Одежда покрывает более 80% поверхности человека и образует вместе с человеком систему «Человек-одежда-среда», в которой одежда находится в постоянном контакте и взаимодействии с поверхностью фигуры, поэтому важны такие показатели качества одежды, как «комфорт» и «удобство». Контакты человека и промышленных изделий рассматривают в эргономике на биологическом и психологическом уровнях [4]. В процессе эксплуатации у человека возникают психологические ощущения комфорта или дискомфорта, тепла и холода, удобства, давления на отдельные участки тела, что влияет на утомляемость и работоспособность человека. Следовательно, создание эргономичной одежды требует более полного согласования формы одежды с антропометрическими характеристиками тела человека в соответствии с эргономическими требованиями.
Выделено несколько подходов для проведения исследований и изучения системы «Человек-одежда-среда». Одним из основных направлений является изучение влияния окружающего пространства на процесс эксплуатации одежды. Так исследователями Хорватии [25] разработан кинематический метод изучения эргономики рабочего с использованием трехмерной видеозаписи, который позволяет получить циклограмму движения, а оценка факторов физического риска проводится путем анализа позы и движений, реализованных оператором во время выполнения работы.
При исследовании эргономики рабочего процесса немецкими исследователями была разработана технология «CUELA»(Ellesast) (рис. 1).
Рис. 1. Исследование эргономики рабочего места применением технологии «CUELA» (Ellesast)
Суть этой технологии заключается в способах получения и анализа данных, основывающихся на использовании компьютера и «костюма» из беспроводных датчиков, который обеспечивает анализ движений работника в течение полного рабочего дня [19].
Китайскими исследователями [29] для исследования рабочего места в офисе и взаимодействия одежды с фигурой разработан виртуальный манекен (рис. 2), состоящий из физиологической и антропометрической моделей повторяющих позы, реакции и движения человека, и предложен алгоритм анализа системы «Человек-одежда-среда».
Рис. 2. Результат симуляции рабочего места и анализ зоны зрительного наблюдения
Также, шведскими учеными [22] предложена оценка эргономичного рабочего места в ранних стадиях проектирования с помощью программы «BUMS». Где результаты анализа отражаются цветами, по которым можно оценить эргономичность проектируемого рабочего места (рис. 3).
Рис. 3. Результаты анализа при применении программы «BUMS»
Взаимодействие системы «Человек-одежда-среда» подробно описано авторами [23, 26] которые отметили что «психологический комфорт» обеспечивается комфортными условиями микроклимата пододежного пространства, а «физический комфорт» характеризует степень приспособленности одежды к человеку, т.е. статическое и динамическое соответствие.
Многими зарубежными авторами с целью исследования взаимодействия системы «Человек-одежда-среда» разработаны математические модели для последующего применения результатов исследований при разработке функциональной одежды для определения прибавок на свободу движения, среди которых немецкие исследователи (X. Xu, J. Werner, 1997) [37], ученые факультета машиностроения университета Марибор в Словении (J. Gersak, M. Marcic, 2007) [27], американские и китайские ученые проводящие совместные исследования (L. Yi, U. Aihua, et. al., 2006) в Гонконгском политехническом университете [38] (рис. 4, а), китайские ученые (F. Li, Y. Wang, 2013) [30] (рис. 4, б) из Нанкинского университета аэронавтики и астронавтики в Китае. Такие системы позволяют моделировать и изучать тепловые и эксплуатационные характеристики изделий. Преимуществом разработанных систем является возможность прогнозирования теплового состояния человека, что является важным аспектом комфортной одежды, а также возможность многократного моделирования теплообмена в системе «Человек-одежда-среда» с целью усовершенствования конструкции одежды.
а
б
Рис. 4. Виртуальная среда для изучения взаимодействия системы «Человек-одежда-среда»: а-[38] (L. Yi, U. Aihua, et. Al); б-[30] (F. Li, Y. Wang)
Для исследования взаимодействий элементов системы «Человек-одежда-среда» в статике и динамике проводят соответственно антропометрические [4], и антроподинамические исследования разными контактными и бесконтактными методами. Американскими учеными Департамента одежды, текстиля и дизайна интерьера Государственного университета Канзаса [28] и российскими исследователями [14] рекомендовано нахождение динамических эффектов при совершении характерных видов движений на основе изучения условий эксплуатации проектируемой одежды.
В настоящее время разработаны бесконтактные измерительные системы трехмерного сканирования для получения достоверных информаций о размерных характеристиках тела человека, как в статике, так и в динамике. Так, разработке бесконтактных измерений при совершении движений посвящены исследования зарубежных специалистов (Liu Chi, R. Kennon, 2005) текстильного университета в Манчестере [31], китайских ученых (L. Bing et al., 2010) [21], ученых (Y. Cui еt al., 2013) Британского университета [24], научная работа немецкого ученого (C. Mattman, 2008) Высшей школы Цюриха [33] (рис. 5, г). Разработанная в МГУДТ система 3D сканирования [11] позволяет выполнить моделирование в виртуальной среде движений характерных, для эксплуатации одежды при активной деятельности человека (рис. 5, д).
а
б
в
г
д
Рис. 5. Использование современных систем при изучении фигур в динамике:
а-[21] (L. Bing et al.); б- [31] (Liu Chi, R. Kennon); в-[24] (Y. Cui еt al.); г- [34] (C. Mattman); д- [11] (И. А. Петросова)
При изучении научных работ были выделены следующие способы проектирования эргономичной одежды: учет биомеханических характеристик движений и расчет оптимальных величин конструктивных параметров; оптимизация параметров конструкции по эргономическим показателям; применение оригинальных конструктивно-технологических решений деталей.
Проблемам повышения уровня эргономического соответствия изделий специального назначения посвящены работы Е.Я. Сурженко. Автором [14] предложен новый подход к проектированию эргономичной одежды, основанный на биокинематическом анализе взаимодействия элементов системы «человек-одежда». Такой подход обеспечивает получение рациональной конструкции с заданным уровнем динамического соответствия, но удовлетворительным уровнем статического соответствия одежды [2, 14]. Следовательно, предложенный метод не может быть применен при проектировании бытовой одежды.
Отдельным направлением можно выделить эргономическое проектирование специальной, спортивной и детской одежды, применением конструктивно-технологических средств обеспечения динамического соответствия изделия условиям их функционирования [9, 18]: использование различных покроев рукава, применение в напряженных зонах одежды эластичных вставок, не соединенных швами участков, складок, ластовиц, регулируемых деталей. Однако следует отметить, что оригинальные конструктивно-технологические решения деталей применяются в качестве дополнительных средств для увеличения динамического соответствия изделия.
Обеспечение эргономичности конструкций путем оптимизации конструктивных параметров по эргономическим показателям были изучены в работах Е. Б. Кобяковой, В. В. Размахниной, Н. Х. Наурзбаевой [4,13,17]. Сущность такого способа получения эргономичной одежды заключается в том, что необходимо найти такие сочетание конструктивных параметров, при которых уровень динамического соответствия одежды был бы максимальным. Оптимизация конструктивных параметров по эргономическим показателям динамического соответствия позволяет проектировать одежду с заданным уровнем динамического соответствия, что способствует повышению удобства изделия в эксплуатации и снижению материалоемкости. Однако, стоимость процедур сравнительна высока. Так как такой подход решения задачи эргономичности одежды влечет за собой большие материальные и трудовые затраты на изготовление макетов и на проведение исследований их динамического соответствия заданному набору движений.
В целом, анализ существующих способов проектирования эргономичной одежды показал, что способы определяющие величину минимально необходимой прибавки в конструкции одежды имеют общий недостаток - величина минимально необходимой прибавки неравномерно распределяется по поверхности фигуры и базируются только на линейных размерах фигуры человека и не учитывают форму одеваемой поверхности.
Следует отметить, что в настоящее время развивается новое направление - проектирование виртуальных систем «фигура-одежда», где используются бодисканеры для оцифровывания поверхности фигуры и одежды. Так, в работах [5, 6, 7, 15] исследователями установлены взаимосвязь конструктивных параметров и значений воздушных зазоров на основных антропометрических уровнях и получены уравнения для расчета воздушных зазоров в зависимости от конструктивных параметров. Однако правильность нахождения значений конструктивных прибавок вызывает сомнения, так как их значения определены для статики и не учитывают эргономические требования, влияющие на удобство одежды в движении.
Важным этапом проектирования эргономичной одежды является оценка ее комфортности, как в статике, так и в динамике. В научных работах [8, 14, 16, 17 и др.], посвященных решению проблем повышения эргономичности конструкции бытовой и специальной одежды предлагаются различные методы оценки статического и динамического соответствия системы «человек-одежда».
Известен способ оценки качества посадки с помощью различных приспособлений к манекену и специальных экранов определяющие положения борта, рукава, боковых швов и т.д. [17]. При оценке удобства одежды в динамике было предложено устройства Е. Б. Кобляковой и В. В. Размахниным. Однако следует отметить, что приведенные устройства имеют недостатки, так как данные полученные в процессе проведения оценки имеют субъективный характер и измеряются приспособлениями, находящимися на расстоянии от объекта, что приводит к высокой погрешности измерений.
Бурное развитие компьютерной технологии и варианты визуализации создает альтернативы традиционным способам анализа посадки. Современные швейные САПР оснащены виртуальными манекенами для визуализации формы проектируемых моделей одежды с целью выявления дефектов посадки изделий [10, 36]. Возможность оценки как статических так и динамических дефектов посадки реализовано в САПР «ОptiTex», «Lectra». Помимо складок и заломов на изделии, которые отражаются непосредственно при «одевании» манекена, разработчиками этих САПР предусмотрен специальный режим просмотра, позволяющий оценить давление одежды на тело человека и напряжение в ткани на различных участках. Места на изделии, на которых действуют механически силы (давление, натяжения) отмечаются цветовыми пятнами, насыщенность которых зависит от величины силы.
Различные подходы оценки качества посадки готовой одежды с помощью современных технических устройств предложены американскими учеными (E. Bye, E. McKinney, 2010) [20], корейскими исследователями (I.H. Sul,T.J. Kong, 2010) Саульского Национального университета [34], французскими исследователями (X. Tao, P. Bruniaux, 2013) где реализуется два подхода анализа посадки: проверка значения прибавки измерением расстояния между контуром одежды и контуром тела и применение цветовых пятен, насыщенность которого зависит от величины прибавок [35] (рис. 6, а). Технология 3Dсканирования использована американскими и корейскими учеными (MiPark S., MiChoi K., 2011) и при оценке качества проектирования манекена [32] (рис. 6, б).
а
б
Рис. 6. Оценке качества: а- построения манекена [32] (MiPark S., MiChoi K.); б- посадки изделия [35] (X. Tao, P. Bruniaux)
Также методы оценки качества одежды с помощью систем трехмерного сканирования предлагаются и российскими исследователями [1, 3]. Разработанная система 3Dсканирования на кафедре ХМКТШИ МГУДТ является объективным инструментом оценки качества посадки проектируемого изделия в процессе виртуальной примерки на фигуре человека (рис. 7), так как имеет возможность сканирования и сравнения фигуры человека в одежде и без одежды для проведения анализа внешней формы изделий. Так как система 3D сканирования обеспечивает решение таких задач как, точное определение размерных характеристик и внешней формы поверхности фигуры с целью оценки проектируемого изделия внешней форме фигуры потребителя, что в свою очередь приведёт к получению рациональных конструкций изделий а, следовательно, и повышению уровня эргономичности одежды.
Рис. 7. Этапы проведения оценки соответствия одежды фигуре
Таким образом, изучение и анализ научных работ российских и иностранных авторов выявили, что в практике проектирования одежды широкое применение нашли методы оценки качества одежды с помощью систем трехмерного сканирования.
По результатам анализа предложена новая постановка процесса проектирования эргономичной одежды с применением технологии трехмерного сканирования (рис. 8). Процесс разработки эргономичной одежды можно условно разделить на три этапа: анализ условий эксплуатации одежды; разработка эргономически рациональной конструкции и оценка эргономического соответствия разработанной одежды. На первом этапе необходимо выбрать вид деятельности потребителя т. к. каждая профессия предъявляет свои специфические требования к одежде, которые необходимо учитывать при ее разработке. Изучение особенностей окружающей среды и ее влияние на характер движения, является важным этапом в процессе проектирования эргономичной одежды. Для создания рациональной конструкции необходимо на основе анализа условий эксплуатации одежды определить характерные движения, оказывающие наибольшее влияние на изменение размерных характеристик тела, и соответственно, форму деталей конструкции. Антропометрические и антроподинамические исследования проводятся с помощью системы 3Dсканирования, так как система позволяет моделировать в виртуальной среде движения, а также определить широкий спектр размерных признаков фигур, как в статике, так и динамике [11].
На втором этапе определяют конструктивные особенности проектируемой одежды, выбрав значения параметров формообразования, разрабатывается эргономичная конструкция одежды для заданной целевой группы.
На завершающем этапе проводится оценка качества одежды с помощью технологии 3Dсканирования, путем совмещения сканированных трехмерных моделей фигур в одежде и без нее [12].
Рис. 8. Схема проектирования эргономичной одежды с применением технологии трехмерного сканирования
Таким образом, предлагаемая технология обеспечивает возможность виртуального моделирования поведения системы «человек-одежда» в статике и динамике. Обеспечивает точное определение размерных характеристик и внешней формы поверхности фигуры и поверхности одежды с целью оценки проектируемого изделия внешней форме фигуры потребителя, что в свою очередь приведёт к получению рациональных конструкций изделий, а, следовательно, и повышению уровня эргономичности одежды.
Рецензенты:
Кирсанова Е.А., д.т.н., профессор, заведующая кафедрой "Материаловедения" ФГБОУ ВПО МГУДТ, г. Москва.
Лунина Е.В., д.т.н., профессор кафедры "Художественное моделирование, конструирование и технология изделий из кожи " ФГБОУ ВПО МГУДТ, г. Москва.