基于三維足部測(cè)量的運(yùn)動(dòng)鞋楦數(shù)字化模型

周 捷,李 健,馬秋瑞

(西安工程大學(xué) 服裝與藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院,陜西 西安 710048)

0 引 言

長(zhǎng)期穿著不合腳的鞋子從事高強(qiáng)度的體育訓(xùn)練,容易導(dǎo)致疲勞、疼痛及畸形等諸多足部疾病[1-2]。由于非競(jìng)技運(yùn)動(dòng)員腳型的特殊性,批量生產(chǎn)的鞋類無(wú)法滿足訓(xùn)練穿著時(shí)的合體要求[3-4]。因此,如何針對(duì)我國(guó)非競(jìng)技運(yùn)動(dòng)員的腳型特征,研發(fā)出更加舒適的運(yùn)動(dòng)鞋是科研機(jī)構(gòu)和鞋類企業(yè)亟待解決的問題。

腳型是鞋楦設(shè)計(jì)的基礎(chǔ),而鞋楦是鞋的三維實(shí)體模具,對(duì)鞋類的美觀性與舒適性起著關(guān)鍵作用[5]。目前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)鞋楦研究主要分為3類:一是腳型與楦型間的匹配性評(píng)價(jià)[6-7];二是參數(shù)驅(qū)動(dòng)的鞋楦數(shù)字化設(shè)計(jì)[8-9];三是針對(duì)特殊群體(如糖尿病足,定制等)的鞋楦研究[10-11]。這些研究為設(shè)計(jì)合腳的鞋類產(chǎn)品提供了有益的參考,但針對(duì)非競(jìng)技運(yùn)動(dòng)員腳型的鞋楦研究尚未見報(bào)道?；诖?本研究采用三維足部測(cè)量技術(shù),擷取非競(jìng)技運(yùn)動(dòng)員足部相關(guān)重要尺寸,開發(fā)出符合腳型特征的專業(yè)運(yùn)動(dòng)鞋楦模型,為運(yùn)動(dòng)鞋類設(shè)計(jì)及個(gè)性化定制提供參考。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 數(shù)據(jù)采集

實(shí)驗(yàn)對(duì)象為230名18～35歲定期參加中等至高強(qiáng)度訓(xùn)練的非競(jìng)技運(yùn)動(dòng)員,參照相關(guān)研究[12-13],樣本量符合實(shí)驗(yàn)要求。受試者均為漢族,籍貫主要在福建、江西、河南和湖北等地區(qū)，占比為52.6%。采用LSF三維足部掃描儀(深圳市精易迅科技有限公司,掃描精度≤1.0 mm,掃描單只足約10 s)[12]采集數(shù)據(jù)。經(jīng)數(shù)據(jù)預(yù)處理,共有24個(gè)樣本因數(shù)據(jù)丟失或明顯的足部畸形而被剔除,最終確定84名男性(年齡22～32歲,身高168～179 cm,體重59.8～80.4 kg)和122名女性(年齡22～28歲,身高157～168 cm,體重44.2～62.0 kg)。所有程序經(jīng)受試者簽訂書面知情同意書。

1.2 測(cè)量指標(biāo)

依據(jù)人體足部測(cè)量的數(shù)據(jù)要求[12-13],結(jié)合本項(xiàng)目的實(shí)際需要,分別從長(zhǎng)度:足長(zhǎng)(L1)、第一跖趾關(guān)節(jié)長(zhǎng)(L2)、第五跖趾關(guān)節(jié)長(zhǎng)(L3)、第五足趾端點(diǎn)長(zhǎng)(L4)和踵心位置長(zhǎng)(L5);寬度:基本寬度(W1)、第一跖趾里寬(W2)、踵心寬度(W3)和跖趾斜寬(W4);圍度:跖圍(G1)、前跗骨圍(G2)和兜根圍(G3)；高度:拇指高(H1)、第一跖趾高(H2)、前跗骨高(H3)、外踝下緣高(H4)和足弓高(H5)等4個(gè)方面提取17項(xiàng)指標(biāo)，如圖1所示。

1.3 數(shù)字化處理

應(yīng)用三維足部測(cè)量技術(shù),擷取非競(jìng)技運(yùn)動(dòng)員足部相關(guān)重要尺寸,開發(fā)符合消費(fèi)者腳型的專用運(yùn)動(dòng)鞋楦,研究流程分為3個(gè)步驟:

1) 鞋楦和腳型數(shù)據(jù)的獲取。通過三維足部掃描儀采集鞋楦和腳型點(diǎn)云數(shù)據(jù),在Geomagic Studio軟件中依次經(jīng)過點(diǎn)云、多邊形及曲面階段獲取數(shù)字化模型。

2) 腳型向鞋楦數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化。根據(jù)腳型與楦型在長(zhǎng)度、寬度和圍度指標(biāo)的匹配關(guān)系,考慮腳在跖圍、放余量、后容差等穿著需要構(gòu)建數(shù)字化鞋楦。

3) 鞋楦的設(shè)計(jì)與修改?；谀_型規(guī)律及逆向工程技術(shù)得到標(biāo)準(zhǔn)化鞋楦模型,在Lastmaker軟件中進(jìn)行參數(shù)修改,生成定制的個(gè)性化鞋楦,并進(jìn)行鞋楦模型的合體性評(píng)價(jià)。研究流程圖見圖2。

2 結(jié)果與分析

2.1 鞋碼分布

鞋碼是衡量人體腳型以便選配鞋尺寸的標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)。表1是受試者鞋碼在歐制鞋碼類別中的分布情況。由表1可知,青年男性非競(jìng)技運(yùn)動(dòng)員鞋碼分布范圍是40～45碼,以41、42和43碼居多(占比66.6%);而青年女性非競(jìng)技運(yùn)動(dòng)員鞋碼分布范圍是33～39碼,尤以36和37碼居多(占比66.4%)。

表 1 青年非競(jìng)技運(yùn)動(dòng)員鞋碼分布Tab.1 Shoe size distribution of young non-competitive athletes

2.2 腳型規(guī)律

為便于比較找出腳型規(guī)律,以足長(zhǎng)為參考將足部各個(gè)指標(biāo)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化,即標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)=(足部指標(biāo)/足長(zhǎng))×100%。經(jīng)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化后,青年非競(jìng)技運(yùn)動(dòng)員腳型指標(biāo)數(shù)據(jù)的平均值及標(biāo)準(zhǔn)差見圖3。

圖3結(jié)果顯示:①男性17個(gè)腳型指標(biāo)的平均值及標(biāo)準(zhǔn)差均明顯大于女性,即男性骨骼發(fā)育程度及差異性大于女性。②在右足中,青年男女非競(jìng)技運(yùn)動(dòng)員在第一跖趾里寬、前跗骨圍和前跗骨高等指標(biāo)上,性別差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05);在左足中,青年男女非競(jìng)技運(yùn)動(dòng)員在前跗骨圍和前跗骨高指標(biāo)上,性別差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。③女性在第一跖趾關(guān)節(jié)長(zhǎng)、第五跖趾關(guān)節(jié)長(zhǎng)、第五足趾端點(diǎn)長(zhǎng)、第一跖趾里寬、拇指高和外踝下緣高等指標(biāo)上,左右足的差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05),即女性在以上指標(biāo)的雙腳發(fā)育情況差異較大;而男性僅在第五跖趾關(guān)節(jié)長(zhǎng)指標(biāo)上,左右足的差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05),即男性在成長(zhǎng)過程中雙腳發(fā)育情況比較一致。

2.3 腳型向鞋楦數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換

2.3.1 腳型與鞋楦的差異 鞋楦是制鞋的核心。鞋楦以腳型為依據(jù),是腳型規(guī)律的反映,但又不等同于腳型[10,14]。若完全以腳型輪廓及其尺寸為鞋楦尺寸,則鞋楦會(huì)肥大而不合腳。因此,腳型數(shù)據(jù)向鞋楦尺寸的轉(zhuǎn)換是鞋楦設(shè)計(jì)的首要步驟。腳型與鞋楦的差異見文獻(xiàn)[10]。

2.3.2 鞋楦底樣 腳長(zhǎng)是設(shè)計(jì)鞋楦底樣長(zhǎng)的依據(jù)。為保證腳在鞋腔內(nèi)的活動(dòng)余量,使鞋不至于頂腳,鞋楦底樣長(zhǎng)需在足長(zhǎng)的基礎(chǔ)上增加放余量。在行走過程中,足部受到體重的壓力,腳掌和腳跟受力時(shí)足弓帶被拉長(zhǎng)(約5 mm);同時(shí),足后跟是一個(gè)弧狀結(jié)構(gòu),為使在行走時(shí)鞋不脫跟,鞋楦后跟應(yīng)有適當(dāng)?shù)耐苟?即后容差)。通常,鞋楦底樣長(zhǎng)=足長(zhǎng)+放余量-后容差[15]。其中,放余量會(huì)依據(jù)鞋款式、季節(jié)和動(dòng)靜態(tài)的變化而有所差異。在本研究中,采用保持后容差和放余量不變的計(jì)算方法,放余量取16.8 mm,后容差取5 mm。

在鞋楦的寬度系數(shù)中,若直接使用基本寬度尺寸,會(huì)造成鞋楦底樣空曠等不合腳的問題；相反,若以足印輪廓寬為鞋楦底樣寬,由于足部肌肉的存在,可能會(huì)引起擠腳、磨腳等情況發(fā)生。從生理特點(diǎn)考慮,鞋楦寬度須在足印與足輪廓之間。通常,鞋跖圍小于腳跖圍6 mm時(shí),主觀舒適性最佳[15]。

2.3.3 鞋楦造型 人在行走或負(fù)重時(shí),腳部血液流動(dòng)加速,足弓相比坐姿時(shí)會(huì)下塌,使得腳的圍度尺寸增加[16]。為確保鞋穿著舒適,大多數(shù)鞋楦的圍度尺寸應(yīng)大于腳尺寸,以適應(yīng)腳在鞋腔內(nèi)因腳的運(yùn)動(dòng)而變形。其中,跖圍是腳肥瘦的標(biāo)志,在運(yùn)動(dòng)時(shí)彎曲并承受足部壓力。通常,鞋楦跖圍=腳跖圍-跖圍感差值[15,17]。在鞋楦造型設(shè)計(jì)中,幾個(gè)橫截面的設(shè)計(jì)至關(guān)重要,如圖4所示。

2.4 數(shù)字化鞋楦模型的構(gòu)建

逆向工程是從目標(biāo)實(shí)物產(chǎn)品中獲取數(shù)字模型并將產(chǎn)品設(shè)計(jì)再現(xiàn)的相關(guān)技術(shù),在大規(guī)模定制環(huán)境下應(yīng)用廣泛[18-19]。采用Geomagic Studio軟件構(gòu)建數(shù)字化鞋楦模型,主要分為點(diǎn)云階段、多邊形階段和曲面階段等3個(gè)階段。重建的數(shù)字化鞋楦模型見圖5。

經(jīng)逆向工程獲得的鞋楦模型(圖5),為便于鞋楦參數(shù)的修改,需對(duì)鞋楦模型的方位進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。按照文獻(xiàn)[20]的處理方法,完成鞋楦模型的方位標(biāo)準(zhǔn)化, 如圖6所示。

在圖6中,HL為楦跟點(diǎn);B1L為第一跖趾部位點(diǎn);B2L為第五跖趾部位點(diǎn);CL為B1L與B2L連線的中點(diǎn);SPL為前掌凸點(diǎn);D1為B1L的Z坐標(biāo)值;D2為B2L的Z坐標(biāo)值。

為了更好地體現(xiàn)運(yùn)動(dòng)鞋楦特征, 采用 K-means聚類方法對(duì)腳型指標(biāo)進(jìn)行聚類分析。 參照相關(guān)文獻(xiàn)[21-23], 將腳型聚類數(shù)定為3時(shí), 從實(shí)用性和邏輯內(nèi)容上的聚類效果最好。 因此, 以17項(xiàng)腳型指標(biāo)為腳型分類的聚類變量, 將84名男性和122名女性腳型細(xì)分為3類。 腳型分類的聚類分析結(jié)果如表2所示。

表 2 基于鞋楦細(xì)分的聚類分析Tab.2 Clustering analysis based on last subdivision

依據(jù)表2中腳型分類結(jié)果,發(fā)現(xiàn)男性的聚類1為瘦腳型(n=28,33.3%),聚類2為胖腳型(n=20,23.8%),聚類3為中間腳型(n=36,42.9%);同理,女性聚類1為胖腳型(n=49,40.2%),聚類2為瘦腳型(n=18,14.7%),聚類3為中間腳型(n=55,45.1%)。由于跖圍、基本寬度和足弓高是鞋類設(shè)計(jì)的關(guān)鍵尺寸,選擇以這3個(gè)尺寸表征鞋楦形態(tài)。由表2中3類腳型在17項(xiàng)指標(biāo)上的尺寸數(shù)值,在Lastmaker軟件中修改鞋楦尺寸的。基于腳型分類的楦型設(shè)計(jì)如圖7所示。

2.5 模型評(píng)價(jià)

為了評(píng)價(jià)鞋楦三維重建效果,在Geomagic Studio軟件中進(jìn)行模型精度評(píng)價(jià),重建的鞋楦數(shù)字化模型誤差見圖8。圖8所示的顏色顯示鞋楦數(shù)字化模型不僅能夠清晰地反映出腳趾、腳底和足弓等重要信息,而且模型的誤差較小,驗(yàn)證了結(jié)合逆向工程的數(shù)字化鞋楦的精度是可接受的[24]。

3 結(jié) 論

1) 通過采集非競(jìng)技運(yùn)動(dòng)員腳型數(shù)據(jù),在分析腳型規(guī)律及其與鞋楦匹配關(guān)系的基礎(chǔ)上,提出了一套完整的鞋楦設(shè)計(jì)方法。

2) 青年男性非競(jìng)技運(yùn)動(dòng)員鞋碼分布范圍是40～45碼,以41、42和43碼居多(占比66.6%);而青年女性非競(jìng)技運(yùn)動(dòng)員鞋碼分布范圍是33～39碼,尤以36和37碼居多(占比66.4%)。

3) 青年非競(jìng)技運(yùn)動(dòng)員腳型存在較大的性別差異及左右足差異。在鞋楦設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)考慮在第一跖趾里寬、前跗骨圍、前跗骨高等指標(biāo)的性別差異,同時(shí)應(yīng)考慮男性在第五跖趾關(guān)節(jié)長(zhǎng)以及女性在第一跖趾關(guān)節(jié)長(zhǎng)、第五跖趾關(guān)節(jié)長(zhǎng)、第五足趾端點(diǎn)長(zhǎng)、第一跖趾里寬、拇指高和外踝下緣高等指標(biāo)的左右足差異。

4) 逆向工程技術(shù)應(yīng)用到鞋楦設(shè)計(jì)中是可行的。基于個(gè)體腳型的數(shù)字化鞋楦設(shè)計(jì),為制鞋企業(yè)改進(jìn)運(yùn)動(dòng)鞋產(chǎn)品的功能性與舒適性奠定了理論基礎(chǔ)。