CN114239277A - 一种风洞测试用运动人体模型构建方法及模型 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风洞测试用运动人体模型构建方法及模型，应用于运动服测试技术领域，包括以下步骤：数据采集步骤、数据处理分析步骤、人体模型构建步骤、局部模型构建步骤。本发明本发明展开风洞实验时更为灵活，可进行整体测试以便测试服装整体空气动力学表现，也可将部件分组合进行局部测试从而检测服装局部细节，其应用范围广。

Description

一种风洞测试用运动人体模型构建方法及模型

技术领域

本发明涉及运动服测试技术领域，尤其涉及一种风洞测试用运动人体模型构建方法及模型。

背景技术

专业运动比赛场中，分秒必争，千分之一秒的差距就有可能是决定比赛胜负的关键。运动员比赛成绩受多方面因素影响，空气阻力影响就是其中之一。如公路自行车、短道速滑等竞赛项目运动员大部分能量消耗用于克服空气阻力。国外已有多家研究机构针对研究空气阻力对于运动员竞技表现的影响，并着眼于根据空气动力学原理设计定制专业项目比赛服装。现已有多方研究表明科学研制的比赛服装能够有效减少运动员所遇空气阻力，服装构成因素如面料选用、结构线分布、服装合体度等皆会对于服装空气动力学表现产生影响。

风洞测试是进行速度型比赛装备气动特性的主要方法。运用真人实验并不实际，因为实验需要测试者长时间保持同一姿势，对于测试者异常困难并且辛苦。另外，即使被试者能够相对保持姿势稳定，但每次动作之间重复性难以客观评估。因此，装备类科学研究的进行风洞实验时，普遍运用人体模型来代替真人。现今，大多数简单的风洞实验运用筒形装置作为测试器材，即筒形的几何尺寸与身体各部位围度尺寸近似。但相较，接近运动形态的人体模型测试效果更为精确。如今人体模型常用于展示效果，多为直立式；并且为多大规模测体后的统计均值，缺乏专项运动员身体特征。

因此，提出一种风洞测试用运动人体模型构建方法及模型，来解决当前存在的技术难题，是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种风洞测试用运动人体模型构建方法及模型，解决了现有技术中存在的问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种风洞测试用运动人体模型构建方法，包括以下步骤：

数据采集步骤：采集被试者在比赛项目中的动作特征姿态，将所述动作特征姿态作为人体模型数据；

数据处理分析步骤：将所述人体模型数据进行配准后得到人体数字模型，所述人体数字模型通过逆向处理获取所述被试者的特征信息数据；

人体模型构建步骤：基于第一测试条件和所述特征信息数据，将所述人体数字模型进行分区，以及构建与各个所述分区对应的支撑分区数字模型和底座数字模型；

局部模型构建步骤：基于第二测试条件，对所述人体数字模型根据躯干部位进行分割得到人体局部数字模型，以及构建与各个所述人体局部数字模型对应的支撑部件数字模型。

可选的，所述数据采集步骤中的所述动作特征姿态为被试者在比赛或训练时所呈现的动作。

可选的，所述数据处理分析步骤的具体内容为：将所述人体模型数据进行整体配准后运用手动配准的方式，输出所述人体数字模型，再将所述人体数字模型导入正逆向设计软件，获取所述被试者的所述特征信息数据。

可选的，所述特征信息数据包括：身体各部位尺寸数据信息、身体曲面形态变化特征规律。

可选的，所述人体模型构建步骤中的所述第一测试条件包括：人体生理结构特点、项目运动机理以及服装风洞测试需求。

可选的，所述分割模型构建步骤中的第二测试条件包括：项目比赛服研发需求。

一种风洞测试用运动人体模型，由一种风洞测试用运动人体模型构建方法制作得到；

包括：至少一个人体模型/局部模型部件，所述人体模型每个身体部位包括至少一个相应局部模型部件，所述人体模型包括至少一个底座，所述底座与风洞实验测量天平转接板连接；

所述局部模型部件设置有局部模型部件支撑部件，用于支撑所述局部模型部件。

可选的，还包括角度变换支撑部件，用于提供多角度支撑。

可选的，人体模型运用磁铁、插销以及螺丝多点固定的方式组装固定。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明提供了一种风洞测试用运动人体模型构建方法及模型：应用范围广泛；满足从面料研发至服装测评全流程气动性能测试需求；呈现专业运动员人体表面形态；考虑了人体尺寸变化规律对服装空气动力学性能的影响；参照了人体皮肤运动应变规律；人体模型可变换角度实现多角度、多方面、多维度测量；本发明展开风洞实验时更为灵活，可进行整体测试以便测试服装整体空气动力学表现，也可将部件分组合进行局部测试从而检测服装局部细节。

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，下面将对实施例或现有技术描述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的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1公开的速度滑冰人体模型3D图；

图2为本发明实施例1公开的躯干支撑部件结构示意图；

图3为本发明实施例1公开的腿部支撑部件结构示意图；

图4为本发明实施例1公开的上肢支撑部件结构示意图；

图5为本发明实施例1公开的人体模型底座结构示意图；

图6为本发明实施例1公开的躯干支撑部件底座结构示意图；

图7为本发明实施例1公开的上肢支撑部件底座示意图；

图8为本发明实施例1公开的腿部支撑部件结构示意图。

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。

本发明公开了一种风洞测试用运动人体模型构建方法，包括以下步骤：

数据采集步骤：采集被试者在比赛项目中的动作特征姿态，将动作特征姿态作为人体模型数据；

数据处理分析步骤：将人体模型数据进行配准后得到人体数字模型，人体数字模型通过逆向处理获取被试者的特征信息数据；

人体模型构建步骤：基于第一测试条件和特征信息数据，将人体数字模型进行分区，以及构建与各个分区对应的支撑分区数字模型和底座数字模型；

局部模型构建步骤：基于第二测试条件，对人体数字模型根据躯干部位进行分割得到人体局部数字模型，以及构建与各个人体局部数字模型对应的支撑部件数字模型。

进一步的，数据采集步骤中的动作特征姿态为被试者在比赛或训练时所呈现的动作。

进一步的，数据处理分析步骤的具体内容为：将人体模型数据进行整体配准后运用手动配准的方式，输出人体数字模型，再将人体数字模型导入正逆向设计软件，获取被试者的特征信息数据。

进一步的，将数据采集模块获取的人体模型数据导入数据处理软件。首先，将多余杂点以及周围环境干扰所对应点云数据框选删除，将人体模型整体配准。再运用手动配准的方式，再逐帧确认，由研究人员辨别浮动动作数据，将浮动数据所对应点云数据框选与整体数据分离后，手动调整至合适位置后输出obj文件人体模型。再导入正逆向设计软件，在本实例中所实用软件为Geomagic Studio，获取如被试者/被扫描者身体各部位尺寸数据信息、身体曲面形态变化特征规律等特征信息数据。

进一步的，特征信息数据包括：身体各部位尺寸数据信息、身体曲面形态变化特征规律。

进一步的，人体模型构建步骤中的第一测试条件包括：人体生理结构特点、项目运动机理以及服装风洞测试需求。

进一步的，分割模型构建步骤中的第二测试条件包括：项目比赛服研发需求。

如：速度滑冰运动员滑行时运动幅度较大，躯干几乎保持不动，双腿跨度幅度大、手臂摆动幅度大。如果没有分区，模型无法拆卸，实验时将没法把服装穿套在模型上。且滑行时手臂摆动速度以及腿部滑行速度不一样，而不同速度条件下，相同面料的空气动力学性能不同，需要单独测量。因此将模型左、右腿距离腿根1/3位置分割模型，左、右臂臂跟位置分割模型，躯干按照运动员水平腰线分割。

本发明还公开了一种风洞测试用运动人体模型，由上述的一种风洞测试用运动人体模型构建方法制作得到；

包括：至少一个人体模型/局部模型部件，人体模型每个身体部位包括至少一个相应局部模型部件，人体模型包括至少一个底座，底座与风洞实验测量天平转接板连接；

局部模型部件设置有局部模型部件支撑部件，用于支撑局部模型部件。

进一步的，还包括角度变换支撑部件，用于提供多角度支撑。

进一步的，人体模型运用磁铁、插销以及螺丝多点固定的方式组装固定。

进一步的，局部模型部件既能够完成单独测量，也可以组装在一起形成完整模型用于服装整体测量。各个局部模型部件支撑部件横截面皆为近似水滴状设计，从而减少局部模型部件支撑部件对于实验的干扰，确保实验结果准确性。各个零部件模型设计确认之后，采用树脂3D打印技术完成打印。

进一步的，角度变换支撑部件结构近似鲨鱼鳍型结构，不同点在于接触面为顺滑平面，支撑部分采用仿生流线型三角设计，能够避免角度变换支撑部件对于周围流场产生干扰的同时，起到稳固支撑模型的作用。

以下为本发明人体模型具体实施例：

实施例1

参照图1所示，速度滑冰人体模型主要分为三个类别：人体部件、支撑部件以及底座部件。其中，人体部件包括：a.躯干部件(从头部至胸部区域附近)，b.三个分别摆向不同方向，呈现不同姿态的左臂部件(左肩区域至左手，手部可拆卸)，c.三个分别摆向不同方向，呈现不同姿态、与左臂成套对应右臂部件(右肩区域至右手，手部可拆卸)，d.下肢部件(胸部区域附近至大腿根部区域)，e.左腿部件(左腿大腿根部区域至左脚，脚部可拆卸)，f.右腿部件(右腿大腿根部区域至右脚，脚部可拆卸)。躯干部件与三个左臂部件、三个右臂部件、以及下肢部件通过磁铁和插销连接，为可拆卸连接；下肢部件与左腿部件以及右腿部件通过磁铁和插销连接，同样为可拆卸连接。

参照图2-4所示，支撑部件包括：g.躯干支撑部件，h.左腿支撑部件，i.右腿支撑部件，j.左臂支撑部件，k.右臂支撑部件。其中躯干支撑部件与躯干部件通过磁铁和插销连接，同样为可拆卸连接；左腿支撑部件、右腿支撑部件与下肢部件通过磁铁和插销连接，同样为可拆卸连接；左臂支撑部件与左臂部件通过磁铁和插销连接，同样为可拆卸连接；右臂支撑部件与右臂部件通过磁铁和插销连接，同样为可拆卸连接。

参照图5-8所示，为上述支撑部件的底座结构示意图。l.人体模型底座，m.躯干支撑部件底座，n.左、右臂支撑部件底座，o.左、右腿支撑部件底座。其中，人体模型底座与左腿部件、右腿部件通过螺丝连接固定，为可拆卸连接；躯干支撑部件底座与躯干支撑部件通过螺丝连接固定，为可拆卸连接；左、右臂支撑部件底座可与左臂支撑部件以及右臂支撑部件通过螺丝连接固定，为可拆卸连接；左、右腿支撑部件底座与左腿支撑部件以及右腿支撑部件通过螺丝连接固定，为可拆卸连接。

本发明创新的制作了多套肢体动作的手臂人体模型。每套手臂姿态皆为一整体运动周期中典型标志性动作，分别为左臂前摆至胸前，右臂后摆至身体后侧；左臂后摆(或前摆)过程中位于体侧位置，右臂前摆(或后摆)过程中位于体侧位置；以及左臂后摆至身后，右臂前摆至胸前，共三套动作。

人体模型可用于整体测量以及局部测量。

服装整体测试：可将躯干部件与下肢部件、左臂部件、右臂部件相连接；将下肢部件与左腿部件、右腿部件相连接；将左腿部件、右腿部件与人体模型底座相连接，从而进行整体紧身比赛服检测。

头盔、服装头套或服装背部区域局部测量：可将躯干部件与躯干支撑部件相连接；将躯干支撑部件与躯干支撑部件底座，则可进行头部及背部区域测量。

服装前胸附近局部测量：可将躯干部件与下肢部件相连接，将下肢部件与左腿支撑部件以及右腿支撑部件相连接；将左腿支撑部件以及右腿支撑部件与左、右腿支撑部件底座，可对身体前侧区域测量。

服装袖子局部测量：可将左臂部件与左臂支撑部件连接，将右臂部件与右臂支撑部件连接；将左臂支撑部件以及右臂支撑部件与左、右臂支撑部件底座连接，可完成细节结构测量。

服装裤装局部测量：可直接将左腿部件和右腿部件直接放置在装置中测量；将左腿部件和右腿部件与人体模型底座相连接，也可将下肢部件与左腿部件、右腿部件连接，再将左腿部件和右腿部件与人体模型底座相连接完成测量。

本发明主要用于测试紧身比赛服。考虑到紧身服穿脱不方便，特地将人体手部、脚部设计为可拆卸设计，使得实验中为人体模型穿脱比赛服时较为便利。用于固定的插销螺丝的位置设计也出于穿脱便捷性进行特殊设计。

由于打印人体模型成本消耗巨大，本发明设计多套手臂姿态皆可与主要躯干连接。既保证了实验的准确性，也减少了打印人体模型的成本消耗。

对所公开的实施例的上述说明，按照递进的方式进行，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种风洞测试用运动人体模型构建方法，其特征在于，包括以下步骤：

数据采集步骤：采集被试者在比赛项目中的动作特征姿态，将所述动作特征姿态作为人体模型数据；

数据处理分析步骤：将所述人体模型数据进行配准后得到人体数字模型，所述人体数字模型通过逆向处理获取所述被试者的特征信息数据；

人体模型构建步骤：基于第一测试条件和所述特征信息数据，将所述人体数字模型进行分区，以及构建与各个所述分区对应的支撑分区数字模型和底座数字模型；

局部模型构建步骤：基于第二测试条件，对所述人体数字模型根据躯干部位进行分割得到人体局部数字模型，以及构建与各个所述人体局部数字模型对应的支撑部件数字模型。

2.根据权利要求1所述的一种风洞测试用运动人体模型构建方法，其特征在于，

所述数据采集步骤中的所述动作特征姿态为被试者在比赛或训练时所呈现的动作。

3.根据权利要求1所述的一种风洞测试用运动人体模型构建方法，其特征在于，

所述数据处理分析步骤的具体内容为：将所述人体模型数据进行整体配准后运用手动配准的方式，输出所述人体数字模型，再将所述人体数字模型导入正逆向设计软件，获取所述被试者的所述特征信息数据。

4.根据权利要求3所述的一种风洞测试用运动人体模型构建方法，其特征在于，

所述特征信息数据包括：身体各部位尺寸数据信息、身体曲面形态变化特征规律。

5.根据权利要求1所述的一种风洞测试用运动人体模型构建方法，其特征在于，

所述人体模型构建步骤中的所述第一测试条件包括：人体生理结构特点、项目运动机理以及服装风洞测试需求。

6.根据权利要求1所述的一种风洞测试用运动人体模型构建方法，其特征在于，

所述分割模型构建步骤中的第二测试条件包括：项目比赛服研发需求。

7.一种风洞测试用运动人体模型，其特征在于，由权利要求1-6任意一项所述的一种风洞测试用运动人体模型构建方法制作得到；

包括：至少一个人体模型/局部模型部件，所述人体模型每个身体部位包括至少一个相应局部模型部件，所述人体模型包括至少一个底座，所述底座与风洞实验测量天平转接板连接；

所述局部模型部件设置有局部模型部件支撑部件，用于支撑所述局部模型部件。

8.根据权利要求7所述的一种风洞测试用运动人体模型，其特征在于，还包括角度变换支撑部件，用于提供多角度支撑。

9.根据权利要求7所述的一种风洞测试用运动人体模型，其特征在于，

人体模型运用磁铁、插销以及螺丝多点固定的方式组装固定。

Images