服装面料张力、压力测量装置及方法

技术领域

本发明涉及服装智能工程领域，特别是涉及一种服装面料张力、压力测量装置及方法。

背景技术

运动服装在体育活动中发挥重要作用，合理的运动服装能够在运动过程中为人体不同部位提供不同的压力，能够有效促进运动动作的发挥，从而提高运动效果，保护运动员的运动健康。随着我国经济社会的发展和人民物质精神文明水平的提升，滑冰、自行车等体育比赛越来越多，与人们日常生活的联系日益紧密，这一类体育运动也逐渐成为青少年体育训练的重要项目，随之而来的紧身运动服装对压力舒适性的追求成为趋势。

当要求紧身运动服装在人体特定位置满足一定的压力时，对服装版型的制作要求会进一步提高，服装对人体表面产生的压力是通过紧身服装的弹性收缩产生的，因此会要求服装版型在特定的人体部位满足自身的张力条件，而服装面料表面张力与其对人体产生的压力之间并无直接的换算方法，且与人体表面形状，布料弹性属性，版型结构，穿着姿态都有关系，现有方法多是采用间接法测量或模拟计算压力数据，难以直接同步测量布料张力和其对人体的压力。

发明内容

本发明的目的是提供一种服装面料张力、压力测量装置及方法，能够直接同步测量布料张力和其对人体的压力，为紧身服装智能化定制提供可靠的数据支撑。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种服装面料张力、压力测量装置，所述装置用于测量目标人体待测部分所穿紧身服装对目标人体的压力和紧身服装面料的张力；所述装置包括测力传感器、框架和相机；

所述相机滑动连接于所述框架上，且围绕所述框架移动；所述框架内侧设有若干个测力传感器，所述测力传感器的测力端连接有支撑杆，所述支撑杆上安装3D打印的目标人体三维模型离散化实体单位片段，若干个所述实体单位片段构成与目标人体待测部分围度相同的模拟待测部分；所述目标人体待测部分所穿紧身服装套设在所述模拟待测部分上；

所述测力传感器用于测量所述紧身服装对所述模拟待测部分的压力；

所述相机用于采集所述紧身服装的图像序列，根据所述图像序列的变形率得到所述紧身服装的面料张力。

可选的，所述框架为两个同心设置、大小不等的圆环，所述相机设置在外圆环上，所述测力传感器设置在内圆环内侧。

可选的，所述外圆环为齿条结构的环形轨道，所述环形轨道上设有底座，所述底座与所述环形轨道啮合连接，所述相机固定在所述底座上。

可选的，所述底座还与步进电机连接，所述步进电机用于驱动所述底座运动。

可选的，本发明还提供了一种服装张力、压力测量方法，所述方法包括：

根据目标人体获取目标人体三维模型，在所述目标人体三维模型上截取待测部分，将截取的待测部分离散化得到单位片段，将所述单位片段进行3D打印，得到实体单位片段；

将所述实体单位片段安装在支撑杆末端，所述实体单位片段组成的模拟待测部分与目标人体待测部分的围度相同；

使用特定花纹的目标面料根据目标人体制作紧身服装，将与所述目标人体三维模型待测部分相对应的紧身服装待测量部分截取出来，得到待测量服装；

将所述待测量服装套设在所述模拟待测部分上，模拟紧身服装的穿着状态，记录此时各测力传感器的值作为紧身服装压力；

驱动相机沿框架环绕一周，拍摄所述待测量服装的图像序列，根据所述图像序列中特定花纹的变形情况确定面料的变形率，根据所述变形率计算得到紧身服装张力。

可选的，在得到所述紧身服装压力与所述紧身服装张力后，还包括：

将所述紧身服装压力与所述紧身服装张力代入公式

将所述面料张力与压力的耦合关系应用到紧身服装未测量部分的张力计算中，实现紧身服装整体张力、压力的测量。

可选的，所述方法还可包括：

分别对不穿紧身服装和穿着紧身服装的目标人体进行三维扫描，得到第一目标人体三维模型和第二目标人体三维模型；

对所述第一目标人体三维模型和第二目标人体三维模型的同一待测部分使用如上述的测量方法进行测量，得到第一紧身服装压力、第一紧身服装图像序列和第二紧身服装压力、第二紧身服装图像序列；

根据所述待测部分构建质点弹簧模型，将所述第一目标人体三维模型的第一围度数据、第一紧身服装压力作为所述质点弹簧模型的初始状态，将所述第二目标人体三维模型的第二围度数据、第二紧身服装压力作为所述质点弹簧模型的最终状态，根据所述初始状态和所述最终状态求解所述质点弹簧模型的弹性系数；

根据所述第一目标人体三维模型和第二目标人体三维模型确定所述目标人体穿着紧身服装前后各部分的变化围度，根据所述变化围度与所述质点弹簧模型利用胡克定律计算各部分的紧身服装张力；

根据所述第二目标人体三维模型的围度数据确定所述目标人体在穿着紧身服装时各部分紧身服装张力与紧身服装压力的夹角，根据所述夹角与所述紧身服装张力计算各部分的紧身服装压力，实现紧身服装整体张力与压力的测量。

可选的，所述根据所述待测部分构建质点弹簧模型具体为：

取所述待测部分中间位置的截面曲线作为边缘曲线，以所述离散化单位片段的中点为依据对所述待测部分横向截面内的网格进行划分，将所述网格的顶点作为质点，网格的边作为虚拟弹簧，生成所述质点弹簧模型。

可选的，在进行所述网格划分时，将所述离散化单位片段的中点与所述横向截面中点的连线作为径向线，用若干等分点对每一所述径向线等分，连接所有所述径向线上位于同层的所有所述等分点得到横向线，所述横向线与所述径向线共同组成网格。

可选的，求解所述质点弹簧模型的弹性系数时，根据所述初始状态和最终状态下质点间的第一径向距离、第二径向距离，结合第一紧身服装压力、第二紧身服装压力，利用胡克定律计算所述质点弹簧模型的径向弹性系数；

根据所述第一紧身服装压力、所述质点弹簧系统中第一紧身服装压力与第一紧身服装张力的夹角，结合力的合成原理得到第一紧身服装张力，同理，得到第二紧身服装张力；

根据所述第一围度数据计算质点间的第一距离，根据所述第二围度数据计算质点间的第二距离，根据所述第一距离、第二距离、第一紧身服装张力和第二紧身服装张力，结合胡克定律计算所述质点弹簧模型的横向弹性系数。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提供了一种服装面料张力、压力测量装置及方法，所述装置通过模拟目标人体穿着紧身服装时的状态，实现了对服装张力与人体所受压力的同时测量，同时由于张力与压力都是采用直接测量的方式得到，具有很高的精确度，能够满足服装设计的实际需求，为定制者提供更加符合心意的服装。还提供了一种利用测得的面料张力和压力计算面料的张力与压力之间存在的数量关系的方法，从而能够为当前面料的服装设计提供准确的数据支持，避免了重复测量计算的操作，大大简化了服装设计的流程。本发明还提供了一种面料拉伸力学模型的构建方法，利用目标人体穿着服装前后的形态变化以及两种状态下测得的数据，实现对面料自身弹性模量与对人体压力系数的计算，得到服装设计过程中的面料拉伸力学模型，从而帮助设计者更加迅速精确的设计出符合定制者要求的服装，提高了服装定制的便捷性、灵活性以及定制出的服装的舒适度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1提供的服装张力、压力测量装置结构图；

图2为本发明实施例2提供的服装张力、压力测量方法流程图；

图3为本发明实施例2提供的选取目标人体三维模型待测部分示意图；

图4为本发明实施例2提供的待测量服装套设在模拟待测部分上的示意图；

图5为本发明实施例3提供的服装张力、压力测量方法流程图；

图6为本发明实施例3提供的服装张力、压力耦合关系示意图；

图7为本发明实施例4提供的服装张力、压力测量方法流程图；

图8为本发明实施例4提供的待测部分横截面网格划分示意图；

图9为本发明实施例4提供的质点弹簧模型中服装张力、压力的耦合关系示意图；

符号说明：

1-相机，2-外圆环，3-内圆环，4-测力传感器，5-支撑杆，6-实体单位片段，7-数据采集卡；8-1：质点，8-2：横向连接弹簧，8-3径向连接弹簧。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种服装张力、压力测量装置及方法，通过模拟目标人体穿着紧身服装时的状态，对所述紧身服装的张力与紧身服装对人体的压力进行测量，从而为紧身服装定制提供数据支持。还能够通过压力与张力的耦合关系，为服装舒适性和功能性的研究提供准确的数据来源。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例1

作为本发明的一个具体实施例，提供了一种服装张力、压力测量装置，用于测量目标人体待测部分所穿紧身服装对目标人体的压力和紧身衣面料的张力；所述装置包括测力传感器、框架和相机；

如图1所示，所述相机1滑动连接于所述框架上，且围绕所述框架移动，所述框架内侧设有若干个测力传感器4，所述测力传感器4为微电压信号输出的拉压力传感器，所述测力传感器4的测力端连接有支撑杆5，所述支撑杆5上安装3D打印的目标人体三维模型离散化的实体单位片段6，若干个上述实体单位片段6构成与目标人体待测部分围度相同的模拟待测部分；

所述测力传感器4用于在所述目标人体待测部分的紧身服装套设在所述模拟待测部分上时，测量所述紧身服装对所述模拟待测部分的压力，数据采集卡7采集所述测力传感器4输出的数据；

所述相机1用于采集当所述所述目标人体待测部分紧身服装套设在所述模拟待测部分上时所述紧身服装的图像序列，从而根据所述图像序列的变形率得到所述紧身服装面料张力。

其中，所述框架包括两个同心设置、大小不等的圆环，所述相机设置在外圆环2上，所述测力传感器4设置在内圆环3内侧，内圆环3的直径可以为1m，具体数据至少应大于目标人体最大围度的设置。

为了便于相机1的移动拍摄，所述外圆环2为齿条结构的环形轨道，所述环形轨道上设有底座，所述底座与所述环形轨道啮合连接，所述相机1固定在所述底座上，在与底座相连的步进电机的驱动下沿环形轨道运动。在实际应用中，可以通过调节步进电机的功率精确控制相机的旋转速度和位置，以使得相机1拍摄到更加清晰便于计算的图像序列。

为了使本装置具有更好的适应性，可以将所述支撑杆5设置为长度可调节的支撑杆。所述支撑杆5与所述测力传感器4的测力端通过螺口方式连接，以便于对支撑杆5的长度进行调节。支撑杆5末端还设置有安装孔，使得同样设置有安装孔的实体单位片段6能够安装在支撑杆5上。进一步的，所述支撑杆5末端可以设置成弯折的形状，安装孔设置在弯折部分上，从而便于实体单位片段6的安装。

实施例2

作为本发明的另一实施例，还提供了一种服装面料张力、压力的测量方法，使用实施例1中所述的测量装置进行测量，如图2所示，具体步骤如下：

步骤1：获取实体单位片段。使用三维扫描仪(如手执式扫描仪或集成式人体扫描仪等)对目标人体进行扫描，获取目标人体三维模型，所述目标人体三维模型以三维图形标准格式存储和导出。在所述目标人体三维模型上截取待测部分，将截取的待测部分离散化得到单位片段，将所述单位片段进行3D打印，得到实体单位片段6；

步骤2：安装实体单位片段6，组成模拟待测部分。将所述实体单位片段6安装在支撑杆5末端，所述实体单位片段6组成的模拟待测部分与目标人体待测量部分围度相同，为了进一步保证测量的准确性，使所述实体单位片段6以与人体三维模型相同的姿态和相对位置安装在各支撑杆5上，从而形成的模拟待测部分与人体模型待测量部分完全一致；

步骤3：截取待测量服装。使用特定花纹的目标面料根据目标人体制作紧身服装，将与所述目标人体三维模型待测量部分相对应的紧身服装待测量部分截取出来，得到待测量服装；

步骤4：将所述待测量服装套在所述模拟待测部分上，模拟紧身服装的穿着状态，记录此时各测力传感器4的值作为紧身服装压力；为避免待测量服装径向收缩影响测量精度，可适当加大裁剪布料的宽度。

步骤5：驱动相机1沿框架环绕一周，拍摄所述待测量服装的图像序列，根据所述图像序列中特定花纹的变形情况确定面料的变形率，根据所述变形率计算得到所述紧身服装的张力。

为了更清楚的对步骤1中形成单位片段的过程进行描述，结合图3中对目标人体模型大腿部分进行截取测量的具体例子来进一步说明。如图3所示，对人体模型大腿部分截取距离10mm的两个平行横截面，得到一个宽为10mm的大腿部位模型，取截取出的模型表面部分，则得到一个宽度为10mm的带状表面模型。将带状表面模型按照设定长度的单位规格分段离散化，得到若干个长为设定长度、宽为10mm的单位曲面片，为单位曲面片设定2mm的厚度后就得到了若干单位片段。需要说明的是，本实施例中列举的具体数值均是为了更加便于说明，并不应理解为对本发明的限制。

当支撑杆5的长度可调时，步骤2中可以通过调节所述支撑杆5的长度来得到与所述人体待测部分围度相同的模拟待测部分，当支撑杆5的长度固定时，应当根据所述人体待测部分的围度制作一定长度的支撑杆5来使得模拟待测部分与目标人体待测部分的围度相同，如图4所示。

所述步骤3中，在选择特定花纹时，可以选用黑白格图案，也可以选用等间距分布的黑色圆点图案，只要能够得到变形前后的变形率的图案都应当落入本发明的保护范围。当然，为了便于计算，所选择的图案最好为长度已知的规则图形。

将选择好的待测量服装套设到模拟待测部分后，待测量服装收缩时会对各个实体单位片段6产生压力，所述实体单位片段6在压力作用下会通过各自的拉伸杆对各测力传感器4产生拉伸力，此时测力传感器4的输出数值即为服装面料对实体单位片段的压力数据。更具体的，各测力传感器4输出的数据可使用32路电压信号数据采集卡7进行采集，然后将采集到的电压信号经过处理换算得到力的数值，再根据实体单位片段6的面积换算成单位面积的压力单位Pa。并且，在套设所述待测量服装前，先对各测力传感器4数值清零，以避免冗余数据的影响，提高数据采集的精确度。

在步骤5中得到相机1采集的图像序列后，利用数字图像处理算法，提取像素特征点，如黑白格角点、黑色像素点等，计算布料的变形率。在相机1采集时，根据所述测力传感器4的个数来计算角度，根据相机1所在的位置使相机1在正对各支撑实体单位片段6的位置时采集对应的图像，作为计算变形率的依据。这样能够避免相机1的拍摄角度对布料变形率的影响，进一步提高张力、压力计算的准确度。

在得到布料的变形率后，根据布料的弹性模量确定对应变形率下布料的张力值，得到所述紧身服装待测量部分的张力值。还可通过力学实验机对单位宽度的布料进行拉伸实验，得到布料的张力变形曲线，根据张力变形曲线直接确定当前变形率的张力值。

由此完成对紧身服装的张力、压力的直接测量和同步测量，综合集成三维扫描、传感器、机器视觉、图形图像处理等智能信息处理技术和机构设计原理，根据人体特定位置的三维表面形态和服装穿着状态，利用机器视觉的原理测量针对个性化人体的紧身服装布料张力和压力的关系，可以实现紧身服装布料张力和压力的耦合测量，为服装舒适性、功能性研究开发提供准确的数据来源。能够为紧身运动服装的自动化、数字化、智能化版型生成过程提供定量化依据，保障紧身运动服装个性化版型的功能性和舒适性，同时提高定制制版工作的高效率和准确性。能实现针对目标人体定量优化紧身服装版型，促进新一代信息技术在服装智能制造工程领域得到广泛而深入的应用，拓展服装智能工程的应用领域。为紧身运动服装个性化定制智能制版提供全新的技术手段和实用工具，提高紧身运动服装设计生产的自动化、智能化水平。

实施例3

为了进一步简化服装面料张力、压力测量的操作流程，使服装定制更加智能化，作为本发明的一个具体实施例，如图5所示，在上述实施例2中方法的基础上，得到待测部分的紧身服装压力与张力后，还可以根据所述紧身服装压力与所述紧身服装张力求得两者间的耦合关系。具体的，根据描述面料拉伸与服装压力的计算关系的Kirk方程：

将所述紧身服装压力与所述紧身服装张力代入公式

将所述面料张力与压力的耦合关系应用到紧身服装未测量部分的张力计算中，实现紧身服装整体张力、压力的测量。

实施例4

作为本发明的另一实施例，充分考虑到人体的初始形态和在压力作用下的最终形态存在差别，简单的利用目标人体三维模型计算张力与压力很可能存在误差。因此，为了得到更加符合实际情况的紧身服装张力与压力数值，如图7所示，还可以进行如下操作：在对目标人体进行三维扫描得到目标人体三维模型时，分别对不穿紧身服装和穿着紧身服装的目标人体进行三维扫描，得到第一目标人体三维模型和第二目标人体三维模型；

对所述第一目标人体三维模型和第二目标人体三维模型的同一待测量部分使用实施例2中的测量方法进行测量，得到第一紧身服装压力、第一紧身服装图像序列和第二紧身服装压力、第二紧身服装图像序列；

根据所述待测量部分构建质点弹簧模型，将所述第一目标人体三维模型的第一围度数据、第一紧身服装压力作为所述质点弹簧模型的初始状态，将所述第二目标人体三维模型的第二围度数据、第二紧身服装压力作为所述质点弹簧模型的最终状态，根据所述初始状态和所述最终状态求解所述质点弹簧模型的弹性系数；

根据所述第一目标人体三维模型和第二目标人体三维模型确定所述目标人体穿着紧身服装前后各部分的变化围度，根据所述变化围度与所述质点弹簧模型利用胡克定律计算各部分的紧身服装张力；

根据所述第二目标人体三维模型的围度数据确定所述目标人体在穿着紧身服装时各部分紧身服装张力与紧身服装压力的夹角，根据所述夹角与所述紧身服装张力计算各部分的紧身服装压力，实现紧身服装整体张力与压力的测量。

具体的，在根据所述待测量部分构建质点弹簧模型时，取所述待测量部分中间位置的截面曲线作为边缘曲线，也可以对上下两个平行截面的截面曲线取平均作为边缘曲线，以所述离散化单位片段的中点为依据对所述待测量部分横向截面内的网格进行划分，将所述网格的顶点作为质点，网格的边作为虚拟弹簧，生成所述质点弹簧模型，在质点弹簧模型中，弹簧的原长设置为不穿紧身服装时扫描得到的第一目标人体三维模型待测部分划分出的网格长度，弹簧变形后的长度设置为穿着紧身服装后第二目标人体三维模型待测部分划分出的网格长度。

而在进行所述网格划分时，将所述离散化单位片段的中点与所述横向截面中点的连线作为径向线，用若干等分点对每一所述径向线等分，连接所有所述径向线上位于同层的所有所述等分点得到横向线，所述横向线与所述径向线共同组成网格，如图8所示。

在求解所述质点弹簧模型的弹性系数时，根据所述初始状态和最终状态下质点间的第一径向距离、第二径向距离，结合第一紧身服装压力、第二紧身服装压力，利用胡克定律计算所述质点弹簧模型的径向弹性系数。

根据所述第一紧身服装压力、所述质点弹簧系统中第一紧身服装压力与第一紧身服装张力的夹角，结合力的合成原理得到第一紧身服装张力，如图9所示。同理，得到第二紧身服装张力；

根据所述第一围度数据计算质点间的第一距离LS，根据所述第二围度数据计算质点间的第二距离LD，根据所述第一距离LS、第二距离LD、第一紧身服装张力FT1和第二紧身服装张力FT2，结合胡克定律FT1-FT2＝(LS-LD)*EP计算所述质点弹簧模型的横向弹性系数EP；将所述横向弹性系数EP作为面料的弹性模量，将所述径向弹性系数作为面料对人体的压力系数。

为了更便捷的对服装张力、压力进行测量，可以认为第一目标人体三维模型中紧身服装的张力与压力都为零，即还可以仅对第二目标人体三维模型的待测量部位进行测量，得到紧身服装变形率、第二紧身服装压力后，同样使用质点弹簧模型模拟从第一目标人体三维模型的待测量部分的围度数据到第二目标人体三维模型的变化过程，不同的是，在求解质点弹簧系统的横向弹性系数时，根据第一距离LS、第二距离LD和根据第二服装压力求得的第二服装张力FT，代入公式FT＝(LD-LS)*EP得到横向弹性系数EP。

本实施例中的张力、压力测量方法充分考虑到了目标人体在紧身服装作用下的形变，更加精确的得到了紧身服装张力与压力的耦合关系，从而将其应用到紧身服装各部分的张力、压力计算中，为紧身服装的定制提供数据支持，进一步提升了紧身服装的功能性、舒适性与定制过程的自动化、智能化。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。