高防护性能球类运动服装的制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种高防护性能球类运动服装的制备方法，其包括以下步骤：运用三维动态测量系统采集人体运动过程中各关节三维空间数据；运用运动生物力学和基础力学原理将三维空间数据转化为人体生物力学参数；结合网球运动特点以及基础力学，构建简易的球类运动碰撞过程人体受力模型；选择合适的评价参数作为数据分析，以面料参数为变量建立面料与评价参数之间的人体运动防护模型；基于人体运动防护模型，改变面料参数，达到最佳防护效果，即可进行防护性运动服装的设计制作。本发明使得运动者在运动过程中能够避免人体各部位受损。
【专利说明】高防护性能球类运动服装的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种制备方法，特别是涉及一种高防护性能球类运动服装的制备方法。
【背景技术】
[0002]随着体育运动的发展以及人们对运动服装的理解不断加深，运动服装的设计与制作在原有的舒适性基础上更加注重其保护性能，人体在进行运动过程中，会有多种多样的原因来使得人体各部位产生损伤，现阶段人们在运动过程中通常通过佩戴各类护具来避免身体部位受损，若是能够通过运动服装来起到对人体的防护作用对于运动者来说可以更加便利。目前对于服装结构设计，款式设计等方面，主要通过对静态的人体进行研究来改进各项设计手法，但是对于运动服装来说，静态人体的各项生理机能与运动状态下大不相同，很难通过静态下的人体来对其进行测量，分析等进行设计。因此，通过对人体动态进行测量分析来解决运动状态下的人体真实状态，反映到服装设计手法中，来结合设计运动服装显得十分必要。
[0003]目前，我们所熟知的运动品牌例如阿迪达斯，耐克等都运用了较为成熟的技术来提高服装的防护性能，例如阿迪达斯在跑步鞋中运用其特有的formot1nTM技术,这是为需要急速变向比赛的运动员而设计的，这项技术能够吸收剧烈运动和急停产生的冲击力，在运动中给予更大的舒适感和缓冲，以提供运动员在高速运动中极高的控制力。
[0004]由于日常生活中人们可选择的运动种类较多，并且每种运动都有其不同的特点，因此需要从运动本身特点出发来专项研究才能更好的设计出有具体防护特点的服装。目前具有运动防护功效的服装主要集中在鞋类方面，上衣中多采用的是网状面料或透气技术达到让运动员快速排汗轻透的功效，在运动防护功效方面还没有涉及，因此，提出一种从人体生物力学原理出发来制备高防护性能的运动服装的方法十分必要。
【发明内容】
[0005]本发明所要解决的技术问题是提供一种高防护性能球类运动服装的制备方法，其在服装设计过程中可以依据服装面料的性能来初步计算出服装对于人体关节部位的防护能力大小，以便于更好的选择面料来制作防护性能运动服装，使得运动者在运动过程中能够避免人体各部位受损。
[0006]本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的:一种高防护性能球类运动服装的制备方法，其特征在于，其包括以下步骤:步骤Si，运用三维动态测量系统采集人体运动过程中各关节三维空间数据；步骤S2，运用运动生物力学和基础力学原理将三维空间数据转化为人体生物力学参数；步骤S3，结合网球运动特点以及基础力学，构建简易的球类运动碰撞过程人体受力模型；步骤S4，选择合适的评价参数作为数据分析，以面料参数为变量建立面料与评价参数之间的人体运动防护模型；步骤S5，基于人体运动防护模型，改变面料参数，达到最佳防护效果，即可进行防护性运动服装的设计制作。
[0007]优选地，所述步骤SI的三维动态测量系统为红外立体摄影测量系统。
[0008]优选地，所述步骤S2将三维空间数据转化为人体生物力学参数主要是采用牛顿第三定律、冲量定律、动量定理基础力学原理将三维空间数据通过公式转化为人体关节部位的速度、加速度、动量的人体运动力学参数。
[0009]本发明的积极进步效果在于:本发明构建人体运动受力模型以及建立面料性能参数与人体生物力学参数之间的关系式，从而在服装设计过程中可以依据服装面料的性能来初步计算出服装对于人体关节部位的防护能力大小，以便于更好的选择面料来制作防护性能运动服装，使得运动者在运动过程中能够避免人体各部位受损。本发明将现有的服装设计方法从静态人体测量提升为动态人体测量，并且把运动生物力学，基础力学等学科融入服装设计中，研究出一种通过对运动中人体的受力分析等方法来设计制作出真正具有防护性能的减缓人体关节部位受损的运动服装的制备方法。
【专利附图】
【附图说明】
[0010]图1为本发明高防护性能球类运动服装的制备方法的流程图。
[0011]图2为本发明中球类碰撞受力模型的原理图。
[0012]图3为本发明中弹簧振子模型的原理图。
[0013]图4为本发明中网球运动碰撞过程中人体受力模型的原理图。
【具体实施方式】
[0014]下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。
[0015]如图1所示，本发明高防护性能球类运动服装的制备方法包括以下步骤:
步骤Si，运用三维动态测量系统采集人体运动过程中各关节三维空间数据；
步骤S2，运用运动生物力学和基础力学原理将三维空间数据转化为人体生物力学参数；
步骤S3，结合网球运动特点以及基础力学，构建简易的球类运动碰撞过程人体受力模型；
步骤S4,选择合适的评价参数作为数据分析，以面料参数为变量建立面料与评价参数之间的人体运动防护模型，以便再之后的服装设计中通过测量面料的性能参数即可推断出服装对于人体关节部位的防护能力；
步骤S5，基于人体运动防护模型，改变面料参数，达到最佳防护效果，即可进行防护性运动服装的设计制作。
[0016]其中，所述步骤SI的三维动态测量系统为红外立体摄影测量系统，可进行三维与六维自由度测量，可同时进行动态静态测量，可实时采集与显示数据，具有广泛的应用领域；在工效学、虚拟现实、运动控制等多个领域应用广泛，三维运动测量系统基于红外主动发光原理，测量结果稳定可靠；标识点实时定位跟踪，不混淆，不丢失。通过粘贴在人体身上的红外标记点，运用三维动态测量系统对人体运动状态进行捕捉，从而采集运动过程中人体各关节部位的三维空间数据，以(X，Y，Z)的形式呈现。
[0017]其中，所述步骤S2将三维空间数据转化为人体生物力学参数主要是采用牛顿第三定律、冲量定律、动量定理等基础力学原理将三维空间数据通过公式转化为人体关节部位的速度、加速度、动量等人体运动力学参数。
[0018]其中，所述步骤S3和步骤S4通过对基础力学的理论研究，运用运动生物力学对各类不同运动进行不同的力学分析，寻找有效的对人体受损程度进行评价的人体生物力学参数，通过基础力学建立简易的运动人体受力模型，结合服装材料力学，建立人体运动防护模型。所述步骤S4基于基础力学中的弹簧振子模型(图3 )，结合肌肉三元素模型，建立球类碰撞简易受力模型(图2)，再通过结合服装材料弹性回复率等相似参数，建立简易的人体防护模型。本发明基于基础力学以及人体防护模型，结合冲量定理以及动量定理，通过对球类碰撞过程的分析，将评价参数确立为碰撞瞬间人体关节部位动量大小以及碰撞结束后人体关节部位动量随时间变化率。
[0019]其中，所述步骤S3的构建简易的球类运动碰撞过程人体受力模型的过程如下: 步骤S31，人体运动生物力学分析，在对运动损伤防护机理的研究中可以看出，人体肌肉对骨骼的防护作用是通过肌肉的弹性收缩产生形变来对外力进行吸收缓冲所达成的。骨骼肌由肌腹和肌腱两部分组成，肌腹主要由肌纤维组成，是肌肉的收缩成分，肌腱主要由平行的胶原纤维束组成，没有主动收缩能力但是拥有良好的弹性，能够抵抗很大的张力，肌腱连同肌肉外部的组织统称为肌肉的弹性成分。肌肉的收缩成分实现了肌肉的主动收缩放松，而肌肉弹性成分则在肌肉收缩过程中起着储存能量及缓冲保护等作用。由此可见，肌肉的弹性能力对于其能否有效缓冲外力来说是一个至关重要的条件。在肌肉生物力学领域，奠定基础的是hill的肌肉双元素模型，在肌肉生物力学发展的过程中，冯元祯在此基础上建立了肌肉的三元素模型，模型主要由收缩元，串联弹簧元，并联弹簧元三要素组成。肌肉的三元素模型，从肌肉的组成出发，忽略了肌肉与肌肉间的其他物质成分，将肌肉弹性成分简化成为弹簧元，在简化模型下能够更好的对肌肉进行力学分析。在基础力学中，有一种用于研究弹簧理论的与肌肉三元素模型相类似的模型称之为弹簧振子模型，其作用主要是用于理解物理学中的简谐运动的规律。如图3，将轻弹簧一端固定，另一端与质量为m的质点相连，设弹簧在质点运动过程中总处于弹性范围内，则弹簧与质点构成的系统成为弹簧振子，弹簧振子是一个不考虑摩擦阻力，不考虑弹簧的质量，不考虑振子的大小和形状的理想化模型。如图3所示，弹簧振子处于光滑水平面上，以弹簧处于自然状态的平衡位置为坐标原点，当振子偏离平衡位置的位移为X时，忽略振子运动过程中的空气阻力，则质点m受到的弹力作用为f=_kx。其中k为弹簧的劲度系数，负号表示弹力的方向与振子位移的方向相反。
[0020]步骤S32，服装设计方法分析，色彩、款式、面料是构成服装设计的三要素，而服装色彩直接由选用的服装面料来体现，款式造型则依据面料的柔软，硬挺，悬垂以及厚薄轻重等特性来保证，因此，服装材料的主体就是面料，服装面料是构成服装的最本质的基础。服装面料的基本力学性质，包括拉伸，撕裂，顶破和弯曲等，其中一项与弹簧振子模型中弹簧的力学性质相类似的就是面料的弹性回复率，面料再受到外力作用一段时间后去除外力，面料产生的部分伸长变形(急弹性变形)会立即回复，随着去除外力后时间的延续，又有部分伸长变形(缓弹性变形)继续回复，但最终仍有部分伸长变形(塑性变形)不能回复。在所有伸长变形中可回复部分所占的比例，称为弹性回复率，弹性回复率可以衡量纤维的变形回复程度。
[0021]步骤S33，构建人体受力模型，在生物力学领域，骨骼，肌肉，关节都有成熟的生物力学原理以及参数来对运动中的人体各个部分进行完整的力学分析，但是通过对相关文献书籍的查阅，发现通常的力学分析往往是通过分析人体的状态来研究如何提升运动效果。例如在投掷类运动的生物力学分析中，通过对出手角度，出手速度，出手点高等一系列力学参数来分析获取最佳的出手条件。对于运动防护也通常是通过对人体在不同运动阶段下的肌肉活性以及做功大小等来判断肌肉对运动效果的作用大小，并且以此为结果来锻炼肌肉力量以提高人体的运动技巧从而防止运动损伤。在现阶段的运动生物力学研究中，虽然也有将其结果应用与运动鞋类的设计，但是，对于如何将运动生物力学参数与服装设计中的各种参数相连接，能够直接反映出服装的防护性能的研究少之又少，因此，本文连接肌肉三元素模型，弹簧振子模型以及服装面料的弹性回复率，构建了网球运动时人体受力简易模型(图2)。如图2所示，图中长方形代表人体部位，其上的弹簧代表弹性面料，假设网球质量为m，在与球拍接触前速度为Vl，接触后速度为v2，并且在接触过程中网球作用在球拍上的力垂直于球拍，并且作用力大小为F1，设球跟球拍作用后，给了弹簧一个初速度V，然后弹簧发生最大形变X后，速度由V变为O，弹簧由初速度V变为O的时间为t，则根据冲量定理，如式(I):
Ft=mv, F=mv/t..................................................................(I)
其中，F是t时间内弹簧的平均受力，从已知条件中可知，弹簧有一定的弹性系数以及最大的形变量X，不同的弹性系数决定了弹簧的平均受力能力大小，在上述模型中，网球首先对面料(即弹簧)有一个作用力F1，F1使得面料产生形变，形变收缩的过程中储存弹性能力，当形变量达到最大时，面料开始反弹，这一过程中，面料储存的能转换为自身的内能和周围空气的内能，从而达到了缓冲的效果，之后，剩余的网球的力才被传导至人体，对人体做功。因此,人体的受力大小为式(2)和式(3):
F2=F1-F............................................................(2)
F=kx............................................................(3)
k是弹簧的弹性系数，X为弹簧的形变量。
[0022]此时F大小与弹簧本身的弹性系数有关。由此可以通过弹性系数来建立弹性面料与运动生物力学系数之间的第一步关系式。
[0023]其中，所述步骤S4选择合适的评价参数包括以下步骤:由上述公式可知，在弹簧变形回复的时间t内，mv即人体动量的大小对于关节受力F有着至关重要的影响，在相同作用时间内，动量越小，关节受到的力F也就越小，则对关节的损伤越轻。由于测量设备的限制，并不能完全测出弹簧(即弹性面料)由初速度V变为O的时间，假设在时间tl内，弹簧由初速度V变为V’，则弹簧受力为F= (mv-mv’)/tl，则动量在时间tl内的改变量即受力F越小对关节的损伤越小即面料防护性能最好。在mv-t折线图中，F即动量随时间的变化率，本文中将此称为动量缓冲力系数。依据上述人体受力简要模型以及力学公式的推导，将本文中评价面料防护性能的参数确立为球与球拍接触后人体各关节部位的动量以及动量缓冲力系数。
[0024]其中，所述步骤S4以面料参数为变量建立面料与评价参数之间的人体运动防护模型包括以下步骤:假设球球拍碰撞时的力大小为F，为简化力学分析，假设力F从球拍传递至手腕时大小仍为F，并且在运动过程中，肌肉对骨骼防护所吸收的力大小为恒定值，记为C。
[0025]因此在手腕处采用面料防护，则上肢各关节部位受力大小为式(4)、式(5)、式
(6):
FI =F-Fj -C............................................................(4)
F2=F1-C............................................................(5)
F3=F2-C............................................................(6)
其中:F1为腕部受力，F2为肘部受力，F3为肩部受力，F’为弹性面料吸收储存的力。
[0026]其余在肘部以及肩部采用面料防护，力学公式类似。
[0027]在上面所确立的评价参数中，确立了评价参数为动量。则式(4)至式(6)可转换为式(7)和(8):
Pl=Ft_F，-Ct..............................................................................(7)
Pl=mat-kx-C=mv-kxt-Ct...............................................................(8)
其中，Pl为手腕处动量大小，其余两处动量公式类似;mv为球撞击球拍时动量大小，t为弹性面料恢复形变时间，即球与球拍的碰撞时间，k为弹性面料的弹性系数，X为接受F大小的力时弹性面料的形变量。由此即可将弹性面料的力学参数与运动生物力学参数进行转换。
[0028]下面举一个具体的例子进行说明:
步骤一，运用三维动态测量系统采集人体运动过程中各关节三维空间数据。根据网球运动上肢运动特点及测量系统的使用方法，在实验对象上半身贴上刚体，标出虚拟点位置。刚体位置分布在大臂中部，前臂中部，腰部以及后颈，并且根据公司实验人员指导，设置5个虚拟点，分别为肩胛骨突出点，肘部内外侧(这三个虚拟点依托大臂中部的刚体所设置)，腕部内外侧(这两个虚拟点依托前臂中部的刚体所设置)共5个虚拟点。使用可进行三维与六维自由度测量、可同时进行动态静态测量、可实时采集与显示数据的红外立体摄影测量系统对实验对象按要求进行网球上抛式发球运动进行动态测量，获得以三维坐标数据(X，Y，Z)形式输出的各虚拟点三维空间数据。每组实验以确保记录完整的5次实验数据用于数据分析。
[0029]步骤二，运用运动生物力学，基础力学原理将三维空间数据转化为人体生物力学参数。依据逆向动力学原理，采用牛顿第二定律，冲量定理，动量定理等将三维空间数据转化为人体运动的瞬间动量值(时间间隔0.01s)。
[0030]步骤三，结合球类运动特点以及基础力学，构建简易的球类运动碰撞过程人体受力模型。选择基础力学中的弹簧振子模型来作为网球运动碰撞过程人体受力模型建立的基础模型，结合肌肉力学性能(肌肉组织接受外力并缓冲物对骨的直接冲量来对人体骨骼进行防护作用)以及网球运动时人体上肢的运动特点(具体的力学传导过程为:1.近端肌肉的收缩力F1，产生肌力矩，使近端产生加速度，获得动量；2.此时远端肌肉主动收缩产生力F2，该力产生的力矩使远端环节获得加速度b2的同时其反作用力-F2，使近端产生反向的加速度_b3而制动。如图4所示)构建网球运动碰撞过程中人体受力模型。
[0031]步骤四，选择合适的评价参数作为数据分析，以面料参数为变量建立面料与评价参数之间的人体运动防护模型。将对服装材料防护性能优劣性的评价参数确立为球碰撞球拍之后瞬间人体各关节部位最大动量以及之后随挥过程中的动量缓冲力系数。通过实验确定与运动防护相关的面料参数。实验通过不同面料制成不同层数的护肩、护肘、护腕，实验对象分别佩戴各类不同面料或层数的护具进行网球上抛式发球运动，通过各类护具佩戴条件下两个评价参数来评价弹性及厚度对人体关节部位评价参数变化的影响力大小。最后确定面料厚度的改变对于各关节部位评价参数的改变的影响力较大。后通过不同复合方式来改变厚度参数来验证其影响力，最后通过改变护具的类型来验证不同类型护具对各关节评价参数改变的影响力，并且运用复合方式的实验数据对构建的网球运动下服用材料性能参数与防护力之间的关系式进行数据修正。
[0032]步骤五，基于人体运动防护模型，改变面料参数，达到最佳防护效果，即可进行防护性运动服装的设计制作。分别以面料，复合方式，护具包缠方式为单一的变量，按照评价参数人体上肢各关节的动量峰值以及缓冲力系数的数值大小来对其进行排序，排序后按照各类护具的权重不同进行加权平均的算法，获取最优组合方式，用于后续防护性网球运动服装的开发。
[0033]本领域的技术人员可以对本发明进行各种改型和改变。因此，本发明覆盖了落入所附的权利要求书及其等同物的范围内的各种改型和改变。
【权利要求】
1.一种高防护性能球类运动服装的制备方法，其特征在于，其包括以下步骤: 步骤Si，运用三维动态测量系统采集人体运动过程中各关节三维空间数据； 步骤S2，运用运动生物力学和基础力学原理将三维空间数据转化为人体生物力学参数； 步骤S3，结合网球运动特点以及基础力学，构建简易的球类运动碰撞过程人体受力模型； 步骤S4,选择合适的评价参数作为数据分析，以面料参数为变量建立面料与评价参数之间的人体运动防护模型； 步骤S5，基于人体运动防护模型，改变面料参数，达到最佳防护效果，即可进行防护性运动服装的设计制作。
2.如权利要求1所述的高防护性能球类运动服装的制备方法，其特征在于，所述步骤SI的三维动态测量系统为红外立体摄影测量系统。
3.如权利要求1所述的高防护性能球类运动服装的制备方法，其特征在于，所述步骤S2将三维空间数据转化为人体生物力学参数主要是采用牛顿第三定律、冲量定律、动量定理基础力学原理将三维空间数据通过公式转化为人体关节部位的速度、加速度、动量的人体运动力学参数。
【文档编号】A61B5/11GK104223468SQ201410361761
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年7月28日 优先权日:2014年7月28日
【发明者】曹蕊超, 谢红, 李露, 曲畅, 张婷婷 申请人:上海工程技术大学