基于運動生物力學的功能鞋墊的研發

彭飄林，劉昭霞，侯霞，陳敏，康盾

（1.黎明職業大學，福建 泉州362000；2.泉州方圓鞋業有限公司，福建 泉州362000）

引言

鞋墊作為鞋的重要組成部分，由于其直接與足底接觸，其功能開發對于提高鞋類產品舒適性起到很大的作用，越來越受到企業的重視。泉州伴隨著運動鞋產業的發展，同時也涌現出一批功能鞋墊企業，形成一定規模的產業。隨著全民健身意識的提高和健身運動的開展，功能鞋墊由于具有矯形、減震、抗菌等功能，越來越受到消費者的青睞，主要體現在消費者會根據運動項目要求選擇相應的功能鞋墊產品[1]。

目前，泉州鞋墊產品存在著功能定位不夠明確，功能同質化嚴重的問題，鞋墊產業急需轉型升級，尤其是產品技術升級，關鍵就是要根據運動項目要求提高鞋墊的舒適性功能[1]。

如何利用運動生物力學技術進行運動分析和運動產品功能的開發，是近幾年的研究熱點。傳統的運動生物力學主要是研究人體運動力學規律的一門學科。它的基本內容是運用各種實驗測試手段,測定人在實際運動中的力學參數，然后運用力學、數學、物理學的理論進行分析推導，得出有應用價值的各種運動規律，解決競技體育和大眾體育中的生物力學問題[2]。通過把運動生物力學與鞋墊產品功能測試與開發相結合，使運動生物力學的研究范疇從體育范疇拓展到運動裝備方面，使運動生物力學的理論更為豐富[3]。

本項目將運動生物力學的運動學測試技術、動力學測試技術和足底壓力測試技術應用到鞋墊功能測試與開發中，能提高鞋墊功能測試與開發水平，該技術可廣泛應用于各種運動項目的功能鞋墊產品測試評價與產品開發中，能提升整個泉州鞋墊產業升級和自主創新的能力，推動鞋墊產業的可持續發展。

1 國內外研究動態

這些年采用運動生物力學技術進行運動分析從而提高運動比賽成績和運動康復方面，取得了很多成果，并且擁有很多成熟技術，尤其是在競技運動項目方面[2]。但是，在國內利用運動生物力學技術進行運動產品功能開發方面還不是廣泛。在泉州地區采用運動生物力學技術進行產品功能開發的主要是幾家品牌運動鞋企業，如安踏公司建立了省內第一家運動科學實驗室，主要運用運動生物力學進行運動鞋力學舒適性評價。但是，采用運動生物力學進行鞋墊功能測試與開發的企業非常少。

前些年國內外功能鞋墊研究主要集中生理性病變足矯正鞋墊——糖尿病鞋墊、扁平足鞋墊等，如Murlery、Levinger 等人研究主要從足部病變形態和生理結構研究鞋墊補償足部運動機能[4]。目前，功能鞋墊開發主要是有兩種：一是合腳功能的開發，基本上是基于穿著腳型和鞋型的形態考慮，考慮鞋墊形態與腳型、鞋型形態的吻合，如陜西科技大學弓太生科研團隊主要研究鞋墊合腳性；二是熱濕舒適性（透氣和透汗性）功能的開發，Geprge、Bultger 等人主要研究功能鞋墊材料的使用，開發和采用熱濕性能好的材料[5-7]。

國內外在鞋墊合腳功能方面的研究都是采用先進的三維腳型掃描技術，如德國的FOOTSCAN 公司致力于提高鞋墊與腳的吻合性研究。其缺點是沒有考慮到不同的運動項目對足部各關鍵部位的壓力是不同的，在鞋墊尺寸的設計上要充分考慮材料厚度、硬度、彈性對不同鞋墊部位壓力變形與分散（吸震）效果[8-10]。

國內外在熱濕舒適性功能方面的研究都是在片面地追求開發透氣透汗性能好的材料，沒有考慮到不同的運動項目對足部各關鍵部位壓力和熱濕效應是不一樣的，不同的運動項目和不同的足部關鍵部位應該采用厚度、硬度、彈性以及熱濕效果不一樣的材料[11-15]。

2 研究內容及主要創新點

2.1 研究內容

2.1.1 足底造型數據采集

使用足底光學掃描儀對足底進行掃描，采集足底數據，應用Delcam PowerSHAPE（鞋墊3D 仿真設計軟件）進行鞋墊底樣輪廓設計。

2.1.2 足底運動關鍵部位壓力測試

采用3D 測力臺、Footscan 平板式足底壓力板及其相關的Footscan Software7.0 分析軟件，Pedar 足底壓力測力墊及其pedar-X online 數據分析軟件，對裸足、穿著功能鞋墊情況下的三種運動狀態（走、跑、跳）的足底關鍵部位壓力測試[8-9]。

2.1.3 步態分析與足部運動傷害預防

通過對走、跑、跳三種運動狀態的足底關鍵部位的壓力數據進行步態分析，形成足底內翻、外翻等常見足部運動傷害提出方案[13]。

2.1.4 鞋墊運動關鍵部位壓力調節

（1）鞋墊的運動關鍵部位材料與形狀參數設計

鞋墊的運動關鍵部位材料硬度（硬式、半硬式、軟式）參數、鞋墊形狀（前掌墊、足弓墊、橫弓墊、足趾墊）長度參數設計[16]。

（2）鞋墊的運動關鍵部位壓力調節裝置的開發

包括HM-足跟內側、HL-足跟外側、M1-第一跖骨、M2-第二跖骨、M3-第三跖骨、M4-第四跖骨、M5-第五跖骨、T1-第一趾骨、T2-5 第二到五趾骨、MF-足弓以及前掌等十個關鍵部位等調節裝置與結構的開發[16]。

2.1.5 鞋墊造型曲線、曲面的生成

以鞋墊底樣輪廓線為基準，根據受試者的足底壓力分布情況，建立鞋墊造型的曲面和曲面，根據運動功能、鞋墊材料硬度要求進行鞋墊局部造型調整[17]。

2.1.6 功能鞋墊產品試制與測試、改進

打印3D 鞋墊模型，根據模型和不同部位材料，制作出功能鞋墊樣品。對樣品相關部位進行技術參數測試，并根據測試結果對產品進行改進。

2.2 主要關鍵技術及解決辦法

本項目主要關鍵技術是多種運動狀態下足底各部位壓力采集與分析，本項目采用德國的3D 測力臺、Footscan 平板式足底壓力板及其相關的Footscan Software7.0 分析軟件，Pedar 足底壓力測力墊及其pedar-X online 數據分析軟件，對裸足、穿著功能鞋墊情況下的三種運動狀態（走、跑、跳）的足底關鍵部位壓力測試[8-9]。

2.3 主要創新點

基于運動生物力學的功能鞋墊的研發，其出發點是以運動生物力學的運動學測試技術、動力學測試技術和足底壓力測試技術為基礎，結合運動項目特點和預防運動傷害功能的要求，以3D 測力系統、2D 足底壓力測試系統及3D 仿真設計軟件為平臺，開發出一套滿足不同腳型和常見運動項目的功能鞋墊測試及功能開發技術。其創新點主要以下三點：

（1）將足底運動關鍵部位的壓力測試技術、鞋墊壓力調節技術、調節裝置結構設計三者研究融合一體，使鞋墊功能測試和開發能夠量化及細化，更好地滿足各種運動項目的要求。

（2）對各種運動——走、跑、跳等狀態分別研究，有利于鞋墊產品的市場細分，結合運動項目要求開發相應的功能鞋墊，避免一種鞋墊配合多種鞋子和多種運動的弊病，提高運動的舒適性。

（3）基于運動生物力學的功能鞋墊的研究，其出發點是通過運動過程中足部各關鍵部位點的受力測量，形成相應的舒適性力學數據標準，從而使鞋墊產品的開發更符合運動項目的特點和要求。

3 研究方案與技術路線

3.1 理論分析

（1）光學掃描理論在足底3D 造型掃描中應用；

（2）力學感應原理對足底壓力分布狀態分析；

（3）運用運動學、生物力學原理進行步態分析。

3.2 實驗方法及步驟

3.2.1 足底造型數據采集

（1）足底光學掃描儀及系統的選擇；

（2）鞋墊3D 仿真設計軟件的選擇；

（3）足底3D 設計系統的選擇，造型數據采集和鞋墊底樣輪廓設計方法的開發。

3.2.2 足底運動關鍵部位壓力測試

（1）3D 測力臺及測力系統的選擇；

（2）裸足站立3D 數據采集與分析；

（3）2D 足底壓力測力板及其分析軟件的選擇；

（4）2D 足底壓力測力墊及其分析軟件的選擇；

（5）裸足情況下的四種運動狀態（站立、走、跑、跳）的足底關鍵部位壓力測試；

（6）穿著功能鞋墊情況下的四種運動狀態（站立、走、跑、跳）的足底關鍵部位壓力測試。

3.2.3 步態分析與足部運動傷害預防

（1）對走、跑、跳三種運動狀態的足底關鍵部位的壓力數據進行步態分析；

（2）形成足底內翻、外翻等常見足部運動傷害預防方案。

3.2.4 鞋墊運動關鍵部位壓力調節

（1）鞋墊的運動關鍵部位材料與形狀參數設計

包括鞋墊的運動關鍵部位材料硬度（硬式、半硬式、軟式）參數、鞋墊形狀（前掌墊、足弓墊、橫弓墊、足趾墊）長度參數設計。

（2）鞋墊的運動關鍵部位壓力調節裝置的開發

包括HM-足跟內側、HL-足跟外側、M1-第一跖骨、M2-第二跖骨、M3-第三跖骨、M4-第四跖骨、M5-第五跖骨、T1-第一趾骨、T2-5 第二到五趾骨、MF-足弓以及前掌等十個關鍵部位等調節裝置與結構的開發[8-9]。

3.2.5 鞋墊造型曲線、曲面的生成

（1）以鞋墊底樣輪廓線為基準，根據受試者的足底壓力分布情況，建立鞋墊造型的曲面和曲面[16-17]。

（2）根據運動功能、鞋墊材料硬度要求進行鞋墊局部造型調整，完成鞋墊3D 仿真設計。

3.2.6 功能鞋墊產品試制與測試、改進

（1）打印出3D 鞋墊，根據3D 鞋墊模型和不同部位材料，制作出功能鞋墊的樣品。

（2）對樣品相關部位進行技術參數測試，并根據測試結果對產品進行改進[16-17]。

4 項目產業化前景及經濟社會效益

隨著全民健身意識的提高和健身運動的開展，功能鞋墊市場將會越來越細化，消費者對功能鞋墊產品的要求會越來越高，而鞋墊是鞋的重要組成部分，制鞋產業作為泉州地區的傳統支柱性產業，迫切需要提高產業創新能力和產品功能的研發手段，改變產品功能同質化嚴重的問題。

本項目針對泉州鞋墊產品功能研發問題進行探討，能提高產品科技含量和舒適度，具有提升本地區制鞋產業整體競爭力的作用，體現出良好的社會和經濟效益。

這套技術經過本項目參與企業應用成功后，可在本地區的制鞋企業進行推廣，具有很好的產業化前景。

5 總結

基于運動生物力學的功能鞋墊的研發，其出發點是以運動生物力學的運動學測試技術、動力學測試技術和足底壓力測試技術為基礎，結合運動項目特點和預防運動傷害功能的要求，以3D 測力系統、2D 足底壓力測試系統及3D 仿真設計軟件為平臺，開發出一套滿足不同腳型和常見運動項目的功能鞋墊測試及功能開發技術。