基于混合建模技術的男體立裁人臺手臂的研制

王 旭，黃宏俊，許 珂，張 穎，胡坤才，任肖娜

(1.河南工程學院 服裝學院，河南 鄭州 451191；2.河南工程學院 工程訓練中心，河南 鄭州 451191；3.河南省纖維檢驗局，河南 鄭州 450042)

在服裝立體裁剪過程中，手臂作為人臺的重要組成部分，在袖身設計中起到不可替代的作用。在西裝、時裝等成衣設計和制作工藝中，袖肥、袖山高、绱袖角度等都是非常關鍵的技術要點，上衣袖子要根據人體上肢的自然形態及運動規律進行款式設計和結構設計，沒有人臺手臂作為支撐和參考，服裝從業人員只能通過手工測量或者經驗值來估算尺寸數據，難以確保袖子尺寸的準確性，立裁人臺手臂的研制對于服裝設計師、制版師、工藝師等尤為重要。

近年來，隨著服裝行業的快速發展，立裁人臺作為服裝設計的專業性輔助工具，相關研究內容不斷深入，人臺手臂的連接方式及產品類型持續拓展。1998年，已有人臺配備了可活動短臂，使得人臺肩部加寬且圓順，為袖子的制作提供了一定的依據[1]。隨后，相關研究人員利用卡扣[2]以及螺紋結構[3]實現人臺手臂與軀干的連接，并使用磁性材料，搭配機械結構實現人臺手臂的肩部運動[4-6]，或利用連接帶通過安插珠針的方式將手臂固定在人臺軀干上[7]。這些人臺手臂在一定程度上增加了活動性和可拆卸性，然而難以真實模擬人體手臂的各種運動姿勢。于是，利用乳膠海綿、硅膠等柔性材料制作的球軸連接裝置被研發出來[8-9]，通過轉軸實現多種姿勢的調整和固定，此外，有學者[10-11]還設計了不同的活動鉸接件以及轉動件完成了手臂的側向抬起、自由旋轉和自動復位等運動，以便用于各種類型服裝的展示，但這些活動范圍較大的人臺手臂由于連接裝置較為復雜，加工成本高，并沒有在業內廣泛應用。目前，市場上現有的人臺手臂主要有聚丙烯(PP)棉填充手臂、玻璃鋼材料手臂、聚氨酯(PU)發泡材料手臂、木制手臂等類型，其中大部分手工填充的手臂質地松軟、容易變形，玻璃鋼和木制手臂價格昂貴、插針困難，PU發泡材料手臂雖然插針比較方便，但存在一定的環境污染。美國Alvanon公司生產的全身(包含軀干和四肢)人臺，手臂采用玻璃鋼材料及PU材料制作，產品做工精良，回彈性較好，尺寸比較精確，但手臂直接裝配在人臺軀干上，沒有肩部連接裝置，無法模擬人體各個方向的擺臂運動。此外，調研發現大多數人臺手臂還存在尺寸不夠標準、外形不夠美觀、手臂活動不便等問題，難以實現立裁設計中的試衣參考和結構調整，無法滿足服裝標準化、精準性的要求。

為此，本文通過手工測量和三維掃描的方式獲取男體手臂尺寸及點云數據，基于正逆向混合建模技術進行男體手臂模型及關節連接裝置的設計與構建，利用快速成型技術完成人臺手臂的成品制作，滿足人臺手臂的尺寸精確性以及運動靈活性需求，為成衣袖型設計、立裁教學以及成衣展示等提供可活動式標準化男體人臺手臂，并為人臺產業發展提供較好的借鑒意義和參考價值。

1 手臂尺寸數據采集

人體尺寸是服裝人臺制作的前提條件。GB 10000—1988《中國成年人人體尺寸》中給出了成年男體上臂長和前臂長的具體尺寸；GB/T1335.1—2008《服裝號型 男子》標注了男體全臂長的尺寸，這2個標準均給出了男體手臂長度方向的參考尺寸，但并未對肘圍、腕圍、臂根圍等圍度尺寸進行標定。隨著生活水平的提高，我國人體尺寸發生了一定程度的變化，然而國標數據并沒有及時更新。

為確保人臺手臂尺寸的精準性，在前期研究[12]中，邀請200名年齡在18～25歲、身高在165～175 cm、體重在55～75 kg、體型接近170/88A男性志愿者，利用皮尺、馬丁式人體形態測量尺對志愿者的全臂長、前臂長、上臂長、臂根圍、腕圍、肘圍等11項指標進行測量，結果如圖1所示。然后計算各項指標的加權平方差，選擇加權平方差最小(即測試指標偏離平均值最小)的志愿者作為中間體志愿者。隨后，采用ZGScan717高精度手持式激光三維掃描儀(武漢中觀自動化科技有限公司)對中間體志愿者的手臂點云進行精準掃描，該設備的掃描精度為0.02 mm，分辨率為0.05 mm，可以保證數據采集的精準性。掃描過程中要求志愿者靜止站立，讓手臂和肩部暴露，手臂肌肉處于放松狀態，肘部自然彎曲，前臂自然下垂，手掌微微攥握，手臂不可晃動。為盡量減少上臂根部的數據漏洞，獲取更多的點云數據，志愿者需上身傾斜20°，手臂垂直向下，與身體產生一定的夾角，露出臂根部位進行手臂掃描，掃描結束后導出OBJ格式的點云數據文件，如圖2所示。為了在模型構建過程中參考人臺臂根形狀和調整手臂位置，同時還需要掃描一個號型為170/88A男體人臺。

a—臂根圍；b—上臂圍；c—圍度1；d—圍度2；e—肘圍；f—圍度3；g—圍度4；h—腕圍；i—全臂長；j—上臂長；k—前臂長。

圖2 中間體志愿者的手臂點云數據

2 模型構建

為制作可活動式男體立裁人臺手臂，本文首先采用混合建模技術進行模型重建和設計。基于三維掃描儀采集的男體手臂點云數據，利用逆向工程軟件Geomagic Studio重構手臂模型，使用Zbrush軟件進行光順處理，并結合正向設計軟件Solidworks、UG、Geomagic Design X等進行肩部關節連接件設計，具體的模型構建過程如圖3所示。

圖3 可活動式人臺手臂模型構建流程圖

2.1 人體手臂模型構建

2.1.1 手臂模型重建步驟

2.1.1.1點處理階段

將掃描獲取的手臂點云數據導入Geomagic Studio中，使用“對象移動器”命令，對手臂模型位置進行調整，截取腕圍線到臂根圍線的部位，刪除多余點云，對點云數據進行去除雜點、去除噪點、數據精簡及點云數據封裝等處理。其中，去除雜點時將敏感性設置為85.0，可以最大程度選中更多體外孤點，去除噪點時將“平滑度水平”級別調至1，使點云數據排布統一，有利于后續模型的封裝，展現真實的模型形狀。

2.1.1.2多邊形處理階段

點云處理階段完成后，為了減少表面波紋，需要對封裝后的三角形面片進行多邊形處理。首先對臂根及手腕部分進行平面裁剪，保證臂根截面和手腕截面均為一個平面，如圖4(a)所示；隨后使用“填補單個孔”命令對臂根部位的數據孔洞進行修復，如圖4(b)所示；為更好地還原出光順的三角面片，對模型實施“去除特征”“砂紙”“松弛”和“刪除釘狀物”命令，對模型的表面進行優化處理；最后利用“精確曲面”工具欄中的“偏差分析”命令得到手臂模型矢量圖，分析發現，手臂模型的平均正向偏差為0.19 mm，平均負向偏差為-0.20 mm，偏差在合理范圍內，符合產品要求。

圖4 多邊形處理階段操作步驟

2.1.2 肩部模型重建

圖5示出肩部模型構建步驟。可以看出，模型中手臂肩部及腋下的缺失面積較大，袖窿曲線與人臺也有一定的差異，難以與人臺肩部對齊匹配，因此有必要對手臂肩部進行模型重建。首先導入男體人臺點云數據，使用“曲面裁剪”命令，繪制男體人臺上袖窿輪廓的閉合曲線，裁剪形成袖窿曲面(如圖5(a)所示)；其次使用“投影邊界到平面”命令，位置度調整為25.0 mm，創建一個與手臂相交的柱體，用“平面裁剪”命令將袖窿平面截去，只留下空心柱體(如圖5(b)所示)；隨后將投影所得的柱體進行“細化多邊形”“增強網格處理”等操作，進行局部光順，使得柱體的條紋狀面片變成常規的三角形面片，并對照柱體截面，點擊“填充單個孔”命令，對手臂腋下缺失部分，即柱體與手臂不能相交的部分進行邊界填充(如圖5(c)所示)；最后使用“布爾運算”中的“相交”命令獲得肩部相交輪廓模型(如圖5(d)所示)。

圖5 肩部模型構建步驟

2.1.3 模型合并及光順處理

為了合并手臂和肩部模型，同時選中相交輪廓模型和手臂模型，使用“多邊形”中的“合并”命令將肩部輪廓與手臂模型連接在一起，如圖6(a)所示。由于合并后的手臂模型肩部不光滑，存在大量重疊錯誤、不平整的面片，因此需要繼續進行多邊形階段的處理。首先使用“平面裁剪”命令對臂根部分進行裁剪，位置度設為12 mm，如圖6(b)所示；其次使用“去除特征”“砂紙”“松弛”“快速光順”和“刪除釘狀物”命令對模型進行局部光順；隨后使用“對象移動器”命令，對手臂模型位置進行調整，使手臂模型袖窿完全與男體人臺臂根部位對齊，如圖6(c)所示；為了調整人體手臂的肌肉線條，讓模型符合人體手臂的自然下垂狀態，并提高模型的光順度，將模型導入ZBrush軟件中，使用“Move”筆刷對模型進行調整打磨，如圖6(d)所示。為了預留出成品手臂外層包覆材料(海綿及面料)的空間，使用“偏移整體”命令，將模型向內偏移3 mm；最后進行NURBS曲面重構，使用“精確曲面”指令進行“自動造面”，將“多邊形對象”轉化為“精確曲面”，如圖6(e)所示，曲面片數量設置為300，最終導出STL格式的手臂模型。

圖6 模型合并及光順處理步驟

2.2 關節模型構建

在日常生活中，人體手臂會發生各個方位和角度的運動，在袖型設計時應充分考慮這些需求。立裁人臺手臂作為袖型設計的工具，也應具備一定的可活動性，方便為袖子的松量設計提供輔助參考。為此，本文運用正向建模軟件構建一種手臂可活動式肩關節連接件模型，可模擬人體手臂的正常活動方式進行無障礙地前后轉動、上下抬起。這種肩關節連接件包括手臂內嵌碗狀物、內嵌固定片、人臺連接片以及阻尼合頁，如圖7所示。圖中碗狀物嵌套黏貼在手臂臂根部位，人臺連接片和內嵌固定片通過阻尼合頁連接，調節阻尼合頁張開的角度，可將手臂在0°～180°范圍內任意抬起，內嵌固定片通過螺絲固定在碗狀物內部的3個螺絲柱上，人臺連接片可吸附在人臺袖窿處的凹型磁石上，實現手臂和人臺的自由裝配，通過旋轉人臺連接片，可實現手臂前后擺動。

1—內嵌碗狀物；2—內嵌固定片；3—人臺連接片；4—阻尼合頁；5—合頁卡槽；6—合頁限位孔；7—內嵌碗狀物螺柱；8—合頁螺絲孔；9—圓臺凸起；10—內嵌固定片螺絲孔。

2.2.1 內嵌碗狀物模型設計

為確保手臂內嵌碗狀物能夠完好地嵌合到手臂模型內部，碗狀物的外輪廓需要與手臂模型的袖窿弧線吻合。首先在Geomagic軟件中打開偏移后的手臂模型，對齊全局坐標系，使用“填充單個孔”命令進行袖窿以及腕部填充，構建袖窿平面，用“平面裁剪”命令選取肩部區域，如圖8(a)所示；將保存為IGS格式的文件導入Solidworks軟件中，使用“樣條曲線”命令沿著袖窿輪廓繪制閉合曲線，如圖8(b)所示；使用“拉伸凸臺”命令進行拉伸，拉伸厚度不能超出肩部的曲面深度，設為35 mm，拔模角度設為35°，如圖8(c)所示；然后對拉伸后的凸臺進行“圓角”處理，圓角半徑設為20 mm，如圖8(d)所示，再進行“抽殼”處理，殼厚設為3 mm；最后在凸臺上拉伸繪制3個半徑為5 mm，長度為22 mm的螺柱，如圖8(e)所示；使用UG軟件繪制螺絲孔，螺紋尺寸為M3×0.5，深度設為22 mm，螺距為0.7 mm，角度為60°，螺紋右旋，如圖8(f)所示。由于阻尼合頁需要放置在手臂碗狀物的頂端即手臂模型的肩端點部位，為此根據阻尼合頁的尺寸，在手臂碗狀物的頂端繪制一個長18.5 mm，寬度為8.0 mm的卡槽，如圖8(g)所示。

2.2.2 連接件模型設計

在碗狀物內部，沿著袖窿平面向內偏移9 mm，拉伸繪制一個厚度為1 mm的凸臺作為內嵌固定片，如圖8(h)所示。沿著袖窿平面向外偏移20 mm，沿著抽殼后的袖窿內部輪廓繪制“樣條曲線”，同樣進行凸臺拉伸，形成厚度為1 mm的人臺連接片，如圖8(i)所示。在人臺連接片中心設計一個直徑為20 mm的圓臺突起，用于吸附在人臺袖窿處的凹型磁石上。為了連接并固定各個組件，利用透視功能在內嵌固定片上對應螺柱的位置繪制3個半徑為1.5 mm的圓孔，并根據阻尼合頁的尺寸，在內嵌固定片和人臺連接片上分別繪制2個半徑為1.65 mm的圓孔，使用螺紋連接進行固定，如圖7所示。最后，為了方便將內嵌碗狀物安裝在人臺手臂中，使用Geomagic Design X軟件的“切割”命令，摳除手臂模型中的內嵌碗狀物部分，得到手臂最終模型，如圖8(j)所示，以STL格式導出。

圖8 關節模型構建步驟

3 成品制作

為提高工作效率，本文采用快速成形技術進行模型打印及加工。利用泡沫雕刻機對手臂模型進行雕刻加工，泡沫密度為30 kg/m3，粒子直徑為1.5 mm；使用極光爾沃3D打印機打印肩關節零件，即內嵌碗狀物，材料選用聚乳酸；利用GWEIKE機械切割機對1 mm厚的鍍鋅板進行切割，用于加工內嵌固定片和人臺連接片；根據設計圖稿中的孔位，利用機械打孔機進行鉆孔，并利用打磨機對鐵片邊角及中心圓孔進行光滑處理；人臺連接片中心位置的圓臺突起同樣采用機械切割機進行加工制作，從而得到關節模型所有的零配件，如圖9(a)所示。

圖9 關節模型加工和手臂組裝

按照圖7所示的組裝方式，利用泡沫膠水把內嵌碗狀物固定在泡沫手臂的臂根部位，如圖9(b)所示。通過螺絲將阻尼合頁與內嵌固定片及人臺連接片連接起來，并把圓臺突起黏貼固定在人臺連接片中心位置，其中阻尼合頁根據手臂的自重選擇扭矩值為0.5 N·m的雙孔S型合頁，以確保鉸鏈的穩定性，并滿足手臂自由靈活抬起的要求。由于泡沫雕刻的手臂硬度略大于人臺，對比不同厚度和密度的海綿(如表1所示)，最終選用3 mm厚的中密度海綿作為包覆材料以增加產品的彈性，外層包覆與人臺顏色接近、密度適中、扎針不留針眼、無彈性的滌棉布，使用弧形針進行縫合，確保成品手臂的彈性和硬度，方便安插珠針，進行立裁操作。最后，使用螺絲釘將內嵌固定片固定在手臂內嵌碗狀物上(如圖9(c)所示)，并在手臂的上臂圍、肘圍、腕圍、臂長方向等貼上標記帶，完成手臂的制作。將手臂安裝吸附在人臺肩部的凹型磁石上，通過調整阻尼合頁的開合角度和人臺連接片的旋轉角度，模擬人體手臂的活動情況，實現手臂的側向抬起和前后擺動，如圖10所示，在人體冠狀面可側向抬起180°，在人體矢狀面可實現360°旋轉。

表1 海綿包覆材料及男體人臺的硬度

圖10 手臂運動姿勢

4 綜合評價

為評估自制男體人臺手臂的各項性能，研究采用主、客觀評價相結合的方式，與市場上現有的人臺手臂進行對比分析。

4.1 客觀評價

實驗選取市場上常見的3種手臂(如圖11所示)，即1#PU手臂，2#磁吸式手臂，3#珠針固定式手臂，其中1#和2#手臂的肩部連接處均有金屬磁吸片，3#手臂依靠珠針固定在人臺上，2#和3#手臂的填充材料均為PP棉。通過對比各項長度和圍度指標(見表2)發現，4#自制手臂的各項指標與志愿者的手臂數據接近，尺寸誤差均在合理的范圍之內，符合產品加工要求。在GB/T 1335.1—2008《服裝號型 男子》中標定了170/88A男體的全臂長為55.5 cm，與中間體志愿者的全臂長一致，而1#PU手臂的長度為62.2 cm，偏離標準數據較大。相對而言，2#手臂的上臂圍和圍度一均比中間體志愿者的手臂小，腕圍和圍度四比中間體志愿者的手臂大，上臂和前臂的圍度尺寸比例較小，與實際有一定偏離；3#手臂的前臂長、臂根圍、上臂圍、肘圍、圍度一、圍度二和圍度三均較中間體志愿者手臂小，且偏差比較大，手臂整體比較纖細，圍度尺寸不符合實際。

圖11 4種人臺手臂裝配效果

表2 不同類型手臂尺寸數據

此外，如表3所示，對比4種手臂的質量和硬度發現，1#PU手臂質量最大，而且手臂各處的硬度均超過70 HC，與人臺硬度偏離較大。2#手臂的質量適中，由于PP棉填充量較少，產品過于柔軟，不在邵氏C型硬度計量程范圍內，無法測量出具體硬度值。3#手臂肩部連接處無金屬磁吸片，產品質量最小，上臂的硬度與人臺接近，但前臂和側縫硬度比較小，手臂整體的硬度偏差較大。4#自制手臂的質量適中，硬度接近人臺腰、腹部的硬度，數據相對比較穩定。綜上，相對于市場上現有的3種手臂，自制的4#手臂無論是在尺寸上還是在質量上都更為合理，硬度也接近人臺，方便立裁操作。

表3 不同種類手臂質量

4.2 主觀評價

實驗邀請30名服裝從業人員，采用5級評價標尺從功能性、實用性及美觀性3個方面對這4種手臂進行主觀評價，1級最差，5級最好，3級適中。功能性主要表征手臂的活動范圍以及穩定效果，志愿者通過旋轉、擺動手臂根據實際情況做出綜合評分；實用性主要包括手臂的插針效果、彈性、面料固定效果等，服裝從業人員使用珠針以直插針、斜插針、雙插針的方式多次插在手臂以及人臺上，對比珠針插拔的難易程度，并模擬立裁操作輕扯布料，根據布料的固定程度，結合手臂的按壓彈性進行綜合評判；美觀性主要通過觀察手臂的外觀、顏色、制作工藝、手臂與人臺的連接效果等進行評分，評價結果見圖12。

圖12 主觀評價對比

從圖中可以看出，4#自制手臂在功能性、實用性、美觀性這3個方面普遍優于其余3種手臂。功能性上，4#自制手臂得分最高，3#手臂得分最低，1#和2#手臂介于中間。分析發現，4#自制手臂采用磁吸設計，且具有肩部連接件，相較于其他3種手臂，活動范圍較廣，抬起以及轉動時更為流暢，并且具備很好的穩定效果。而3#手臂只能用珠針插在人臺上，幾乎不能活動。1#和2#手臂都采用磁吸設計，在矢狀面可以自由旋轉，但沒有肩部連接件，手臂不能側向抬起，活動范圍有限，其中2#手臂由于過于柔軟，握持手臂帶動肩部進行旋轉時存在較大的困難，功能性大大降低。

實用性上，4#自制手臂的得分最高，2#手臂得分最低，1#和3#手臂介于中間。分析認為，4#手臂采用泡沫和海綿填充材料，產品硬度與人臺接近，彈性適中，珠針插拔容易，直插針、斜插針和雙插針對面料的固定效果均比較良好。1#手臂采用PU發泡材料，硬度較大，插針困難，其中直插針比斜插針更為困難，但是固定布料的效果較好。2#手臂的填充材料較少，手臂松軟，彈性較大，硬度很小，插針非常方便，但容易松動，面料固定效果較差。3#手臂的填充材料飽滿，彈性較人臺柔軟，插針以及面料的固定效果適中，但直插針容易脫落。

美觀性上，1#手臂和4#手臂的得分一致，2#手臂得分最低，3#手臂介于中間。對比發現，4#手臂符合正常男體手臂自然下垂的狀態，包覆面料的顏色與人臺相近，縫合工藝較好，無明顯的褶皺與余量，手臂與人臺連接比較貼合。1#手臂較為符合手臂自然下垂的狀態，縫合工藝好，產品表面平整，包覆面料的顏色與人臺有一定的偏差，磁吸式的人體肩部連接方式使其與人臺的吻合性較好。2#手臂過于柔軟，尺寸穩定性較差，也沒有手臂自然下垂時應有的狀態，包覆面料顏色暗黃，與人臺顏色有一定的偏差，縫合及填充工藝粗糙，表面褶皺明顯，但同樣采用磁吸式肩部連接方式，與人臺吻合程度較好。3#手臂的肘部彎曲度偏大，不符合手臂自然下垂的狀態，手臂外形較為纖細，與青年男體手臂有一定的差異，包覆面料采用漂白布，與人臺顏色有一定偏差，縫合工藝雖好，采用珠針將手臂肩部與人臺連接在一起，與人臺臂根部位吻合度不佳。

綜上可知，4#自制手臂各項性能均比較突出，綜合性能優異，美觀性有待進一步提高。

5 結束語

本文基于三維掃描的男體手臂點云數據，采用正、逆向建模技術相結合的方式構建男體手臂模型，并設計可活動式關節模型，利用3D打印、泡沫雕刻和激光切割等技術制作并裝配男體立裁人臺手臂，解決了當前同類產品中存在的問題。通過主客觀對比實驗發現，自制人臺手臂的尺寸相較市場現有的產品尺寸更加精準，質量適中，硬度與人臺接近，功能性、實用性和美觀性俱佳，可模擬人體手臂進行各個方向的運動，在人體冠狀面可實現180°側向抬起，在人體矢狀面可實現360°自由旋轉，為服裝袖型結構設計提供立裁工具，有助于提高服裝的合體度和舒適度，助推立裁人臺朝著系列化、多樣化、精準化和智能化生產方向快速發展。