基于人體足部特征的鞋面樣板設計及橫編成形方法

盧致文，蔣高明，叢洪蓮，楊 茜

(江南大學教育部針織技術工程研究中心，江蘇無錫 214122)

針織面料以其輕質透氣的特性應用于針織鞋材的開發［1］，已受到業內人士的廣泛關注。目前鞋類產品的加工存在諸多問題，如加工步驟繁復，人力成本較高，加工過程中部分化工原料對環境污染嚴重等［2］，因此迫切需要成形程度較高的產品代替傳統產品。橫機編織的鞋面材料(以下簡稱橫編鞋面)，是運用橫編技術進行加工生產的鞋面產品，不僅具有輕質透氣的特性，且產品成形程度高，采用色紗編織，無需染色定型，就可呈現豐富的色彩及組織花型的變化，整身無拼縫，是減少加工流程，降低環境污染，提高產品整體性的有效手段。

為規范橫編鞋面產品的設計，本文依據人體足部結構特征，從足部生理機能角度出發，結合運動慢跑鞋鞋楦特點，提出了橫編成形鞋面基礎樣板這一概念。同時在基本樣板應用過程中，運用明收針、局部編織等成形方法對橫編鞋面產品進行編織，探討了半成形及完全成形2種鞋面的成形編織工藝，為橫編鞋面結構設計合理性提供保證，使其能夠更好地符合人體足部的穿著需求，為產品的設計與開發提供了參考依據。

1 人體足部生理構造及機能

由于足部是人體重要的負重、運動器官，具有一定的形態構造、生理機能及運動規律，因此，在進行鞋面樣板設計前，首先要對人體足部的基本結構、機能以及運動規律進行研究。

1.1 人體足部生理構造

人體每側足有26塊骨骼，關節多達數十個，依據不同功能及位置，可將人體足部骨骼分為:趾骨、跖骨、跗骨3大類［2］。其中跖骨和趾骨的第1節構成了趾跖關節，是足部活動較為頻繁的部位，可做小幅度屈伸運動，在跑跳過程中受力強度較大，因此在幫面設計的時候不宜作斷幫處理。

在人體足部關節中，由脛骨、腓骨及距骨構成的踝關節，可在多個方向同時翻轉擺動，但活動范圍超出承受上限則會引起關節損傷［2］，因此，在運動鞋設計中，良好的保護及支撐對腳踝部位十分重要。圖1為人體足部示意圖。

圖1 人體足部示意圖Fig.1 Diagram of human foot.(a)Arches of foot;(b)Foot-skeleton

足弓作為人體足部重要的組成部分，由跖骨、跗骨構成，結合足底肌腱、韌帶共同構成一個近似拱形向上突起［3］，其主要功能在于保證直立時足底支撐的穩定性，同時在人體跳躍或下落過程中起到緩沖減震的作用，保護足底血管和神經免受壓迫，由于內外側縱弓長度不同，因此在鞋面樣板輪廓兩側采用不對稱設計。

1.2 人體足部機能

生理機能是指在正常狀態下各系統器官的工作能力。足部的生理機能主要包括:調節溫度、分泌汗液、蒸發水分等［4］。由于運動狀態不同、季節變換、人體差異都會導致足部排汗狀態的變換，主要表現為前腳掌及腳心等汗腺分布多的區域排汗較多，而后腳跟、外踝及腳面等部位則排汗較少，因此在鞋面設計過程中，需注重鞋材的保暖性設計，同時也要針對排汗部位設計透氣孔洞，滿足鞋腔溫濕度要求。

2 鞋楦造型及鞋面樣板

鞋楦是以腳型為依據的，鞋楦可看成是腳的模型，但又不只是腳的復制品［5］，決定著鞋的造型式樣以及穿著的合腳性及舒適性，因此，對于鞋楦設計而言，準確地采集人體足部數據極為關鍵。

2.1 人體足部數據采集

足部數據是通過對穿著影響較大的主要特征部位進行測量［6］，從而獲取的數據參數，如圖2所示。

圖2 人體足部測量示意圖Fig.2 Diagram of human foot measurement

2.2 慢跑鞋鞋楦特點

鞋楦是在遵循腳型規律和科學的基礎上，對腳的一種美化和藝術的處理。鞋楦由楦底面、楦統口面、楦側面3個面構成，具有明確的分區及功能要求。不同款式的鞋樣都有自身的鞋楦參數及造型，慢跑鞋作為專用于慢跑的運動鞋，要求質量輕，質地柔軟，透氣性好，非常適合用針織面料。表1示出慢跑鞋鞋楦設計參數。慢跑鞋楦整體較瘦長，前蹺較高，楦體肉頭安排肥瘦適度，從整體造型風格上給人一種輕快、動感的視覺感受［7］，如圖3所示。

表1 慢跑鞋鞋楦設計參數(腳長為255 mm)Tab.1 Parameters design of running shoe-lasts(foot length 255 mm) mm

圖3 慢跑鞋及鞋楦造型Fig.3 Running shoes(a)and shoe-lasts(b)

2.3 慢跑鞋鞋面平面樣板

依據足部采集的尺寸數據，進行鞋楦參數整理與修正。由于楦體的表面是一個三維空間里向多個方向自由延伸的曲面，曲面的面積以及起伏的狀況是樣板設計的依據，因此要盡量將楦面的面積和起伏狀況拷貝下來［8］。獲取鞋楦樣板需經過貼楦、標畫設計點和線、展平、制備基礎樣板、樣板分解及技術處理、樣品試制及樣板檢驗幾項步驟。其中展平過程如圖4所示。首先在鞋頭處打剪口，然后沿箭頭方向將褶皺均勻分散，最終得到平面鞋楦形狀。

圖4 鞋楦平面展開樣板Fig.4 Flat template of shoe-lasts

2.4 橫編成形鞋面基礎樣板

橫編成形鞋面基礎樣板是指在人體足部及鞋楦結構特點的基礎上，結合橫編編織原理，運用比例法［9］在展平的鞋楦樣板上進行繪制及修訂，制訂出的可用于橫機織造的基礎樣板。慢跑鞋常用設計尺寸見表2。表中給出了對應部位取值的參考范圍，在實際應用中應選擇出1組具體數據。圖5示出比例法繪制橫編成形鞋面基礎樣板。

表2 關鍵點取值范圍腳長為(腳長為255 mm)Tab.2 Key value range(foot length 255 mm)mm

圖5 比例法繪制橫編成形鞋面基礎樣板Fig.5 Making basic pattern of flat knitting shaping shoe-upper by ratio method.(a)Hemihedral pattern;(b)Flatten pattern

圖5(a)為鞋面半面樣板，沿鞋楦展開樣板前端底邊描畫鞋底輪廓線，得到前端點J，再找到后跟突點位置，得到后端點A1，LJA1即為楦面全長。取31%LJA1長度，確定出口門位置點E，取32%LJA1長度，定出鞋幫高度位置點D，其余37%LJA1為后幫長。考慮到人在跑步狀態下，對鞋領口抱腳能力有一定要求，但又不妨礙腳腕活動，因此取口門寬度為15 mm、足踝高度為65 mm、后幫高度為80 mm、鞋幫高度為100 mm等一組數據，分別標記為點F、點B、點A及點D。進行樣板縮放時，腳長每增加5 mm，后踵高度增高1 mm，踝骨高度增加為0.5 mm，腳山高度增加2 mm。在制訂樣板時還應考慮到上底工藝要求，從A1點與A點分別預留5 mm和7 mm的后跟泡棉厚度，以繃幫工藝為例，鞋底前段抬升15 mm鞋底后段抬升12 mm，滑順后得到楦面樣板。將繪制好的楦面樣板通過旋轉修正、標記尺寸，得到橫編成形鞋面基礎樣板，如圖5(b)所示為將半面樣板展平后得到鞋面的整體基礎樣板。

3 橫編鞋面基礎樣板的應用

橫編鞋面基礎樣板的設計為成形鞋面的設計與生產提供了直接的依據。由于橫編織物具有較強的彈性，為使橫編成形鞋面達到作為鞋面材料的要求，對于原料及設備的選擇都存在一定限制。應用實例是在STOLL CMS530 7.2G電腦橫機上，選用78 tex淺綠及78 tex深綠滌綸紗線進行編織。

橫編成形鞋面工藝模型與基礎樣板鞋對應關系可根據下式進行計算:

式中:N為輸入模型中的起針數;W為基礎樣板中的鞋口寬度;K為模型總高度;H為樣板總長度;PA與PB分別為通過打樣確定織物的橫縱密度，即橫向與縱向100 mm內的線圈個數，通過修正得到橫編成形鞋面模型。在進行工藝設計時，分別通過半成形和完全成形2種方式實現橫編鞋面的成形編織［10］。在M1Plus花型準備系統中，將換算成針數及轉數的基礎樣板輸入模型編輯器，設定屬性后套入坯布中，再根據款式、組織結構及花型效果要求進行工藝設計及參數修改達到鞋面成形要求，最后從軟件中導出轉換成.sin、.set、.jac格式的文件，直接用于上機文件后在電腦橫機中編織。

3.1 橫編半成形鞋面的應用

橫編半成形鞋面是在鞋面模型上，對鞋后跟及鞋頭部位在其形狀及位置上進行調整，其優勢在于加工工藝簡單，組織結構及花型變化多樣且便于實現，能在普通電腦橫機上實現高效生產。

在橫編半成形鞋面的設計中，主要是根據組織及花型要求，適當調整局部尺寸，如圖6所示。以鞋面模型為原型，運用明收針的方法實現半成形鞋面的外部輪廓，為滿足人體足部后跟突點及鞋頭前蹺的要求，通過局部編織的手段抬高后跟12 mm，鞋頭部位下降7 mm，同時選擇翻針模塊對需裁剪部分輪廓進行標記，并運用提花工藝在需裁剪部位進行款式碼數的標注，最終通過裁剪陰影區域實現鞋面的成形。

圖6 橫編半成形鞋面的編織工藝Fig.6 Knitting technology of flat knitting half shaping shoe-upper

由于橫編半成形鞋面只在外輪廓上采用成形設計，且成形方法較簡單，因此可進行多組織結構變化、多色彩變化的鞋面設計，通過不同組織結構的設計搭配，滿足了鞋面材料需具備的透氣透濕功能，實現了鞋面產品的高效生產，同時色彩的多樣化滿足了人們對于服裝配件裝飾性的要求。

3.2 橫編完全成形鞋面的應用

橫編完全成形鞋面是通過對鞋面基礎樣本進行剪切變形后，最終獲得的可在橫機上織造的無需裁剪的成形鞋面。圖7示出完全成形鞋面的樣板變形。

以左半邊鞋面模型為例，首先在模型上標記前開口端點a點、鞋口最高點c點以及后跟端點f點，分別經a和c作垂直于鞋口的直線ab、cd，交鞋面模型外輪廓線于b點、d點，經f點作鞋領口切線，交于e點。經a點一條豎直線L，將ab、cd、ef剪開，以b點為定點將ab進行旋轉，得到a1b且垂直于L。將cd沿d點旋轉，使c點落在由豎直線L、水平線ff1的交點f1點與c1點構成的c1f1的中點延長線上;再將ef沿f點進行旋轉，使e點所在延長線交豎直線L上的e1點和f1點構成的e1f1與e1點和g點所在延長線與豎直線L的交點g1點構成的e1g1形成3∶2的比例關系，調整鞋面模型樣板(右側樣板的調整與左側相同)。最后按照調整后的樣板作為完全成形鞋面的編織樣板并進行工藝設計。

圖7 完全成形鞋面的樣板變形Fig.7 Pattern deformation of whole shaping shoe-upper

如圖8所示，運用放針滿足人體足部兜跟圍圍度要求，并通過左右不對稱的明收針方式，實現鞋面里外懷底口的區別，符合了人體足部內外側縱弓尺寸及彎曲弧度具有差異的要求。在編織過程中，以口門寬度針數為基準，刪除門口以下部分，滿足前開口式運動鞋鞋面的分別編織。同時運用局部編織的手段對樣板調整后的空白部分進行填充，以實現人體足部前跗骨圍長的要求，以及口門到腳山的曲線造型。在后幫部位，采用大面積局邊編織，滿足后跟處曲線弧度，但由于該區域局邊范圍過大，在織造的過程中會產生牽拉不均或斷線等問題，因此在該部分局邊中部加入1～1.5轉的基本組織進行過渡，便于更好地編織生產。

經更改后的樣板起口處保持水平，因此織物起頭及鞋口羅紋部分都可正常編織不僅實現了織造的一次成形，同時羅紋部分通過添紗等編織方法形成一定的厚度要求，滿足了運動鞋鞋面對統口處的硬挺要求，同時對腳踝部位起到了良好的支撐及保護作用。這類鞋面產品不僅實現了鞋面的一次成形，節約了生產原料，簡化了鞋材加工步驟，降低了人工成本，還在一定程度上減少了對環境的污染。但是該種成形方式編織工藝復雜，織造時間較長，同時對機器牽拉等有更高的技術要求，存在生產效率較低的問題，因此，對于如何提高完全成形鞋面的生產效率，仍需進一步研究。

圖8 橫編完全成形鞋面編織工藝Fig.8 Knitting technology of flat knitting fully shaping shoe-upper

由于人體足部具有特殊的生理結構及機能，因此在對橫編成形鞋面進行工藝及編織方法設計時，除依靠明收針及局部編織方法對橫編成形鞋面進行適當變化以外，還需借助不同組織結構及密度參數進行適當的收緊，從而滿足運動鞋鞋面的性能要求，使其更符合服裝人體工學，達到輕質舒適、透濕透氣且具有一定裝飾效果的要求。

4 結語

針對人體足部結構及生理機能的特性，運用橫編成形原理，結合運動鞋鞋楦原型，設計了符合橫編鞋面織造的基礎樣板。根據不同的需求，在對橫編鞋面基礎樣板進行應用的過程中，得到了橫編半成形及橫編完全成形鞋面的織造樣板并進行橫編鞋面產品的設計生產，實現了工藝與設計的成形對接。將橫編鞋面基礎樣板應用于成形鞋面中，在一定程度上規范了橫編成形鞋面產品的結構設計，同時，為鞋面的設計提供了新的方法，減少成品鞋樣的后道加工流程，并為橫編產品的進一步開發提供了新的途徑。

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