位的变形三维形态；

调节伸缩杆时，采用均匀载荷施加方式，即各位置的传感器压力数值大致相等，能够得到更准确的变形情况。变形三维形态的构建方法与初始三维形态的构建方式相同。

S3：判断所述变形三维形态与身穿紧身衣的人体待测部位的三维形态是否相同，得到判断结果；

当判断结果为是时，则所述变形三维形态为目标变形三维形态，读取测力传感器的压力值，该压力值即为所述身穿紧身衣对人体待测部位表面产生的压力；当判断结果为否时，返回步骤S2，直至得到所述目标变形三维形态；

目标变形三维形态即为预设的三维形态(人体身穿紧身衣时待测部位的三维形态)。通过多路数据采集卡记录稳定状态下各测力传感器的数据。

S4：基于所述目标变形三维形态、所述压片的作用中心点和所述初始网格的节点间拓扑关系构建变形网格；

如图4所示，初始网格与变形网格中节点间的拓扑关系不变，仅仅是变形网格相对于初始网格来说，节点的坐标发生了变化。所以，构建变形网格的方法与初始网格的构建方法相同，在此不再赘述。

S5：基于所述初始网格和所述变形网格，得到变形前后各所述压片的作用中心点的位移量；

在计算变形前后各所述压片的作用中心点的位移量时，可以将初始网格和变形网格对应到同一坐标系中，这样能够显而易见的得知变形前后最外侧网格节点的位移变化。

S6：基于所述变形网格构建所述未穿紧身衣的人体待测部位的生物力学有限元模型；具体包括：

在所述变形网格上，定义所述压片的作用中心点为载荷施加节点，施加的载荷值为所述压力值，定义所述变形网格内中心位置的若干节点为固定节点，所述固定节点用于模拟人体待测部位的骨骼，基于所述压片的作用中心点的载荷值和位移量得到人体待测部位的所述生物力学有限元模型。在变形网格的基础上，基于所述压片的作用中心点的载荷值和位移量得到人体待测部位的生物力学有限元模型。对于二维有限元模型而言，节点载荷和位移量均为二维矢量。

S7：根据所述压片的作用中心点的位移量和各所述测力传感器的压力值优化所述人体待测部位的生物力学有限元模型的参数，得到优化后的所述人体待测部位的生物力学有限元模型即为人体待测部位的生物力学模型；所述参数包括人体肌肉皮肤组织的弹性模量、泊松比和剪切模量，具体包括：

根据经验值确定人体肌肉皮肤组织的弹性模量的范围区间和泊松比的范围区间，根据设定的循环步长，确定若干个弹性模量值和若干个泊松比数值，基于若干个所述弹性模量值和若干个泊松比数值确定若干个剪切模量(已知弹性模量值、泊松比数和剪切模量中任意两个值可以根据弹性模量、泊松比和剪切模量关系式求出第三个量)，基于若干个所述弹性模量值、若干个所述泊松比数值和若干个剪切模量值得到若干个不同参数值的所述生物力学有限元模型，对每一个参数组合下的所述生物力学有限元模型结合所述压力值，计算各所述压片的作用中心点产生的计算位移；

计算各所述计算位移与对应的所述位移量的偏差值，得到各所述压片的作用中心点的偏差值的累计值；

选取所述累计值最小时对应的参数组合为所述生物力学有限元模型的优化参数，该优化参数组合下的所述生物力学有限元模型即为人体待测部位的生物力学模型。

在得到人体待测部位的生物力学模型之后，对于完成单元划分和载荷与边界条件的有限元模型而言，根据模型网格划分的节点和单元结构，取根据经验获得的人体肌肉皮肤组织的弹性模量E、泊松比v、剪切模量G，计算单元刚度矩阵和总刚度矩阵，根据总刚度矩阵和节点载荷构造有限元方程组，求解模型中除压力的作用中心点以及固定节点(视为骨骼)以外的节点的位移向量；

其中，边界条件是指对设定为固定不动的点，将其对应的位移设为0，从而使构建的总刚度矩阵方程组有解。

因此，基于构建的人体生物力学模型，引入边界条件以及服装设计目标，能够得出人体待测部位的内部组织的应力应变图，结合人体待测部位表面的压力情况，从而辅助运动紧身衣版型的设计。

可见，用建立的有限元模型进行其他载荷数值的模拟计算分析，实现人体部位生物力学有限元建模模拟，为服装舒适性功能性研究开发提供准确的数据来源和模型支撑。

另外，有限元求解弹性力学平面问题理论步骤如下：

(1)整理原始数据，结构离散化，对单元和节点编号；

(2)求单元刚刚度矩阵[k]^e；

(3)用刚度集成法，形成结构整体刚度矩阵[K]；

(4)求节点等效载荷，写出载荷列阵{R}；

(5)引入支承条件；

(6)解[K]{d}＝{R}求出节点位移{d}；

(7)求单元应力；

(8)求单元节点力；

(9)整理结果，得出节点位移图及应力图。

需要说明的是，可以使用多个服装压力测量装置同步采集压力数据，且多个服装测力装置分布在人体不同层上，如图5所示，多层之间等距布置；设置多个服装压力测量装置时，可以设置多层的测力传感器，即多个第二固定框架分布在人体不同层上，可以设置一个第一固定框架上或者多个第一固定框架，第一框架上设置高清相机，第一固定框架的设置数量根据需求设定，只要满足人体待测部位图像采集的要求，第一固定框架和第一固定框架设计的数量均在本发明保护的范围内。

此时构建人体待测部位的外表面三维曲面模型，离散化为三维有限元模型，每一层的节点与该层服装测力装置相对应。如图6所示为多层的三维有限元网格，设置每一层中部若干节点为固定节点；对三维有限元模型而言，节点载荷和位移均为三维矢量；对于三维六面体网格的计算，采用三维六面体有限元分析的公式计算。

本实施例中，基于服装压力测量装置能够准确的测量出人体穿着紧身衣时，该紧身衣作用在人体表面的压力值。另外，基于该压力值以及服装作用在人体时表面的变形情况，引入有限元模型，准确的构建出人体待测部位的生物力学模型。并且基于构建的人体生物力学模型，引入边界条件以及服装设计目标，能够得出人体待测部位的内部组织的应力应变图，结合人体待测部位表面的压力情况，能够辅助运动紧身衣版型的设计。

实施例3

如图7所示，本实施例提供了一种构建人体生物力学模型的系统，包括：

初始网格构建模块，用于获取测力传感器的数值为零时未穿紧身衣的人体待测部位的初始彩色图像和初始深度图像；基于所述初始深度图像和所述初始彩色图像构建所述未穿紧身衣的人体待测部位的初始三维形态，基于所述初始三维形态和压片的作用中构建初始网格；

变形三维形态获取模块，用于获取调节各可调伸缩杆后使压片作用在未穿紧身衣的人体待测部位表面产生变形时的变形彩色图像和变形深度图像；基于所述变形深度图像和所述变形彩色图像构建所述未穿紧身衣的人体待测部位的变形三维形态；

目标变形三维形态判断模块，用于判断所述变形三维形态与身穿紧身衣的人体待测部位的三维形态是否相同，得到判断结果；

当判断结果为是时，则所述变形三维形态为目标变形三维形态，读取测力传感器的压力值，该压力值即为所述身穿紧身衣对人体待测部位表面产生的压力；当判断结果为否时，返回步骤“获取调节各可调伸缩杆后使压片作用在未穿紧身衣的人体待测部位表面产生变形时的变形彩色图像和变形深度图像”，直至得到所述目标变形三维形态；

变形网格构建模块，用于基于所述目标变形三维形态、所述压片的作用中心点和所述初始网格的节点间拓扑关系构建变形网格；

位移量获取模块，基于所述初始网格和所述变形网格，得到变形前后各所述压片的作用中心点的位移量；

生物力学有限元模型构建模块，用于基于所述变形网格构建所述未穿紧身衣的人体待测部位的生物力学有限元模型；

生物力学模型构建模块，用于根据所述压片的作用中心点的位移量和各所述测力传感器的压力值优化所述人体待测部位的生物力学有限元模型的参数，得到优化后的所述人体待测部位的生物力学有限元模型即为人体待测部位的生物力学模型；所述参数包括人体肌肉皮肤组织的弹性模量、泊松比和剪切模量。

本发明公开了一种紧身服装压力测量装置、人体生物力学模型建模方法及系统，综合集成三维深度成像、机器视觉、图形图像处理、有限元等智能信息处理技术，实现服装压力测量装置，以及基于实测数据的人体生物力学模拟计算和分析，有助于提高紧身运动服装个性化版型的功能性和舒适性，同时提高定制制版工作的高效率和准确性。本发明能实现针对目标人体并基于实测数据经计算优化生物力学模型，促进新一代信息技术在服装智能制造工程领域得到广泛而深入的应用，拓展服装智能工程的应用领域。为紧身运动服装个性化定制智能制版提供全新的技术手段和实用工具，提高紧身运动服装设计生产的自动化、智能化水平。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (11)

1.一种服装压力测量装置，其特征在于，包括固定框架、若干个高清相机、若干个测力传感器和压片；

若干个所述高清相机间隔固定在所述固定框架上；

若干个所述测力传感器间隔固定在所述固定框架内侧；所述测力传感器和所述若干个压片之间固定连接有可调伸缩杆，

若干个所述压片作用在未穿紧身衣的人体待测部位表面；

所述测力传感器，用于当所述压片作用在未穿紧身衣的人体待测部位产生变形后得到的待测部位三维形态与预设的三维形态相同时输出压力值，该压力值即为紧身服装对人体产生的压力；所述预设的三维形态为人体身穿紧身衣时待测部位的三维形态。

2.根据权利要求1所述的服装压力测量装置，其特征在于，所述压片与所述可调伸缩杆垂直连接，所述压片的内侧表面弧度与人体表面的弧度相同；

所述压片的数量根据人体待测部位的位置和周长确定，所述测力传感器的数量与所述压片数量相同。

3.根据权利要求1所述的服装压力测量装置，其特征在于，所述可调伸缩杆伸出最大长度时，所有所述压片围成的面积小于人体部位水平截面的最小面积；所述可调伸缩杆缩回最大长度时，所有所述压片围成的面积大于人体部位水平截面的最大面积。

4.根据权利要求1所述的服装压力测量装置，其特征在于，所述固定框架包括第一固定框架和第二固定框架，所述第二固定框架的直径小于所述第一固定框架的直径，所述第一固定框架与第二固定框架同心设置；

若干个所述高清相机等间隔安装在所述第一固定框架上，若干个所述测力传感器等间隔安装在所述第二固定框架的内侧。

5.根据权利要求4所述的服装压力测量装置，其特征在于，在所述第一固定框架和所述第二固定框架上固定连接有支撑架，所述支撑架的长度可调；所述支撑架与第一固定框架直径的两端和第二固定框架直径的两端固定连接，或者所述支撑架分别与第一固定框架和第二固定框架有三个连接点。

6.根据权利要求4所述的服装压力测量装置，其特征在于，

所述第一固定框架与第二固定框架之间连接有连接杆，所述第一固定框架或所述第二固定框架种固定连接有支撑架。

所述支撑架与第一固定框架直径的两端或第二固定框架直径的两端固定连接，或者所述支撑架与第一固定框架或第二固定框架有三个连接点。

7.一种基于权利要求1至6任一项所述的服装压力测量装置构建人体生物力学模型的方法，其特征在于，包括：

获取测力传感器的数值为零时未穿紧身衣的人体待测部位的初始彩色图像和初始深度图像；基于所述初始深度图像和所述初始彩色图像构建所述未穿紧身衣的人体待测部位的初始三维形态，基于所述初始三维形态和压片的作用中构建初始网格；

获取调节各可调伸缩杆后使压片作用在未穿紧身衣的人体待测部位表面产生变形时的变形彩色图像和变形深度图像；基于所述变形深度图像和所述变形彩色图像构建所述未穿紧身衣的人体待测部位的变形三维形态；

判断所述变形三维形态与身穿紧身衣的人体待测部位的三维形态是否相同，得到判断结果；

当判断结果为是时，则所述变形三维形态为目标变形三维形态，读取测力传感器的压力值，该压力值即为所述身穿紧身衣对人体待测部位表面产生的压力；当判断结果为否时，返回步骤“获取调节各可调伸缩杆后使压片作用在未穿紧身衣的人体待测部位表面产生变形时的变形彩色图像和变形深度图像”，直至得到所述目标变形三维形态；

基于所述目标变形三维形态、所述压片的作用中心点和所述初始网格的节点间拓扑关系构建变形网格；

基于所述初始网格和所述变形网格，得到变形前后各所述压片的作用中心点的位移量；

基于所述变形网格构建所述未穿紧身衣的人体待测部位的生物力学有限元模型；

根据所述压片的作用中心点的位移量和各所述测力传感器的压力值优化所述人体待测部位的生物力学有限元模型的参数，得到优化后的所述人体待测部位的生物力学有限元模型即为人体待测部位的生物力学模型；所述参数包括人体肌肉皮肤组织的弹性模量、泊松比和剪切模量。

8.根据权利要求7所述的构建人体生物力学模型的方法，其特征在于，所述基于所述初始深度图像和所述初始彩色图像构建所述未穿紧身衣的人体待测部位的初始三维形态，基于所述初始三维形态和压片的作用中构建初始网格，具体包括：

基于初始深度图像得到所述未穿紧身衣的人体待测部位的三维空间点云，基于初始彩色图像的像素，对所述三维空间点云设置颜色值，得到彩色三维空间点云，基于所述彩色三维空间点云构建所述未穿紧身衣的人体待测部位的三维形态，得到所述初始三维形态；

基于所述初始三维形态，提取所述压片的作用中心点构成初始曲线，在所述初始曲线内确定若干个内节点，连接所述内节点和各所述压片的作用中心点构成初始网格。

9.根据权利要求7所述的构建人体生物力学模型的方法，其特征在于，所述基于所述变形网格构建所述未穿紧身衣的人体待测部位的生物力学有限元模型，具体包括：

在所述变形网格上，定义所述压片的作用中心点为载荷施加节点，施加的载荷值为所述压力值，定义所述变形网格内中心位置的若干节点为固定节点，所述固定节点用于模拟人体待测部位的骨骼，基于所述压片的作用中心点的载荷值和位移量得到人体待测部位的所述生物力学有限元模型。

10.根据权利要求7所述的构建人体生物力学模型的方法，其特征在于，所述根据所述压片的作用中心点的位移量和所述压力值优化所述生物力学有限元模型的参数，得到优化后的所述生物力学有限元模型即为人体待测部位的生物力学模型，具体包括：

根据经验值确定人体肌肉皮肤组织的弹性模量的范围区间和泊松比的范围区间，根据设定的循环步长，确定若干个弹性模量值和若干个泊松比数值，基于若干个所述弹性模量值和若干个泊松比数值确定若干个剪切模量，基于若干个所述弹性模量值、若干个所述泊松比数值和若干个剪切模量值得到若干个不同参数值的所述生物力学有限元模型，对每一个参数组合下的所述生物力学有限元模型结合所述压力值，计算各所述压片的作用中心点产生的计算位移；

计算各所述计算位移与对应的所述位移量的偏差值，得到各所述压片的作用中心点的偏差值的累计值；

选取所述累计值最小时对应的参数组合为所述生物力学有限元模型的优化参数，该优化参数组合下的所述生物力学有限元模型即为人体待测部位的生物力学模型。

11.一种构建人体生物力学模型的系统，其特征在于，包括：

初始网格构建模块，用于获取测力传感器的数值为零时未穿紧身衣的人体待测部位的初始彩色图像和初始深度图像；基于所述初始深度图像和所述初始彩色图像构建所述未穿紧身衣的人体待测部位的初始三维形态，基于所述初始三维形态和压片的作用中构建初始网格；

变形三维形态获取模块，用于获取调节各可调伸缩杆后使压片作用在未穿紧身衣的人体待测部位表面产生变形时的变形彩色图像和变形深度图像；基于所述变形深度图像和所述变形彩色图像构建所述未穿紧身衣的人体待测部位的变形三维形态；

目标变形三维形态判断模块，用于判断所述变形三维形态与身穿紧身衣的人体待测部位的三维形态是否相同，得到判断结果；

当判断结果为是时，则所述变形三维形态为目标变形三维形态，读取测力传感器的压力值，该压力值即为所述身穿紧身衣对人体待测部位表面产生的压力；当判断结果为否时，返回步骤“获取调节各可调伸缩杆后使压片作用在未穿紧身衣的人体待测部位表面产生变形时的变形彩色图像和变形深度图像”；

变形网格构建模块，用于基于所述目标变形三维形态、所述压片的作用中心点和所述初始网格的节点间拓扑关系构建变形网格；

位移量获取模块，基于所述初始网格和所述变形网格，得到变形前后各所述压片的作用中心点的位移量；

生物力学有限元模型构建模块，用于基于所述变形网格构建所述未穿紧身衣的人体待测部位的生物力学有限元模型；

生物力学模型构建模块，用于根据所述压片的作用中心点的位移量和各所述测力传感器的压力值优化所述人体待测部位的生物力学有限元模型的参数，得到优化后的所述人体待测部位的生物力学有限元模型即为人体待测部位的生物力学模型；所述参数包括人体肌肉皮肤组织的弹性模量、泊松比和剪切模量。

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