高防護性能球類運動服裝的制備方法
【專利摘要】本發明公開了一種高防護性能球類運動服裝的制備方法，其包括以下步驟：運用三維動態測量系統采集人體運動過程中各關節三維空間數據；運用運動生物力學和基礎力學原理將三維空間數據轉化為人體生物力學參數；結合網球運動特點以及基礎力學，構建簡易的球類運動碰撞過程人體受力模型；選擇合適的評價參數作為數據分析，以面料參數為變量建立面料與評價參數之間的人體運動防護模型；基于人體運動防護模型，改變面料參數，達到最佳防護效果，即可進行防護性運動服裝的設計制作。本發明使得運動者在運動過程中能夠避免人體各部位受損。
【專利說明】高防護性能球類運動服裝的制備方法

【技術領域】
[0001]本發明涉及一種制備方法，特別是涉及一種高防護性能球類運動服裝的制備方法。

【背景技術】
[0002]隨著體育運動的發展以及人們對運動服裝的理解不斷加深，運動服裝的設計與制作在原有的舒適性基礎上更加注重其保護性能，人體在進行運動過程中，會有多種多樣的原因來使得人體各部位產生損傷，現階段人們在運動過程中通常通過佩戴各類護具來避免身體部位受損，若是能夠通過運動服裝來起到對人體的防護作用對于運動者來說可以更加便利。目前對于服裝結構設計，款式設計等方面，主要通過對靜態的人體進行研究來改進各項設計手法，但是對于運動服裝來說，靜態人體的各項生理機能與運動狀態下大不相同，很難通過靜態下的人體來對其進行測量，分析等進行設計。因此，通過對人體動態進行測量分析來解決運動狀態下的人體真實狀態，反映到服裝設計手法中，來結合設計運動服裝顯得十分必要。
[0003]目前，我們所熟知的運動品牌例如阿迪達斯，耐克等都運用了較為成熟的技術來提高服裝的防護性能，例如阿迪達斯在跑步鞋中運用其特有的formot1nTM技術,這是為需要急速變向比賽的運動員而設計的，這項技術能夠吸收劇烈運動和急停產生的沖擊力，在運動中給予更大的舒適感和緩沖，以提供運動員在高速運動中極高的控制力。
[0004]由于日常生活中人們可選擇的運動種類較多，并且每種運動都有其不同的特點，因此需要從運動本身特點出發來專項研究才能更好的設計出有具體防護特點的服裝。目前具有運動防護功效的服裝主要集中在鞋類方面，上衣中多采用的是網狀面料或透氣技術達到讓運動員快速排汗輕透的功效，在運動防護功效方面還沒有涉及，因此，提出一種從人體生物力學原理出發來制備高防護性能的運動服裝的方法十分必要。


【發明內容】

[0005]本發明所要解決的技術問題是提供一種高防護性能球類運動服裝的制備方法，其在服裝設計過程中可以依據服裝面料的性能來初步計算出服裝對于人體關節部位的防護能力大小，以便于更好的選擇面料來制作防護性能運動服裝，使得運動者在運動過程中能夠避免人體各部位受損。
[0006]本發明是通過下述技術方案來解決上述技術問題的:一種高防護性能球類運動服裝的制備方法，其特征在于，其包括以下步驟:步驟Si，運用三維動態測量系統采集人體運動過程中各關節三維空間數據；步驟S2，運用運動生物力學和基礎力學原理將三維空間數據轉化為人體生物力學參數；步驟S3，結合網球運動特點以及基礎力學，構建簡易的球類運動碰撞過程人體受力模型；步驟S4，選擇合適的評價參數作為數據分析，以面料參數為變量建立面料與評價參數之間的人體運動防護模型；步驟S5，基于人體運動防護模型，改變面料參數，達到最佳防護效果，即可進行防護性運動服裝的設計制作。
[0007]優選地，所述步驟SI的三維動態測量系統為紅外立體攝影測量系統。
[0008]優選地，所述步驟S2將三維空間數據轉化為人體生物力學參數主要是采用牛頓第三定律、沖量定律、動量定理基礎力學原理將三維空間數據通過公式轉化為人體關節部位的速度、加速度、動量的人體運動力學參數。
[0009]本發明的積極進步效果在于:本發明構建人體運動受力模型以及建立面料性能參數與人體生物力學參數之間的關系式，從而在服裝設計過程中可以依據服裝面料的性能來初步計算出服裝對于人體關節部位的防護能力大小，以便于更好的選擇面料來制作防護性能運動服裝，使得運動者在運動過程中能夠避免人體各部位受損。本發明將現有的服裝設計方法從靜態人體測量提升為動態人體測量，并且把運動生物力學，基礎力學等學科融入服裝設計中，研究出一種通過對運動中人體的受力分析等方法來設計制作出真正具有防護性能的減緩人體關節部位受損的運動服裝的制備方法。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]圖1為本發明高防護性能球類運動服裝的制備方法的流程圖。
[0011]圖2為本發明中球類碰撞受力模型的原理圖。
[0012]圖3為本發明中彈簧振子模型的原理圖。
[0013]圖4為本發明中網球運動碰撞過程中人體受力模型的原理圖。

【具體實施方式】
[0014]下面結合附圖給出本發明較佳實施例，以詳細說明本發明的技術方案。
[0015]如圖1所示，本發明高防護性能球類運動服裝的制備方法包括以下步驟:
步驟Si，運用三維動態測量系統采集人體運動過程中各關節三維空間數據；
步驟S2，運用運動生物力學和基礎力學原理將三維空間數據轉化為人體生物力學參數；
步驟S3，結合網球運動特點以及基礎力學，構建簡易的球類運動碰撞過程人體受力模型；
步驟S4,選擇合適的評價參數作為數據分析，以面料參數為變量建立面料與評價參數之間的人體運動防護模型，以便再之后的服裝設計中通過測量面料的性能參數即可推斷出服裝對于人體關節部位的防護能力；
步驟S5，基于人體運動防護模型，改變面料參數，達到最佳防護效果，即可進行防護性運動服裝的設計制作。
[0016]其中，所述步驟SI的三維動態測量系統為紅外立體攝影測量系統，可進行三維與六維自由度測量，可同時進行動態靜態測量，可實時采集與顯示數據，具有廣泛的應用領域；在工效學、虛擬現實、運動控制等多個領域應用廣泛，三維運動測量系統基于紅外主動發光原理，測量結果穩定可靠；標識點實時定位跟蹤，不混淆，不丟失。通過粘貼在人體身上的紅外標記點，運用三維動態測量系統對人體運動狀態進行捕捉，從而采集運動過程中人體各關節部位的三維空間數據，以(X，Y，Z)的形式呈現。
[0017]其中，所述步驟S2將三維空間數據轉化為人體生物力學參數主要是采用牛頓第三定律、沖量定律、動量定理等基礎力學原理將三維空間數據通過公式轉化為人體關節部位的速度、加速度、動量等人體運動力學參數。
[0018]其中，所述步驟S3和步驟S4通過對基礎力學的理論研究，運用運動生物力學對各類不同運動進行不同的力學分析，尋找有效的對人體受損程度進行評價的人體生物力學參數，通過基礎力學建立簡易的運動人體受力模型，結合服裝材料力學，建立人體運動防護模型。所述步驟S4基于基礎力學中的彈簧振子模型(圖3 )，結合肌肉三元素模型，建立球類碰撞簡易受力模型(圖2)，再通過結合服裝材料彈性回復率等相似參數，建立簡易的人體防護模型。本發明基于基礎力學以及人體防護模型，結合沖量定理以及動量定理，通過對球類碰撞過程的分析，將評價參數確立為碰撞瞬間人體關節部位動量大小以及碰撞結束后人體關節部位動量隨時間變化率。
[0019]其中，所述步驟S3的構建簡易的球類運動碰撞過程人體受力模型的過程如下: 步驟S31，人體運動生物力學分析，在對運動損傷防護機理的研究中可以看出，人體肌肉對骨骼的防護作用是通過肌肉的彈性收縮產生形變來對外力進行吸收緩沖所達成的。骨骼肌由肌腹和肌腱兩部分組成，肌腹主要由肌纖維組成，是肌肉的收縮成分，肌腱主要由平行的膠原纖維束組成，沒有主動收縮能力但是擁有良好的彈性，能夠抵抗很大的張力，肌腱連同肌肉外部的組織統稱為肌肉的彈性成分。肌肉的收縮成分實現了肌肉的主動收縮放松，而肌肉彈性成分則在肌肉收縮過程中起著儲存能量及緩沖保護等作用。由此可見，肌肉的彈性能力對于其能否有效緩沖外力來說是一個至關重要的條件。在肌肉生物力學領域，奠定基礎的是hill的肌肉雙元素模型，在肌肉生物力學發展的過程中，馮元禎在此基礎上建立了肌肉的三元素模型，模型主要由收縮元，串聯彈簧元，并聯彈簧元三要素組成。肌肉的三元素模型，從肌肉的組成出發，忽略了肌肉與肌肉間的其他物質成分，將肌肉彈性成分簡化成為彈簧元，在簡化模型下能夠更好的對肌肉進行力學分析。在基礎力學中，有一種用于研究彈簧理論的與肌肉三元素模型相類似的模型稱之為彈簧振子模型，其作用主要是用于理解物理學中的簡諧運動的規律。如圖3，將輕彈簧一端固定，另一端與質量為m的質點相連，設彈簧在質點運動過程中總處于彈性范圍內，則彈簧與質點構成的系統成為彈簧振子，彈簧振子是一個不考慮摩擦阻力，不考慮彈簧的質量，不考慮振子的大小和形狀的理想化模型。如圖3所示，彈簧振子處于光滑水平面上，以彈簧處于自然狀態的平衡位置為坐標原點，當振子偏離平衡位置的位移為X時，忽略振子運動過程中的空氣阻力，則質點m受到的彈力作用為f=_kx。其中k為彈簧的勁度系數，負號表示彈力的方向與振子位移的方向相反。
[0020]步驟S32，服裝設計方法分析，色彩、款式、面料是構成服裝設計的三要素，而服裝色彩直接由選用的服裝面料來體現，款式造型則依據面料的柔軟，硬挺，懸垂以及厚薄輕重等特性來保證，因此，服裝材料的主體就是面料，服裝面料是構成服裝的最本質的基礎。服裝面料的基本力學性質，包括拉伸，撕裂，頂破和彎曲等，其中一項與彈簧振子模型中彈簧的力學性質相類似的就是面料的彈性回復率，面料再受到外力作用一段時間后去除外力，面料產生的部分伸長變形(急彈性變形)會立即回復，隨著去除外力后時間的延續，又有部分伸長變形(緩彈性變形)繼續回復，但最終仍有部分伸長變形(塑性變形)不能回復。在所有伸長變形中可回復部分所占的比例，稱為彈性回復率，彈性回復率可以衡量纖維的變形回復程度。
[0021]步驟S33，構建人體受力模型，在生物力學領域，骨骼，肌肉，關節都有成熟的生物力學原理以及參數來對運動中的人體各個部分進行完整的力學分析，但是通過對相關文獻書籍的查閱，發現通常的力學分析往往是通過分析人體的狀態來研究如何提升運動效果。例如在投擲類運動的生物力學分析中，通過對出手角度，出手速度，出手點高等一系列力學參數來分析獲取最佳的出手條件。對于運動防護也通常是通過對人體在不同運動階段下的肌肉活性以及做功大小等來判斷肌肉對運動效果的作用大小，并且以此為結果來鍛煉肌肉力量以提高人體的運動技巧從而防止運動損傷。在現階段的運動生物力學研究中，雖然也有將其結果應用與運動鞋類的設計，但是，對于如何將運動生物力學參數與服裝設計中的各種參數相連接，能夠直接反映出服裝的防護性能的研究少之又少，因此，本文連接肌肉三元素模型，彈簧振子模型以及服裝面料的彈性回復率，構建了網球運動時人體受力簡易模型(圖2)。如圖2所示，圖中長方形代表人體部位，其上的彈簧代表彈性面料，假設網球質量為m，在與球拍接觸前速度為Vl，接觸后速度為v2，并且在接觸過程中網球作用在球拍上的力垂直于球拍，并且作用力大小為F1，設球跟球拍作用后，給了彈簧一個初速度V，然后彈簧發生最大形變X后，速度由V變為O，彈簧由初速度V變為O的時間為t，則根據沖量定理，如式(I):
Ft=mv, F=mv/t..................................................................(I)
其中，F是t時間內彈簧的平均受力，從已知條件中可知，彈簧有一定的彈性系數以及最大的形變量X，不同的彈性系數決定了彈簧的平均受力能力大小，在上述模型中，網球首先對面料(即彈簧)有一個作用力F1，F1使得面料產生形變，形變收縮的過程中儲存彈性能力，當形變量達到最大時，面料開始反彈，這一過程中，面料儲存的能轉換為自身的內能和周圍空氣的內能，從而達到了緩沖的效果，之后，剩余的網球的力才被傳導至人體，對人體做功。因此,人體的受力大小為式(2)和式(3):
F2=F1-F............................................................(2)
F=kx............................................................(3)
k是彈簧的彈性系數，X為彈簧的形變量。
[0022]此時F大小與彈簧本身的彈性系數有關。由此可以通過彈性系數來建立彈性面料與運動生物力學系數之間的第一步關系式。
[0023]其中，所述步驟S4選擇合適的評價參數包括以下步驟:由上述公式可知，在彈簧變形回復的時間t內，mv即人體動量的大小對于關節受力F有著至關重要的影響，在相同作用時間內，動量越小，關節受到的力F也就越小，則對關節的損傷越輕。由于測量設備的限制，并不能完全測出彈簧(即彈性面料)由初速度V變為O的時間，假設在時間tl內，彈簧由初速度V變為V’，則彈簧受力為F= (mv-mv’)/tl，則動量在時間tl內的改變量即受力F越小對關節的損傷越小即面料防護性能最好。在mv-t折線圖中，F即動量隨時間的變化率，本文中將此稱為動量緩沖力系數。依據上述人體受力簡要模型以及力學公式的推導，將本文中評價面料防護性能的參數確立為球與球拍接觸后人體各關節部位的動量以及動量緩沖力系數。
[0024]其中，所述步驟S4以面料參數為變量建立面料與評價參數之間的人體運動防護模型包括以下步驟:假設球球拍碰撞時的力大小為F，為簡化力學分析，假設力F從球拍傳遞至手腕時大小仍為F，并且在運動過程中，肌肉對骨骼防護所吸收的力大小為恒定值，記為C。
[0025]因此在手腕處采用面料防護，則上肢各關節部位受力大小為式(4)、式(5)、式
(6):
FI =F-Fj -C............................................................(4)
F2=F1-C............................................................(5)
F3=F2-C............................................................(6)
其中:F1為腕部受力，F2為肘部受力，F3為肩部受力，F’為彈性面料吸收儲存的力。
[0026]其余在肘部以及肩部采用面料防護，力學公式類似。
[0027]在上面所確立的評價參數中，確立了評價參數為動量。則式(4)至式(6)可轉換為式(7)和(8):
Pl=Ft_F，-Ct..............................................................................(7)
Pl=mat-kx-C=mv-kxt-Ct...............................................................(8)
其中，Pl為手腕處動量大小，其余兩處動量公式類似;mv為球撞擊球拍時動量大小，t為彈性面料恢復形變時間，即球與球拍的碰撞時間，k為彈性面料的彈性系數，X為接受F大小的力時彈性面料的形變量。由此即可將彈性面料的力學參數與運動生物力學參數進行轉換。
[0028]下面舉一個具體的例子進行說明:
步驟一，運用三維動態測量系統采集人體運動過程中各關節三維空間數據。根據網球運動上肢運動特點及測量系統的使用方法，在實驗對象上半身貼上剛體，標出虛擬點位置。剛體位置分布在大臂中部，前臂中部，腰部以及后頸，并且根據公司實驗人員指導，設置5個虛擬點，分別為肩胛骨突出點，肘部內外側(這三個虛擬點依托大臂中部的剛體所設置)，腕部內外側(這兩個虛擬點依托前臂中部的剛體所設置)共5個虛擬點。使用可進行三維與六維自由度測量、可同時進行動態靜態測量、可實時采集與顯示數據的紅外立體攝影測量系統對實驗對象按要求進行網球上拋式發球運動進行動態測量，獲得以三維坐標數據(X，Y，Z)形式輸出的各虛擬點三維空間數據。每組實驗以確保記錄完整的5次實驗數據用于數據分析。
[0029]步驟二，運用運動生物力學，基礎力學原理將三維空間數據轉化為人體生物力學參數。依據逆向動力學原理，采用牛頓第二定律，沖量定理，動量定理等將三維空間數據轉化為人體運動的瞬間動量值(時間間隔0.01s)。
[0030]步驟三，結合球類運動特點以及基礎力學，構建簡易的球類運動碰撞過程人體受力模型。選擇基礎力學中的彈簧振子模型來作為網球運動碰撞過程人體受力模型建立的基礎模型，結合肌肉力學性能(肌肉組織接受外力并緩沖物對骨的直接沖量來對人體骨骼進行防護作用)以及網球運動時人體上肢的運動特點(具體的力學傳導過程為:1.近端肌肉的收縮力F1，產生肌力矩，使近端產生加速度，獲得動量；2.此時遠端肌肉主動收縮產生力F2，該力產生的力矩使遠端環節獲得加速度b2的同時其反作用力-F2，使近端產生反向的加速度_b3而制動。如圖4所示)構建網球運動碰撞過程中人體受力模型。
[0031]步驟四，選擇合適的評價參數作為數據分析，以面料參數為變量建立面料與評價參數之間的人體運動防護模型。將對服裝材料防護性能優劣性的評價參數確立為球碰撞球拍之后瞬間人體各關節部位最大動量以及之后隨揮過程中的動量緩沖力系數。通過實驗確定與運動防護相關的面料參數。實驗通過不同面料制成不同層數的護肩、護肘、護腕，實驗對象分別佩戴各類不同面料或層數的護具進行網球上拋式發球運動，通過各類護具佩戴條件下兩個評價參數來評價彈性及厚度對人體關節部位評價參數變化的影響力大小。最后確定面料厚度的改變對于各關節部位評價參數的改變的影響力較大。后通過不同復合方式來改變厚度參數來驗證其影響力，最后通過改變護具的類型來驗證不同類型護具對各關節評價參數改變的影響力，并且運用復合方式的實驗數據對構建的網球運動下服用材料性能參數與防護力之間的關系式進行數據修正。
[0032]步驟五，基于人體運動防護模型，改變面料參數，達到最佳防護效果，即可進行防護性運動服裝的設計制作。分別以面料，復合方式，護具包纏方式為單一的變量，按照評價參數人體上肢各關節的動量峰值以及緩沖力系數的數值大小來對其進行排序，排序后按照各類護具的權重不同進行加權平均的算法，獲取最優組合方式，用于后續防護性網球運動服裝的開發。
[0033]本領域的技術人員可以對本發明進行各種改型和改變。因此，本發明覆蓋了落入所附的權利要求書及其等同物的范圍內的各種改型和改變。
【權利要求】
1.一種高防護性能球類運動服裝的制備方法，其特征在于，其包括以下步驟: 步驟Si，運用三維動態測量系統采集人體運動過程中各關節三維空間數據； 步驟S2，運用運動生物力學和基礎力學原理將三維空間數據轉化為人體生物力學參數； 步驟S3，結合網球運動特點以及基礎力學，構建簡易的球類運動碰撞過程人體受力模型； 步驟S4,選擇合適的評價參數作為數據分析，以面料參數為變量建立面料與評價參數之間的人體運動防護模型； 步驟S5，基于人體運動防護模型，改變面料參數，達到最佳防護效果，即可進行防護性運動服裝的設計制作。
2.如權利要求1所述的高防護性能球類運動服裝的制備方法，其特征在于，所述步驟SI的三維動態測量系統為紅外立體攝影測量系統。
3.如權利要求1所述的高防護性能球類運動服裝的制備方法，其特征在于，所述步驟S2將三維空間數據轉化為人體生物力學參數主要是采用牛頓第三定律、沖量定律、動量定理基礎力學原理將三維空間數據通過公式轉化為人體關節部位的速度、加速度、動量的人體運動力學參數。
【文檔編號】A61B5/11GK104223468SQ201410361761
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年7月28日 優先權日:2014年7月28日
【發明者】曹蕊超, 謝紅, 李露, 曲暢, 張婷婷 申請人:上海工程技術大學