可動假足裝置在鞋壓力舒適性研究中的應(yīng)用

孔令華 ,袁鵬程 ,趙衛(wèi)

（1.數(shù)字福建工業(yè)制造物聯(lián)網(wǎng)實驗室，福建 福州 350118；2.福建工程學(xué)院 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，福建 福州 350118）

引言

鞋 壓 力 舒 適 性 是 指 鞋 - 足 界 面 間 的 壓 力 舒 適性，舒適與否已成為消費(fèi)者購鞋時的重要考 慮 因素之一[1]。眾多研究表明，足部受力的改變不僅影響穿著舒適性，長期的不適，很容易導(dǎo)致足部損傷[2-5]。因此，鞋壓力舒適性的設(shè)計與改善已成為鞋生產(chǎn)制造的重要過程。

鞋 壓 力 舒 適 性 包 括 足 底 壓 力 與 跗 面 壓 力 舒 適性?，F(xiàn)階段對成鞋足底壓力舒適性的測試評 價，除主觀試穿評價法外，最常用的就是進(jìn)行客觀運(yùn)動學(xué)測量，即通過足底壓力測量系統(tǒng)采集運(yùn)動過程中足底與鞋之間的壓力數(shù)值，分析評價壓力舒適性[2]；陳磊等 人[6]通 過主 觀 與 客 觀 評 價 相 結(jié) 合 的 方 式 ，研 究了腳與楦之間在基本寬度、跖趾圍長兩個關(guān)鍵參 數(shù)的差值對人腳舒適性的影響。Lam 等人[7]通 過 運(yùn)動學(xué)測量，研究了不同硬度鞋底在不同籃球動作 中，對足底壓力舒適度的影響。宋影等人[8]同樣利 用鞋墊式足底壓力系統(tǒng)，研究高跟女鞋大底硬度和跟 高與足底壓力舒適度之間的關(guān)系。雖然運(yùn)動學(xué)測量被廣 泛 的應(yīng)用 ，但 仍 需 要 人 的 參 與 ，受 個 體 差 異 影 響較大，難有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，且測量耗人耗時耗力。

由于主觀試穿與客觀測量存在的不足，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，研究者使用有限元法分析足部和鞋之間的受力狀況。Mario 等人[9]將有限元法應(yīng)用于高跟鞋的設(shè)計制造，為鞋的開發(fā)節(jié)約了成本。柯 思 成等人[10]通過建立足部 - 鞋底 - 地面有限元仿真模型，模擬著鞋狀態(tài)下的足部在落地過程中的受力情況，從而對鞋底的減震性能進(jìn)行預(yù)測。但仿真更多在設(shè)計過程中對鞋進(jìn)行分析，對成鞋后舒適性的檢測，有研究者提出了使用假足代替人腳研究鞋—足壓力舒適度[11]。NGUYEN 等人[12]研制了踝關(guān)節(jié)與趾關(guān)節(jié)可控的假足，用于鞋類的檢測。盡管有研究者提出使用假足代替人腳研究用于鞋類檢測，但實際應(yīng)用鮮有報道。因此，本文設(shè)計了一種可動假足檢測裝置，并用于研究鞋壓力舒適性，通過相關(guān)測試數(shù)據(jù)，驗證了檢測 裝置的有效性，為鞋壓力舒適性研究提供了一種技術(shù)支撐。

1 實驗部分

1.1 儀器與材料

1.1.1 試驗設(shè)備

測試儀器主要包括鞋墊式足底壓力傳感器（RPPS-99，力感科技）、家用走步機(jī)和可動假足裝置測試系統(tǒng)。

鞋墊式足底壓力傳感器由鞋墊、控制器、電 源盒和無線接收器組成，每只鞋墊分布 99 個傳感器，采樣頻率為 100 Hz。將足底分為前掌、足中、足跟 3個分區(qū)，如圖 1 所示，其中 選取了前掌與足跟的數(shù)據(jù)來進(jìn)行分析。

圖1 足底分區(qū)示意圖Fig.1 Schematic diagram of plantar zone

可動假足裝置測試系統(tǒng)如圖 2 所示，主要包括人工脛骨、人工假足、二自由度平臺和促動器等。假足通過激光三維掃描人體足部，在三維軟件中繪制而成，足長 262 mm，足寬 98 mm，足底平面與腳趾平面約成角度 13°，以便模仿行走時趾骨的彎曲。該裝置對假足模型與脛骨 模型進(jìn)行了固定，在假足底部，利用一組步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動二自由度運(yùn)動平臺，實現(xiàn)前進(jìn)過程中矢狀面內(nèi)的上下運(yùn)動與翻轉(zhuǎn)運(yùn)動，模擬地面相對足部的運(yùn)動。在假足上方有一個平移機(jī)構(gòu)，以提供一個自由度的運(yùn)動，該機(jī)構(gòu)的內(nèi)部裝有彈簧阻尼系統(tǒng)，用以調(diào)整模擬人體重力。對三自由度可動假足裝置的設(shè)計，實現(xiàn)了人體步態(tài)的模擬。

圖2 可動假足裝置測試系統(tǒng)Fig.2 Test system of movable prosthetic foot device

1.1.2 試驗用鞋

實驗選取三雙不同類型的鞋作為試驗用鞋，如圖 3 所示。三雙鞋均為日常生活穿著用鞋，以滿足對鞋壓力舒適性的研究需求。

圖3 不同類型鞋F(xiàn)ig.3 Different types shoes

1.2 實驗方法

為了驗證可動假足測試系統(tǒng)的有效性，本文對人體試驗與可動假足試驗分別進(jìn)行獨立試驗，并對試驗結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。

1.2.1 人體試驗

如圖 4（a）所示，選取一位足部健康的志愿者進(jìn)行測試，測試者年齡 24 歲，體重 68 kg，身高 176 cm，鞋碼為 42 碼。被試者分別穿著鞋 1、鞋 2 和鞋 3 進(jìn)行測試，測試時，壓力鞋墊平整地置于鞋墊與足底間，控制走步機(jī)的行走速度為 4.2 km/h。每測試完一雙鞋后，中間休息 10 min，然后在進(jìn)行下一雙鞋的測試。

1.2.2 可動假足裝置試驗

可動假足測試如圖 4（b）所示。與人體試驗一致，將鞋穿著于假足模型之上，壓力鞋墊平整地置于鞋墊與假足模型之間。根據(jù)走步機(jī)的速度，調(diào)節(jié)促動器的速度為 60 r/min，使二自由度運(yùn)動平臺和假足穿鞋接觸時間與人體試驗相近，調(diào)節(jié)足底壓力如圖 5 所示，以模擬人體行走狀態(tài)，對三種不同類型的鞋進(jìn)行試驗。

圖4 試驗圖片F(xiàn)ig.4 Test picture

圖5 裸足足底壓力對比Fig.5 Comparison of barefoot plantar pressure

2 結(jié)果與討論

為了對比分析人體測量試驗與可動假足試驗，在 評 價 鞋 壓 力 舒 適 性 時 ， 選 取 了 足 底 峰 值 壓 強(qiáng)（kPa）、壓強(qiáng)時間積分（kPa·s）與接觸面積（cm2）作為驗證指標(biāo)。由于每一組試驗都重復(fù)進(jìn)行了三次，因此最終的數(shù)據(jù)為三次試驗數(shù)據(jù)的平均值。

2.1 足底峰值壓強(qiáng)

足 底 壓 強(qiáng) 是 足 底 在 單 位 面 積 的 反 作 用 力 ，峰 值足 底 壓 強(qiáng) 則 是 在 一 個 特 定 區(qū) 域 內(nèi) 所 受 反 作 用 力 最大的部分單位面積上的受 力 值[10]。 足 底 峰值壓強(qiáng)與足 部 壓 力 舒 適 性 有 著 緊 密 聯(lián) 系 ，壓 強(qiáng) 的 增 高 ，容 易引起足部不適，且高度越高，影響越大。足部長時間受到鞋子壓迫，容易導(dǎo)致足部疲勞和受損[11]。

如圖 6 所示，分別為兩種測試方法在前掌與后跟處的峰值壓強(qiáng)，可以看出基于人腳試穿的測量低于假足測量的峰值壓強(qiáng)，可能原因由于人造鋼制假足為剛性體，在測量過程中與鞋接觸面積較小，造成壓強(qiáng)偏高。與人造假足不同，人體足底具有軟組織結(jié)構(gòu)，其為柔性體，同等壓力情況下，接觸面接增加了，降低了測量的峰值壓強(qiáng)。在對三種不同類型鞋測量時，假足試驗表現(xiàn)出了與人腳試驗的一致性，有效驗證了不同類型鞋之間足底壓力舒適度的檢測。

圖6 假足試驗與人體試驗峰值壓強(qiáng)對比Fig.6 Comparison of peak pressure between prosthetic foot test and human test

2.2 足底接觸面積

足底接觸面積是足部與鞋之間接觸的面積，接觸面積的大小是評價鞋與腳貼合程度的一個重要參數(shù)[12]。如圖 7 所示，分別為兩種測試方法在前掌與后跟處的接觸面積，可以看出假足試驗足底接觸面積要小于人體試驗。由于人造假足為剛性體，足部形狀與不可變形性在一定程度上限制了與鞋的接觸面積。在測量三種不同類型鞋時，假足試驗同樣表現(xiàn)出了與人腳測量的一致性，穿著時腳與鞋 2 和鞋 3 貼合更加緊密，足底接觸面積較多。

圖7 假足試驗與人體試驗接觸面積對比Fig.7 Comparison of contact area between prosthetic foot test and human test

2.3 足底壓強(qiáng)時間積分

足 底 壓 強(qiáng) 時 間 積 分 反 映 了 壓 強(qiáng) 在 時 間 上 的 積累效 應(yīng) ，時 間 越長，壓強(qiáng)越 大 ，積 累 效 用 就 越 大 ，容易產(chǎn)生足部疲勞損傷[15]。如圖 8 所示，分別為兩種測試方法在前掌與后跟處的壓強(qiáng)時間積分，其中假 足測試要高于人體試驗。壓強(qiáng)時間積分受壓強(qiáng)與接觸時間兩個因素的影響。假足測試時足底壓強(qiáng)與接觸時間均較高于人體試驗，導(dǎo)至假足試驗高于人體試驗。對測試鞋進(jìn)行比較，鞋 2 較適宜于行走穿著。

圖8 假足試驗與人體試驗壓強(qiáng)時間積分對比Fig.8 Comparison of pressure time integral between prosthetic foot test and human test

為了進(jìn)一步對比試驗結(jié)果，通過計 算 假足試驗數(shù)據(jù)相對于人體試驗數(shù)據(jù)的誤差率，如表 1 所示。從表 1 中可以看出穿著不同類型的鞋進(jìn)行試 驗 ，假足數(shù)據(jù)相對于人體數(shù)據(jù)存在一定誤差，但所有誤差率的絕對值都小于 10%，因此可以驗證使用假足試驗是有效的，可以代替人腳用于鞋舒適性的檢測。誤差的存在原因是人體足部結(jié)構(gòu)很復(fù)雜，人造 假 足無法很好的模擬人腳，且人體試驗伴隨著人的主觀能動性，導(dǎo)致差異的存在。

表1 假足試驗數(shù)據(jù)相對于人體試驗數(shù)據(jù)的誤差率Tab.1 The error rate of prosthetic foot test data relative to human test data

3 結(jié)論

介紹了一種可動假足鞋類檢測裝置 ，用 于 研究鞋的壓力舒適性。通過對穿著不同類型鞋的試 驗 ，將假足試驗所測得的足底峰值壓強(qiáng)、壓強(qiáng)時間積分和接觸面積與人腳試驗進(jìn)行了對比，驗證了 可 動假足檢測裝置的有效性，且具有好的規(guī)范性與可重復(fù)性，為鞋壓力舒適性研究提供了一種技術(shù)支撐。雖然這種方法可以有效地代替人腳研究鞋壓力舒適性，但仍有很多不足，例如，對腳模結(jié)構(gòu)與材料的改進(jìn)，使其更符合人體足部，進(jìn)一步地有望對足部跗面壓力舒適性進(jìn)行研究。