足部相關產品人因設計研究綜述

周克璇， 姚 君， 朱兆華

（中國礦業大學建筑與設計學院， 江蘇徐州 221116）

0 引言

用戶對人體穿戴產品的個性化需求日益凸顯， 對舒適健康的生活提出更高的要求， 作為人體穿戴產品的重要一環，足部相關產品主要包括鞋類、足部醫療產品、足部運動護具等。用戶對足部相關產品提出新需求，不僅滿足基本功能，同時要具備舒適度等特點。舒適度是衡量足部相關產品的重要指標， 良好的舒適度可以改善用戶穿戴體驗，提升足部醫療產品的康復效果。匹配人體曲面形態的足部相關產品可以提高用戶穿著的舒適度， 通過人體測量技術能得到精準的足部形態， 為足部相關產品的設計提供幫助。

1 足部測量技術

人體足部包括26 塊骨骼， 見圖1，33 個關節和復雜神經結構。 個體足部形態存在差異，在不同狀態下足部形態會有不同，同時會受到人體不同姿勢、體重等因素的影響。 同時，采用不同的測量手段會影響最終測得的足部形態尺寸，為提高測量的效率和精確度，需要選取最適合的足部測量方法。

圖1 足部骨骼

人體測量技術是通過測量人體相關部位的二維尺寸或三維形態來探究不同個體之間的差異，促進人體穿戴產品、人體醫療器械、人體定制化產品等領域的發展。人體測量技術，見圖2，經歷了從二維到三維、從接觸式到非接觸式的發展過程。 接觸式測量技術簡單快捷，但測量時間長、人力成本高、誤差大，測量過程中有諸多不確定因素；非接觸式測量技術速度快、精度高，可以獲取大量的三維數據。

圖2 人體測量技術

1.1 接觸式足部測量技術

傳統的接觸式測量方法主要采用軟尺、直尺等工具，見圖3，通過對人體部位進行接觸式測量，獲得長度、寬度、高度等二維數據。 20 世紀60 年代，國內外學者開始使用接觸式三維測量技術獲取人體足部三維形態， 運用三坐標測量機，見圖3（c），此設備通過探頭接觸被測物體表面，經過數據處理得到物體的空間坐標。 Darren 等[1]利用接觸式三維掃描儀采集足部三維模型，定義26 個足部表面特征點，確定這些點的三維坐標，并計算出23 個需要測量的具體尺寸。 三維接觸式測量儀的探測部位需要與被測物體直接接觸，在測量足部柔性對象時，皮膚表面難免會發生變形。在測量中受諸多因素影響，在測量人體不同部位時容易出現偏差，難以準確反映人體三維形態，且測量結果不可逆。

圖3 接觸式測量工具

1.2 非接觸式足部測量技術

非接觸式三維測量技術包括圖像測量技術、 三維掃描技術、醫學手段，見圖4，醫學手段包括CT 掃描和核磁共振等。 圖像測量技術是通過對足部圖像處理提取足部輪廓、長寬尺寸等參數信息，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量方法，三維掃描、卡尺法、足跡法和墨跡法，三維掃描技術不僅能提供更詳細的足部尺寸和形態， 且測量效率高。劉國忠等[3]提出一種同時測量足部三維模型和足部負荷的非接觸式測量系統， 對170 名受試者進行測試， 得出男女足長和足圍的差異。 圖像測量技術速度快、成本低，但缺少三維數據。 三維掃描技術測量時間短、精度高、效率高。 CT 掃描和核磁共振精度高，但數據轉化復雜且可能對人體造成傷害。

圖4 非接觸式測量儀器

2 足部相關產品設計方法

足部相關產品設計方法分為三類，見圖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進行批量定制的足部相關產品設計方法。

圖5 足部相關產品設計方法

2.1 基于足部特征尺寸分析的足部相關產品設計方法

基于足部特征尺寸分析的足部相關產品設計方法是通過測量足部的二維尺寸得到足部輪廓、 長寬尺寸等數據，為足部相關產品設計提供參考。高嶺[4]在鞋楦上標出足部關節處的對應點，然后將這些特征點連成橫向和縱向的輪廓曲線，測量出輪廓線的尺寸，設計出不同的鞋幫部件，得到了不同樣式的皮鞋模型。 王宵宵[5]通過測量不同年齡段兒童足部的基本尺寸，重點分析足部寬度與跖趾圍長的關系，保證鞋前掌部位的舒適性為兒童鞋楦設計和生產提供參考。二維尺寸和輪廓形狀無法準確描述人體足部復雜的形態，不能為穿戴產品的設計提供準確的三維數據。

2.2 基于足部曲面定制的足部相關產品設計方法

基于足部曲面定制的足部相關產品設計方法是通過三維測量技術得到足部三維模型， 然后對模型進行預處理和曲面重構，以此作為設計參考依據；或是構建基于足部特征參數化模型， 通過改變尺寸數據得到具有差異的三維模型， 從而達到足部相關產品設計與用戶足部特征曲面相匹配的目的。張芳蘭[6]提出參數化的踝足矯形器設計方法，見圖6（a），先采用三維掃描技術獲取足部模型，然后通過提取足部特征曲線和型值點， 構建出參數化建模具體流程， 最終達到改變參數就能實現踝足矯形器的定制設計。陳營瑞[7]通過數據回歸的方法構建小腿加足部參數化模型， 得到基于參數化小腿加足部模型的矯形器制作方法，見圖6（b），以解決用戶與矯形器個性化匹配、使用滿意度低、效率低下等問題。 徐永昌[8]將足部三維草圖的曲面重建與CAD 模型構建運用于個性化鞋楦設計，創建含有關鍵參數的鞋楦三維草圖， 通過修改草圖可以快速得到個性化鞋楦設計，見圖6（c），并且確定了鞋楦的設計準則，進一步推動了鞋楦個性化設計的發展。Niu[9]等通過三維掃描技術獲取糖尿病足部曲面數據，提出一種針對糖尿病足的分層模塊化定制鞋墊，見圖6（d），通過移動或增減內置墊子改變內部空間， 避免因擠壓足部導致足部的血液流動不通暢并導致足部病變。

圖6 基于足部曲面定制

基于足部曲面定制的足部相關產品設計方法主要運用逆向工程（Reverse Engineering，RE）技術[10]。 逆向工程技術的具體流程，見圖7，首先是數據采集：通過三維掃描儀可以快速獲取實物模型；然后進行數據處理：去除噪點、數據平滑處理、點云數據冗余壓縮、補齊數據點等；其次是曲面重構： 將處理好的網格面重構成可編輯的NURBS 曲面等； 最后對曲面進行參數化編輯和設計，并通過快速成型技術得到實物模型。

圖7 逆向工程流程

2.3 基于足部曲面形態分類的足部相關產品批量定制設計方法

基于足部曲面形態分類的足部相關產品批量定制設計方法是通過提取足部三維模型的特征點， 采用主成分分析法、線性及非線性模擬等方法，將足型簡化降維作為關鍵指標，利用聚類算法將人體足部模型進行分類。基于足部曲面形態分類的批量定制設計方法與基于足部曲面定制的足部相關產品設計方法相比， 既滿足了用戶對舒適度的需求又可以解決批量生產的問題。 Baek 等[11]測量350 位韓國人足部三維模型，提取足部曲面型值點，見圖8（a），通過層級聚類算法把足部曲面分為8 類，發現足部形態分類規律，為鞋類設計提供高效的方法。 班迪尼[12]測量100 名18～35 歲男性足部三維模型，建立足部尺寸的三維數據庫，運用相關性分析、回歸分析以及主成分分析方法得出足部尺寸之間的聯系，見圖8（b），提出8 種不同的鞋碼系統，每種鞋碼系統擁有不同的號型間距。 張春強[13]采集306 個足部和踝關節數據模型， 找出足部踝關節與彈性護踝形態以及與織物拉、壓力之間的關系，運用Kmeans 算法對護踝模型的型值點進行聚類分析，見圖8（c），找出足踝壓力較小的部分，利于足部踝護具設計。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測足部的三維模型，見圖8（d），通過分類算法將足型分為6 類，發現足型存在性別及種族差異，以用于鞋楦設計和提高鞋類的舒適度。

圖8 基于人體特征曲面分類批量定制

3 足部相關產品設計評價方法研究

舒適性是衡量足部相關產品重要的評價標準， 人體穿戴產品的設計評價方法包括主觀性評價法和客觀性評價法。主觀性評價是通過形象的詞語進行描述，結果主要取決于用戶的主觀感受； 客觀性評價是通過實驗方式測得用戶的生理反應參數，主要實驗方法有心率驗證法、眼動追蹤法、腦電分析法以及壓力分布驗證法等。

3.1 足部相關產品主觀性評價

陸紅[15]通過調查問卷和訪談的方式對200 位不同年齡段的女性穿高跟鞋習慣進行調查，穿高跟鞋的頻率、跟高的高度區間、高跟鞋的材質等，同時針對舒適度問題提出解決方案。 張英[16]通過研究鞋墊材料參數與足底壓力舒適度之間的聯系，采用主觀舒適性評價法，由受試者穿著不同材料的幾款優化的鞋墊，每隔5min 采用語義標尺法對穿著的感受進行打分，最終得出最佳的鞋墊設計參數。

3.2 足部相關產品客觀性評價

張亞文[17]設計出一種把3D 打印與光纖傳感技術結合的足底壓力測試系統， 模擬孕婦增重過程變化對足底壓力分布的影響，圖9（a）是足部模型誤差彩色圖，它可以計算平均誤差，用于評價鞋的合腳性。 張晴晴[18]通過CT掃描提取足部骨骼及軟組織邊緣的輪廓數據， 利用CAD軟件進行曲面重構，建立了足部骨骼和肌肉的模型。通過有限元模型分析足部骨骼在不同狀態時的應力和足底壓力情況，見圖9（b），同時分析鞋墊底部不同的凹凸程度對足部舒適性的影響。 孫云[19]對相同鞋碼的青年女性進行研究，讓受試者保持靜止站立或勻速行走狀態，利于用腦電信號技術測出女性穿著6 種不同高跟鞋的腦電特征，見圖9（c），對女性鞋類設計的舒適度評價具有理論意義。Taha[20]利用人體足部骨骼和軟組織結構的三維數據，建立足部的有限元模型， 通過模擬人體在多種載荷條件下站立時的綜合應力分布，見圖9（d），提出估算足底壓力的模型，利于幫助研究人員調查足底壓力，并開發定制鞋墊。

圖9 足部相關產品客觀性評價

4 結束語

本文結合測量技術、逆向工程技術、形態分類算法、仿真分析評價方法， 分別對國內外文獻中涉及到的足部測量技術、足部相關產品設計方法、設計評價方法，進行綜合分析研究。理清足部相關產品設計的研究動態，為進一步設計足部相關產品提供重要的理論基礎， 研究成果對人體相關穿戴產品的設計亦具有重要的價值。