程慧婕 王燕珍

摘 要：為研究在跑步時人體手臂皮膚的變化特征，進而指導緊身跑步服衣袖面料彈性參數和樣板設計，將跑步時的手臂循環(huán)動作分解成后擺、緩沖和前抬，利用三維運動捕捉系統(tǒng)，采集運動員跑步時擺臂穩(wěn)定后3個實驗動作對應標記點的三維坐標，并計算各動作的手臂角度;再用體表描線法，分別測量7名女子按角度擺放不同動作時手臂皮膚網格線的伸縮量，分析各動作時手臂皮膚橫、縱向分段與整線的形變特征。結果表明：各動作的手臂皮膚橫向變化率更復雜且差異較大，在臂根附近的皮膚隨手臂的運動方向相應產生較明顯的變化;縱向線的伸縮特征由于手臂的彎折，主要集中表現在肘部附近，且屈曲越大，肘部的變化率越大。

關鍵詞：跑步;手臂;皮膚;拉伸測量;變化率

中圖分類號：TS941.17 ?文獻標志碼：A

文章編號：1009-265X（2021）03-0057-08

Abstract： In order to study the change characteristics of human arm skin during running， and then guide the design of the fabric or pattern of the sleeves of tight running clothes， firstly the cyclic movement of the arm during running was decomposed. Back swinging， buffering and front lifting were used as experimental movements. The three-dimensional motion capture system was used to collect the three-dimensional coordinates of the marked points corresponding to the three experimental movements after the athletes swing arm became stable during running， and the arm angle in each movement was calculated. Then the stretching values of the arm skin grid lines of 7 women in different movements at different angles were measured by the body surface line drawing method， and the deformation characteristics of the horizontal and vertical segments of arm skin and the entire line were analyzed under each movement. The results showed that the horizontal change rate of the arm skin in each movement was complex and differed a lot. The skin near the root of the arm changed significantly with the direction of the arms movement. Due to the bending of the arm， the vertical extension characteristics mainly concentrated near the elbow， and the greater the flexion， the greater the change rate of the elbow.

Key words：running; arm; skin; stretching measurement; change rate

運動時，人體各部位產生的不均勻皮膚形變會作為第三運動特征與服裝在體表的附著形態(tài)相互影響[1]。結合人體功效學，研究運動狀態(tài)時的人體皮表變化指導緊身服裝彈性參數設計

滿足人體肢體動作引發(fā)的皮膚伸縮變化，保障技術動作的出色完成。近年來，皮膚拉伸測量廣泛應用在各類運動服裝設計中，王燕珍等[2]、劉婕羽等[3]測量人體在不同跑步姿勢時的下肢皮表變化量，用于優(yōu)化跑步褲裝的樣板;Choi等[4]從腰線以下測量人體基本動作的皮表變化來指導褲裝放松量并結合織物的拉伸特性以達到褲裝合身度。劉鵬林等[5]測量模擬登山運動姿態(tài)時的上半身皮膚拉伸數據，應用于戶外沖鋒衣設計。高雪梅[6]測量瑜伽基本體式的女性腿部皮表的橫縱數值，以指導瑜伽貼體褲裝的樣版生成;馮洋等[7]測量模擬典型足球技術動作時男子下肢皮膚網格線長度;陳子豪等[8]與黃莉等[9]測量騎行時被測者腿部關鍵點間的皮膚伸縮變化;嚴雅潔[10]將典型高爾夫揮桿動作時人體上半身皮膚表面形變數據，應用在高爾夫服設計中。但是，皮膚拉伸測量方法在緊身跑步服設計領域中還少有涉及。手臂決定人體的最大活動范圍，跑步服的衣袖既貼合手臂外形又滿足跑步時皮表的拉伸變化是衣袖彈性參數設計的關鍵之一。將跑步時手臂典型循環(huán)動作分解后確定3種實驗動作，利用三維運動捕捉獲得系統(tǒng)較為規(guī)范的實驗動作角度，再進行模擬動作后相應的皮膚拉伸測量，分析手臂皮膚的變化特征，以此作為集人體穿著功能性與美觀性合為一體的跑步服設計依據，促進運動服裝產業(yè)的精細化發(fā)展。

1 實驗設計

1.1 跑步時手臂循環(huán)動作分解

跑步時上肢帶作以肩為軸、前后不斷擺臂的周期性運動。要對跑步時的人體手臂皮膚變化進行測量，但考慮到實驗條件，人體在跑步時瞬間的皮膚形變量難以獲取[11]，且雙臂在跑步過程中的動作總是相似的，故實驗用擺放典型手臂動作來代表跑步時手臂的運動狀態(tài)。

如圖1，根據跑步時手臂循環(huán)動作的特點，將實驗動作定為后擺與前抬，另外，手臂從向后擺到向前抬間，有一個過渡過程，在其中擇一代表定為緩沖。

1.2 跑步時手臂循環(huán)動作捕捉

1.2.1 實驗設備

采用NDI OptotrakCertus三維運動捕捉系統(tǒng)（圖2）、德國H/P/COSMOS公司1.5 m×0.5 m的專業(yè)運動防滑跑臺與一臺攝像頭精度可達0.1 mm（均方值）且攝像空間為30 m3的高速攝像機，對人體左臂的跑步循環(huán)動作進行捕捉。該系統(tǒng)使用過程中傳感器主動發(fā)光，通過紅外測量技術精確捕捉光源位置來定位傳感器（測量點）的坐標[12]，以確定人體各部位在運動過程中的運動軌跡，實驗數據能以三維坐標的形式直接導出。配套的位移傳感器外輪廓直徑20 mm，內部發(fā)光部分直徑7.5 mm，如圖3。

1.2.2 儀器標定

測量前需進行NDI儀器標定。首先，用標定錘標定位置，保證實驗空間范圍內所有點都能被捕捉到。再用探針標定三維坐標系，原點設置在跑步機的跑步帶前端平面，人體左側方向為X軸，向左為正;后方為Y軸，向后為正;垂直方向為Z軸，向上為正，如圖4。

1.2.3 數據采集

由于實驗需要采集的坐標點全部位于人體左側的手臂，因此將一套Optotrak設備包含兩臺帶3個攝像頭的NDI各放在跑步機左、右上角1m處，可完整捕捉到左臂前后擺的運動軌跡，并在左上角架上攝像機來錄制跑步過程的圖像。請專業(yè)跑步運動員穿著運動文胸與短褲，在其上臂肩點A1、肘關節(jié)A2與腕關節(jié)A3等關鍵點處用可直接接觸人體的醫(yī)用膠帶（可孚PE膠帶）黏貼位移傳感器后站上運動跑臺。由于是在跑步機上做勻速運動，符合平地中長跑的運動特征[13]（慢跑時速度基本在7.5～8.5 km/h），故設跑步速度為8.5 km/h，錄像時間為1 min。點擊開始按鈕，被測者以中長跑的跑步姿勢開始跑步。

1.3 手臂關鍵點三維坐標數據處理

在錄像中提取手臂動作穩(wěn)定時（30 s左右），同時找到在導出的所有坐標中此間A2點達到最高點（圖5（a））與最低點間的圖像（圖5（c））與三維坐標（表1），作為實驗動作中后擺與前抬的三維坐標。由前文可知，緩沖動作處于手臂從后擺切換到前抬的一次動作循環(huán)內，故截取此時段內（30.17～31.11 s）的任一手臂動作的圖像（圖5（b））和對應的三維坐標，作為緩沖的三維坐標（表1）。

由以上各點坐標，可以得到下列向量。

當A2點達到最高時：A1A2=（3，21，-10.5），A2A3=（-1，-7.5，-21），A1A3=（2，13.5，-31.5）

當A2點處于緩沖時：A1A2=（3，8，-18），A2A3=（-2，-20，-4），A1A3=（1，-12，-22）

當A2點達到最低時：A1A2=（2，-10，-23），A2A3=（-3，-11，14），A1A3=（-1，-21，-9）

再由向量坐標，可計算出各向量之間的夾角，以及上臂與垂直方向、下臂與水平面的夾角。計算結果如下：

a）后擺時：人體肩部向后上聳，下臂作為支撐，使肘關節(jié)擺到最高。∠A1A2A3=85°，∠A1A3A2=45.5°，∠A3A1A2=40.5°，上臂與垂直方向夾角=64°，下臂與水平面的夾角=70°。

b）緩沖時：肘關節(jié)在腰線附近自然彎曲，肩部略微放松下垂，手臂開始有向前抬的趨勢?！螦1A2A3=76.7°，∠A1A3A2=51°，∠A3A1A2=52°，上臂與垂直方向夾角=25.8°，下臂與水平面的夾角=11.5°。

c）前抬時：上臂與下臂均為前擺狀態(tài)，肘關節(jié)屈曲變大（上下臂夾角最?。?，并達到最低點?！螦1A2A3=61.3°，∠A1A3A2=75°，∠A3A1A2=44°，上臂與垂直方向夾角=24.5°，下臂與水平面的夾角=51.3°。

為了使實驗動作更加清晰直觀，將選取的3個典型動作用線性圖表示，如圖6。

1.4 皮膚拉伸測量實驗

1.4.1 實驗環(huán)境與工具

實驗室溫度（22±2 ℃），相對濕度65%±2%，風速小于等于1 m/s。采用油性記號筆，皮軟尺，馬丁測量儀，雙臂量角器，標志帶等工具，同時招募數據測量員與記錄員各一名。

1.4.2 實驗對象

選取7名有跑步習慣的女性作為實驗對象，實驗對象信息統(tǒng)計如表2。為減少誤差，實驗對象事先刮凈體毛，上身穿運動文胸，下身穿運動短褲，提前半小時進入實驗室適應環(huán)境，以穩(wěn)定生理和心理狀況。

1.4.3 確定手臂測量的基準線

為了更明確的了解手臂各區(qū)域的拉伸變化情況，以人體左臂為測量對象，在手臂自然下垂擺放狀態(tài)下，

根據《服裝結構和人體測量—人體尺寸》[14]中的相關標準與人體手臂特征，在手臂關鍵部位確定基準點，作為形成測量用網格線的基礎。所有被測者橫縱方向網格數一致，具體邊長由橫、縱向臂圍決定。各標志點形成的手臂特征線和點如表3，網格線在手臂上的分布如圖7。

1.4.4 皮膚拉伸數據獲取過程

a）在人體手臂皮膚表面用黑色油性記號筆描出測量用網格。為減小誤差，所有描線由一個人完成;b）測量人員用皮軟尺、馬丁測量儀等工具，保證人體不受尺壓迫的拉緊尺，按先縱后橫、先上后下的次序和統(tǒng)一的讀數標準，盡力將誤差控制在允許范圍內，讀取每名實驗對象在靜止站立（手臂自然下垂）、用雙臂量角器輔助擺放3個典型手臂動作時手臂上每一條線段的圍度和長度，同時記錄員仔細核對數據并記錄;c）利用體表形變率公式ΔL=[（LD-LJ）/LJ]×100%（其中LD為動作下的網格線段長，LJ為靜立時的網格線段長，當公式中ΔL為正值時，對應部位在該動作下呈拉伸變形;為負值時，對應部位在該動作下呈收縮變形）結合測量到的所有數據，計算實驗對象不同狀態(tài)的各線段變化率均值。

2 結果與分析

將7名實驗對象在3個動作時皮膚橫、縱線段的平均伸縮率歸納到相應的變化范圍內，結合人體手臂動作后對應的皮膚狀態(tài)，討論實驗對象在手臂后擺、緩沖、前抬時皮膚橫、縱向的形變情況，對手臂皮膚伸縮變化率做出分區(qū)。

2.1 手臂在后擺時的變化特征

如表4可知，手臂由于后抬臂的原因，腋下d1a1拉伸14.8%，過腋底的弧線段Y1-Y-Y2，a1b1，d2a2，b4-d4略微收縮，后肩部S-Y2、b0Y2主要處于收縮狀態(tài)。動作引起上臂肌肉鼓起牽扯前袖山弧線頂端的S-Y1、手臂上側的b1-d1與橫2、3發(fā)生少量的拉伸變化，腋底附近的橫3、4略微拉伸，均可視為不變。肘關節(jié)附近內側的橫向線收縮，后肘凸處橫5拉伸17.9%。下臂的橫6的內外側，腕關節(jié)橫9及其附近的橫8的內到外側、橫7內側，無肌肉分布，皮膚層較薄，呈略收縮狀態(tài)，同樣可視為不變。橫6、橫7的下側略微拉伸，而上側輕微拉伸10%～15%。

如表5可知，由于手臂向后折疊，后腋點附近的Y2-a2處后擺時皮膚堆積，收縮16.9%～19.7%。腋點Y下方的d1d2受到手臂動作牽扯，拉伸率為26.4%。由于肱二頭肌是后擺時主要參與肌肉，手臂后彎引起肌肉收縮使這部分區(qū)域（a2a3、b0-b3、c2c3、d2d3）的皮膚變化較大，縮率在-13.9%～-7.9%。后肘凸的a4-a6拉伸率達到34.3%;處于肘窩處的前縱線c4-c6在手臂后擺時，皮膚呈收縮狀態(tài)，縮率達-31.5%，在附近的b3b4、b5b6、c6c7、d4d5受其影響，縮率在-10.8%～-29%。下臂：a7-a9、b6-b8、b8b9、c7-c9、d5-d9略微收縮，但不明顯。此外，a3a4、a6a7、b0b1、c1c2、d3d4的數值輕微波動，視為無明顯變化。

綜上，在后擺時手臂網格線的橫、縱向皮膚拉伸變化率中，縱向的變化比橫向的趨勢更大，變化特征也更清晰。變化較大的部位為肩頭部位、前后腋點間與大臂圍線附近、后肘部位?？v向中值得注意的有后肘凸處的顯著拉伸、肘窩附近的較大收縮、上臂肌肉處的收縮。而腋下皮膚同樣富有移動性，這片區(qū)域拉伸比較明顯。

2.2 手臂在緩沖時的變化特征

如表6，手臂在緩沖時，肩點下方的Y1-b0-Y2、上臂外側的橫1、2、3與下側的橫3、4，過肩腋點的弧線R1略微變化，可以不計。此時上臂稍向前擺導致肌肉發(fā)力而繃緊，腋底附近橫1、2呈收縮狀態(tài)。屈肘后，在肘凸附近橫5拉伸19.1%，在肘窩收縮-9.8%。下臂中：手腕附近的上下側橫8橫9無明顯變化，而此時下臂支撐的發(fā)力點所在的橫8、9上有較明顯收縮-17.7%～-12.2%;另，橫6橫7偏內下側輕微拉伸，偏外上處輕微收縮。

如表7所示，手臂在緩沖動作時，肘窩附近b3-b7、c4-c7、d4-d6收縮-10.8%～-37.1%，肘凸附近a4-a6拉伸22.4%～31%。肩點下方的Sb0與b1b2、前后腋點附近Y1-c2與Y2-a2、上臂肌肉發(fā)達處、腋底周圍d1d2，還有腕關節(jié)附近的縱7、8、9的變化都可視為不變。手臂內縱線的縱3、4、5略微收縮，縱2、3、4略微拉伸。

綜上，由于手臂在緩沖時，動作幅度較小，上臂的狀態(tài)幾乎與手臂自然下垂時差不多，所以上臂皮膚網格線在橫向的伸縮變化視為可忽略的較多。此外，肘部彎曲引起的肘關節(jié)附近的伸縮變化最為顯著。

2.3 手臂在前抬時的變化特征

由表8，手臂橫向變化明顯的部位在臂根，越接近肩頭與腋下變化越明顯，具體表現為：手臂前抬時過袖山弧線頂端的前弧線S-Y1與其附近的Y1b0處的皮膚在上臂前抬時被聚集，呈輕微收縮狀態(tài)，而后弧線S-Y2被牽引，呈拉伸狀態(tài);過腋點的弧線Y1-Y-Y2、腋點下方的d2a2收縮明顯，縮率達到-11.1%～-24.9%。又因手臂的上抬，腋下c1d1的拉伸比較明顯。屈肘后的肱三頭肌舒張、肱二頭肌的收縮，引起肘外緣皮膚的伸長以及大臂圍度（b1c1、b2c2、a3-c3）的增加，導致袖窿寬部位變化幅度最大。橫4外側受其影響，輕微拉伸。上臂外側橫1橫2、上臂內側的橫2橫3視為無明顯變化。屈肘后的肘凸處的橫5內、下側拉伸明顯，外側輕微拉伸，而上側無明顯變化。受其影響，肘關節(jié)外側的b4c4同樣拉伸顯著，內側c4d4輕微拉伸，下側d4-b4無明顯變化。下臂中線橫7上側、橫6內側拉伸明顯，而橫7內側與橫6上側、手腕處的橫8、9微變化可忽略。

如表9，因為上臂的向前舉起，此時皮膚積聚在前腋點附近，故外縱線上的肩頭附近S-b3、前腋點附近的前縱線Y1-c3輕微收縮，而后腋點受到牽引，附近的Y2a1有些許拉伸，另外腋下的a2a3、d1d2處的皮膚收到拉扯，呈拉伸狀態(tài)。手臂在前抬時，肘關節(jié)的屈曲最大，此時肘關節(jié)附近的外縱線b3-b7、前縱線c3-c7、內縱線d4-d6的縮率達到-14.6%～-44.4%。肘凸a4a5處拉伸30.8%。d3d4與后縱線的a1a2、a3a4略微伸長，視為無變化。手腕附近的后縱線a6-a9，外縱線的b8b9，前縱線的c8c9與內縱線的d7-d9略微變化，也可不計影響。

比較發(fā)現前抬動作橫縱向的皮膚變化幅度最大。運動方向決定了手臂橫向拉伸最大部位為前腋點附近的c1d1，最小值為其相對的后腋點a1b1，縱向拉伸與之相反?？v向線中，從肘關節(jié)往上的后縱線拉伸顯著，而肘關節(jié)內外縱向線及其往下臂方向附近基本呈收縮狀態(tài)，此時還需注意腋下附近、后腋點附近的縱向拉伸變化。

2.4 不同動作的手臂皮膚橫、縱向變化率比較

分析手臂皮膚在3種姿態(tài)下的橫、縱向整線的伸縮率，可以了解體表皮膚在各狀態(tài)下的基本規(guī)律和變化幅度較大部位的拉伸程度。

2.4.1 不同動作的手臂皮膚橫向變化率分析

如圖8，第一條橫向線R1中唯前抬時后腋下弧線收縮，其他無明顯變化。橫1、2為手臂肌肉群部位，這里皮膚的變化比較明顯，其中特別注意在后擺動作時由于手臂的運動方向而在手臂內側附近與其他動作的皮膚狀態(tài)相反。在前抬時手臂內側的橫3略微收縮。前抬時橫4上從外到內呈先拉后縮的趨勢，而另2個動作相反。橫5、6、7各個動作的伸縮趨勢比較一致。橫8在前抬時基本無顯著變化，其他動作呈手臂上側拉伸，下側收縮的狀態(tài)。手腕處的橫9上側在前抬時與其他動作的皮膚狀態(tài)相反。

2.4.2 不同動作的手臂皮膚縱向變化率分析

如圖9，由于手臂圍度有限，手臂的整體橫向變化率較小，但縱向線伸縮幅度較大，變化率也比橫向大。后縱線在肘凸處統(tǒng)一大幅度拉伸，同時要注意后擺時后腋點處變化與其他不同，受手臂動作方向影響，呈收縮狀態(tài)。過前腋點與肘窩的前縱線在3個動作的皮膚狀態(tài)主要為收縮變化，同時影響相鄰的外縱線，使其也呈收縮狀態(tài)，但程度更小。手臂內縱線屬于腋下靠近軀干的一側，各動作皮膚拉伸變化較為一致，基本呈收縮趨勢。

3 結 論

運動方向決定了手臂皮膚的伸縮狀態(tài)。借助直接測量法對跑步時手臂皮膚伸縮變化按動作進行分段及整線分析，得到幾個比較容易變化的區(qū)域，橫向：肩頭部位、臂根、上臂肌肉部位、肘關節(jié)部位，對應到服裝上應注意肩線、袖籠弧線、袖籠寬（影響胸寬與背寬）、中肘線這些結構線;縱向：肘關節(jié)附近變化最為明顯，內、外縱線與前縱線主要為收縮變化，后縱線主要為拉伸變化，指導了前后袖長的不同以及肘部的舒適性設計。因此在皮膚收縮處的服裝尺寸不宜過大，可有效防止運動中面料堆疊;在手臂皮膚拉伸明顯的部位，需在結合袖裝款式，適當增加面料的經緯向彈性或服裝寬裕量，或是通過面料拼接、改變結構線等方式減少人體皮膚與面料間的相對滑移，降低表皮摩擦力，提高動作或身體定位的準確性，從而構建一個基于人體靜、動態(tài)和體表變化的多維跑步服樣板設計理論，以達到人體與服裝協(xié)調統(tǒng)一的效果。

參考文獻：

[1]陳東升.服裝衛(wèi)生學[M].北京：中國紡織出版社，2000.

[2]王燕珍，王建萍，張燕，等.基于跑步狀態(tài)下的皮膚拉伸研究[J].紡織學報，2013，34（8）：115-119.

[3]劉婕羽，趙欲曉.基于下肢體表測試的針織女跑步褲結構優(yōu)化[J].針織工業(yè)，2018（1）：78-82.

[4]CHOI S， ASHDOWN S P. 3D body scan analysis of dimensional change in lower body measurements for active body positions[J].Textile Research Journal，2011，81（1）：81-93.

[5]劉鵬林，王永進.人體上半身體表變化對軟殼沖鋒衣結構設計的影響[J].服裝學報，2018，3（2）：100-105.

[6]高雪梅.女子貼體瑜伽運動褲結構的研究與優(yōu)化設計[D].上海：東華大學，2011.

[7]馮洋，王永進.基于足球運動的男子下肢體表皮膚形變的研究[J].北京服裝學院學報，2017，37（2）：25-32.

[8]陳子豪，李桐.女體下肢帶運動與騎車褲結構關系研究[J].輕紡工業(yè)與技術，2018（12）：52-57.

[9]黃莉，陳敏之，鄭萬里，等.騎行姿態(tài)下腿部皮膚伸展大小的研究[J].現代紡織技術，2016（6）：43-46.

[10]嚴雅潔.高爾夫全揮桿動作人體軀干皮膚形變研究[D].北京：北京服裝學院，2015.

[11]吳廷雅，王建萍，王燕珍.基于跑步動作的女子下體動態(tài)測量[J].浙江紡織服裝職業(yè)技術學院學報，2013（4）：45-49.

[12]陳曉娜，王二會.文胸鋼圈對乳房豎直位移的影響[J].紡織學報，2019，40（7）：133-137.

[13]宋彥杰.高性能跑步服的結構設計與應用[D].北京：北京服裝學院，2014.

[14]ISO8559，1989.Garment Construction and Anthropometric Surveys-body Dimensions[S].IX-ISO.1989.