足部相關(guān)產(chǎn)品人因設(shè)計(jì)研究綜述

周克璇， 姚 君， 朱兆華

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)建筑與設(shè)計(jì)學(xué)院， 江蘇徐州 221116）

0 引言

用戶(hù)對(duì)人體穿戴產(chǎn)品的個(gè)性化需求日益凸顯， 對(duì)舒適健康的生活提出更高的要求， 作為人體穿戴產(chǎn)品的重要一環(huán)，足部相關(guān)產(chǎn)品主要包括鞋類(lèi)、足部醫(yī)療產(chǎn)品、足部運(yùn)動(dòng)護(hù)具等。用戶(hù)對(duì)足部相關(guān)產(chǎn)品提出新需求，不僅滿(mǎn)足基本功能，同時(shí)要具備舒適度等特點(diǎn)。舒適度是衡量足部相關(guān)產(chǎn)品的重要指標(biāo)， 良好的舒適度可以改善用戶(hù)穿戴體驗(yàn)，提升足部醫(yī)療產(chǎn)品的康復(fù)效果。匹配人體曲面形態(tài)的足部相關(guān)產(chǎn)品可以提高用戶(hù)穿著的舒適度， 通過(guò)人體測(cè)量技術(shù)能得到精準(zhǔn)的足部形態(tài)， 為足部相關(guān)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)提供幫助。

1 足部測(cè)量技術(shù)

人體足部包括26 塊骨骼， 見(jiàn)圖1，33 個(gè)關(guān)節(jié)和復(fù)雜神經(jīng)結(jié)構(gòu)。 個(gè)體足部形態(tài)存在差異，在不同狀態(tài)下足部形態(tài)會(huì)有不同，同時(shí)會(huì)受到人體不同姿勢(shì)、體重等因素的影響。 同時(shí)，采用不同的測(cè)量手段會(huì)影響最終測(cè)得的足部形態(tài)尺寸，為提高測(cè)量的效率和精確度，需要選取最適合的足部測(cè)量方法。

圖1 足部骨骼

人體測(cè)量技術(shù)是通過(guò)測(cè)量人體相關(guān)部位的二維尺寸或三維形態(tài)來(lái)探究不同個(gè)體之間的差異，促進(jìn)人體穿戴產(chǎn)品、人體醫(yī)療器械、人體定制化產(chǎn)品等領(lǐng)域的發(fā)展。人體測(cè)量技術(shù)，見(jiàn)圖2，經(jīng)歷了從二維到三維、從接觸式到非接觸式的發(fā)展過(guò)程。 接觸式測(cè)量技術(shù)簡(jiǎn)單快捷，但測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)、人力成本高、誤差大，測(cè)量過(guò)程中有諸多不確定因素；非接觸式測(cè)量技術(shù)速度快、精度高，可以獲取大量的三維數(shù)據(jù)。

圖2 人體測(cè)量技術(shù)

1.1 接觸式足部測(cè)量技術(shù)

傳統(tǒng)的接觸式測(cè)量方法主要采用軟尺、直尺等工具，見(jiàn)圖3，通過(guò)對(duì)人體部位進(jìn)行接觸式測(cè)量，獲得長(zhǎng)度、寬度、高度等二維數(shù)據(jù)。 20 世紀(jì)60 年代，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)始使用接觸式三維測(cè)量技術(shù)獲取人體足部三維形態(tài)， 運(yùn)用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，見(jiàn)圖3（c），此設(shè)備通過(guò)探頭接觸被測(cè)物體表面，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理得到物體的空間坐標(biāo)。 Darren 等[1]利用接觸式三維掃描儀采集足部三維模型，定義26 個(gè)足部表面特征點(diǎn)，確定這些點(diǎn)的三維坐標(biāo)，并計(jì)算出23 個(gè)需要測(cè)量的具體尺寸。 三維接觸式測(cè)量?jī)x的探測(cè)部位需要與被測(cè)物體直接接觸，在測(cè)量足部柔性對(duì)象時(shí)，皮膚表面難免會(huì)發(fā)生變形。在測(cè)量中受諸多因素影響，在測(cè)量人體不同部位時(shí)容易出現(xiàn)偏差，難以準(zhǔn)確反映人體三維形態(tài)，且測(cè)量結(jié)果不可逆。

圖3 接觸式測(cè)量工具

1.2 非接觸式足部測(cè)量技術(shù)

非接觸式三維測(cè)量技術(shù)包括圖像測(cè)量技術(shù)、 三維掃描技術(shù)、醫(yī)學(xué)手段，見(jiàn)圖4，醫(yī)學(xué)手段包括CT 掃描和核磁共振等。 圖像測(cè)量技術(shù)是通過(guò)對(duì)足部圖像處理提取足部輪廓、長(zhǎng)寬尺寸等參數(shù)信息，但獲得的尺寸信息單一，且不能直接獲得足部三維信息。Witana 等[2]比較四種足部尺寸測(cè)量方法，三維掃描、卡尺法、足跡法和墨跡法，三維掃描技術(shù)不僅能提供更詳細(xì)的足部尺寸和形態(tài)， 且測(cè)量效率高。劉國(guó)忠等[3]提出一種同時(shí)測(cè)量足部三維模型和足部負(fù)荷的非接觸式測(cè)量系統(tǒng)， 對(duì)170 名受試者進(jìn)行測(cè)試， 得出男女足長(zhǎng)和足圍的差異。 圖像測(cè)量技術(shù)速度快、成本低，但缺少三維數(shù)據(jù)。 三維掃描技術(shù)測(cè)量時(shí)間短、精度高、效率高。 CT 掃描和核磁共振精度高，但數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化復(fù)雜且可能對(duì)人體造成傷害。

圖4 非接觸式測(cè)量?jī)x器

2 足部相關(guān)產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法

足部相關(guān)產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法分為三類(lèi)，見(jiàn)圖5：基于足部特征尺寸分析、基于足部曲面定制和基于足部曲面分類(lèi)進(jìn)行批量定制的足部相關(guān)產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法。

圖5 足部相關(guān)產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法

2.1 基于足部特征尺寸分析的足部相關(guān)產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法

基于足部特征尺寸分析的足部相關(guān)產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法是通過(guò)測(cè)量足部的二維尺寸得到足部輪廓、 長(zhǎng)寬尺寸等數(shù)據(jù)，為足部相關(guān)產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供參考。高嶺[4]在鞋楦上標(biāo)出足部關(guān)節(jié)處的對(duì)應(yīng)點(diǎn)，然后將這些特征點(diǎn)連成橫向和縱向的輪廓曲線，測(cè)量出輪廓線的尺寸，設(shè)計(jì)出不同的鞋幫部件，得到了不同樣式的皮鞋模型。 王宵宵[5]通過(guò)測(cè)量不同年齡段兒童足部的基本尺寸，重點(diǎn)分析足部寬度與跖趾圍長(zhǎng)的關(guān)系，保證鞋前掌部位的舒適性為兒童鞋楦設(shè)計(jì)和生產(chǎn)提供參考。二維尺寸和輪廓形狀無(wú)法準(zhǔn)確描述人體足部復(fù)雜的形態(tài)，不能為穿戴產(chǎn)品的設(shè)計(jì)提供準(zhǔn)確的三維數(shù)據(jù)。

2.2 基于足部曲面定制的足部相關(guān)產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法

基于足部曲面定制的足部相關(guān)產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法是通過(guò)三維測(cè)量技術(shù)得到足部三維模型， 然后對(duì)模型進(jìn)行預(yù)處理和曲面重構(gòu)，以此作為設(shè)計(jì)參考依據(jù)；或是構(gòu)建基于足部特征參數(shù)化模型， 通過(guò)改變尺寸數(shù)據(jù)得到具有差異的三維模型， 從而達(dá)到足部相關(guān)產(chǎn)品設(shè)計(jì)與用戶(hù)足部特征曲面相匹配的目的。張芳蘭[6]提出參數(shù)化的踝足矯形器設(shè)計(jì)方法，見(jiàn)圖6（a），先采用三維掃描技術(shù)獲取足部模型，然后通過(guò)提取足部特征曲線和型值點(diǎn)， 構(gòu)建出參數(shù)化建模具體流程， 最終達(dá)到改變參數(shù)就能實(shí)現(xiàn)踝足矯形器的定制設(shè)計(jì)。陳營(yíng)瑞[7]通過(guò)數(shù)據(jù)回歸的方法構(gòu)建小腿加足部參數(shù)化模型， 得到基于參數(shù)化小腿加足部模型的矯形器制作方法，見(jiàn)圖6（b），以解決用戶(hù)與矯形器個(gè)性化匹配、使用滿(mǎn)意度低、效率低下等問(wèn)題。 徐永昌[8]將足部三維草圖的曲面重建與CAD 模型構(gòu)建運(yùn)用于個(gè)性化鞋楦設(shè)計(jì)，創(chuàng)建含有關(guān)鍵參數(shù)的鞋楦三維草圖， 通過(guò)修改草圖可以快速得到個(gè)性化鞋楦設(shè)計(jì)，見(jiàn)圖6（c），并且確定了鞋楦的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，進(jìn)一步推動(dòng)了鞋楦?jìng)€(gè)性化設(shè)計(jì)的發(fā)展。Niu[9]等通過(guò)三維掃描技術(shù)獲取糖尿病足部曲面數(shù)據(jù)，提出一種針對(duì)糖尿病足的分層模塊化定制鞋墊，見(jiàn)圖6（d），通過(guò)移動(dòng)或增減內(nèi)置墊子改變內(nèi)部空間， 避免因擠壓足部導(dǎo)致足部的血液流動(dòng)不通暢并導(dǎo)致足部病變。

圖6 基于足部曲面定制

基于足部曲面定制的足部相關(guān)產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法主要運(yùn)用逆向工程（Reverse Engineering，RE）技術(shù)[10]。 逆向工程技術(shù)的具體流程，見(jiàn)圖7，首先是數(shù)據(jù)采集：通過(guò)三維掃描儀可以快速獲取實(shí)物模型；然后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理：去除噪點(diǎn)、數(shù)據(jù)平滑處理、點(diǎn)云數(shù)據(jù)冗余壓縮、補(bǔ)齊數(shù)據(jù)點(diǎn)等；其次是曲面重構(gòu)： 將處理好的網(wǎng)格面重構(gòu)成可編輯的NURBS 曲面等； 最后對(duì)曲面進(jìn)行參數(shù)化編輯和設(shè)計(jì)，并通過(guò)快速成型技術(shù)得到實(shí)物模型。

圖7 逆向工程流程

2.3 基于足部曲面形態(tài)分類(lèi)的足部相關(guān)產(chǎn)品批量定制設(shè)計(jì)方法

基于足部曲面形態(tài)分類(lèi)的足部相關(guān)產(chǎn)品批量定制設(shè)計(jì)方法是通過(guò)提取足部三維模型的特征點(diǎn)， 采用主成分分析法、線性及非線性模擬等方法，將足型簡(jiǎn)化降維作為關(guān)鍵指標(biāo)，利用聚類(lèi)算法將人體足部模型進(jìn)行分類(lèi)。基于足部曲面形態(tài)分類(lèi)的批量定制設(shè)計(jì)方法與基于足部曲面定制的足部相關(guān)產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法相比， 既滿(mǎn)足了用戶(hù)對(duì)舒適度的需求又可以解決批量生產(chǎn)的問(wèn)題。 Baek 等[11]測(cè)量350 位韓國(guó)人足部三維模型，提取足部曲面型值點(diǎn)，見(jiàn)圖8（a），通過(guò)層級(jí)聚類(lèi)算法把足部曲面分為8 類(lèi)，發(fā)現(xiàn)足部形態(tài)分類(lèi)規(guī)律，為鞋類(lèi)設(shè)計(jì)提供高效的方法。 班迪尼[12]測(cè)量100 名18～35 歲男性足部三維模型，建立足部尺寸的三維數(shù)據(jù)庫(kù)，運(yùn)用相關(guān)性分析、回歸分析以及主成分分析方法得出足部尺寸之間的聯(lián)系，見(jiàn)圖8（b），提出8 種不同的鞋碼系統(tǒng)，每種鞋碼系統(tǒng)擁有不同的號(hào)型間距。 張春強(qiáng)[13]采集306 個(gè)足部和踝關(guān)節(jié)數(shù)據(jù)模型， 找出足部踝關(guān)節(jié)與彈性護(hù)踝形態(tài)以及與織物拉、壓力之間的關(guān)系，運(yùn)用Kmeans 算法對(duì)護(hù)踝模型的型值點(diǎn)進(jìn)行聚類(lèi)分析，見(jiàn)圖8（c），找出足踝壓力較小的部分，利于足部踝護(hù)具設(shè)計(jì)。Lee 等[14]掃描2000 名男性和1000 名女性足部三維模型， 使用主成分分析法預(yù)測(cè)足部的三維模型，見(jiàn)圖8（d），通過(guò)分類(lèi)算法將足型分為6 類(lèi)，發(fā)現(xiàn)足型存在性別及種族差異，以用于鞋楦設(shè)計(jì)和提高鞋類(lèi)的舒適度。

圖8 基于人體特征曲面分類(lèi)批量定制

3 足部相關(guān)產(chǎn)品設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)方法研究

舒適性是衡量足部相關(guān)產(chǎn)品重要的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)， 人體穿戴產(chǎn)品的設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)方法包括主觀性評(píng)價(jià)法和客觀性評(píng)價(jià)法。主觀性評(píng)價(jià)是通過(guò)形象的詞語(yǔ)進(jìn)行描述，結(jié)果主要取決于用戶(hù)的主觀感受； 客觀性評(píng)價(jià)是通過(guò)實(shí)驗(yàn)方式測(cè)得用戶(hù)的生理反應(yīng)參數(shù)，主要實(shí)驗(yàn)方法有心率驗(yàn)證法、眼動(dòng)追蹤法、腦電分析法以及壓力分布驗(yàn)證法等。

3.1 足部相關(guān)產(chǎn)品主觀性評(píng)價(jià)

陸紅[15]通過(guò)調(diào)查問(wèn)卷和訪談的方式對(duì)200 位不同年齡段的女性穿高跟鞋習(xí)慣進(jìn)行調(diào)查，穿高跟鞋的頻率、跟高的高度區(qū)間、高跟鞋的材質(zhì)等，同時(shí)針對(duì)舒適度問(wèn)題提出解決方案。 張英[16]通過(guò)研究鞋墊材料參數(shù)與足底壓力舒適度之間的聯(lián)系，采用主觀舒適性評(píng)價(jià)法，由受試者穿著不同材料的幾款優(yōu)化的鞋墊，每隔5min 采用語(yǔ)義標(biāo)尺法對(duì)穿著的感受進(jìn)行打分，最終得出最佳的鞋墊設(shè)計(jì)參數(shù)。

3.2 足部相關(guān)產(chǎn)品客觀性評(píng)價(jià)

張亞文[17]設(shè)計(jì)出一種把3D 打印與光纖傳感技術(shù)結(jié)合的足底壓力測(cè)試系統(tǒng)， 模擬孕婦增重過(guò)程變化對(duì)足底壓力分布的影響，圖9（a）是足部模型誤差彩色圖，它可以計(jì)算平均誤差，用于評(píng)價(jià)鞋的合腳性。 張晴晴[18]通過(guò)CT掃描提取足部骨骼及軟組織邊緣的輪廓數(shù)據(jù)， 利用CAD軟件進(jìn)行曲面重構(gòu)，建立了足部骨骼和肌肉的模型。通過(guò)有限元模型分析足部骨骼在不同狀態(tài)時(shí)的應(yīng)力和足底壓力情況，見(jiàn)圖9（b），同時(shí)分析鞋墊底部不同的凹凸程度對(duì)足部舒適性的影響。 孫云[19]對(duì)相同鞋碼的青年女性進(jìn)行研究，讓受試者保持靜止站立或勻速行走狀態(tài)，利于用腦電信號(hào)技術(shù)測(cè)出女性穿著6 種不同高跟鞋的腦電特征，見(jiàn)圖9（c），對(duì)女性鞋類(lèi)設(shè)計(jì)的舒適度評(píng)價(jià)具有理論意義。Taha[20]利用人體足部骨骼和軟組織結(jié)構(gòu)的三維數(shù)據(jù)，建立足部的有限元模型， 通過(guò)模擬人體在多種載荷條件下站立時(shí)的綜合應(yīng)力分布，見(jiàn)圖9（d），提出估算足底壓力的模型，利于幫助研究人員調(diào)查足底壓力，并開(kāi)發(fā)定制鞋墊。

圖9 足部相關(guān)產(chǎn)品客觀性評(píng)價(jià)

4 結(jié)束語(yǔ)

本文結(jié)合測(cè)量技術(shù)、逆向工程技術(shù)、形態(tài)分類(lèi)算法、仿真分析評(píng)價(jià)方法， 分別對(duì)國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)中涉及到的足部測(cè)量技術(shù)、足部相關(guān)產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法、設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)方法，進(jìn)行綜合分析研究。理清足部相關(guān)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的研究動(dòng)態(tài)，為進(jìn)一步設(shè)計(jì)足部相關(guān)產(chǎn)品提供重要的理論基礎(chǔ)， 研究成果對(duì)人體相關(guān)穿戴產(chǎn)品的設(shè)計(jì)亦具有重要的價(jià)值。