騎行中皮膚形變與壓力值的相關(guān)性研究

解丹丹　王燕珍

摘 要：為進(jìn)一步提升騎行短褲的功能性及舒適性，綜合考慮壓力舒適性以及皮膚形變狀況。將一個(gè)蹬踏周期分解為0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°這8個(gè)角度下的動(dòng)作。通過灰色系統(tǒng)理論對每個(gè)角度下每個(gè)測試點(diǎn)的壓力與橫縱向形變率進(jìn)行了相關(guān)度分析，結(jié)果顯示W(wǎng)2、W3、H1、L2、L4這5個(gè)點(diǎn)的橫縱向形變與壓力值之間存在極高的相關(guān)度，在此基礎(chǔ)上，利用非線性回歸模型進(jìn)行擬合，得出壓力值與橫縱向形變量間的方程關(guān)系式。

關(guān)鍵詞：壓力舒適性;皮膚拉伸;相關(guān)度

中圖分類號：TS941.17? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-2346（2022）02-0045-06

騎行服是具有高彈力的緊身貼體服裝，其優(yōu)良的服裝結(jié)構(gòu)不僅包括人體靜態(tài)下的結(jié)構(gòu)分割，還包括了動(dòng)態(tài)時(shí)的人體變化。騎行的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)是人體的上肢和軀干主要支撐身體部分體重和控制運(yùn)動(dòng)方向，腿部進(jìn)行循環(huán)的蹬踩來提供動(dòng)力[1]，是一項(xiàng)閉鏈運(yùn)動(dòng)，由下肢的髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)協(xié)同運(yùn)作，髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)主要產(chǎn)生能量，踝關(guān)節(jié)負(fù)責(zé)能量的傳遞。[2-3]

不同緊度的騎行服對人體施加的壓力不同，不適當(dāng)?shù)膲毫Σ粌H會影響運(yùn)動(dòng)效能，甚至?xí)p害身體。張同會[4]針對人體站立和騎行兩種狀態(tài)進(jìn)行壓力測量，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在騎行狀態(tài)下的壓力值是靜態(tài)站立的2倍，說明動(dòng)靜態(tài)下的壓力值相差較大。騎行中的壓力主要分布在前腰中點(diǎn)、后腰中點(diǎn)、大腿后中點(diǎn)、膝蓋、臀凸點(diǎn)等部位。人體部位的動(dòng)態(tài)壓力受不同因素影響，但平均動(dòng)態(tài)壓力隨松量減小而線性增大[5]。有國外學(xué)者研究表明長時(shí)間的被動(dòng)靜態(tài)拉伸（30秒以上）可阻礙運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元紡錘波的反射性活動(dòng)[6]，由此可見運(yùn)動(dòng)過程中的皮膚拉伸的重要性。身體肌肉的收縮和伸展形成表層皮膚的形變[7]，黃莉等[8]采用三維運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)研究了騎行姿態(tài)下腿部的拉伸大小，發(fā)現(xiàn)主要集中在大腿外側(cè)和膝蓋區(qū)域，小腿內(nèi)側(cè)的腓腸肌的縱向拉伸最為明顯;王永榮等[9]針對上坡、平地、下坡這3種路況分析了關(guān)鍵動(dòng)作下的皮膚形變情況;王二會[10]通過騎行動(dòng)作下皮膚拉伸的測量結(jié)果，對緊身褲版型進(jìn)行了優(yōu)化。騎行中的壓力舒適性和皮膚形變情況會影響騎行褲的穿著舒適性，兩者都會對騎行褲的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)產(chǎn)生影響。目前有很多學(xué)者已經(jīng)研究了不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的壓力變化和皮膚形變情況，但綜合考慮兩者影響的研究相對較少。因此，本實(shí)驗(yàn)決定從服裝壓和皮膚形變兩者影響因素著手，探究壓力與皮膚形變間的變化。

1? ? 實(shí)驗(yàn)

1.1? ? 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

實(shí)驗(yàn)在人體感到舒適的條件下進(jìn)行，溫度控制在（22±2）℃，相對濕度控制在（64±1）%，風(fēng)速控制1 m/s以下，為保持?jǐn)?shù)據(jù)的準(zhǔn)確有效性，在實(shí)驗(yàn)15 min前打開氣候倉設(shè)定好溫濕度。

1.2? ? 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及工具

AMI氣囊式接觸壓力測試儀是日本AMI公司研制出用于服裝穿著壓力的測量分析儀器，重復(fù)性強(qiáng)、精度高等特點(diǎn)，能連續(xù)測量人體在動(dòng)態(tài)下服裝面料的壓力變化狀態(tài)。AMI氣囊式傳感器厚度在1mm以下，直徑為20 mm的圓形形狀，可測量0～34 KPa的壓力值，在23 ℃環(huán)境下，若壓力在0～14 KPa，精度為±0.1 KPa，壓力在14～34 KPa時(shí)，精度為±0.25 KPa。

騎行設(shè)備是Erogline功率自行車，其公司是世界規(guī)模最大的專業(yè)功率自行車的制造商。

1.3? ? 實(shí)驗(yàn)對象

實(shí)驗(yàn)挑選了10名有長期運(yùn)動(dòng)習(xí)慣的女性作為實(shí)驗(yàn)對象（表1），均符合BMI值18.5～23.9的正常范圍，有騎行經(jīng)歷，但未曾接受過專業(yè)訓(xùn)練。要求實(shí)驗(yàn)對象前一周無騎行記錄，了解正確的騎行姿勢，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均取10名被試者的平均值。

1.4? ? 實(shí)驗(yàn)測試點(diǎn)的選擇

關(guān)于壓力點(diǎn)的選取，參考張同會[4]的騎行褲壓力實(shí)驗(yàn)，最終確定腰部至膝蓋間的有明顯壓力值變化的9個(gè)測量點(diǎn)，如圖1所示。其中壓力測試點(diǎn)W1為腰部后中點(diǎn)，W2為腰測中點(diǎn)，W3為腰部前中心點(diǎn)，A1為腹部凸點(diǎn)，H1為臀凸點(diǎn)，L1為大腿前中點(diǎn)，L2為大腿內(nèi)側(cè)點(diǎn)，L3為大腿外側(cè)點(diǎn)，L4為大腿后中點(diǎn)，且L1、L2、L3、L4應(yīng)在同一緯線上。

參照GB/T16160—2017《服裝用人體測量的尺寸定義與方法》，結(jié)合壓力測試點(diǎn)的位置，以人體關(guān)鍵部位的基準(zhǔn)線為依據(jù)，下肢的基準(zhǔn)線包括腰圍線，臀圍線，大腿圍，大腿中部圍，確定了形變測量范圍如圖2。

1.5? ? 實(shí)驗(yàn)樣褲

樣褲選擇應(yīng)當(dāng)具有代表性及大眾性，實(shí)驗(yàn)選擇了市場上常見的夏季騎行短褲作為實(shí)驗(yàn)樣褲，如表2。

1.6? ? 實(shí)驗(yàn)步驟

首先用水洗筆在受試者的下肢畫好體表線及壓力點(diǎn)，靜止?fàn)顟B(tài)下的壓力測試要求被試者保持站立，再測量站立狀態(tài)下的體表線段長度;不同角度下的壓力值采集要求被試者騎在功率自行車上，踏板分別處于0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°時(shí)，如圖3（以左腳為例），分別采集壓力數(shù)據(jù)，同時(shí)測量出體表線段長度，取其10位被試者的平均值。

2? ? 數(shù)據(jù)處理

首先將8個(gè)角度下的體表線段長度與靜止站立狀態(tài)下的數(shù)值進(jìn)行計(jì)算，排除其中的異常值，設(shè)定初始站立狀態(tài)下的值為I，不同角度下的體表長度為I，形變率為K，計(jì)算公式如下：=K=I-I/I

計(jì)算出每位被試者8個(gè)角度下的值，8個(gè)角度下各體表線段的均值，進(jìn)行后續(xù)的分析討論。為便于清晰地查看，將橫縱向線段的拉伸率進(jìn)行分區(qū)，WL、MHL、HL為腰臀區(qū)，CRL、FDL為大腿根區(qū)， 腰臀區(qū)的橫向拉伸率如圖4，大腿根區(qū)的橫向拉伸率如圖5。

通過同樣的計(jì)算方法算出所有縱向線段的形變率，與橫向形變率對應(yīng)，分為腰臀區(qū)和大腿根區(qū)兩部分，腰臀區(qū)的縱向形變率如圖6，大腿根區(qū)的縱向形變率如圖7。

8個(gè)角度下的各測試點(diǎn)的壓力值的變化如圖8所示，雖然不同壓力點(diǎn)在8個(gè)角度下的變化不完全相同，但大體上呈現(xiàn)出相似的趨勢，測試點(diǎn)在180°～315°間的壓力值要低于0°～180°間的壓力值，這是由于在0°～180°內(nèi)蹬踏方向向下，易發(fā)力通過此階段，在180°～315°主要靠另一側(cè)的腳蹬踏做功，這側(cè)的不應(yīng)給另一側(cè)蹬踏產(chǎn)生任何阻力，在這期間主要為肌肉放松時(shí)期，等再次到0°時(shí)時(shí)集中于下一階段的做功[11]。

3? ? 壓力與皮膚形變率的關(guān)聯(lián)度分析

實(shí)驗(yàn)中測試的是0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°這8種角度下的值，通過8種角度下的壓力值和皮膚形變來探究一個(gè)周期內(nèi)的變化。

3.1? ? 灰色相關(guān)度分析

通過origin對這9個(gè)測試點(diǎn)的橫縱向形變率與壓力值進(jìn)行初步的相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)無法獲取其中的關(guān)聯(lián)，這是由于數(shù)理統(tǒng)計(jì)中的回歸分析都是用來進(jìn)行系統(tǒng)分析的方法，要求大樣本數(shù)據(jù)，各因素與系統(tǒng)特征數(shù)據(jù)之間存在線性相關(guān)的關(guān)系。

灰色系統(tǒng)理論是由中國學(xué)者鄧聚龍教授在1982年創(chuàng)立，用于對系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)發(fā)展過程進(jìn)行量化分析，對序列間關(guān)聯(lián)程度量化，以及發(fā)展趨勢的相似度。[12]將已知的、正確的數(shù)據(jù)看作黑色，但當(dāng)其中摻雜著未知的、不正確的數(shù)據(jù)時(shí)，即被認(rèn)為是灰色數(shù)據(jù)。其主要研究對象是具有不確定性的數(shù)據(jù)，通過對已知數(shù)據(jù)進(jìn)行信息提取，實(shí)現(xiàn)最終的演化規(guī)律，不確定性的系統(tǒng)主要具有信息不完全、數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確等基本特征?；疑到y(tǒng)主要有6個(gè)基本原理，分別是差異信息原理、解的非唯一性原理、最少信息原理、認(rèn)知根據(jù)原理、新信息優(yōu)先原理和灰性不滅原理。[13]

灰色關(guān)聯(lián)分析法有灰色絕對關(guān)聯(lián)度、灰色相對關(guān)聯(lián)度和灰色綜合關(guān)聯(lián)度之分?；疑鄬﹃P(guān)聯(lián)度是根據(jù)因素間的時(shí)間序列曲線形狀的相似程度來判斷關(guān)聯(lián)程度，也就意味著如果數(shù)據(jù)曲線中出現(xiàn)了某個(gè)極值點(diǎn)，則會影響到各點(diǎn)的關(guān)聯(lián)系數(shù)，從而導(dǎo)致關(guān)聯(lián)度的數(shù)值受到影響。[14]灰色絕對關(guān)聯(lián)度是根據(jù)因素間的時(shí)間序列曲線變化態(tài)勢的接近程度來計(jì)算關(guān)聯(lián)度，即對應(yīng)曲線斜率的接近程度。[15]灰色綜合關(guān)聯(lián)度結(jié)合了這兩者的優(yōu)勢，不僅根據(jù)曲線形狀的相似程度，還考慮到曲線斜率的接近程度，是序列表征較為全面的關(guān)聯(lián)方法，因此采用灰色綜合關(guān)聯(lián)度進(jìn)行分析。分別對每個(gè)測試點(diǎn)橫縱向形變率與壓力值進(jìn)行綜合關(guān)聯(lián)分析，9個(gè)測試點(diǎn)對應(yīng)的壓力值和橫縱向形變率的數(shù)據(jù)，依次導(dǎo)入灰色系統(tǒng)建模軟件（GSTA V7.0），選擇灰色關(guān)聯(lián)分析模型中的灰色綜合關(guān)聯(lián)度，得出關(guān)聯(lián)度。

各測試點(diǎn)橫縱向形變率與壓力值間的灰色關(guān)聯(lián)度的值見表3，關(guān)于關(guān)聯(lián)度的劃分，可以劃分為3個(gè)等級，分別是超過0.7為重要因素，0.5～0.7之間屬于比較重要因素，低于0.5為不重要因素[16]。根據(jù)灰色綜合關(guān)聯(lián)度的計(jì)算結(jié)果，其中為重要因素的有W1點(diǎn)的縱向形變率，W2點(diǎn)的橫縱向形變率，W3點(diǎn)的橫縱向形變率，A1點(diǎn)的橫向形變率，H1點(diǎn)的橫縱向形變率，L2點(diǎn)的橫縱向形變率，L3點(diǎn)的橫向形變率和L4點(diǎn)的橫縱向形變率，也就是W2、W3、H1、L2、L4的橫縱向形變都是影響壓力值的重要因素。

3.2? ? 非線性回歸模型擬合

對于W2、W3、H1、L2、L4，無法初步判斷出壓力值與橫縱向形變之間的回歸模型。這時(shí)可以利用散點(diǎn)矩陣圖來判斷這3個(gè)變量之間的關(guān)系，通過散點(diǎn)矩陣圖建立多元回歸模型是一種基于多個(gè)變量且體現(xiàn)兩兩變量之間的散點(diǎn)特征以及相關(guān)性大小，以此來確立多元數(shù)據(jù)間的非線性函數(shù)模型的方法。[17]壓力值和橫縱形變量這3個(gè)變量的矩陣散點(diǎn)圖如圖9所示。

從圖中可以看出橫縱向形變量與壓力值之間存在近似拋物線的關(guān)系，于是建立非線性回歸方程y=a+bx+cx和y=a+bx+cx。其中y代表橫向形變量，y代表縱向形變量，x為壓力值。y-x分析結(jié)果如圖10所示，可以看出，在經(jīng)過11次迭代之后，模型達(dá)到收斂標(biāo)準(zhǔn)，找到最佳解，得到y(tǒng)與x的預(yù)測回歸模型，為y=80.471-89.385x+33.249x，圖11是模型的顯著性檢驗(yàn)結(jié)果，決定系數(shù)R為0.863，擬合效果較好。

利用同樣的方法算出y-x之間的非線性回歸模型的系數(shù)，迭代歷史記錄見圖12，方差分析表見圖13，從這兩張圖中可以看出，模型在第11次找到最優(yōu)解，停止運(yùn)算，且擬合系數(shù)R為0.797，表明擬合效果較好，得出非線性回歸方程為y=76.528-82.223x+29.332x。

4? ? 總結(jié)

為探究橫縱向形變與壓力值之間的相關(guān)性，利用灰色系統(tǒng)理論中的關(guān)聯(lián)度分析對8個(gè)角度下的橫縱向形變與壓力值進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果發(fā)現(xiàn)W2、W3、H1、L2、L4這5個(gè)點(diǎn)的橫縱向形變與壓力值之間存在極高的相關(guān)度。在這5個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，首先利用散點(diǎn)矩陣圖初步判斷這3個(gè)變量存在的關(guān)系，推測可能存在拋物線關(guān)系，接著利用SPSS進(jìn)行非線性回歸模型的擬合，最終得出方程式y(tǒng)=80.471-89.385x+33.249x和y₂76.528-82.223x+29.332x，為以后的騎行分析作理論參考。

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Research on the Correlation between Skin Deformation and Pressure Value in Cycling

XIE Dan-dan? ? WANG Yan-zhen

（School of Textiles and Fashion，Shanghai University of Engineering Science，Shanghai 201620，China）

Abstract： In order to further improve the functionality and comfort of cycling shorts，the pressure comfort and skin deformation conditions are comprehensively considered.A pedaling cycle is decomposed into actions at 8 angles of 0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、and315°.Based on the gray system theory，the correlation between the pressure and the horizontal and vertical deformation rate of each test point at each angle is analyzed. The results show that there is a very high degree of correlation between the horizontal and vertical deformation of the five points W2，W3，H1，L2，and L4 and the pressure value.On this basis，a nonlinear regression model is used to obtain the equation between the pressure value and the horizontal and vertical deformation.

Key words： pressure comfort;skin stretch;correlation