足底压力分布测量鞋垫的研制

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基于脚型和足底压力分布的鞋垫设计方法研究

基于脚型和足底压力分布的鞋垫设计方法研究

基于脚型和足底压力分布的鞋垫设计方法研究脚,常被人称为“人的另一个心脏”,双脚除了支撑身体的重量外,走路及跑步时还起到了杠杆的作用。

足底长期承受异常压力,将导致足部病变,如糖尿病足溃疡。

足部健康与足底压力分布紧密相关,而与足底接触最为密切的是鞋垫。

鞋垫可以长时间影响足部受力且又不需要开刀吃药,所以临床医学上常把鞋垫作为治疗和预防足部病变的保守治疗方法。

然而,当前市场上的鞋垫大都是按照一定的型号统一制造的,未考虑到个体的差异性,所以迫切希望根据不同个体的脚型与足底压力分布研究定制化的鞋垫以满足不同人群的需求。

本文针对现有鞋垫设计方法的缺陷和市场的需求,提出基于脚型和足底压力分布的鞋垫设计方法,论文的主要研究工作概括如下:(1)研究脚和定制化鞋垫初始模型的建模方法。

利用3D扫描仪获取脚的点云模型,并通过逆向工程软件建立脚和鞋垫的几何模型,导入有限元分析软件建立脚和鞋垫的有限元模型,完成了定制化鞋垫初始模型的建立。

(2)研究脚与鞋垫的接触过程,分析足底压力分布,提取足底压力数据。

从理论上分析了接触问题有限元求解方法并通过有限元软件ANSYS的接触分析模块,模拟静态站立时脚和鞋垫的接触过程,根据数值模拟研究的结果,采用APDL语言提取了足底压力数据。

(3)针对现有的局部调整鞋垫方法的不足,采用拉普拉斯变形技术对整个鞋垫表面进行调整,完成了鞋垫的优化设计。

首先,成功地解决了具有不同拓扑邻接关系模型之间的映射关系,得到了三角网格顶点上的节点等效应力。

其次,建立了足底压力与鞋垫表面凹凸度的映射关系,结合有限元分析结果,采用拉普拉斯变形技术多次调整鞋垫形状得到了最佳化鞋垫。

(4)实验验证了最佳化鞋垫足底压力重分布的效果。

采用F-Scan鞋垫式足底压力测量系统实测足底压力,通过三组实验对比分析,并与其他学者的研究结果对比分析,验证了最佳化鞋垫相比其它鞋垫足底压力重分布的效果。

基于足底压力特征的功能鞋垫研究进展

基于足底压力特征的功能鞋垫研究进展

研究与技术丝绸JOURNALOFSILK基于足底压力特征的功能鞋垫研究进展Researchprogressoffunctionalinsolesbasedonplantarpressurecharacteristics闫和秋ꎬ覃㊀蕊(青岛大学纺织服装学院ꎬ青岛266071)摘要:功能鞋垫对于改善足底压力分布㊁矫正足膝畸形㊁减少运动损伤㊁提高运动机能具有一定的功能性效果ꎮ然而部分功能鞋垫在应用过程中还存在鞋垫材料疲劳性欠佳㊁腰窝结构设计合理性有待提升㊁鞋垫与鞋的适配性仍需加强等问题ꎮ为了使功能鞋垫的设计更加符合足部生物力学特征ꎬ文章结合足底压力分布特点ꎬ论述了鞋垫的材料和结构特性ꎬ总结了功能鞋垫在医疗康复领域和运动防护领域的功能性应用ꎬ分析并提出功能性鞋垫存在的不足ꎬ并从有限元分析的应用与完善㊁功能鞋垫的智能化及个性化研发㊁足部与鞋垫动态接触压力获取等方面进行展望ꎬ以期为功能鞋垫的设计与制作提供参考ꎬ使功能鞋垫向着个性化㊁智能化㊁功能性的方向发展ꎮ关键词:人体工程ꎻ足底压力ꎻ功能性鞋垫ꎻ运动防护ꎻ生物力学特征ꎻ医疗康复中图分类号:TS943.1㊀㊀㊀㊀文献标志码:A㊀㊀㊀㊀文章编号:10017003(2023)10007008引用页码:101110DOI:10.3969/j.issn.1001 ̄7003.2023.10.010收稿日期:20230321ꎻ修回日期:20230914基金项目:山东省自然科学基金项目(ZR2019PEE022)作者简介:闫和秋(1999)ꎬ女ꎬ硕士研究生ꎬ研究方向为服装舒适性ꎮ通信作者:覃蕊ꎬ副教授ꎬdanrui0615@sina.comꎮ㊀㊀功能鞋垫因具有改善足底受力状态㊁提高运动机能的优点ꎬ在医疗康复领域和运动防护领域已得到了广泛应用[1]ꎮ有资料显示ꎬ因运动生活习惯和疾病引起的足部压力分布异常是诱发足部疾病的主要原因ꎬ除药物和手术治疗外ꎬ功能鞋垫的使用可起到辅助治疗的作用[2 ̄3]ꎮ在足部疾病治疗方面ꎬ接触式鞋垫可以重新分配足底压力ꎬ减轻足底高压ꎬ降低足底溃疡的风险[4 ̄5]ꎮ在矫正方面ꎬ矫形鞋垫对因受力异常引起扁平足治疗效果显著[6]ꎮ此外ꎬ使用功能鞋垫可以降低运动过程中的损伤ꎬ提高使用者的运动机能ꎮ刘亮[7]认为ꎬ慢跑减震鞋垫可最大限度地降低着地时地面对人体造成的冲击力ꎬ调整足底的压力分布情况ꎬ保护足部健康ꎮWu等[8]通过一系列对比试验发现ꎬ射击运动员穿着足弓支撑鞋垫的射击成绩要显著高于穿普通鞋垫的成绩ꎮ虽然功能鞋垫应用广泛ꎬ但仍存在鞋垫材料疲劳性能欠佳[9]㊁鞋垫腰窝结构设计不合理[10]㊁造价昂贵[11]等问题ꎮ除此之外ꎬ功能鞋垫与鞋的适配性较差ꎬ部分鞋类如高跟鞋㊁皮鞋等ꎬ鞋内空间狭小ꎬ导致无法正常使用功能鞋垫[12]ꎮ本文通过对国内外功能鞋垫设计与开发的研究文献进行归纳总结ꎬ分析了正常及异常的足部压力分布特点ꎬ介绍了功能鞋垫特性ꎬ概括了功能鞋垫在医疗康复领域和运动防护领域的发展现状ꎬ分析了目前功能鞋垫存在的问题及不足ꎬ并对功能鞋垫的发展趋势进行预测ꎮ1㊀足底压力概述足底压力是足部运动状态及足部健康的直接反映ꎬ通过足底压力分析有助于进一步了解正常及异常足底压力分布状态ꎬ进而指导功能鞋垫的合理化区域设计及材料选择ꎮ1.1㊀正常足底压力分布足是人体的重要组成部分ꎬ起到承载身体重量的作用ꎮ正常人的足底压力分布具有一定的规律和特点ꎮ高敏等[13]的研究表明ꎬ足部主要由足跟㊁第1跖骨头和第5跖骨头三点负重ꎮ健康人体静止站立时的足底压力分布及足底分区如图1所示ꎬ其中深色区域表示压力较高部位ꎬ浅色区域为压力较低部位ꎮ由图1可以看出ꎬ足跟和跖骨区是足部受力较为集中的区域ꎮ但三点负重理论主要考虑骨性结构ꎬ事实上足底压力不仅取决于骨性结构ꎬ还由足部软组织的功能及厚度决定ꎮ王明鑫等[14]通过分析100名健康成年人的足底压力数据发现:在静止状态下ꎬ足跟压力>第2~4跖骨头>第1跖骨头>第5跖骨头>拇趾>中足>第2~5趾ꎬ其中第2~4跖骨头的足底压力均高于第5跖骨头ꎻ在行走时ꎬ足跟㊁第1~4跖骨头㊁拇趾的压力大ꎬ中足㊁第5跖骨头压力小ꎮ相比于静态时的足底压力ꎬ动态时的足底压力明显增大ꎬ且在一个步态周期中ꎬ第60卷㊀第10期基于足底压力特征的功能鞋垫研究进展图1㊀足底压力分布及足底分区示意Fig.1㊀Schematicdiagramofplantarpressuredistributionandplantarzoning为了维持身体平衡ꎬ足底压力峰值会从足跟向前足转移ꎮ该研究为符合人体运动特点的功能鞋垫设计提供了一定的理论参考ꎮ1.2㊀异常足底压力分布有研究表明ꎬ疾病㊁超重等因素会引起足部压力分布异常[15 ̄16]ꎮAbri等[15]测量了糖尿病患者赤脚状态下的静态足底压力状态ꎬ指出糖尿病患者的足底压力高于正常人的足底压力ꎬ尤其在足跟㊁中足及前足内侧区域压力增大较为明显ꎬ且糖尿病足的病变越严重ꎬ足底压力越大ꎮSahan等[17]测量了186名超重青少年在静止站立时的足底压力发现ꎬ随着身体质量指数(BodyMassIndexꎬBMI)的增加ꎬ右前足的负荷明显增加ꎬ且双足的平均峰值压力也随之增加ꎮLiu等[18]对比了超重老年妇女和正常老年妇女行走时的足底压力数据ꎬ结果显示ꎬ超重老年妇女的第1跖骨头㊁中足㊁脚跟内侧及脚跟外侧的平均压力显著高于正常老年妇女的足底压力ꎮ此外ꎬ部分运动也会引发局部高压ꎬ增加足部载荷ꎮEils等[19]指出ꎬ足球运动中的切球动作会导致足跟内侧及前足内侧的平均峰值压力分别增加220%和160%ꎬ抢球冲刺时也会使后跟㊁跖骨头及拇趾的压力峰值增加ꎬ并且多次的重复运动会对足部造成额外伤害ꎮHuang等[20]对比普通人和羽毛球运动员在行走和跑步时的足底峰值压力发现ꎬ羽毛球运动员的脚趾㊁第5跖骨头和足跟的足底峰值压力均高于普通人ꎮ在跑步过程中ꎬ羽毛球运动员的第1~4跖骨头及中足外侧的足底压力峰值也高于普通人ꎮ以上专家学者对于足底压力的研究和分析表明:足跟㊁前足掌及拇趾是足部最主要的受力部位ꎬ但足底压力分布并不是一成不变的ꎬ足底压力分布状态与个人健康状况及运动状态有密切关系ꎮ因此ꎬ合理的鞋垫选择或设计需依照个人的足部状态而定ꎬ以最大程度上均衡足底压力ꎬ保护足部健康ꎮ2㊀功能鞋垫的材料及结构特性根据足底压力特点选择鞋垫的材料和结构可使鞋垫具有不同的功能ꎬ鞋垫材料可实现鞋垫的减压㊁支撑等功能ꎬ但各种材料有不同优缺点ꎬ即使同一种材料ꎬ在设计时参数上的差异也会改变鞋垫的性能ꎻ鞋垫结构设计可使鞋垫贴合足底ꎬ增加足与鞋垫的接触面积ꎬ使得足部受力更均匀合理ꎬ从而减少局部高压带来的副作用ꎮ在实际应用中ꎬ一张鞋垫上可结合不同的材料和结构ꎬ用来实现不同的功能性需求ꎮ2.1㊀功能鞋垫的材料特性根据制作材料的软硬程度ꎬ鞋垫可以分为软质鞋垫和硬质鞋垫ꎮ软质鞋垫主要用于增强鞋靴的减震性能㊁缓解足部疼痛ꎻ硬质鞋垫主要用于支撑足弓㊁矫正足部异常生理结构[21 ̄22]ꎮ为改善神经性糖尿病足的异常足底压力ꎬNouman等[23]在鞋垫上附加了一层硬度为ShoreA30ʎ的多层泡沫软垫ꎬ经试验发现ꎬ糖尿病患者穿着鞋垫在行走和上坡时ꎬ前足的峰值压力有效降低ꎬ且足底压力分布优于没有附加多层泡沫软垫的相同材质鞋垫ꎮMeng等[24]根据受试者的足部力学生理特征及形状定制了两种材料相同但硬度分别为ShoreA150ʎ和ShoreA75ʎ的鞋垫ꎬ其中硬度为ShoreA150ʎ的鞋垫为硬定制鞋垫ꎬ硬度为ShoreA75ʎ的鞋垫为软定制鞋垫ꎬ经过测试受试者跑步时的足底峰值压力发现ꎬ软定制鞋垫的足底压力显著低于硬定制鞋垫的足底压力ꎬ减少了前足内侧的明显高压ꎬ降低了跑步过程中前足疼痛的风险ꎮCasado等[25]测试了硬质乙烯醋酸酯(EVA)鞋垫对摩托车骑手的足底压力影响ꎬ发现硬质鞋垫可以支撑足部ꎬ降低骑手的足底压力ꎬ减少足部运动损伤的发生率ꎮ制作功能鞋垫的材料种类繁多ꎬ目前市面上常见的材料有乙烯醋酸酯(EVA)㊁聚氨酯(PU)㊁硅胶㊁乳胶等[26]ꎮ随着研究的不断深入ꎬ更多新材料不断出现ꎮMortazavi等[27]研究了用于治疗足部力学生物损伤疾病的添加NaY纳米沸石的含硅鞋垫的机械性能ꎬ结果表明ꎬNaY沸石的添加改善了医用功能鞋垫的力学性能ꎬ能满足医用功能鞋垫要求ꎬ并且鞋垫的吸湿性得到很好提升ꎬ在均衡足底压力分布状态的同时提高了使用过程中的舒适性ꎮShahar等[28]探讨了红麻复合材料制作足部矫形器的可能性ꎬ结果显示ꎬ红麻复合材料的拉伸强度几乎与聚丙烯(PP)相似ꎬ能够使着装后的足底压力分布趋Vol.60㊀No.10Researchprogressoffunctionalinsolesbasedonplantarpressurecharacteristics于合理且价格更加便宜ꎮ2.2㊀功能鞋垫的结构特性鞋垫的结构设计与鞋垫的功能性密不可分ꎬ将鞋垫做成三维结构可以增加足部与鞋垫的接触面积ꎬ调整足部生物学状态[29]ꎮ曹子君等[30]针对糖尿病足的足跟和前脚掌区域的异常足底压力ꎬ将该区域的鞋垫设计为多孔结构ꎬ经有限元分析发现ꎬ鞋垫上的多孔结构可以增加足底接触面积ꎬ降低足部软组织和骨骼的压力ꎮ此外ꎬ鞋垫的足弓高度也是鞋垫设计的重要部位ꎮ弓太升等[31]在对比轻度扁平足儿童和正常足儿童的足部数据后ꎬ设计了足弓支撑高度分别为7㊁9㊁11mm的足弓支撑鞋垫ꎬ经试验发现ꎬ研制的3种不同弓高的足弓支撑鞋垫对轻度扁平足有一定的干预作用ꎬ随着足弓支撑鞋垫弓高的增加ꎬ足弓处受到的支撑力㊁压强和接触面积逐渐增大ꎮ该结论为符合人体运动机能的鞋垫设计提供了一定的理论参考ꎬ但该研究只考虑了一种结构对足部产生的影响ꎮ事实上ꎬ综合多种结构设计的功能鞋垫可以在很大程度上为足部防护带来积极效应ꎮChen等[32]提出一种新型结构的糖尿病足功能鞋垫ꎬ鞋垫分为支撑区和缓冲区ꎬ支撑区采用实心拱支撑结构和蜂窝结构构成ꎬ缓冲区采用多孔结构ꎬ利用3D打印技术制作鞋垫ꎬ其缓冲区在压力作用下比普通鞋垫增加18%的形变ꎬ支撑区使前足和后足降低了约30%的压力ꎮ目前可用于制作鞋垫的材料越来越多ꎬ鞋垫的结构设计越来越科学ꎮ为发挥更好的功能效果ꎬ在鞋垫的设计制作过程中ꎬ可以针对不同区域的足底压力特点选用不同的材料和结构进行组合ꎬ在满足功能性的同时提高着装舒适性ꎮ此外ꎬ在测试鞋垫的功能效果时ꎬ可增加长期跟踪试验ꎬ以更好验证鞋垫的功能性ꎮ3㊀功能鞋垫的作用机制及功能性应用合理的功能鞋垫设计可以有效平衡足底压力ꎬ减轻运动过程中的足部受力ꎬ在提升人体运动机能的同时ꎬ还可以对足部起到有效的治疗和矫正作用ꎮ3.1㊀功能鞋垫在医疗康复领域的应用功能鞋垫通过均衡足底压力分布调整下肢生物力线ꎬ进而达到治疗㊁矫正的作用ꎬ应用范围广泛[3]ꎮ常见的足部疾病特征与功能鞋垫的作用机制如表1所示ꎮ糖尿病足是糖尿病的严重并发症之一ꎬ糖尿病患者会出现足底压力分布状态和步态的改变ꎬ局部压力过高会导致软组织受损ꎬ进而形成足部溃疡[33 ̄34]ꎬ使用功能鞋垫改善足底压力分布ꎬ可在一定程度上保护软组织[35]ꎮNouman等[36]利用有限元分析方法ꎬ模拟了糖尿病患者穿着定制鞋垫时(CMI)的足部状态ꎬ该定制鞋垫由三层结构组成ꎬ顶层为乙烯醋酸乙表1㊀功能鞋垫在医疗康复领域的应用Tab.1㊀Applicationoffunctionalinsolesinthefieldofmedicalrehabilitation烯酯(EVA)ꎬ中间层为NoraLunalastikeꎬ基层为热塑性聚氨酯(TPU)ꎬ在基层置入柔软的聚乙烯(PE)脚跟垫和前脚垫ꎬ模拟结果显示ꎬ定制鞋垫可有效降低峰值足底压力ꎬ有助于神经性糖尿病足的管理ꎮ研究表明ꎬ开发智能化功能鞋垫可以实现足部的实时监测ꎬ预防糖尿病足溃疡的发生ꎮSousa等[37]将99个电容传感器矩阵置入2mm厚的柔性鞋垫中ꎬ配合蓝牙腰带使用ꎬ可将足部数据连接存储到笔记本电脑ꎬ识别和治疗糖尿病患者足部的体征和症状ꎬ延缓或预防糖尿病足溃疡ꎮChatwin等[38]对使用SurroSenseRx智能鞋垫系统治疗糖尿病足的患者进行了18个月的随访试验ꎬ调查结果显示ꎬ每天使用智能鞋垫系统并通过智能鞋垫系统进行持续的足底压力反馈ꎬ可减少糖尿病足溃疡高风险患者的高压发作次数ꎮ目前用于治疗糖尿病的功能鞋垫已经较为成熟ꎬ且在扁平足治疗上也有较多的研究成果ꎮXu等[39]通过研究治疗扁平足的功能鞋垫ꎬ指出鞋垫通过将患者跖骨区域压力转移到中足区域ꎬ可以有效降低患者跖骨区域的足底压力ꎬ进而减少足部疼痛及损害ꎮ蔡广庆等[40]对使用功能鞋垫的正常及柔韧性扁平足儿童进行了3年的观察ꎬ发现定制矫形鞋垫能维持扁平足的形态接近正常ꎬ并且能改变平足儿童的足弓排列ꎬ同时解除或减轻疼痛症状ꎮ除此之外ꎬ功能鞋垫能够调整下肢生物力线ꎬ纠正不正常的解剖结构ꎬ使膝关节受力均匀ꎬ从而治愈以膝外翻和膝内翻为代表的膝关节畸形[41]ꎮ3.2㊀功能鞋垫在运动防护领域的应用有研究发现ꎬ高强度的运动和体能训练容易造成人体下肢出现过劳性损伤[42]ꎮ此外ꎬ与年轻参与者相比ꎬ参加体育运动的老年运动员受伤率较高[43]ꎮ功能鞋垫可以提供良好的舒适度ꎬ降低运动损伤的风险并提高运动表现[44]ꎮLullini等[45]研究发现ꎬ具有弹性足弓支撑的减震鞋垫可以在足底关键区域释放压力ꎬ从而减轻士兵在行军和跑步等重复性任务中的过度冲击载荷ꎬ减少下肢损伤发生率ꎮLilley等[46]的研究证明了带有外侧楔和内侧足弓支撑的功能鞋垫可以减少老年妇女跑步时的前平面膝盖力矩ꎬ保护膝盖ꎬ降低老年女性跑步者膝盖疼痛和损伤的发生ꎮKo等[47]探讨了碳纤维鞋垫第60卷㊀第10期基于足底压力特征的功能鞋垫研究进展(CFI)在跑步运动中对运动成绩㊁下肢肌肉活动和主观舒适度的影响ꎬ研究发现ꎬ碳纤维鞋垫显著提高了运动中的敏捷性ꎬ运动员能在跑步运动中获得更高的成绩ꎬ但它激活了更多的胫骨前肌和腓肠肌内侧肌ꎬ导致舒适性下降ꎮ总体来说ꎬ功能鞋垫在疾病治疗和足膝矫正方面效果显著ꎬ尤其是现代化科技的融入使实时监测足部状态成为可能ꎻ在运动防护领域ꎬ功能鞋垫可以吸收分散冲击力ꎬ平衡足底压力ꎬ进而减少下肢损伤ꎬ提高运动表现能力ꎬ但鞋垫的舒适性还有待提升ꎮ4㊀功能鞋垫存在的问题及发展趋势4.1㊀功能鞋垫存在的问题虽然国内外多项研究均表明功能鞋垫具有辅助治疗㊁加强运动防护㊁改善运动机能的功能ꎬ且部分产品已通过临床试验或进入市场ꎬ但通过对功能鞋垫的分析发现ꎬ功能鞋垫仍存在一定的问题需进一步完善:1)鞋垫材料疲劳性能欠佳ꎬ舒适性有待提升ꎮ如今制作功能鞋垫的材料多以合成材料为主ꎬ多数合成材料存在透气性差㊁接触舒适感不佳等问题ꎬ且随着使用时间的延长会出现变黄㊁断裂㊁对温度敏感等情况ꎮ2)功能鞋垫与鞋的适配性需加强ꎮ功能鞋垫主要面向足部疾病患者㊁运动爱好者及运动员研发ꎬ很难适配市面上某些鞋类产品ꎬ如部分鞋内空间狭小的鞋类无法正常使用功能鞋垫ꎮ3)目前的功能鞋垫主要针对材料和结构等方面进行研发ꎬ智能化程度相对较低ꎮ4)结构设计合理性需进一步加强ꎬ未实现差异化ꎬ造价昂贵ꎮ市面上的预制功能鞋垫只能满足部分使用者的要求ꎬ未实现差异化设计ꎬ而定制功能鞋垫价格较昂贵ꎮ4.2㊀功能鞋垫的发展趋势4.2.1㊀有限元分析的应用与完善有限元分析因方便快捷㊁易于模拟㊁对人体无损伤等特点使其在鞋垫设计中得到广泛应用ꎬ但功能鞋垫的有限元分析仍存在一定的局限性ꎬ使其与实际测试结果仍存在一定的偏差ꎮ首先足部模型的建立大多是以简化的骨骼及软组织为主ꎬ肌肉韧带并未进行准确划分ꎬ简化的模型很难准确地表示出足部基本特征ꎮ其次ꎬ在用于病足的功能鞋垫模拟上ꎬ模型建立多以健康人的足部信息为参考ꎬ未综合考虑病足的发病机理及足部生物力学差别[29]ꎮ此外ꎬ力学模拟时大多只考虑足底与鞋垫之间的力学关系ꎬ对于穿鞋状态下的鞋底及鞋帮对鞋垫的功效学影响考虑甚少ꎮ如何提升模型建立和分析的精确度ꎬ并根据模拟分析结果设计符合人体运动机能和个性化需求的功能鞋垫仍需进一步研究ꎮ4.2.2㊀足与鞋垫动态接触压力的获取目前对于足与鞋垫之间的压力数据获取大多在静止状态下完成ꎬ然而ꎬ当人体处于运动状态时ꎬ足底压力会随之发生改变ꎬ足底压力峰值也会发生转移ꎮ因此ꎬ基于动态接触压力分布特征设计研发功能鞋垫更加符合人体的运动需求ꎬ是未来功能鞋垫研究的发展趋势ꎮ研究过程中ꎬ测量在特定运动下足与鞋垫之间的动态压力ꎬ分析足底压力峰值的变化情况㊁足底压力的动态分布情况ꎬ进而获得足与鞋垫之间的压力分布规律ꎬ以此为依据进行功能鞋垫的设计制作及性能优化ꎬ以期对足部实施更加科学的防护㊁治疗及提升运动机能ꎮ4.2.3㊀功能鞋垫的智能化及个性化研发随着科技的发展及人们需求的增加ꎬ未来功能鞋垫也会向智能化和个性化方向发展ꎮ如根据使用者的不同需求ꎬ设计符合用户足部运动生物力学特点的功能鞋垫ꎬ并在鞋垫特定部位置入传感器ꎬ与手机APP或智能手表等移动设备连接ꎬ既能实时监测人体足部的健康状态ꎬ又能将数据即时反馈给使用者ꎬ同时形成个性化用户足部健康数据库ꎬ为符合人体生理特点的功能鞋垫优化设计㊁性能提升㊁工艺改善提供数据支撑ꎮ此外ꎬ功能鞋垫还可以融入智能提醒装置ꎬ当检测到使用者足部的异常压力时ꎬ能及时提醒用户调整足部状态或就医ꎬ以最大限度地保护足部健康ꎮ4.2.4㊀功能鞋垫的材料组合根据用户的足底压力情况ꎬ综合多种材料的特点生产制作鞋垫ꎬ可实现足底峰值压力的转移ꎮ压力分散材料可在足部压力升高时ꎬ通过鞋垫内部的分子结构 流动 ꎬ发生变形并将支撑点扩散至整个足部ꎬ使得压力在整个足底分散[48]ꎬ但过于柔软的材料会降低足部控制力ꎬ增加足部扭伤风险ꎻ硬式或半硬式支撑材料ꎬ可以支撑足弓有效提升矫正效果ꎬ但足底压力峰值㊁韧带及关节应力会随着鞋垫材料的硬度增加而增加[49]ꎮ因此ꎬ如何正确综合不同硬度的材料特点ꎬ确定最符合人体足部生理结构的鞋垫硬度ꎬ在保证鞋垫功能效果的前提下提升鞋垫的舒适性ꎬ仍需进行更深入的研究ꎮ5㊀结㊀语通过对国内外有关功能鞋垫研究的分析和总结ꎬ发现近年来有关功能鞋垫的研究及应用主要集中在医疗保健领域和运动防护领域ꎮ目前ꎬ功能鞋垫的研究多以人体足部压力特点为依据ꎬ如通过设置减压或支撑结构㊁利用有限元模拟分析对功能鞋垫进行优化设计与改进ꎮ功能鞋垫对于足部疾病治疗及运动防护均具有积极作用ꎬ然而ꎬ目前功能鞋垫仍存在结构设计合理性有待提升㊁未实现差异化设计㊁与鞋的适配性仍需加强等问题ꎮ在未来ꎬ有限元分析方法㊁足与鞋垫动态接触Vol.60㊀No.10Researchprogressoffunctionalinsolesbasedonplantarpressurecharacteristics压力将会在功能鞋垫的研究中得到更为广泛的应用ꎬ鞋垫的材料使用更加科学ꎬ功能鞋垫将融入更多的智能技术ꎬ不断朝着智能化和个性化的方向发展ꎮ«丝绸»官网下载㊀中国知网下载参考文献:[1]杨九瑞.个性化鞋垫设计研究[J].皮革制作与环保科技ꎬ2021ꎬ2(23):34 ̄36.YANGJiurui.Researchonpersonalizedinsoledesign[J].LeatherManufactureandEnvironmentalTechnologyꎬ2021ꎬ2(23):34 ̄36.[2]王思懿ꎬ王思聪.治疗产后足跟疼痛的中草药鞋垫设计研究[J].西部皮革ꎬ2022ꎬ44(15):137 ̄139.WANGSiyiꎬWANGSicong.Postpartumheelpainresearchandapplicationofherbalinsole[J].WesternLeatherꎬ2022ꎬ44(15):137 ̄139.[3]任武ꎬ王豪ꎬ杨秀如ꎬ等.基于生物力学生理特性的矫形鞋垫发展现状和趋势[J].生物医学工程研究ꎬ2021ꎬ40(2):210 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足底压力监测智能鞋垫的研究与应用现状

足底压力监测智能鞋垫的研究与应用现状

足底压力监测智能鞋垫的研究与应用现状1. 内容描述传感器技术的发展:随着微电子学、纳米技术和MEMS(微机电系统)技术的不断发展,越来越多的高性能、低功耗、高精度的传感器被应用于足底压力监测智能鞋垫中。

这些传感器可以实时采集足底压力数据,并将其传输到智能手机或其他设备上进行分析和处理。

数据处理与分析:通过对采集到的足底压力数据的处理与分析,可以为用户提供个性化的足部健康建议,如调整步态、改善姿势等。

还可以通过大数据分析,挖掘出潜在的足部健康问题和风险因素,为医生和患者提供更有价值的信息。

产品设计与制造:为了满足不同用户的需求,足底压力监测智能鞋垫的设计和制造也在不断创新。

除了传统的布料鞋垫外,还有许多新型材料和技术被应用于智能鞋垫中,如硅胶、泡沫塑料、磁疗等。

一些企业还在尝试将可穿戴设备、虚拟现实等技术融入到智能鞋垫中,以提供更加丰富的功能和体验。

应用领域拓展:随着足底压力监测智能鞋垫的研究与应用不断深入,其应用领域也在逐步拓展。

除了传统的运动鞋垫、办公椅垫等场景外,这种智能鞋垫还可以应用于医疗、康复、军事等领域,为人们的生活带来更多便利和价值。

政策与标准制定:为了规范足底压力监测智能鞋垫市场的发展,各国政府和相关组织纷纷出台了一系列政策和标准,如欧盟的《医疗器械指令》、美国的《FDA关于足底压力监测器的规定》等。

这些政策和标准对于保障产品质量、维护消费者权益以及促进行业健康发展具有重要意义。

1.1 研究背景随着现代社会节奏的加快,人们的生活压力和工作强度不断增加,导致越来越多的人出现足部健康问题。

足部疼痛、骨骼疾病、关节病变等问题已经成为影响人们生活质量的重要因素。

如何有效地保护足部健康,减轻足部疲劳,提高运动效果成为了亟待解决的问题。

随着科技的发展,足底压力监测技术逐渐成熟,为解决这一问题提供了新的思路。

足底压力监测智能鞋垫是一种结合了传感器技术和智能算法的鞋垫产品,通过对足底压力进行实时监测和分析,为用户提供个性化的运动建议和足部保护方案。

足底压力测试实验报告

足底压力测试实验报告

足底压力测试实验报告一、实验目的本次实验旨在通过足底压力测试,探究不同鞋垫对于足底压力的影响,并为人们选择合适的鞋垫提供参考。

二、实验原理足底压力测试是通过测量脚底受力情况,来评估鞋垫对于足部支撑和舒适性的影响。

测试仪器通常采用压力敏感电子传感器,将脚底受力转化为电信号进行测量。

三、实验步骤1. 实验前准备:确保测试仪器正常工作,选择合适的鞋垫。

2. 测试者脱去鞋袜,将裸露的脚放置在测试仪器上。

3. 让测试者在测试仪器上行走数步,以产生足底受力。

4. 记录测试结果,并更换不同种类的鞋垫重复以上步骤。

四、实验结果分析根据本次实验的结果可以看出,不同种类的鞋垫对于足底压力有着不同程度的影响。

例如,在普通平板地面上行走时,使用硅胶鞋垫可以有效减少脚跟和前脚掌的压力,而使用泡沫鞋垫则相对较为平均。

此外,在不同地形和行走方式下,鞋垫的效果也会有所不同。

五、实验结论通过本次实验可以得出以下结论:1. 不同种类的鞋垫对于足底压力有着不同程度的影响。

2. 选择合适的鞋垫可以有效减少足部疲劳和受伤风险。

3. 足底压力测试是评估鞋垫舒适性和支撑性的一种有效方法。

六、实验注意事项1. 测试者应该保持放松状态,避免用力踩踏测试仪器。

2. 测试环境应该保持平稳和安静,避免干扰测试结果。

3. 测试者应该根据自己的需求选择合适的鞋垫,并进行多次测试以获取更准确的结果。

七、实验应用足底压力测试在运动医学、运动训练等领域有着广泛的应用。

例如,在运动训练中,可以根据测试结果为运动员提供个性化的鞋垫选择建议;在医学领域中,足底压力测试可以用于评估和治疗足部疾病。

八、实验展望随着人们对于健康生活的追求,足底压力测试将会有更广泛的应用。

未来,我们可以通过更加先进的测试仪器和算法,为人们提供更加精准的鞋垫选择建议,并在医学领域中发挥更大的作用。

足底压力分布测量鞋垫的研制

足底压力分布测量鞋垫的研制

关键 词 : P V D F 压 电薄膜 ; 传 感器 ; 感 芯结构 ; 足 部 力学特 征 ; 足 底 压力分布

东华 大 学 硕 士生 毕业论 文
摘要
A S E N S IN G IN S O L E F O R M E A S U 咫 N G P L A N T A R P R E S S U R E D IS T 租 B U T IO N
学校代码 : 102 55

号: 0066
东华 大 学硕 士 学位 论文
足底 压力分布测量 鞋垫 的研 制
A S E N S IN G IN S O L E F O R M E A S U F J N G P L A N I 人 R P R E S S U R E D IS T R IB U T IO N
45东华大学硕士生毕业论文符号说明符号说明符号c0ccci意义压电薄膜介电常数感应电荷应力感应面积输出电压输出漂移电压输入漂移电压反馈电容滤波电容反馈电阻滤波电阻低通滤波截止频率使用频率下限截止频率压电薄膜电容电缆电容放大器输入电容压电薄膜电阻电缆绝缘电阻放大器输入电阻放大器电阻放大器开环增益东华大学硕士生毕业论文引言可穿戴人体运动监测在医疗服装等许多领域有着重要的意义是功能性纺织品的重要组成部分
保密 比 在 二匕 年解密后适用本版权书。
本学位论文属于 不 保 密 口。
学位论文作者签名: 息曼
日期: 加加年 /月右日
指导教师签名: 丁卞
日期:娜 年 !月‘日

东华大学硕士生毕业论文
足底压 力分布测 量鞋垫 的研 制
摘要
基 于 生物力学 、康复 医学 、矫形外科 、体育 训练 、制 鞋业 等 的 需要 ,对 人 体 步 态 的测试 及 分 析 是非 常 重 要 的理 论 依 据 ,而 人 体 足 底 压 力 分布 特 征 则是揭 示步态 规 律 的重要 指标 之 一 。20 世 纪 以后 各 种 测 量 人 体 足 底 压 力 的方 法 不 断 出现 ,测 量 技 术 不 断 更 新 ,并 逐 渐 向可 穿戴 运 动 监 测 领 域 发 展 。本 课 题 应 用 P V D F 压 电薄 膜 和 基 本 放 大 电路 制 作 了一 种 可 穿戴 的智 能鞋 垫 ,可 以用 于记 录 人 体 动 态 足 底 压 力 分 布 状况 。

足底压力测量技术在鞋靴设计中的应用及进展

足底压力测量技术在鞋靴设计中的应用及进展
F i i Go g Ta— h n ’ e Ru’ n is e g Lan o y n i g Ga - o g
( a n i ie st f in e& T c n lg , a n i a 7 0 1 1Sh a x v r i o e c Un y Sc e h oo y Sh a x, n 1 2 Xi 0
p e s r srb to ewe n “e tt h e i t ra e n c n ii n o a i g s e .I a e n i p ra tr l r s u e diti u i n b t e f e o s o ” n e f c si o d to fwe rn ho s tply d a m o t n oe t e t o n e h o o y o p rs a d m e cn l d t ,a d p o i e h o a i fg i i g p o l a ig h he r a d t c n lg fs o t n dii e f e ,ec n r v d d t e r b sso u d n e pe we rn y i y
【 e wod 】 l tr rsuepesr ir ui ; ro he K y rs pa a pesr; rsuedsi tn egm sos n tb o
1 足 底 压 力 测 试 发 展 概 要 及 常 才 真 正 快 速 发 展 . 而 应 用 于 足 底 形 物 质 上 留 下 的 足 印 或 痕 迹 . 足 见 测 量 仪 器 11 足 底 压 力 测 量 技 术 的 发 展 . 足 底压 力 分 布 测量 技 术 自 的 研 究 起 步 更 晚 些 . 到 目前 为 止 .
技 术记 录 足部 压 力 分 布 的学 者之

足底压力分布测量鞋垫的研制

足底压力分布测量鞋垫的研制

足底压力分布测量鞋垫的研制第31卷第9期2010年9月纺织学报Journal of Textile ResearehVo1.31.No.9Sep.,2010文章编号:0253-9721(2010)09一O114-04足底压力分布测量鞋垫的研制金曼一,丁辛一,甘以明,杨旭东,周宏(1.东华大学纺织而料技术教育部重点实验窒,上海201620;2.东华大学纺织学院,上海201620;3.中国人民解放军总后勤部军需装备研究所,北京100088)摘要研制了基于PVDF压电薄膜的智能压力测试鞋垫,以记录人体运动状态下的足底压力分布状况。

针对柔性传感器普遍存在的频率响应问题,采用多层感芯结构以提高薄膜传感器信号响应,并在压电薄膜和柔性鞋垫间嵌入硬质膜片以改善柔性传感器的弹性滞后性。

智能压力鞋垫具备良好的可穿戴性,且在高频运动条件下具备良好的测试性能。

测试实例表明,智能力鞋垫性能可靠,可揭示不同运动状态下足底压力的分布状况,为人体步态分析研究提供依据。

关键词PVDF压电薄膜;传感器;感芯结构;弹性滞后;足底压力分布中图分类号:TS 941.3 文献标志码:AA sensing insole for measuring plantar pressure distributionJIN Man 一,DING Xin 一,GAN Yiming ,YANG Xudong ,ZHOU Hong(1.Key Laboratory of Textile Science&Technology,Ministry of Education,Donghua University,Shanghai 201620,China;2.College of Textiles,Donghua University,Shanghai 201 620,China;2.Quartermaster Research Institute of General Logistics Department of the CPLA,Belting 1 00088,China)Abstract A smart insole for plantar pressure distribution measurement has been developed by usingPVDF sensors.To solve the common problem of slow~equency responses of flexible sensors,improvements have been made by using a multi—layer chip structure of the PVDF sensor to increase thesignal—responses.and by inse~ing a hard plastic sheet between the sensor and the soft base mat of theinsole,to decrease elastic hysteresis.The wearable sensor—embedded insole has shown good dynamicperformances in measuring the plantar pressure distribution under high—speed body motion.Examples ofusing the insole to show the plantar pressure distribution of volunteers have demonstrated that the insole isof good working reliability and can be used as a useful testing device for human gait analysis.Key words PVDF piezoelectric film;sensor;sensor chip structure;elastic hysteresis;plantar pressuredistribI1tion步行是人体基本运动之一,任何步行动作都要通过人体足部与地面的相互作用完成,通过对足底力学分布特征分析可揭示人体步态规律u ,利用这些信息可对生理疾病做出合理的预测和解释。

改善07式作训鞋足底压力舒适性的鞋垫研究

改善07式作训鞋足底压力舒适性的鞋垫研究

改善07式作训鞋足底压力舒适性的鞋垫研究改善07式作训鞋足底压力舒适性的鞋垫研究引言:提高军人的作战效能一直是军事科研的追求目标之一。

而军事训练过程中,士兵经常需要穿戴07式作训鞋,由于其设计特点,容易对士兵的足底产生压力,降低训练的舒适度。

因此,研究并改善07式作训鞋的足底压力舒适性,对于提高士兵的训练效果和舒适感至关重要。

1. 问题阐述在军队的作战和训练中,经常要穿戴07式作训鞋。

虽然这款鞋子在耐磨性和支撑性方面表现出色,但其设计特点导致了足底压力的问题。

许多士兵反映,长时间穿戴07式作训鞋后,足底会感到不适,甚至出现局部疼痛。

这些问题严重影响了士兵的训练效果和身体健康。

2. 足底压力的影响因素足底压力的产生与训练鞋的设计、鞋垫的功能以及士兵本身的体质等因素密切相关。

首先,07式作训鞋的鞋底较硬,缺乏足底的缓冲和支撑,容易使足底骨骼和软组织受到较大冲击力。

其次,普通的鞋垫并不能有效分散足底压力,无法提供足部的全方位支撑。

除此之外,士兵的足弓高低、肌肉力量等个体差异也会导致足底压力的不同分布。

3. 针对性的鞋垫改良设计针对07式作训鞋足底压力的问题,需要进行鞋垫的改良设计。

首先,鞋垫应具备较好的减震缓冲能力,在一定程度上减少足底受到的冲击力。

其次,鞋垫需要有足弓支撑功能,可以提供全面、均匀的支撑,减轻足底骨骼的负担。

此外,鞋垫应根据不同人群的足部特点进行个性化设计,以适应士兵的体质差异。

4. 实验设计与结果为了验证改良设计的效果,我们设计了一项实验,选取了20名训练的士兵作为被试。

首先,将他们分为两组,一组穿戴普通鞋垫,另一组穿戴经过改良设计的鞋垫。

然后,通过压力分布测试仪记录士兵在训练过程中的足底压力分布情况。

实验结果显示,穿戴改良鞋垫的士兵足底压力分布更均匀,压力峰值也相对较低,相较于穿戴普通鞋垫的士兵更为舒适。

5. 实际应用价值与展望通过研究改良设计的鞋垫,提高了07式作训鞋的足底压力舒适性,具有重要的实际应用价值。

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