基于足底压力分布的鞋楦参数化设计

　第34卷第2期　2011年2月

合肥工业大学学报

(自然科学版)

J OU RNAL OF H EFEI UN IV ERSIT Y OF TECHNOLO GY

Vol.34No.2　

Feb.2011　

收稿日期:2010202205;修回日期:2010203215

作者简介:胡小春(1957-),女,安徽桐城人,博士,合肥工业大学教授,硕士生导师.

Doi :10.3969/j.issn.100325060.2011.02.005

基于足底压力分布的鞋楦参数化设计

胡小春,　王　刚,　万孝军

(合肥工业大学机械与汽车工程学院,安徽合肥　230009)

摘　要:文章提出一种考虑人体足底压力分布,并采用鞋楦参数化建模技术的鞋楦设计方法,建立并研究了鞋楦特征位置尺寸之间以及人体足底压力分布与鞋楦底部曲面之间的参数关系;利用三维CAD 软件建立了鞋楦参数化模型,分别实现了由多个主参数对鞋楦体的整体控制以及足底压力参数对鞋楦底面的控制。关键词:鞋楦;足底压力;参数化建模

中图分类号:T H122 文献标识码:A 文章编号:100325060(2011)022*******

Parametric design of shoe last based on foot pressure distribution

HU Xiao 2chun ,　WAN G Gang ,　WAN Xiao 2jun

(School of Machinery and Automobile Engineering ,Hefei University of Technology ,Hefei 230009,China )

Abstract :This paper proposes an approach to shoe last design based on foot pressure dist ribution by u 2sing shoe last paramet ric modeling technology.The parametric relationship among feat ure location di 2mensions of a shoe last model ,and t hat between t he foot p ressure distribution and t he curvat ure of t he bottom of a shoe last are established and st udied.A parametric model of shoe last is built wit h 3D CAD software ,which achieves t he control of t he whole shoe last wit h several main parameters and t he cont rol of t he botto m of t he shoe last wit h foot p ressure parameters.K ey w ords :shoe last ;foot p ressure ;paramet ric modeling

鞋靴既是满足人们生理及运动需要的功能性

实体,也是服饰美的组成部分。鞋楦是鞋靴设计和制造的依托,是制鞋的基础。鞋楦的造型设计直接影响鞋靴款式的变化和舒适性。对一个鞋款的楦型进行简单的缩放,据此生产的成鞋能保持鞋款的美学特点,但不能保证其合脚性、舒适性等鞋靴的内在品质。在注意到鞋楦的设计与脚型的特征参数相匹配后,能保证所生产的成鞋的合脚性,但仍不能保证其舒适性。如果不考虑穿鞋人群的脚底压力分布,不合理的楦底曲面会导致脚底压力过分集中、足弓受拉力过大等,引起局部疼痛、非正常步态等情况,长此以往甚至可能会使双脚发生病变。脚底压力的分布与鞋底曲面的安排息息相关,基于足部压力分布设计鞋底曲面的凹凸可以有效地减轻足底压力集中,提高鞋楦的舒适性,减少足病的发生。本文提出基于足底压力分布的鞋楦参数化设计,并根据足底压力分布和脚型特征参数调整楦底曲面和鞋楦造型,有效提高鞋楦设计效率和质量。

1　国内外研究现状

目前足底压力分析已应用于很多领域,如矫形外科、康复医学等。其中,正常人的足底压力分析不仅能使人们对正常人的步态有更为深入的理解,而且还能为病态足的足底压力分析提供正常的基线标准。发达国家对正常人足底压力的分析起步早,积累了大量实验和经验数值。国际上较著名的足底压力分析仪均在大样本的基础上建立了各自的参数值。使用这些分析仪对正常人的足底压力进行深入、细致的研究是目前国外学者的

一个工作重心。文献[1]对鞋和鞋垫材料降低糖尿病人足底压力的有效性进行了初步研究;文献

[2]对鞋与足底压力作用的效果进行了研究;文献

[3]收集了55个健康人行走时的足底峰值压力和其它8个结构和功能数据,建立了一个预测足底峰值压力的模型,通过此模型能观察到足底压力的升高,找出潜在的病因学因子,帮助降低高风险病人的足底压力;文献[4]测量了12名正常儿童的足印图,提出应力较压力可能是更合适的测量值。基于足底压力的应用研究已经在很多方面取得了进展。

随着CAD/CAM技术的发展,鞋楦的数字化设计已经成为当前鞋楦设计的主流。其主要任务是基于已有的母楦模型来设计不同尺码和脚型的鞋楦,目的是为了解决合脚性问题;更进一步的任务是母楦的设计,面向大众、小众或个体,设计具有独特要求的鞋楦。根据鞋楦模型的表示方式,目前主要有如下3种设计方法:①母楦模型由密集数据点表达,根据脚和母楦在关键点的特征参数的对比,重建鞋楦的点数据模型;或预先根据各关键点的不同参数,建立好鞋楦模型库供后期选择使用[5]。②利用通用CAD软件对获取的点云数据进行处理,并利用其造型功能建立鞋楦参数化实体模型。文献[6]将测量获得的足部数据点云进行处理后提交到Pro/EN GIN EER中进行鞋楦造型。文献[7]分别利用Geomagic St udio和Pro/EN GIN EER来实现鞋楦造型。③母楦模型按照与中轴线垂直的方向提取出若干个环状截面,对环分别建立参数化模型,最终实现鞋楦的参数化设计。

合肥工业大学生物机械工程研究室首先研究了将鞋楦曲面分为4部分,将鞋楦的内外环面看做由若干“经纬线”构成的自由曲面,利用Pro/ EN GIN EER的造型曲面模块完成鞋楦的表面造型[8];随后又研究了利用20个以上环线,构建鞋楦曲面的4个部分,加强了鞋楦设计中的传统测量尺寸对鞋楦造型的控制、对局部修改的控制[9,10]。为了使鞋楦满足舒适性要求,在足部生物力学研究的基础上,提出了基于足底压力分布的个性化鞋楦CAD研究[11],基于足底压力分布设计了鞋底曲面并试验验证。

2　鞋楦参数化设计流程

基于足底压力分布的鞋楦参数化建模流程如图1所示

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图1　参数化建模流程

3　鞋楦底面准三维曲面构建

鞋楦底样设计是鞋楦设计的基础,它以脚型与楦型之间的关系为依据。根据鞋楦设计资料[12],楦底长度方向的8个主要参数都与脚长有一定的数学关系,在建模过程中将这8个参数分别与脚长建立“参数关系”,就可以实现长度参数控制的鞋楦底面的参数化。

楦底中轴线是指鞋楦纵向剖面与楦底的交线,它的走势反映了人脚脚底的受力分布情况,对成鞋的舒适性有直接影响。楦底中轴曲线走势如图2所示,实际上是使用Spline曲线来逼近足底侧向投影而形成的,为简单起见,将其简化表示为直线段加圆弧段相连。图2中选择楦底长度方向的6个特征点O、A、H、C、G和M作为样条曲线的控制点,使用Matlab软件将测量所得的若干组数据进行拟合,最终实现以后跟高O2o为自变参数,其它特征点高度均随其变化的楦底中轴线的参数化设计。前跷与后跟的关系由文献[13]得到。

完成楦底样与楦底中轴线的设计后,将楦底中轴线拉伸为一个曲面,如图3a所示。再将楦底样投影到该曲面,就实现了楦底曲面的三维模型,如图3b所示。由于该楦底曲面是一个准三维的曲面,所以不能很好地满足舒适性要求

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图2　

楦底中轴曲线设计

图3　楦底曲面的建立

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