基于足底压力分布的鞋楦参数化设计
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作者：张驰王祥荣闫和秋覃蕊来源：《丝绸》2023年第10期摘要：功能鞋垫对于改善足底压力分布、矫正足膝畸形、减少运动损伤、提高运动机能具有一定的功能性效果。
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、腰窝结构设计合理性有待提升、鞋垫与鞋的适配性仍需加强等问题。
为了使功能鞋垫的设计更加符合足部生物力学特征，文章结合足底压力分布特点，论述了鞋垫的材料和结构特性，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，分析并提出功能性鞋垫存在的不足，并从有限元分析的应用与完善、功能鞋垫的智能化及个性化研发、足部与鞋垫动态接触压力获取等方面进行展望，以期为功能鞋垫的设计与制作提供参考，使功能鞋垫向着个性化、智能化、功能性的方向发展。
关键词：人体工程;足底压力;功能性鞋垫;运动防护;生物力学特征;医疗康复中图分类号：TS943.1 文献标志码：A 文章编号： 1001-7003（2023）10-0070-08篇页数引用页码：101110DOI： 10.3969/j.issn.1001-7003.2023.10.010（篇序）收稿日期：2023-03-21;修回日期：2023-09-14基金项目：山东省自然科学基金项目（ZR2019PEE022）作者简介：闫和秋（1999），女，硕士研究生，研究方向为服装舒适性。
通信作者：覃蕊，副教授，*******************。
功能鞋垫因具有改善足底受力状态、提高运动机能的优点，在医疗康复领域和运动防护领域已得到了广泛应用[1]。
有资料显示，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，除药物和手术治疗外，功能鞋垫的使用可起到辅助治疗的作用[2-3]。
在足部疾病治疗方面，接触式鞋垫可以重新分配足底压力，减轻足底高压，降低足底溃疡的风险[4-5]。
在矫正方面，矫形鞋垫对因受力异常引起扁平足治疗效果显著[6]。
基于最优拉丁超立方设计的糖尿病足鞋垫优化设计
基于最优拉丁超立方设计的糖尿病足鞋垫优化设计
李兴龙;杨永泰
【期刊名称】《医用生物力学》
【年(卷),期】2024(39)2
【摘要】目的提出一种鞋材弹性模量与厚度联合优化设计糖尿病足鞋垫的方法,以降低足底压力和软组织内部应力。
方法通过逆向工程方法建立足部有限元模型,基于足底压力分布特征划分鞋垫压力区域,采用有限元法对接触力学进行研究,为优化过程中调整不同区域内材料的弹性模量和鞋垫前后足厚度奠定基础,使用最优拉丁超立方设计得到最优参数组合。
结果设计的鞋垫增加约37.55%的足底接触面积,跖骨区和足跟区的压力峰值分别降低15.07%、36.96%,足跟处软组织内部应力降低20.83%,足底筋膜张力降低约60%。
结论所提出的方法可用于设计定制鞋垫,设计的个性化鞋垫具有更大的接触面积和降低糖尿病足底溃疡的良好潜力。
【总页数】7页(P312-318)
【作者】李兴龙;杨永泰
【作者单位】福建农林大学机电工程学院;中国科学院海西研究院泉州装备制造研究中心;中国科学院大学
【正文语种】中文
【中图分类】R318.01
【相关文献】
1.基于拉丁超立方试验设计的滑动适配器刚度优化
2.基于最优拉丁超立方抽样方法和NSGA–II算法的注射成型多目标优化
3.基于最优拉丁超立方设计的高速列车流线型头型减阻优化研究
4.基于最优拉丁超立方抽样的动车组轴箱弹簧稳健设计
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足部运动受力分布与鞋楦优化分析研究
收稿日期:2008Ο12Ο02基金项目:浙江省科技厅重大科技攻关项目(2006C11235);温州市重大科技项目(G 20070104-2)作者简介:施凯(1964-),男,沈阳人,硕士,浙江工贸职业技术学院副教授,主要从事鞋类技术、鞋类舒适性及鞋类信息化等研究。
足部运动受力分布与鞋楦优化分析研究施凯(浙江工贸职业技术学院,温州325003)摘要:利用力学模型构建出足底在平跟和提踵状态下受力情况,并分析了足底曲面的横向和纵向曲线的变化趋势,为鞋楦的优化研究提供依据。
其次,通过压力平台和鞋垫压力系统对双脚脚底压力的分布、运动过程中脚底压力、冲量、脚底受力时间的变化进行验证,获得鞋楦生产的基本参数。
最后,在企业中进行鞋楦试制取得了较好的应用效果。
关键词:足底运动受力;压力分布;鞋楦优化中图分类号:TS943.2 文献标识码:A 文章编号:1001-3563(2009)02-0148-03Resea rch on Press ure Dist ribution of Foot in Movement Condition a nd S hoe Tree Op ti mizationS H I Kai(Zhejiang Industry and Trade Polytechnic ,Wenzhou 325000,China )Abstract :The model of force condition of feet was constructed by using foot mechanical models of flatand high heeled state.The trend on plantar surface of the horizontal and vertical curves was analyzed to provide the basis for the optimization of shoe.The basic parameters of shoe tree production was acquired through testing pressure ,impulse pressure ,and time in continued pressure in platform and insole pressure system.The project was applied successf ully in enterprises through shoe tree pre -production.Key words :foot movement pressure ;pressure distribution ;shoe tree optimization 在提高制鞋革行业的产品质量方面,目前,主要体现在制鞋业的机械化、自动化、智能化,以及利用计算机技术、人机工程学原理对鞋底和鞋面方面进行研究;其次是制鞋工艺的细分;从鞋面、鞋底、鞋跟到加固材料等部件的专业化生产;三是制鞋业逐渐采用高吸湿性、高透气性、防水、防尘、高强度、高耐磨的合成革材料。
生物力学约束下的多孔结构鞋中底设计
生物力学约束下的多孔结构鞋中底设计作者：朱粉英程华钦刘斌来源：《华侨大学学报·哲学社会科学版》2024年第03期摘要：提出一種由足底压力映射的三维维诺（Voronoi）支杆鞋中底结构设计方法。
将足底压力信息作为鞋中底结构设计的数据驱动基础，采用加权随机采样策略构建Voronoi站点；通过裁剪算法，使三维Voronoi图适应鞋中底边界；以裁剪后的三维Voronoi边为骨架线，采用隐式曲面建模技术和隐式函数融合生成光滑连续的三维Voronoi支柱鞋中底。
测试结果表明：三维Voronoi支柱鞋中底可以使足底压力分布更加均匀，并可有效地减轻跖骨和足跟区域的负荷，降低足底压力异常集中导致关节损伤的概率。
关键词：鞋中底；足底压力；多孔结构；维诺图；隐式曲面中图分类号：TH 122；TP 391文献标志码：A文章编号：1000-5013（2024）03-0314-10Design of Porous Structure Midsole Under Biomechanical ConstraintsZHU Fenying1，CHENG Huaqin2，LIU Bin2（1. Huaqiao University Hospital，Huaqiao University，Xiamen 361021，China；2. College of Mechanical Engineering and Automation，Huaqiao University，Xiamen 361021，China）Abstract：A 3D Voronoi strut midsole structure design method based on plantar pressure mapping is proposed. Using plantar pressure information as the data-driven basis for midsole structure design，a Voronoi site is constructed using a weighted random sampling strategy. The 3D Voronoi diagram is adapted to the midsole boundary through cropping algorithms. Using the trimmed 3D Voronoi edge as the skeleton line，implicit surface modeling technology and implicit function fusion are used to generate a smooth and continuous 3D Voronoi strut midsole. The test results show that the 3D Voronoi strut midsole can make the pressure distribution on the sole of the foot more uniform，effectively reduce the load on the metatarsal and heel areas，as a consequence，significantly reduce the probability of joint damage caused by abnormal concentration of plantar pressure.Keywords：midsole；plantar pressure；porous structure；Voronoi diagram；implicit surface随着生活水平的显著提高，人们越来越关注鞋子穿着的健康问题。
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
了
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
学
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
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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
（ 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。
基于足部压力分布的鞋楦CAD研究
基于足部压力分布的鞋楦CAD研究
本文提出了以足部压力分布为基础,结合国家制鞋标准,构建鞋楦模型的CAD方法。
文中首先介绍了基于足部压力分布设计鞋楦的必要性,然后实验测试分析了足部压力的分布情况,设计了参数不同的三个鞋楦底面曲面模型,并制造了相应的鞋垫。
通过对穿着鞋垫的实验,验证了曲面凹凸度对减轻足部压力集中的影响。
本文还根据已获得的足部点云数据,利用逆向工程原理建立了足部模型。
在此基础上依据鞋楦与人脚的关系和制鞋标准,将足部参数转化为相应的鞋楦参数。
依据等后身理论,对鞋楦的后身和楦头分别建模,并设置鞋跟高参数,然后将后身与楦头进行相应的装配,并结合足部压力构建鞋楦。
最后指出了目前工作的不足和今后努力的方向。
足底压力分布测量系统的设计
足底压力分布测量系统的设计
李慧;张欣;陈翔;李毅
【期刊名称】《西安工程大学学报》
【年(卷),期】2006(020)001
【摘要】选取10个足底区域作为测量位置,设计了一种压力测量鞋垫,研制出一套成本低,操作简单,用于足底压力分布测量的系统.
【总页数】5页(P36-40)
【作者】李慧;张欣;陈翔;李毅
【作者单位】西安工程科技学院,服装与艺术设计学院,陕西,西安,710048;盐城工学院,纺织工程系,江苏,盐城,224003;西安工程科技学院,服装与艺术设计学院,陕西,西安,710048;西安工业学院,陕西,西安,710032;香港理工大学,纺织制衣学院,香港,310027
【正文语种】中文
【中图分类】TS943.3+1
【相关文献】
1.针对小儿脑瘫早期诊断的无线传输便携式足底压力分布测量系统的设计 [J], 龚玮;宋爱国
2.足底压力分布测量系统及临床应用 [J], 袁刚;张木勋;张建华;程家明;闫世强;徐向东;景创新
3.对Novel Pedar足底压力分布测量系统应用技术的初步开发 [J], 麻静媛
4.足底压力分布测量系统及其临床应用 [J], 袁刚;张木勋;张建华;程家明;闫世强;徐
向东;景创新
5.一种新型人足底压力分布测量系统及其应用 [J], 金观昌;张军;张建中;孙超因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
基于样例的参数化鞋楦建模研究
基于样例的参数化鞋楦建模研究
彭小波;郑先超;胡琳
【期刊名称】《机电工程技术》
【年(卷),期】2007(036)005
【摘要】本文提出了一种基于样例的鞋楦设计方法.该方法基于鞋楦样例库,采用RBF方法,实现了鞋楦的参数化建模,可以根据用户输入的脚部参数,如长度、脚背高度、前掌宽度等,构建能满足这些参数要求的鞋楦模型;同时,针对构建好的鞋楦曲面,提供了基于鞋楦参数驱动的鞋楦曲面修改的手段.
【总页数】3页(P52-54)
【作者】彭小波;郑先超;胡琳
【作者单位】深圳大学机电与控制工程学院,广东深圳,518060;广州海军兵种指挥学院,广东广州,510430;深圳大学机电与控制工程学院,广东深圳,518060
【正文语种】中文
【中图分类】TP31
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1.基于足底压力分布的鞋楦参数化设计 [J], 胡小春;王刚;万孝军
2.基于足部CT图像的个体鞋楦的参数化设计 [J], 胡小春;万孝军;王希杰;施豪亮
3.鞋楦CAD系统建模研究 [J], 陈建良;童水光;金涛
4.基于UG二次开发的鞋楦参数化设计 [J], 丁柱;刘其洪;黄建行
5.特征尺寸驱动的鞋楦参数化设计 [J], 何恕预;刘斌
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基于三维足形与足底压力分布的鞋垫参数化定制设计
基于三维足形与足底压力分布的鞋垫参数化定制设计
黄忆;朱兆华;王佳;周克璇
【期刊名称】《图学学报》
【年(卷),期】2024(45)3
【摘要】为降低足底压力峰值、提升鞋垫产品的舒适性,达到预防足部相关疾病的目的,提出了一种以三维足部模型与足底压力分布为驱动的多孔结构鞋垫参数化定制设计方法。
首先,依据用户三维足部模型及相关足部尺寸参数构建了自动生成高适配性鞋垫模型的方法;其次,基于图像采样算法建立了用户足底压力分布向鞋垫空间结构密度分布的映射点集,以此为数据基础,通过Voronoi3D工具在鞋垫模型限定域内生成空间单元结构;最后,提取适应鞋垫模型边界的Voronoi骨架线,并结合网格生成算法建立多孔鞋垫网格模型。
动态及静态足底压力实验结果表明,与传统鞋垫的性能相比,基于足形和足压分布定制设计的多孔鞋垫可以有效卸载足底压力峰值、增大足底的接触面积及提升左右足部压力分布的对称性。
【总页数】6页(P558-563)
【作者】黄忆;朱兆华;王佳;周克璇
【作者单位】中国矿业大学建筑与设计学院;中国安全生产科学研究院职业危害所【正文语种】中文
【中图分类】TP47
【相关文献】
1.基于足底压力分布的鞋楦参数化设计
2.基于LabVIEW的鞋垫式足底压力测试系统的设计与实现
3.基于足形与足底压力的老年糖尿病危险足护足鞋具的设计与应用研究
4.基于糖尿病患者步态周期足底压力的变刚度鞋垫设计
5.基于气囊结构鞋垫的足底压力分布测量系统
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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 GYVol.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 distributionHU 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。
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。
图2 楦底中轴曲线设计图3 楦底曲面的建立181 第2期胡小春,等:基于足底压力分布的鞋楦参数化设计4 鞋楦曲面模型的参数化重建鞋楦曲面是由复杂的不规则曲面所组成的自由型闭合曲面体[14],曲面体各处都不同,曲率变化大,其外形轮廓不能由初等解析曲面组成,也不能用简单的机械三视图来描述,参数化重建比较复杂。
根据鞋楦设计手册,为了实现合脚性,鞋楦的主要控制参数应该是鞋楦的长度、宽度以及鞋楦的三围围长(趾围、跗围、兜围),如图4所示。
为了保持母楦的款型,沿中轴线,以楦底特征点为参照,建立20个截面,获得截面围线如图5所示。
一方面,以鞋楦的长度变化控制各截面位置的变化;另一方面,以三围围长来控制沿中轴线上各处楦高的变化,再通过各处楦高来驱动所对应的截面围线发生变化,从而达到参数化缩放、设计鞋楦的目的。
建立了20个围线后,利用Pro/EN GI 2N EER 软件中的造型曲面功能构造出鞋楦曲面。
然后将其与之前创建的楦底合并就形成了一个整体的封闭曲面,进而对其进行实体化,即可得到鞋楦三维实体模型,如图6所示。
图4 楦面轮廓示意图图5 楦截面围线的构建图6 鞋楦三维实体模型5 鞋楦底面的参数化重构根据文献分析和经验体会,足底压力集中是影响鞋靴穿着舒适性的一个重要因素。
软底鞋的鞋底在穿着时能够根据足底压力分布变形,降低了足底压力集中,因此人们穿着时感觉到舒服。
硬底鞋也可以预先设计出一定的凹凸度,以有效地降低足底压力的集中,所以基于足底压力分布重构鞋楦底面是提高鞋靴穿着舒适性的一个有效措施。
考虑到行进时的动态响应,足底压力分布与楦底曲面凹凸的关系是值得进一步研究的问题。
在目前的研究中,为了降低足底压力集中,初步拟定楦底的凹凸与足底压力分布基本对应,其有效性在前期的研究中已得到了证实。
足底压力分布与人种、年龄、性别有关,还有一些个体,其足底压力分布具有特殊性。
根据压力分布参数化重构鞋楦底面曲面,可以方便设计者根据不同对象和要求,高效率设计舒适的鞋楦模型。
本文足底压力分布数据采集于Zebris PDM 2S 多功能测力平台,如图7a 所示。
该平台的面板上有47×32个10mm ×10mm 的方格,每个方格分别对应一个高性能传感器,一共1504个。
这些传感器测量的压力值每17ms 收集1次,可以有效地测量动态的足底压力分布变化。
本文实验对象在平台上完成一个步态周期的行走过程,获得右脚的压力数据,如图7b 、图7c 所示。
其中图7c 中的曲线表示步态行走过程中右脚的压力中心变化路径,面板的深色部分则表示一个步态变化过程中作用于右脚压力的变化,颜色越深表示压力值越大。