基于運動生物力學(xué)的功能鞋墊的研發(fā)

彭飄林，劉昭霞，侯霞，陳敏，康盾

（1.黎明職業(yè)大學(xué)，福建 泉州362000；2.泉州方圓鞋業(yè)有限公司，福建 泉州362000）

引言

鞋墊作為鞋的重要組成部分，由于其直接與足底接觸，其功能開發(fā)對于提高鞋類產(chǎn)品舒適性起到很大的作用，越來越受到企業(yè)的重視。泉州伴隨著運動鞋產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，同時也涌現(xiàn)出一批功能鞋墊企業(yè)，形成一定規(guī)模的產(chǎn)業(yè)。隨著全民健身意識的提高和健身運動的開展，功能鞋墊由于具有矯形、減震、抗菌等功能，越來越受到消費者的青睞，主要體現(xiàn)在消費者會根據(jù)運動項目要求選擇相應(yīng)的功能鞋墊產(chǎn)品[1]。

目前，泉州鞋墊產(chǎn)品存在著功能定位不夠明確，功能同質(zhì)化嚴重的問題，鞋墊產(chǎn)業(yè)急需轉(zhuǎn)型升級，尤其是產(chǎn)品技術(shù)升級，關(guān)鍵就是要根據(jù)運動項目要求提高鞋墊的舒適性功能[1]。

如何利用運動生物力學(xué)技術(shù)進行運動分析和運動產(chǎn)品功能的開發(fā)，是近幾年的研究熱點。傳統(tǒng)的運動生物力學(xué)主要是研究人體運動力學(xué)規(guī)律的一門學(xué)科。它的基本內(nèi)容是運用各種實驗測試手段,測定人在實際運動中的力學(xué)參數(shù)，然后運用力學(xué)、數(shù)學(xué)、物理學(xué)的理論進行分析推導(dǎo)，得出有應(yīng)用價值的各種運動規(guī)律，解決競技體育和大眾體育中的生物力學(xué)問題[2]。通過把運動生物力學(xué)與鞋墊產(chǎn)品功能測試與開發(fā)相結(jié)合，使運動生物力學(xué)的研究范疇從體育范疇拓展到運動裝備方面，使運動生物力學(xué)的理論更為豐富[3]。

本項目將運動生物力學(xué)的運動學(xué)測試技術(shù)、動力學(xué)測試技術(shù)和足底壓力測試技術(shù)應(yīng)用到鞋墊功能測試與開發(fā)中，能提高鞋墊功能測試與開發(fā)水平，該技術(shù)可廣泛應(yīng)用于各種運動項目的功能鞋墊產(chǎn)品測試評價與產(chǎn)品開發(fā)中，能提升整個泉州鞋墊產(chǎn)業(yè)升級和自主創(chuàng)新的能力，推動鞋墊產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

1 國內(nèi)外研究動態(tài)

這些年采用運動生物力學(xué)技術(shù)進行運動分析從而提高運動比賽成績和運動康復(fù)方面，取得了很多成果，并且擁有很多成熟技術(shù)，尤其是在競技運動項目方面[2]。但是，在國內(nèi)利用運動生物力學(xué)技術(shù)進行運動產(chǎn)品功能開發(fā)方面還不是廣泛。在泉州地區(qū)采用運動生物力學(xué)技術(shù)進行產(chǎn)品功能開發(fā)的主要是幾家品牌運動鞋企業(yè)，如安踏公司建立了省內(nèi)第一家運動科學(xué)實驗室，主要運用運動生物力學(xué)進行運動鞋力學(xué)舒適性評價。但是，采用運動生物力學(xué)進行鞋墊功能測試與開發(fā)的企業(yè)非常少。

前些年國內(nèi)外功能鞋墊研究主要集中生理性病變足矯正鞋墊——糖尿病鞋墊、扁平足鞋墊等，如Murlery、Levinger 等人研究主要從足部病變形態(tài)和生理結(jié)構(gòu)研究鞋墊補償足部運動機能[4]。目前，功能鞋墊開發(fā)主要是有兩種：一是合腳功能的開發(fā)，基本上是基于穿著腳型和鞋型的形態(tài)考慮，考慮鞋墊形態(tài)與腳型、鞋型形態(tài)的吻合，如陜西科技大學(xué)弓太生科研團隊主要研究鞋墊合腳性；二是熱濕舒適性（透氣和透汗性）功能的開發(fā)，Geprge、Bultger 等人主要研究功能鞋墊材料的使用，開發(fā)和采用熱濕性能好的材料[5-7]。

國內(nèi)外在鞋墊合腳功能方面的研究都是采用先進的三維腳型掃描技術(shù)，如德國的FOOTSCAN 公司致力于提高鞋墊與腳的吻合性研究。其缺點是沒有考慮到不同的運動項目對足部各關(guān)鍵部位的壓力是不同的，在鞋墊尺寸的設(shè)計上要充分考慮材料厚度、硬度、彈性對不同鞋墊部位壓力變形與分散（吸震）效果[8-10]。

國內(nèi)外在熱濕舒適性功能方面的研究都是在片面地追求開發(fā)透氣透汗性能好的材料，沒有考慮到不同的運動項目對足部各關(guān)鍵部位壓力和熱濕效應(yīng)是不一樣的，不同的運動項目和不同的足部關(guān)鍵部位應(yīng)該采用厚度、硬度、彈性以及熱濕效果不一樣的材料[11-15]。

2 研究內(nèi)容及主要創(chuàng)新點

2.1 研究內(nèi)容

2.1.1 足底造型數(shù)據(jù)采集

使用足底光學(xué)掃描儀對足底進行掃描，采集足底數(shù)據(jù)，應(yīng)用Delcam PowerSHAPE（鞋墊3D 仿真設(shè)計軟件）進行鞋墊底樣輪廓設(shè)計。

2.1.2 足底運動關(guān)鍵部位壓力測試

采用3D 測力臺、Footscan 平板式足底壓力板及其相關(guān)的Footscan Software7.0 分析軟件，Pedar 足底壓力測力墊及其pedar-X online 數(shù)據(jù)分析軟件，對裸足、穿著功能鞋墊情況下的三種運動狀態(tài)（走、跑、跳）的足底關(guān)鍵部位壓力測試[8-9]。

2.1.3 步態(tài)分析與足部運動傷害預(yù)防

通過對走、跑、跳三種運動狀態(tài)的足底關(guān)鍵部位的壓力數(shù)據(jù)進行步態(tài)分析，形成足底內(nèi)翻、外翻等常見足部運動傷害提出方案[13]。

2.1.4 鞋墊運動關(guān)鍵部位壓力調(diào)節(jié)

（1）鞋墊的運動關(guān)鍵部位材料與形狀參數(shù)設(shè)計

鞋墊的運動關(guān)鍵部位材料硬度（硬式、半硬式、軟式）參數(shù)、鞋墊形狀（前掌墊、足弓墊、橫弓墊、足趾墊）長度參數(shù)設(shè)計[16]。

（2）鞋墊的運動關(guān)鍵部位壓力調(diào)節(jié)裝置的開發(fā)

包括HM-足跟內(nèi)側(cè)、HL-足跟外側(cè)、M1-第一跖骨、M2-第二跖骨、M3-第三跖骨、M4-第四跖骨、M5-第五跖骨、T1-第一趾骨、T2-5 第二到五趾骨、MF-足弓以及前掌等十個關(guān)鍵部位等調(diào)節(jié)裝置與結(jié)構(gòu)的開發(fā)[16]。

2.1.5 鞋墊造型曲線、曲面的生成

以鞋墊底樣輪廓線為基準，根據(jù)受試者的足底壓力分布情況，建立鞋墊造型的曲面和曲面，根據(jù)運動功能、鞋墊材料硬度要求進行鞋墊局部造型調(diào)整[17]。

2.1.6 功能鞋墊產(chǎn)品試制與測試、改進

打印3D 鞋墊模型，根據(jù)模型和不同部位材料，制作出功能鞋墊樣品。對樣品相關(guān)部位進行技術(shù)參數(shù)測試，并根據(jù)測試結(jié)果對產(chǎn)品進行改進。

2.2 主要關(guān)鍵技術(shù)及解決辦法

本項目主要關(guān)鍵技術(shù)是多種運動狀態(tài)下足底各部位壓力采集與分析，本項目采用德國的3D 測力臺、Footscan 平板式足底壓力板及其相關(guān)的Footscan Software7.0 分析軟件，Pedar 足底壓力測力墊及其pedar-X online 數(shù)據(jù)分析軟件，對裸足、穿著功能鞋墊情況下的三種運動狀態(tài)（走、跑、跳）的足底關(guān)鍵部位壓力測試[8-9]。

2.3 主要創(chuàng)新點

基于運動生物力學(xué)的功能鞋墊的研發(fā)，其出發(fā)點是以運動生物力學(xué)的運動學(xué)測試技術(shù)、動力學(xué)測試技術(shù)和足底壓力測試技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合運動項目特點和預(yù)防運動傷害功能的要求，以3D 測力系統(tǒng)、2D 足底壓力測試系統(tǒng)及3D 仿真設(shè)計軟件為平臺，開發(fā)出一套滿足不同腳型和常見運動項目的功能鞋墊測試及功能開發(fā)技術(shù)。其創(chuàng)新點主要以下三點：

（1）將足底運動關(guān)鍵部位的壓力測試技術(shù)、鞋墊壓力調(diào)節(jié)技術(shù)、調(diào)節(jié)裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計三者研究融合一體，使鞋墊功能測試和開發(fā)能夠量化及細化，更好地滿足各種運動項目的要求。

（2）對各種運動——走、跑、跳等狀態(tài)分別研究，有利于鞋墊產(chǎn)品的市場細分，結(jié)合運動項目要求開發(fā)相應(yīng)的功能鞋墊，避免一種鞋墊配合多種鞋子和多種運動的弊病，提高運動的舒適性。

（3）基于運動生物力學(xué)的功能鞋墊的研究，其出發(fā)點是通過運動過程中足部各關(guān)鍵部位點的受力測量，形成相應(yīng)的舒適性力學(xué)數(shù)據(jù)標準，從而使鞋墊產(chǎn)品的開發(fā)更符合運動項目的特點和要求。

3 研究方案與技術(shù)路線

3.1 理論分析

（1）光學(xué)掃描理論在足底3D 造型掃描中應(yīng)用；

（2）力學(xué)感應(yīng)原理對足底壓力分布狀態(tài)分析；

（3）運用運動學(xué)、生物力學(xué)原理進行步態(tài)分析。

3.2 實驗方法及步驟

3.2.1 足底造型數(shù)據(jù)采集

（1）足底光學(xué)掃描儀及系統(tǒng)的選擇；

（2）鞋墊3D 仿真設(shè)計軟件的選擇；

（3）足底3D 設(shè)計系統(tǒng)的選擇，造型數(shù)據(jù)采集和鞋墊底樣輪廓設(shè)計方法的開發(fā)。

3.2.2 足底運動關(guān)鍵部位壓力測試

（1）3D 測力臺及測力系統(tǒng)的選擇；

（2）裸足站立3D 數(shù)據(jù)采集與分析；

（3）2D 足底壓力測力板及其分析軟件的選擇；

（4）2D 足底壓力測力墊及其分析軟件的選擇；

（5）裸足情況下的四種運動狀態(tài)（站立、走、跑、跳）的足底關(guān)鍵部位壓力測試；

（6）穿著功能鞋墊情況下的四種運動狀態(tài)（站立、走、跑、跳）的足底關(guān)鍵部位壓力測試。

3.2.3 步態(tài)分析與足部運動傷害預(yù)防

（1）對走、跑、跳三種運動狀態(tài)的足底關(guān)鍵部位的壓力數(shù)據(jù)進行步態(tài)分析；

（2）形成足底內(nèi)翻、外翻等常見足部運動傷害預(yù)防方案。

3.2.4 鞋墊運動關(guān)鍵部位壓力調(diào)節(jié)

（1）鞋墊的運動關(guān)鍵部位材料與形狀參數(shù)設(shè)計

包括鞋墊的運動關(guān)鍵部位材料硬度（硬式、半硬式、軟式）參數(shù)、鞋墊形狀（前掌墊、足弓墊、橫弓墊、足趾墊）長度參數(shù)設(shè)計。

（2）鞋墊的運動關(guān)鍵部位壓力調(diào)節(jié)裝置的開發(fā)

包括HM-足跟內(nèi)側(cè)、HL-足跟外側(cè)、M1-第一跖骨、M2-第二跖骨、M3-第三跖骨、M4-第四跖骨、M5-第五跖骨、T1-第一趾骨、T2-5 第二到五趾骨、MF-足弓以及前掌等十個關(guān)鍵部位等調(diào)節(jié)裝置與結(jié)構(gòu)的開發(fā)[8-9]。

3.2.5 鞋墊造型曲線、曲面的生成

（1）以鞋墊底樣輪廓線為基準，根據(jù)受試者的足底壓力分布情況，建立鞋墊造型的曲面和曲面[16-17]。

（2）根據(jù)運動功能、鞋墊材料硬度要求進行鞋墊局部造型調(diào)整，完成鞋墊3D 仿真設(shè)計。

3.2.6 功能鞋墊產(chǎn)品試制與測試、改進

（1）打印出3D 鞋墊，根據(jù)3D 鞋墊模型和不同部位材料，制作出功能鞋墊的樣品。

（2）對樣品相關(guān)部位進行技術(shù)參數(shù)測試，并根據(jù)測試結(jié)果對產(chǎn)品進行改進[16-17]。

4 項目產(chǎn)業(yè)化前景及經(jīng)濟社會效益

隨著全民健身意識的提高和健身運動的開展，功能鞋墊市場將會越來越細化，消費者對功能鞋墊產(chǎn)品的要求會越來越高，而鞋墊是鞋的重要組成部分，制鞋產(chǎn)業(yè)作為泉州地區(qū)的傳統(tǒng)支柱性產(chǎn)業(yè)，迫切需要提高產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新能力和產(chǎn)品功能的研發(fā)手段，改變產(chǎn)品功能同質(zhì)化嚴重的問題。

本項目針對泉州鞋墊產(chǎn)品功能研發(fā)問題進行探討，能提高產(chǎn)品科技含量和舒適度，具有提升本地區(qū)制鞋產(chǎn)業(yè)整體競爭力的作用，體現(xiàn)出良好的社會和經(jīng)濟效益。

這套技術(shù)經(jīng)過本項目參與企業(yè)應(yīng)用成功后，可在本地區(qū)的制鞋企業(yè)進行推廣，具有很好的產(chǎn)業(yè)化前景。

5 總結(jié)

基于運動生物力學(xué)的功能鞋墊的研發(fā)，其出發(fā)點是以運動生物力學(xué)的運動學(xué)測試技術(shù)、動力學(xué)測試技術(shù)和足底壓力測試技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合運動項目特點和預(yù)防運動傷害功能的要求，以3D 測力系統(tǒng)、2D 足底壓力測試系統(tǒng)及3D 仿真設(shè)計軟件為平臺，開發(fā)出一套滿足不同腳型和常見運動項目的功能鞋墊測試及功能開發(fā)技術(shù)。