基于SolidWorks的在職男性頸部三維模型

王珊珊，王 蕾，朱 博，王鴻博

(生態紡織教育部重點實驗室(江南大學)，江蘇無錫 214122)

領口的松緊對人體穿著的舒適感覺有著重要的影響，領口太松易影響領型外觀或導致保暖性能變差，領口太緊使穿著舒適性變差。近年來，由于手機與平板電腦等電子產品的發展，人們的生活方式發生了變化，越來越多的人在工作中需要伏案面對電腦或者低頭看手機，長時間的座位作業使頸椎正常的生理曲度變直，頸部形態發生變化。根據這一普遍狀況，服裝的領口設計也應該產生變化，本文在對25～30歲之間的在職男性進行測量所得數據基礎上，建立頸部立體模型，為研究頸部壓力舒適性打下基礎。

目前關于頸部的壓力研究相對較少，在頸部壓力的相關文獻中多數是二維模型的分析，研究者選取頸中截面或頸根截面對頸部一圈的力學變化進行分析［1］，事實上，皮膚壓力是呈面狀分布的，對單一截面的分析明顯不能全面分析頸部的受力狀態。國內外的三維立體模型研究［2－4］多運用在人體軀干、四肢等部位。現階段，關于頸部的三維立體模型還沒有系統地建立，而針對特定人群的頸部研究更顯不足［5－7］，因此，本文從人體工程學的角度出發，通過對特定人群的頸型分析，利用分析結果建立三維模型，可為領口的優化設計提供理論參考。

1 人體數據采集

通常人體頸部著裝處為頸中至頸根之間的5～6 cm處，模型建立在此范圍可視為有效，又考慮其他功能型服裝的用途，本文研究所建立的人體頸部模型為自枕骨下沿開始至頸根處結束之間的12 cm的范圍(見圖1)。

圖1 頸部立體模型建立區間Fig.1 Range of neck three-dimensional model

由于每個人的頸部構造都有不同特點，本文研究選擇200名年齡在25～30歲之間的江浙在職男性，通過三維人體測量，直接提取頸中圍、頸根圍等12項數據再加上由此衍生的頸根橫矢比、側頸長頸根圍比等6項數據，共18項數據進行主成分提取，根據方差貢獻率選取前傾角、后傾角、前頸長、頸根寬、頸中圍、頸根圍6個特征值，并把特征值數據進行Q型聚類分析，分析結果可將男性頸部形態分為4類。其中一類，占總人數比例31.5%，比例最高，可認為此類特征值具有一定的代表性(特征值終止聚類中心參見表1)。故把此分類的特征值終止聚類中心作為挑選依據，在所測人群中挑選20名頸型相近的被試者，進行二次數據提取［8］。

表1 特征值終止聚類中心Tab.1 Characteristic value final cluster centers

此種方法取得的人體數據保證了研究定位的準確性。采用德國Human Solution公司的Vitus Smart非接觸式激光三維人體掃描儀，獲得20位被選受試者的全身三維點云造型，再通過三維人體掃描系統自帶軟件Scan worX找出人體頸部位置，自枕骨下沿處每隔0.3 cm取環繞頸部一周的截面閉合曲線，至頸根處結束，由于被試頸部形態相似，故每個頸部可取約40個橫向截面。每個截面的圓心均為Scan worX系統自定義，并由系統提供頸部截面的直角坐標軸。

2 頸部截面坐標的獲取

圖2示出從20名被試者頸圍截面中隨機挑選的頸中截面皮膚層點云圖。雖然被試者的頸部形態相似，但是不能達到完全的吻合，因此，需要將所得的圖形進行平均化處理，可得到在職男性頸部皮膚層截面形態。

圖2 頸中皮膚層截面點云圖Fig.2 Skin layer cross-section point cloud images of neck

運用Corel DRAW 12軟件，提取圖2所示的頸部皮膚層截面圖形，并進行填色處理，即可得到如圖3所示的由黑色像素點與白色像素點構成的灰度圖像。另外用一個黑色像素點來確定系統給出的圓心位置。再用MatLab 2012軟件進行讀像素點處理，即從中心黑色的一像素點到邊緣黑色像素點的白色像素點的個數，經過多次預實驗并參考文獻［5］記錄，讀點從截面0°處開始每隔5°讀取1點，如圖4所示。讀取結果由Excel軟件導出，即可得到頸部皮膚層截面上間隔為5°的72個黑色像素點到圓心的白色像素點的個數(數據未一一列出)。

圖3 頸中皮膚層截面灰度圖像Fig.3 Sectional grayscale image of neck skin layers

圖4 MatLab讀點圖Fig.4 Chart of reading points by MatLab

由上述方法得到的40個頸部截面皮膚層像素點數據進行均值化處理。設D為每個皮膚層截面中心點到邊緣點的距離矩陣，i為頸部皮膚層截面層數，j為每個皮膚層截面上讀點個數，n為實驗人數，Z為中心點到皮膚層邊緣點的距離，x為實驗者編號。均值化過程如式(1)所示。

并測量得出每個像素點和厘米之間的比例關系，即51.26像素為1 cm。運用Excel軟件進行比例處理，即可得到從圓心到皮膚層邊緣的距離。28個皮膚層截面的圓心到邊緣的距離數據通過Solid Works 2010軟件拼合成三維人體頸部模型。其中，每個點的三維坐標為

式中:y為皮膚層截面中心點到邊緣點的距離(y=Z/51.16);θ為每個點對應的角度為矢狀軸取值，即每個截面距零點的豎直距離。

3 模型建立

3.1 皮膚模型建立

確定了頸部皮膚層截面的坐標輸入SolidWorks 2010軟件曲線建立工具，建立通過XYZ點的曲線。曲線疊加之后建立邊界即可得到閉合的頸部皮膚層立體模型，如圖5所示。利用同樣的方法添加頸部骨骼層和軟組織層。

圖5 在職男性頸部皮膚層截面拼合圖Fig.5 Skin layer sectional split diagram of men neck

3.2 骨骼模型建立

采用1∶1的解剖用男性標準骨骼模型經過非接觸式三維測量儀掃描，即可獲得醫用解剖頸椎的點云圖來建立骨骼模型。醫用頸椎模型嚴密地符合真人男性頸椎的構造，截取頸椎外層截面，進行疊加并獲取頸椎三維模型。參考文獻［9］，確定頸椎截面在頸部皮膚截面的位置，即可建立包含表皮層與骨骼層的三維立體模型。

3.3 軟組織模型建立

軟組織模型即頸部皮膚層去除皮膚厚度的軟組織層。參考文獻［10］得知，男性頸部皮膚層厚度為(1.82±0.29)mm，在本模型的建立中，把男性頸部皮膚層設為厚度相同的層狀面環繞頸部1周，厚度為1.8 mm。根據式(2)中在職男性皮膚層坐標可計算得到標準男性頸部軟組織層所對應的坐標:

式中:x0為在職男性頸部皮膚層任意截面上的任意點Q的x坐標，即式(2)中的為在職男性頸部皮膚層任意截面上的任意點Q的y坐標，即式(2)中的為在職男性頸部軟組織層任意截面上的任意點Q的x坐標;B為在職男性頸部軟組織層任意截面上的任意點的y坐標;C為在職男性頸部軟組織層任意截面上的任意點Q的z坐標，即矢狀軸取值，可理解為每個截面距零點的豎直距離，與式(2)中的取值相同;d為男性頸部皮膚層厚度，d=1.8;θ為每個點對應的角度，θ是5°的倍數。

坐標數據獲取完畢即可利用SolidWorks軟件建立包含表皮層，軟組織層與骨骼層的25～30歲在職男性頸部三維立體模型。

3.4 頸部模型曲率

曲線的曲率表示曲線偏離直線的程度。曲率越大，曲線的彎曲度越大。SolidWorks軟件中的曲率工具可直接顯示模型的曲率，并以不同的顏色顯示，結果如圖6所示。

圖6 男性頸部模型曲率圖Fig.6 Curvature diagram of neck three-dimensional model

4 模型驗證

模型建立后，通過人體頸部著裝壓力與人體頸部曲率的關系來反映模型的準確度。據研究，人體表面的曲率對著裝產生的壓力有極大的影響，即在服裝面料拉伸、壓縮、剪切和彎曲等應力相同的情況下，體表曲率越大，服裝包覆人體時所產生的拉伸率就越大，使服裝著裝包覆壓增大［5］，所以，通過人體著裝實驗測量頸部不同部位所產生的服裝壓力與所建立的模型表面曲率對比，可反映模型的準確度，進行模型驗證。

4.1 實驗用樣衣

實驗用樣衣根據被試者的體型數據設計制作，表2示出20名被試者的基本體型數據及標準差。測試服裝款式如圖7所示，為基本合體高領款。

表2 測試者基本體型數據及標準差Tab.2 Basic body data and standard deviation of testers

圖7 測試用服裝款式圖Fig.7 Test clothing styles

由于僅對頸部壓力進行研究，測試所選用的樣衣僅領口寬度分檔差，其他部分的尺寸都為定量。參考上領口寬度與頭圍的關系為

式中:lH為頭圍;lN為頸中圍;L為成品上領口寬度;E為面料的斷裂伸長率。根據織物彈性回復率和人體穿著預實驗，成品領上口寬度各檔差按照不同拉伸率分別設計為5%、10%、15%、20%、25%、30%、35%7個檔，依次標記為S1到S7，最終確定測試服裝規格如表3所示。

Tab.3 實驗用樣衣領部規格表Tab.3 Collar specifications of test clothing

根據市場上針織高領衫面料的使用情況以及工廠的生產經驗，實驗服裝采用常規面料制作，成分為棉/氨(95/5)。織物結構參數如表4所示。

表4 織物結構數據Tab.4 Fabric structure data

4.2 壓力測量

壓力測量采用日本AMI公司研發的AMI3037-5氣囊式接觸壓測定儀，儀器應用氣壓式服裝壓力測試原理，使服裝穿著過程中對氣囊擠壓產生的力并顯示壓力數值信號來記錄數據。實驗測試點選取頸部的9個肌肉點，如圖8所示，依次標記為1到9。測量實驗在安靜的室內進行，測量環境溫度為(27±3)℃，相對濕度為(60±10)%，無風。被試者進入室內先休息10 min，并用軟尺對被試的頸部進行測量，用記號筆標定測試點的位置，然后穿著測試用針織衫，服裝穿著順序和測試順序都是隨機的，以免測試順序對實驗結果產生影響。測試者穿著針織衫站立10 min后開始測試服裝壓力值。測量時，壓力傳感器放置于皮膚表面與服裝面料之間，當壓力值穩定時記錄數據，每個點測量3次，計算平均值。頸部壓力的分布如表5所示。9個肌肉點的曲率值如表6所示。

圖8 頸部壓力測量位置Fig.8 Neck pressure measurement position

表5 頸部著裝壓力分布Tab.5 Pressure distribution of neck kPa

表6 頸部模型曲率分布Tab.6 Curvature distribution of neck modelm－1

4.3 客觀頸部壓力與模型曲率的關系

利用SPSS軟件獲取正態分布直方圖進行變量正態分布檢驗，結果顯示模型曲率數據和7件樣衣穿著后產生的壓力數據均符合正態分布，模型曲率數據和7件樣衣穿著后產生的壓力數據標準差分別為:0.463、0.034、0.039、0.045、0.036、0.029、0.026、0.044。實驗采用相關性分析方法進行說明。

相關性分析是指對2個或多個具備相關性的變量進行分析，衡量變量因素的相關密切程度。本文引用Pearson相關系數表征曲率和著裝壓力的相關性。相關系數越接近于1或－1，相關性越強。相關系數越接近于0，相關度越弱。一般來說通過以下取值范圍判斷變量的相關強度［11］:0.8～1.0為極強相關;0.6～0.8為強相關;0.4～0.6為中等程度相關;0.2～0.4為弱相關;0.0～0.2為極弱相關或無相關。分析結果如表7所示。

表7 Pearson相關系數Tab.7 Pearson correlation coefficient

從表中可看出，除S7外，其他6組數據均與模型曲率呈現強相關的關系。考慮服裝制作和測量過程有產生誤差的可能，認為模型曲率與服裝穿著壓力有一定的相關性，且相關系數均為正數，實驗結果符合體表曲率與服裝壓力呈現正相關的性質。

5 結論

本文研究對25～30歲的在職青年男性頸部測量分析結果進行建模研究，為頸部服裝壓力與男性領口的優化設計提供了依據，具有一定的理論意義。

1)三維人體模型造型過程中，截面的坐標間隔適宜取5度一點，截面距離適宜為0.3 cm，選取此范圍可較為準確地描述人體造型。

2)模型驗證采用人體穿著實驗獲取的壓力數據與三維模型曲率進行相關性分析。分析結果符合體表曲率與服裝壓力正相關的性質，曲率數據與壓力數據有一定的相關性，模型可視為有效。

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