足底壓力測量技術(shù)在鞋靴外形及舒適度設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

徐淑波

（江西服裝學(xué)院，江西 南昌 330201）

鞋靴舒適度主要指人體對(duì)鞋靴的主觀感受，在體育運(yùn)動(dòng)普及背景下，人們對(duì)鞋靴舒適度的要求越來越高，鞋靴市場需求也日漸增長[1]。為了避免不良鞋靴設(shè)計(jì)導(dǎo)致的裸足病理學(xué)改變問題，需要研究鞋靴外形及舒適度設(shè)計(jì)方法[2]。

鞋靴設(shè)計(jì)主要包括幫樣設(shè)計(jì)、尺寸設(shè)計(jì)、鞋墊設(shè)計(jì)等，需要調(diào)整鞋靴的重量、尺寸、彎曲度等達(dá)到減震、透氣等目的[3]。相關(guān)人員針對(duì)鞋靴舒適度的影響關(guān)系進(jìn)行了分析，研究了鞋靴外形、顏色等與鞋靴舒適度的影響關(guān)聯(lián)[4]。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，鞋靴的外觀與鞋靴的體感舒適度關(guān)聯(lián)性較低，與裸足的跖趾關(guān)節(jié)區(qū)、足弓區(qū)的貼近狀態(tài)有關(guān)[5]。除此之外，鞋靴的舒適度與裸足的足底壓力分布存在直接關(guān)系，若足底壓力過高，容易引起足部疼痛，從而引發(fā)嚴(yán)重的足部病變[6]。目前，大多數(shù)鞋靴外形及舒適度設(shè)計(jì)方法主要使用形狀文法調(diào)整設(shè)計(jì)空間組織及造型[7]，易受等比例旋轉(zhuǎn)操作衍生作用影響，導(dǎo)致平均足底壓力峰值不符合舒適度峰值要求。為了解決該問題，本文將足底壓力測量技術(shù)應(yīng)用于鞋靴外形及舒適度設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出平均足底壓力峰值滿足舒適度的鞋靴，并通過實(shí)際測試分析驗(yàn)證其效果。

1 分析鞋靴外形及舒適度設(shè)計(jì)影響因素

影響鞋靴外形及舒適度設(shè)計(jì)的因素較多，而為了提高鞋靴外形及舒適度設(shè)計(jì)可靠性[8]，本文設(shè)計(jì)的方法首先分析了鞋靴外形及舒適度設(shè)計(jì)影響因素，如圖1 所示。

圖1 鞋靴外形及舒適度設(shè)計(jì)影響因素（作者自繪）

由圖1 可知，影響鞋靴外形及舒適度設(shè)計(jì)的因素主要包括8 點(diǎn)。其一是鞋靴結(jié)構(gòu)，鞋靴設(shè)計(jì)和制造過程主要涉及到鞋面、鞋幫、鞋墊等部分，鞋子的結(jié)構(gòu)影響鞋子的合腳性，與消費(fèi)者裸足的尺寸有關(guān)[9]；其二是防水性，鞋靴設(shè)計(jì)和制造過程中主要考慮的是鞋面的防水性和鞋底的不滲透性問題，需要鞋靴滿足在雨天或行走地面有水霧時(shí)鞋靴處于不透水狀態(tài)，同時(shí)還要注意避免出現(xiàn)憋悶問題；其三是重量，即人穿著鞋靴移動(dòng)時(shí)將會(huì)消耗的能量，鞋靴越重，人體能量消耗越高，舒適度相對(duì)下降；其四是衛(wèi)生性能，鞋靴既要符合外形設(shè)計(jì)要求，還要采用衛(wèi)生面料，避免破壞足表面的皮膚衛(wèi)生平衡；其五是材料，部分天然材料的舒適度高于合成材料；其六是減震性與緩沖性，這也是影響鞋靴舒適度的最重要因素[10]，需通過對(duì)鞋靴鞋底的設(shè)計(jì)，保證足底壓力平衡，要求鞋靴的軟硬度適中；其七是止滑性，指的是鞋靴鞋底在某些地面較滑的場地能有效行走；其八是微氣候，鞋靴要保證鞋腔內(nèi)部環(huán)境滿足裸足的行走溫濕度舒適要求。根據(jù)上述的鞋靴舒適度設(shè)計(jì)影響因素分析，可以進(jìn)行后續(xù)的面料及壓力分布鞋墊設(shè)計(jì)。

2 基于足底壓力測量技術(shù)的鞋靴外形及舒適度設(shè)計(jì)方法

由本文章節(jié)1 中提到的鞋子結(jié)構(gòu)方面的內(nèi)容可知，鞋面和鞋幫占鞋靴外觀的大部分，鞋面材料的選擇也決定了穿著時(shí)的舒適性、透氣性以及衛(wèi)生性等。而鞋墊設(shè)計(jì)中需要考慮的問題更多，為了增強(qiáng)穿著時(shí)的舒適度，本文的鞋底設(shè)計(jì)引入足底壓力測量技術(shù)。

2.1 鞋靴表面外觀設(shè)計(jì)及舒適度材料選擇

鞋面的剪裁方式需要根據(jù)鞋靴種類和功能需求進(jìn)行選擇，例如運(yùn)動(dòng)鞋常采用有線縫制、逐塊拼接的方式，而休閑鞋則可以采用簡潔的流線型剪裁。本文設(shè)計(jì)的高舒適度鞋靴為休閑鞋，其鞋面的線條和面積分布對(duì)于整體外觀起著重要作用，應(yīng)考慮與鞋型相匹配，遵循美學(xué)原則，營造出平衡和諧的視覺效果。鞋靴外觀設(shè)計(jì)情況如圖2 所示（圖片由筆者自繪）。

圖2 鞋靴外形設(shè)計(jì)情況

面料是鞋靴的重要設(shè)計(jì)要素，面料的選擇對(duì)于鞋靴的穿著舒適度有著重要影響。織物鞋面具有良好透氣性和舒適感，通?？梢愿鶕?jù)需要選擇不同質(zhì)地的纖維材料，如棉、麻、聚酯纖維等。在制作過程中可以采用手工縫制、機(jī)器縫制、膠粘劑粘合等縫制工藝，以便嚴(yán)格控制裁剪和縫線的精度，確保鞋面的質(zhì)量和強(qiáng)度。人造革和合成材料，如PU 革、PVC 等，具有豐富的質(zhì)感和裝飾性，可以模擬天然皮革的外觀和觸感，同時(shí)易于加工和維護(hù)，常采用粘合工藝進(jìn)行制作。天然皮革是高品質(zhì)鞋面的常見選擇，具有優(yōu)雅、舒適和耐久的特點(diǎn)，如牛皮革、小牛皮革、山羊皮革等。

面料的圖案、色彩對(duì)鞋靴的風(fēng)格有重要影響，為了在保證設(shè)計(jì)鞋靴的舒適度的同時(shí)，保證鞋靴外形的美觀度，本文以人造皮革面料為基礎(chǔ)，再造調(diào)整了鞋靴外形面料。首先對(duì)面料的肌理進(jìn)行設(shè)計(jì)，調(diào)整材料的觸覺肌理與視覺肌理。其次根據(jù)鞋靴設(shè)計(jì)的原料設(shè)計(jì)節(jié)奏與韻律，將原本普通的面料按照規(guī)律感再造調(diào)整為新型觸覺肌理面料，如圖3 所示。

圖3 鞋靴外形面料再造調(diào)整

由圖3 可知，再造調(diào)整鞋靴外形面料后，鞋靴的層次更明顯，空間塑造更完整，可以結(jié)合材料特點(diǎn)及相關(guān)的工藝要素進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，保證最終的鞋靴外形及舒適度設(shè)計(jì)效果。

鞋幫是鞋靴覆蓋足部上部和側(cè)部的部分，其設(shè)計(jì)需要考慮鞋靴外觀、透氣性、舒適度等方面。鞋幫的材料同樣可以選擇紡織品、人造革或者天然材料等，本文在鞋幫的材料選擇上結(jié)合人造革和紡織品，能夠保證鞋幫的柔軟舒適性及透氣性。

2.2 基于足底壓力測量技術(shù)設(shè)計(jì)高舒適度壓力分布鞋墊

足底壓力測量技術(shù)可以利用相關(guān)的傳感器判斷足底壓力的分布關(guān)系，提高鞋靴的舒適度。本文設(shè)計(jì)的方法根據(jù)人體的穿戴條件選擇PVDF 作為足底壓力測量傳感單元，設(shè)計(jì)了高舒適度壓力分布鞋墊。PVDF屬于高分子材料，可看成一個(gè)換能電容，其輸出電荷與應(yīng)力變化關(guān)系如公式（1）所示。

式中：Q 為傳感應(yīng)力輸出電荷量；d 為介電常數(shù)；F為垂直施加應(yīng)力；A為有效感應(yīng)面積。

根據(jù)上述傳感單元獲取到的傳感信息可以用來判斷人體裸足壓力的動(dòng)態(tài)變化，按照人體足部力學(xué)特征可以描述動(dòng)態(tài)傳感單元，劃分足底的各個(gè)解剖區(qū)域。此時(shí)設(shè)計(jì)的高舒適度壓力分布鞋墊的傳感單元分布如圖4 所示（圖片由筆者自繪）。

圖4 高舒適度壓力分布鞋墊傳感單元分布示意圖

由圖4 可知，在鞋靴舒適度設(shè)計(jì)的過程中，可以假設(shè)腳長度，設(shè)置最長腳趾與端點(diǎn)接觸的垂直線，此時(shí)上述的傳感單元可以按照腳長的10%、42%、70%分布。設(shè)計(jì)的高舒適度壓力分布鞋墊將傳感單元埋入鞋墊內(nèi)部，設(shè)置保護(hù)壓電薄膜傳感單元，從而提高鞋墊的舒適度。

結(jié)合上述的測量技術(shù)可以對(duì)鞋靴的足底部分進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，根據(jù)鞋靴的實(shí)際使用要求，盡量避免選擇偏重的結(jié)構(gòu)作為鞋靴底部，在保證鞋靴精巧的同時(shí)，還需要滿足鞋靴的保暖要求?？梢允褂米愕追p技術(shù)增加鞋靴的摩擦力，提高鞋靴的行走舒適度。鞋靴的鞋跟高度與形狀對(duì)鞋靴的舒適性也有重要影響，因此，可以從根本的加工制造工業(yè)入手，使用鞋幫面后翻縫制工藝增加鞋底的韌性。

3 實(shí)例分析

3.1 概況及準(zhǔn)備

針對(duì)鞋靴外形及舒適度實(shí)例分析要求，本文選取FOOTSCAN 分析平臺(tái)作為實(shí)例分析平臺(tái)，設(shè)置了若干個(gè)鞋靴設(shè)計(jì)樣本。為了判斷不同設(shè)計(jì)型號(hào)鞋靴的足底壓力差值，本文還選取了硬度測試儀及天平。

本文預(yù)設(shè)了鞋靴基礎(chǔ)舒適度，調(diào)整鞋靴跟高至1.5～2.0cm 之間，試驗(yàn)用鞋的跟高一致，材質(zhì)不一致。測試者為處于平均體重、平均身高條件下的裸足健康測試者，保持習(xí)慣性站姿，調(diào)整足間距在40～60cm 之間，由受試者分別站在特征點(diǎn)為01（03）～14（16）的足底壓力測試板中，以平時(shí)勻速步態(tài)步行、跑步、跳躍等方式展開測試，判斷鞋靴的舒適度狀況，此時(shí)測試者的足底靜態(tài)分布關(guān)系如圖5 所示。

圖5 測試者足底靜態(tài)分布關(guān)系

由圖5 可知，根據(jù)上述的足底靜態(tài)分布關(guān)系，可以截取鞋靴在不同截點(diǎn)的舒適度變化情況，從而獲取準(zhǔn)確的實(shí)例分析結(jié)果。

在裸足狀態(tài)下，各個(gè)受試者的足底壓力承載百分比如表1 所示。

表1 足底壓力承載百分比

由表1 可知，結(jié)合前述的足底壓力承載百分比可以對(duì)壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步分析，從而獲取準(zhǔn)確的實(shí)例分析結(jié)果。

3.2 應(yīng)用效果與討論

使用本文方法設(shè)計(jì)得到的鞋靴，規(guī)劃若干個(gè)鞋靴足底特征點(diǎn)，測試足底各個(gè)特征點(diǎn)的壓力峰值，并將其與舒適度設(shè)計(jì)峰值[11]進(jìn)行對(duì)比，實(shí)例分析結(jié)果如表2所示。

表2 實(shí)例分析結(jié)果

由表2 可知，本文提出的基于足底壓力測量技術(shù)的鞋靴外形及舒適度設(shè)計(jì)方法在不同運(yùn)動(dòng)姿態(tài)及足底各特征點(diǎn)下的足底壓力峰值符合設(shè)計(jì)舒適度峰值。證明本文設(shè)計(jì)的基于足底壓力測量技術(shù)的鞋靴外形及舒適度設(shè)計(jì)方法的設(shè)計(jì)效果較好，具有可靠性，有一定的應(yīng)用價(jià)值。

4 結(jié)語

本文引入足底壓力測量技術(shù)，提出一種鞋靴外形及舒適度設(shè)計(jì)方法，保證其滿足足部健康發(fā)育以及足底壓力調(diào)節(jié)要求。實(shí)例分析結(jié)果表明，本文提出的鞋靴外形及舒適度設(shè)計(jì)方法的平均足底壓力峰值滿足舒適度要求，證明所提出的鞋靴外形及舒適度設(shè)計(jì)方法的設(shè)計(jì)效果較好。