基于运动生物力学的功能鞋垫的研发
彭飘林1，刘昭霞1，侯霞1，陈敏1，康盾2
（1.黎明职业大学，福建 泉州 362000；2.泉州方圆鞋业有限公司，福建 泉州 362000）
摘 要：项目以运动生物力学的运动学测试技术、动力学测试技术和足底压力测试技术为基础，结合运动项目特点和预防运动伤害功能的要求，以3D测力系统、2D足底压力测试系统及3D仿真设计软件为平台，开发出一套满足不同脚型和常见运动项目的功能鞋垫测试及功能开发技术。
关键词：运动生物力学；运动学；动力学；功能鞋垫；研发
Research and development of multifunctional sports insole based on the testing technology of planta pressure and heat-moisture comfort
PENG Piao-lin1，LIU Zhao-xia1，HOU Xia1，CHEN Min1，KANG Dun2
(1.Liming Vocational University,Quanzhou 362000,China;2.Quanzhou Fangyuan Shoes Co., Ltd,Quanzhou 362000,China)
Abstract： The project is based on the kinematics test technology, dynamics test technology and plantar pressure test technology of sports biomechanics, combined with the characteristics of sports events and the requirements of sports injury prevention function, and based on the 3D force measuring system, 2D plantar pressure test system and 3D simulation design software, to develop a set of functional insole test and function development technologies that meet different foot types and common sports events.
Key Words： sports biomechanics；kinematics；dynamics；functional insole；research and development————————————————
基金项目：1.福建省教育厅中青年项目（项目编号：JAT171074）;2.黎明职业大学“服饰品数字化设计技术与产品功能研发”科研团队建设项目(项目编号：LMTD201903);3.黎明职业大学“鞋服产品结构创新与功能研发协同创新中心”科研平台项目（项目编号：LMPT202106）
第一作者简介：彭飘林（1978.06-），男，汉族，博士研究生，主要从事鞋类数字化设计与功能评测及产品研发工作。E-mail:pengpiaolin@163.com.
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引言
鞋垫作为鞋的重要组成部分，由于其直接与足底接触，其功能开发对于提高鞋类产品舒适性起到很大的作用，越来越受到企业的重视。泉州伴随着运动鞋产业的发展，同时也涌现出一批功能鞋垫企业，形成一定规模的产业。随着全民健身意识的提高和健身运动的开展，功能鞋垫由于具有矫形、减震、抗菌等功能，越来越受到消费者的青睐，主要体现在消费者会根据运动项目要求选择相应的功能鞋垫产品[1]。
目前，泉州鞋垫产品存在着功能定位不够明确，功能同质化严重的问题，鞋垫产业急需转型升级，尤其是产品技术升级，关键就是要根据运动项目要求提高鞋垫的舒适性功能[1]。
如何利用运动生物力学技术进行运动分析和运动产品功能的开发，是近几年的研究热点。传统的运动生物力学主要是研究人体运动力学规律的一门学科。它的基本内容是运用各种实验测试手段,测定人在实际运动中的力学参数，然后运用力学、数学、物理学的理论进行分析推导，得出有应用价值的各种运动规律，解决竞技体育和大众体育中的生物力学问题[2]。通过把运动生物力学与鞋垫产品功能测试与开发相结合，使运动生物力学的研究范畴从体育范畴拓展到运动装备方面，使运动生物力学的理论更为丰富[3]。
本项目将运动生物力学的运动学测试技术、动力学测试技术和足底压力测试技术应用到鞋垫功能测试与开发中，能提高鞋垫功能测试与开发水平，该技术可广泛应用于各种运动项目的功能鞋垫产品测试评价与产品开发中，能提升整个泉州鞋垫产业升级和自主创新的能力，推动鞋垫产业的可持续发展。
1 国内外研究动态
这些年采用运动生物力学技术进行运动分析从而提高运动比赛成绩和运动康复方面，取得了很多成果，并且拥有很多成熟技术，尤其是在竞技运动项目方面[2]。但是，在国内利用运动生物力学技术进行运动产品功能开发方面还不是广泛。在泉州地区采用运动生物力学技术进行产品功能开发的主要是几家品牌运动鞋企业，如安踏公司建立了省内第一家运动科学实验室，主要运用运动生物力学进行运动鞋力学舒适性评价。但是，采用运动生物力学进行鞋垫功能测试与开发的企业非常少。
前些年国内外功能鞋垫研究主要集中生理性病变足矫正鞋垫——糖尿病鞋垫、扁平足鞋垫等，如Murlery、Levinger等人研究主要从足部病变形态和生理结构研究鞋垫补偿足部运动机能[4]。目前，功能鞋垫开发主要是有两种：一是合脚功能的开发，基本上是基于穿着脚型和鞋型的形态考虑，考虑鞋垫形态与脚型、鞋型形态的吻合，如陕西科技大学弓太生科研团队主要研究鞋垫合脚性；二是热湿舒适性（透气和透汗性）功能的开发，Geprge、Bultger等人主要研究功能鞋垫材料的使用，开发和采用热湿性能好的材料[5-7]。
国内外在鞋垫合脚功能方面的研究都是采用先进的三维脚型扫描技术，如德国的FOOTSCAN公司致力于提高鞋垫与脚的吻合性研究。其缺点是没有考虑到不同的运动项目对足部各关键部位的压力是不同的，在鞋垫尺寸的设计上要充分考虑材料厚度、硬度、弹性对不同鞋垫部位压力变形与分散（吸震）效果[8-10]。
国内外在热湿舒适性功能方面的研究都是在片面地追求开发透气透汗性能好的材料，没有考虑到不同的运动项目对足部各关键部位压力和热湿效应是不一样的，不同的运动项目和不同的足部关键部位应该采用厚度、硬度、弹性以及热湿效果不一样的材料[11-15]。
2 研究内容及主要创新点
2.1 研究内容
2.1.1 足底造型数据采集
使用足底光学扫描仪对足底进行扫描，采集足底数据，应用Delcam PowerSHAPE（鞋垫3D仿真设计软件）进行鞋垫底样轮廓设计。
2.1.2 足底运动关键部位压力测试
采用3D测力台、Footscan平板式足底压力板及其相关的Footscan Software7.0分析软件，Pedar足底压力测力垫及其pedar-X online数据分析软件，对裸足、穿着功能鞋垫情况下的三种运动状态（走、跑、跳）的足底关键部位压力测试[8-9]。
2.1.3 步态分析与足部运动伤害预防
通过对走、跑、跳三种运动状态的足底关键部位的压力数据进行步态分析，形成足底内翻、外翻等常见足部运动伤害提出方案[13]。
2.1.4 鞋垫运动关键部位压力调节
（1）鞋垫的运动关键部位材料与形状参数设计
鞋垫的运动关键部位材料硬度（硬式、半硬式、软式）参数、鞋垫形状（前掌垫、足弓垫、横弓垫、足趾垫）长度参数设计[16]。
（2）鞋垫的运动关键部位压力调节装置的开发
包括HM-足跟内侧、HL-足跟外侧、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-足弓以及前掌等十个关键部位等调节装置与结构的开发[16]。
2.1.5 鞋垫造型曲线、曲面的生成
以鞋垫底样轮廓线为基准，根据受试者的足底压力分布情况，建立鞋垫造型的曲面和曲面，根据运动功能、鞋垫材料硬度要求进行鞋垫局部造型调整[17]。
2.1.6 功能鞋垫产品试制与测试、改进
打印3D鞋垫模型，根据模型和不同部位材料，制作出功能鞋垫样品。对样品相关部位进行技术参数测试，并根据测试结果对产品进行改进。
2.2 主要关键技术及解决办法
本项目主要关键技术是多种运动状态下足底各部位压力采集与分析，本项目采用德国的3D测力台、Footscan平板式足底压力板及其相关的Footscan Software7.0分析软件，Pedar足底压力测力垫及其pedar-X online数据分析软件，对裸足、穿着功能鞋垫情况下的三种运动状态（走、跑、跳）的足底关键部位压力测试[8-9]。
2.3 主要创新点
基于运动生物力学的功能鞋垫的研发，其出发点是以运动生物力学的运动学测试技术、动力学测试技术和足底压力测试技术为基础，结合运动项目特点和预防运动伤害功能的要求，以3D测力系统、2D足底压力测试系统及3D仿真设计软件为平台，开发出一套满足不同脚型和常见运动项目的功能鞋垫测试及功能开发技术。其创新点主要以下三点：
（1）将足底运动关键部位的压力测试技术、鞋垫压力调节技术、调节装置结构设计三者研究融合一体，使鞋垫功能测试和开发能够量化及细化，更好地满足各种运动项目的要求。
（2）对各种运动——走、跑、跳等状态分别研究，有利于鞋垫产品的市场细分，结合运动项目要求开发相应的功能鞋垫，避免一种鞋垫配合多种鞋子和多种运动的弊病，提高运动的舒适性。
（3）基于运动生物力学的功能鞋垫的研究，其出发点是通过运动过程中足部各关键部位点的受力测量，形成相应的舒适性力学数据标准，从而使鞋垫产品的开发更符合运动项目的特点和要求。
3 研究方案与技术路线
3.1 理论分析
（1）光学扫描理论在足底3D造型扫描中应用；
（2）力学感应原理对足底压力分布状态分析；
（3）运用运动学、生物力学原理进行步态分析。
3.2 实验方法及步骤
3.2.1 足底造型数据采集
（1）足底光学扫描仪及系统的选择；
（2）鞋垫3D仿真设计软件的选择；
（3）足底3D设计系统的选择，造型数据采集和鞋垫底样轮廓设计方法的开发。
3.2.2 足底运动关键部位压力测试
（1）3D测力台及测力系统的选择；
（2）裸足站立3D数据采集与分析；
（3）2D足底压力测力板及其分析软件的选择；
（4）2D足底压力测力垫及其分析软件的选择；
（5）裸足情况下的四种运动状态（站立、走、跑、跳）的足底关键部位压力测试；
（6）穿着功能鞋垫情况下的四种运动状态（站立、走、跑、跳）的足底关键部位压力测试。
3.2.3 步态分析与足部运动伤害预防
（1）对走、跑、跳三种运动状态的足底关键部位的压力数据进行步态分析；
（2）形成足底内翻、外翻等常见足部运动伤害预防方案。
3.2.4 鞋垫运动关键部位压力调节
（1）鞋垫的运动关键部位材料与形状参数设计
包括鞋垫的运动关键部位材料硬度（硬式、半硬式、软式）参数、鞋垫形状（前掌垫、足弓垫、横弓垫、足趾垫）长度参数设计。
（2）鞋垫的运动关键部位压力调节装置的开发
包括HM-足跟内侧、HL-足跟外侧、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-足弓以及前掌等十个关键部位等调节装置与结构的开发[8-9]。
3.2.5 鞋垫造型曲线、曲面的生成
（1）以鞋垫底样轮廓线为基准，根据受试者的足底压力分布情况，建立鞋垫造型的曲面和曲面[16-17]。
（2）根据运动功能、鞋垫材料硬度要求进行鞋垫局部造型调整，完成鞋垫3D仿真设计。
3.2.6 功能鞋垫产品试制与测试、改进
（1）打印出3D鞋垫，根据3D鞋垫模型和不同部位材料，制作出功能鞋垫的样品。
（2）对样品相关部位进行技术参数测试，并根据测试结果对产品进行改进[16-17]。
4 项目产业化前景及经济社会效益
随着全民健身意识的提高和健身运动的开展，功能鞋垫市场将会越来越细化，消费者对功能鞋垫产品的要求会越来越高，而鞋垫是鞋的重要组成部分，制鞋产业作为泉州地区的传统支柱性产业，迫切需要提高产业创新能力和产品功能的研发手段，改变产品功能同质化严重的问题。
本项目针对泉州鞋垫产品功能研发问题进行探讨，能提高产品科技含量和舒适度，具有提升本地区制鞋产业整体竞争力的作用，体现出良好的社会和经济效益。
这套技术经过本项目参与企业应用成功后，可在本地区的制鞋企业进行推广，具有很好的产业化前景。
5 总结
基于运动生物力学的功能鞋垫的研发，其出发点是以运动生物力学的运动学测试技术、动力学测试技术和足底压力测试技术为基础，结合运动项目特点和预防运动伤害功能的要求，以3D测力系统、2D足底压力测试系统及3D仿真设计软件为平台，开发出一套满足不同脚型和常见运动项目的功能鞋垫测试及功能开发技术。
参考文献：
[1] 彭飘林,刘昭霞,侯霞,陈敏,康盾.基于足底压力与热湿舒适性测试技术的多功能运动鞋垫的研发[J].西部皮革,2020,42(09):22-23+28.
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原载：《西部皮革》杂志2022年9月第17期
