（服装设计与工程专业论文）功能性鞋底模型研究.pdf

r e s e a r c ho nt h ef u n c t i o n a lm o d e lo fs h o es o l e a b s t r a c t c h i n ai sao n eo ft h e1 a r g e s ts p o r t ss h o e sp r o d u c e ri nt h ew o r l d m a n ya t h l e t i c s h o e se n t e r p r i s ec h a n g e df r o mo r i g i n a lm a k i n gap a c k a g eo fr e f o r m i n gf o rt os e t t i n g u pt h ei n d e p e n d e n tb r a n d a n dt h e yr e a l i z e dt h es c i e n c ea n dt e c h n o l o g yi st h ec o r e c o m p e t i t i v ea b i l i t yo fa ne n t e r p r i s e t h e r e f o r et h e s ee n t e r p r i s e sh a ds u c c e s s i v e l y c a r r i e do ns o m et e c h n i c a lr e s e a r c hw o r k s , s o m eo fw h i c ha l ec o o p e r a t e d 谢m u n i v e r s i t i e so rd o n ei n d e p e n d e n t b u tt h ep r o c e d u r ef r o ms h o ed e s i g nt oe x a m i n a t i o n t h e ys t i l lu s e dp r i m i t i v e l yd e s i g nm e t h o d , t r i e st om a k et h es a m p l e a n d c a r r i e so i l t h ee x a m i n a t i o nt ot h es a m p l e t h i sk i n do fd e s i g nm e t h o dn e e d sal o n gr e s e a r c h c y c l ea n dt h ec o s ti sh i g h a l s ot h ep r o d u c t s q u a l i t yi sd i f f i c u l t yt oa c h i e v i n gt h eb e s t t h i sr e s e a r c ha i m s 砒t h ep r e s e n ts i t u a t i o n , u s i n gt h ec a d c a et e c h n o l o g yd os o m e f o r e c a s t i n ga n ds i m u l a t i n gw o r k , b e f o r et h es h o es o l es t r u c t u r ew a sd e t e r m i n e do r p r o d u c e di nv o l u m e m a k et h ec o n t r a s to f a n a l o g u er e s u l t sa n da c t u a le m p i r i c a ld a t u m t oi n t e r p r e tt h i st e c h n i c a ll i n ei sf e a s i b l e t h i ss t u d yt a k e st h eb i o m e c h a n i c so f h u m a nf o o ta ss t a r t i n gp o i n l a n da n a l y z e s t h ec h a r a c t e r i s t i c so f s l o w l yn m n i n gm o v e m e n ta sw e l la s t h em o v e m e n ts c ：l t h ew h i c h m a y b ee a s i l yo o c m r e di nt h el o n g - t e r ms l o w l yr u n n i n g t h ed y n a m i cp l a n t a rp r e s s u r e f o r c ew a so b t a i n e db yt h er s s c a ne q u i p m e n t , a n dt h ep r e s s u r ed i s t r i b u t i o nb a s e do n t h em e a s u r e m e n td a t u mi sa n a l y z e d b a s e do nt h ea n a l y s i sa b o v e ，s o m eb a s i c f u n c t i o n sw e r ee x t r a c t e ds u c ha ss t a b i l i t y , s h o c k - a b s o r p t i o n , r e b o u n de t cc h a r a c t e r i s t i c w h i c ht h er u n n i n gs h o es o l es h o u l dp r o v i d e i nt h i sp a p e ri n t r o d u c et h ep r o c e d u r eo f d r a w i n gt h es o l i dm o d e l i n go f s h o es o l e w i t ht h ec a ds o f t w a r e ，a n dc a es o f t w a r ef o rf em o d e l i n g t h em o d e lw a sa n a l y z e d w i t hs i m u l a t e dt h ep r a c t i c a ls i t u a t i o no fs l o w l yr u n n i n gb o u n d a r yc o n d i t i o na n d l o a d i n g t h ec o r r e l a t i o nb e t w - i it h ec o m p u t e dr e s u l t sa n dt h ep r a c t i c a ls i t u a t i o nw a s d i s c u s s e dt ov e r i 母t h et e c h n i c a ll i n ei sf e a s i b i l i t y t h ec o n c l u s i o na n dt h ep e r s p e c t i v e o i lf u t u r ew e r eg i v e na tt h ee n d c u il i - n a ( f a s h i o nd e s i g n & a p p a r e le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rz h a n gx i n k e y w o r d ：b i o m e c h a n i c so fh u m a nf o o t , s h o c k - a b s o r p t i o n , r e b o u n d , m o d e lo fs h o e s o l e , f e as i m u l a t i o n 西安工程大学学位论文知识产权声明 本人完全了解西安工程大学有关知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位 期间学位论文工作的知识产权归属西安工程大学。本人保证毕业离校后，使用学 位论文工作成果或用学位论文工作成果发表论文时署名单位仍然为西安工程大 学学院有权保留送交的学位论文的复印件，允许学位论文被查阅或借阅；学校 可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存 学位论文。 ( f i t 密的学位论文在解密后应遵守此规定) 学位论文作者签名： 指导老师签名： 日期： 恤阳卿 j 诹 2 ，口7 3 j2 ， 西安工程科技学院学位论文独创性声明 禀承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的学位论文是我个 人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加 以标注和致谢的地方外，学位论文中不包含其它人已经发表或撰写过的研究成 果，不包括本人已申请学位或他人已申请学位或其它用途使用过的成果。与我一 同工作的同志对本研究所作的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了 感谢。 学位论文与资料若有不实之处，本人承担相关责任。 学位论文作者签名：牲钼确个 日期：训耳泪r 上日 1 绪论 绪论 市场上运动鞋的种类繁多，琳琅满目。运动鞋的分类方法有很多种“1 ，按运 动的类别来分，可以分为：球类运动鞋、跑步运动鞋、滑行类运动鞋、野外运动 鞋、水上运动运动鞋等种类。不同种类的运动鞋则有各种不同功能的要求，如运 动鞋的舒适性、透气性、防水性、防滑性、耐磨性、减震性、能量回归性能等方 面的需求，并且不同类别的鞋侧重的功能方面各有不同。随着市场需求的扩大和 生产力水平的提高，运动鞋企业生产的运动鞋的种类也越来越细化。仅跑步类运 动鞋就有综合训鞋、慢跑鞋、短跑鞋、长跑鞋、马拉松鞋等很多种。这些不同种 类的鞋的分类主要是根据不同的运动特点而细分的。但目前国内的运动鞋的分类 方法主要是借鉴国外一些运动品牌的运动鞋细分方法进行分类；同时在设计各种 专项鞋时，也大量借鉴国外的专项运动鞋设计。各种专项运动鞋鞋底的功能性要 求与设计是运动鞋区别于皮鞋、胶鞋的显著特点之一。在不同的运动项目中，足 部的运动形态和足底压力分布各有不同，因此，不同的运动项目对于运动鞋的要 求就有所不同，所以不同种类的运动鞋在功能上、结构上、造型上以及材料的选 择上、制作工艺的制定上都有很大的差别。 运动鞋由鞋底和帮面组合而成，所以运动鞋的整体性能的好坏与这两部分的 结构和选材有着密不可分的关系。运动鞋底是运动鞋的关键部件，其主要由大底 ( 又称外底) 、中底和内底( 即鞋垫) 三部分构成。运动鞋鞋底的设计是整双运动鞋 设计的重点，是确保运动鞋具备良好功能性和舒适性的前提。本课题研究主要针 对跑步类运动鞋中的慢跑运动鞋鞋底的减震性能和能量回归性能，运用c a d c a e 技术来实现鞋底模型的设计与检测的一条技术路线的研究。 近年来，随着人们生活水平的提高，健身运动在广大人民群众中已经悄然兴 起。现代运动医学研究表明嘲：剧烈运动对人体组织的损伤是明显的不属于剧 烈运动的慢跑项e l ，除了有消耗热量、维持体型、增强人体的免疫力等益处之外， 还有其它益处。如对心脏而言，它可以使心肌细胞活性上升、心室生理性扩大、 心搏量与心输出量增加、以及增进冠状动脉循环；对肺脏而言，常期慢跑也有助 于提升肺活量；从运动心理学方面来讲，慢跑还有降低焦虑、强化自信、以及增 强抗压能力等优点“”。因此慢跑运动日益受到人们的青睐，同时，人们对于 慢跑累运动鞋的需求也在逐年增加。但常期的慢跑运动会因运动鞋的穿着不当、 或者品质差等原因，而给人体造成各种各样的慢性疲劳性运动损伤，严重者影响 到人们的日常生活状况。 l 绪论 慢跑运动的运动强度不大，但慢跑运动对鞋底的引起冲击大概是人体体重的 三倍左右”，这种冲击会产生震荡。由该震荡产生的震荡波对人体各部位产生不 同的危害。鞋底的减震功能是吸收或降低该震荡波的能力，是运动鞋最主要的功 能之一。常期慢跑运动过程中产生的震荡会不停地对人体形成各种冲击，在没有 及时得到缓冲的情况下，就会对人体的不同部位造成不同程度的慢性疲劳性损 伤，所以减震性能的好坏在常期的穿着过程中就会现出更加明显的效果。运动鞋 的减震性能可以通过良好的减震结构或有良好吸震能力的材料来实现。鞋底在具 有一定的弹性情况下，人在运动过程中受到的冲击不会直接反作用于人体，而是 将部分能量吸收，在慢跑运动进行到登伸阶段时，鞋底会因形变的恢复而将能量 再度归还给穿着者，给穿着者以跑或跳的动力，这就是运动鞋的能量回归性能。 由此可见，慢跑鞋良好的减震性能和能量回归性能不仅会使运动变得轻松愉 悦，还会使运动更具强身健体的意义。所以，目前运动鞋的减震性能是世界鞋业， 尤其是运动鞋届研发的热点和难点问题。 1 1 功能性鞋的研究现状 由于运动鞋对运动者的特殊作用，许多大型体育用品公司的研发人员都致力 于相关的理论研究在包括有n i k e 运动研究实验室在内的课题小组在跑步一 运动医学与科学手册一书中，综合全面地描述了跑鞋对跑步运动学和动力学参 数的影响。他们的实验结果有利于后人更加客观地评价跑鞋在运动中的作用。约 翰a 霍利等人嘲在实验中发现，在跑的过程中跑鞋对降低压力起着非常重要的 作用。他们比较了赤脚跑和穿跑鞋跑后得到：后者在脚跟、跖骨前端压力的最大 值比前者可以减少5 0 ，这其中大部分是被分配到脚的各个部位了 1 1 1 行业现状 中国是世界上最大的运动鞋生产和制造基地m ，如今在全球范围内，每两双 运动鞋中就有一双贴有“中国制造”的牌子。可以想象，在中国境内有多少运动 鞋工厂进行生产但是，纵观全球和中国运动鞋市场，可以清晰的发现没有任何 一个中国的运动鞋品牌在世界的运动鞋领域占有一席之地，不论在市场范围、市 场占有率还是销售情况，中国的任何一个品牌都不能与国际品牌相媲美。这一现 状是由诸多因素综合作用的结果。纠其原因还是我国的运动鞋产品的科技含量 较低、科技投入不足，包括人力和资金的投入。 国内运动鞋品牌在科技研发方面主要表现有以下几个方面特征：第一、认识 存在差异。由于中国运动鞋企业长期处于外资的代工生产模式，因此很多中国企 业将运动鞋的开发认同为科技研发。运动鞋的开发和研发概念不同，职责不同。 第二、重视程度不够。由于公司的高层对于研发还没有清晰的认识到提高产品科 2 1 绪论 技含量对企业的重要性，所以，中国的运动鞋品牌公司很少有自己的实质意义上 的研发中心，企业基本上还是处于产品开发的水平，还没有自己的运动生物力学， 生理学，运动学的研发机构支撑其品牌的专业化发展。第三、中国现有的科技力 量不足。目前，国内运动品牌的设计师的知识结构比较单一，再者运动生物力学 专家们长期为竞技体育发展服务，市场化的科技发展能力严重不足，导致在中国 现有的运动鞋研发科技能力差。不论人才，知识，经验和资金都与国外的企业有 着质的差别，这对于科技研发市场需求广泛的中国运动鞋企业来说，无疑是致命 的要害，中国的企业不得不求助于国外的相关研发机构，同时付出高额代价，这 一点也将严重阻碍中国运动鞋业的发展。 虽然，目前中国运动鞋企业面临强大的外资品牌的挑战，但这并不意味着中 国的运动鞋品牌没有发展前途。在国际竞争日趋激烈的情况下，中国的运动鞋企 业也日益关注运动鞋的科技含量的提升。目前国内一些知名企业已经认识到科技 研发对企业未来发展的重要性。也相继开展了一些相应地研究，也获得了一些阶 段性的科研成果。 1 1 2 国内外企业的研发现状 国内一些知名企业已相继认识到提升自身品牌科技含量的重要性，也做出了 一些相应的举动李宁公司每年拿出销售收入的3 5 用于设计研发”。同时还与 国外的一些研发单位合作共同致力于李宁的核心技术研发李宁公司与香港中文 大学合作进行：脚型数据和专业脚型数据研究和运动需求研究方面的基 础性研究合作的过程中相继推出的一些研究成果如：b u o n s e 技术：主要用于 篮球鞋前掌部位的反弹。c u s h i o n 技术：主要用于慢跑鞋和篮球鞋后跟部位减震。 主要是针对运动鞋的减震和能量回归方面的科技成果，但都是以材料的选择来实 现运动鞋的功能性要求。李宁公司也有了自主研发的减震系统“李宁弓”减震系 统。安踏( 中国) 有限公司也逐年在增加设计研发投入，同时安踏也认识到了自 身科研实力上的不足，并与国内、国外一些运动鞋高校或科研院所合作，补充自 身的科研力量。安踏( 中国) 有限公司也推出了自主研发的具有减震功能的芯 技术，该技术是运用材料的吸震性能，将具有良好的吸震材料做成一个吸震球， 再依托一些辅助结构而形成的具有减震功能的结构，提高了产品的科技含量。鸿 星尔克公司的g d s 减震系统o ”，主要是采用新型材料良好的物理性能来实现运动 鞋的功能方面的需求。 从以上的事例中我们不难看出，不论是从结构方面还是从材料方面最终都是 为了提高产品的科技含量，也说明了中国的运动鞋企业已经开始了科技研发的道 路，或者与高校合作，或者进行自主研发，已不再人云亦云。但由于中国目前的 在这方面的人才缺乏，部分企业会借助于国外一些相关的科研单位，此举一方面 1 绪论 可以提升品牌的形象，但另一方面企业必须负担高昂的代价。 国外著名运动鞋企业科技研发经典模式n i k e 公司在产品的研发方面一直走 在科技的前沿，其科研的投资和科研人员的数量也是全球首屈一指的，同时还和 欧洲的六所高校建立合作关系，来补充自身研发实力；a d i d a s 公司也是倾其最 好的科学和技术完成整个足球鞋的设计，测试，制造；r e e b o k 公司更是为姚明 量身定制篮球鞋，所以不论在各种适合大众的专业产品的研发层面，还是专业运 动员个性化产品的研发层面，这些著名的国际品牌要远比国内的任何一个运动品 牌做的专业。 1 1 3 国内、外新产品的研发过程比较 国内目前新产品的研发过程为：设计师绘出手稿，然后交给相关的技术部门 进行评审，评审合格后就进行开模、大货样的生产，之后，再到检测部门检测或 进行试穿实验，看是否达到要求，若没有，设计师再对设计的鞋底结构进行优化， 直到检测合格为止。由上面的运动鞋设计流程可以看出，在对运动鞋鞋底模型设 计过程中还是采用手绘方式，这样在评审部门和开模部门不一定会完全理解设计 者的意图，在实际的操作过程中可能会出现交流上的困难。再者就是在对模型进 行检测的方法主要是依靠经验，通过先造出模型，再对模型进行检验的这种试 错方法对设计方案进行改进且运动鞋鞋底开模的价位很高，开模一旦失败， 就意味着设计成本的提高。且国内运动鞋研发还是属于专款专用的设计模型式， 研发成果基本上没有被重复利用，在一个研发周期结束后改结构利用一段时间， 在有新的研究成果出来之后，先前的研究成果很有可能将被搁置，也就造成了一 种浪费。而且在这种设计模式下消费者也不能随意地进行搭配，只能够卖市场上 已有的款式和造型，很难满足消费者个性化的需求。所以这样的设计过程不仅产 品的研发成本高、研发周期长、产品的质量也难以达到最优。特别是鞋用材料种 类繁多的今天，且材料的特性各异，在结构一定的情况下，选择材料、或在材料 一定的情况下何种的设计结构才会达到最优。 n i k e 的设计过程一般由某创意总监根据市场或者运动鞋本身的需要，提出针 对某款的某一系列运动鞋的要求( 例如研制出一种重量极轻并且可以提供良好保 护的鞋) ，然后由鞋业工程师、测试分析人员、设计人员根据相关的要求提出相应 的解决办法，并且制造出相应的样鞋。通过对样鞋进行相关的测试，逐步调整不合 理的设计、结构和材料，最终形成合理的产品规格，再转入技术部门进行生产。看 似与国内的设计流程相似，但研发的过程中会充分利用c a d c a e 技术。现在其一 般这样的产品研发流程在两到三年内完成，有些科技可能需要更长的时间，例如 2 0 0 0 年的该公司推出的n i k es h o x “1 在没有运用计算机相关辅助软件就用了近十 年的时间研发，最近推出的n i k ef r e e 则用了三年的时间研发。这样的一个研发 4 1 绪论 流程是其专业产品在未来市场获得利润的最好保证。 在国外有很多个性化设计的店面，专门为某些有个性化需求的顾客进行个性 化设计，但这种设计并不是专款专用的设计模式。如d 3 d 鞋垫设计理念，就是将 原本不规则的鞋底部件进行标准化，设计者可以根据不同的对象选择不同大小的 模块进行拼接，来为消费者实现个性化设计。 1 2 足部生物力学的研究动态 足部生物力学的研究为人体生物力学领域中相当重要的一部分。多以骨骼肌 肉系统的研究为主，其涵盖了流体力学、静力学、动力学、生理科学、解剖学和 其它各相关的专业领域。生物力学因素在足部疾病、治疗和预防中扮演着非常重 要的角色。 1 2 1 足部的生理结构 入的足部由2 6 块骨头、3 3 个关节、3 0 多条肌肉、1 0 0 多条韧带组成，协调 地承受人体的体重和运动时的冲击，是人体的重要组成部分。足部还关联着人体 五脏六腑和各个器官，并且身体各器官在足部都有相对应的反射区，与人的健康 息息相关，因此也被称之为“人的第- - - - 4 ： 脏”“4 。足部的各骨骼、肌腱、肌肉、 韧带之间的协调作用带动人体的运动“”，因此也就决定了足部的运动生物力学比 较复杂。在设计鞋底之前必须先了解足部的生物力学，了解人体足部的一些运动 状态和运动需求，才能更好地设计出符合人体运动规律、减少运动损伤、提高运 动成绩的运动鞋。 a 、足弓的解剖结构 人类是世界上所有有足生物中 惟一具有足弓结构的生物体，虽然 它所占的比例不大，但却拥有人体 骨骼总数的四分之一之多。人体足 部的最大作用在于它可以支撑人体 自身体重和帮助人体运动的器官。 足部的骨骼连接成弓状结构的叫做 足弓。足弓沿纵向的叫做纵弓，沿图1 - 1 足部足弓结构 横向的叫做横弓“”。 在人的足部共形成了三个足弓，即内侧纵弓、外侧纵弓和横弓。内侧纵弓是 由足跟骨、距骨、舟骨、三个楔骨及第一、二、三个跖骨所组成；足的外侧纵弓 是由跟骨、骰骨及第四、五跖骨组成；两纵弓在足的前掌部位分开，在后跟部位 内侧纵弓的距骨架在外侧纵弓的跟骨上方，因此足前掌部位较宽而足后跟部位较 l 绪论 窄；横弓是由五个跖骨并列形成。由于足弓的造型特征，所以人体的重力通过足 弓结构就被分解到足的跟部和足的前脚掌部位，同时足弓还帮助足部适应不同的 负重。 足弓的存在是有其生理意义的“”。由足部的生理结构可以得知：第一、外侧 纵弓的弯曲程度小，足底的外侧平坦。当足踩在地面上时足的外侧与地面接触的 面积稍大，增加了人在站立或运动时的稳定程度。第二、内侧纵弓的弯曲程度较 大并且向上凹进，使得足部更具有弹性，这样我们在运动中，可以使地面的反作 用力在它的弹性机制中被抵消或衰减，避免了人体适当的运动而引起的损伤或创 伤，同时避免了对人的某些器官产生不良的影响，第三、横弓的存在使得人体在 运动的过程中具有向前推动的作用力。所以人体足部本身的骨骼结构就是一个很 好的减震反弹装置。 b 、足部软组织 足部不仅有非常复杂的骨骼结构，而且还有数量繁多，分布较广的足部软组 织“o 。足部软组织包括肌肉、肌腱、韧带、筋膜、脂肪垫等，这些软组织对足部 的运动起着至关重要的作用。足部的运动是靠足部的肌肉、肌腱、韧带、筋膜等 软组织和骨骼之间的相互协 调来完成的。在足的底层有 着厚厚的脂肪垫足底除了 有较厚的脂肪层还有一些对 于人体运动较为重要的一些 软组织。包括足底腱膜、足 底固有肌、足底长韧带等软 组织如图( i - 2 ) 所示。图2 - 2足底软组织 足底软组织的作用大致可分为以下两种：首先，足部的软组织可以控制足部 的运动状态。对于起跳、腾空、落地等动作起到良好地控制作用。其次，足底软 组织对人体运动的冲量起到很大的缓冲作用，这种缓冲作用保护了足部的骨骼和 身体其它部位的组织。由此可见，足部的各软组织对于人体的运动而言具有非常 重要的意义。 足部的软组织虽然具有良好的弹性，但在长时间或剧烈地运动中仅依靠足部 本身的弹性能力来起保护作用是显然不够的。在不断强烈地冲击载荷下，足部的 软组织很容易变得僵硬，失去其固有的弹性能力，因此也就失去了其对人体其它 部位的保护功能。所以在运动过程中我们还要依靠运动鞋鞋底的减震功能来更好 的保护人体足部和人体其它器官的健康。 1 2 2 慢跑运动的运动特点及运动损伤 6 1 绪论 工欲善其事，必先利其器。从运动鞋的功能方面讲，本研究主要是针对慢跑 鞋鞋底的减震性能和能量回归性能。因此本研究要先了解慢跑运动的运动特点、 慢跑运动可能造成的运动损伤情况，才能更好地针对慢跑运动的运动鞋进行需求 分析。我们从慢跑运动的宏观方面和慢跑运动的骨骼之间的动作转换两个方面来 了解。 a 、慢跑运动的运动特点 在慢跑过程中足部的宏观运动动作。以左脚先着地步态周期为例：左脚的脚 跟先着地，同时人体的重心也就集中落在了左脚的脚跟部位。此时脚跟受到很大 的冲击，由于足部内侧纵弓较高，所以接下来主要是在足中后侧的外侧着地，此 时人体的重心也逐渐向前移动，紧接着足的前脚掌着地，即跖趾关节着地，而后 前脚趾着地，这一过程中，人体的重心不断的向前移动。在左脚的跖趾关节着地 时，人的右脚抬起并向前跨出一步并且脚跟着地，右脚的脚跟着地的同时左脚的 跟部也就抬起，并以跖趾关节为轴向上弯屈，即跖屈。我们可以将这一动作看作 足部绕着跖趾关节的小头进行滚动、并腾空随着右脚的着地人体的重心也就落 到了右脚的跟部，接下来就是右脚的外侧着地，再到足前掌，再到脚趾着地、登 地。重心也随着人体前进的方向移动，这样就是_ 个慢跑的步态周期。 前面所叙述的是慢跑过程中的一个完整的步态周期，但这个步态周期只是看 到足部的宏观上的运动。实际上足部的运动是非常复杂的，足部的运动是靠足部、 踝关节、小腿、大腿、胯关节乃至身体其它器官的相互协调的结果。接下来我们 了解一下足部在慢跑过程中，足部内部各关节之间是怎样动作的。 足的踝关节( 距小腿关节) 在冠状轴上不仅可以作背屈、跖屈运动。慢跑过 程中足跟着地时，踩关节背屈，登离地面时傲跖屈。以跖屈时为例进行说明：当 跖届时，距骨滑车较窄的后部进入宽大的关节囊，因此可以在垂直方向上可作轻 微的侧向( 收、展) 运动，收展活动角度均离中位2 0 度。跗骨间关节多为微动 关节，有距跟关节、距跟舟关节和跟股关节等，其中前二关节在运动时能使足内 翻和外翻踝关节，内翻、外翻角度均离中位3 5 度。运动时，内翻通常伴有跖屈， 外翻通常伴有背屈，因此，运动中踝关节内翻时，脚底平面与地面的最大夹角是 3 5 度，踝关节外翻时脚底平面与地面的最大夹角是1 5 度。 通过足部骨骼关节之问的协调作用才能迸行足部的各种运动，充分了解了足 部的运动状态后，对慢跑运动鞋的一些细部设计可以提出一些性能上的要求。 所谓运动损伤是指在体育运动过程中造成人体组织或器官在解剖上的破坏 或生理上的紊乱，我们称之为运动损伤。运动损伤的发生的三个潜在因素“”：其 一，运动项目及其技战术对人体的特殊要求；其二，人体自身的某些部位在运动 中表现出的解剖生理弱点；其三，由于受到外界条件的不利因素也有可能会是造 7 1 绪论 成运动损伤的诱因。由于慢跑运动对人体没有什么特殊的要求，那么在慢跑运动 过程中，人体自身的缺陷和外界条件是引发在慢跑运动过程中最主要的因素。 慢跑过程中可能发生的运动损伤最常见的是过度使用伤害。过度使用伤害一 词首见于1 9 6 8 年美国医学协会期刊一篇分析慢跑生物力学的文章。慢跑运动不 仅是足部、腿部、髋关节的运动，慢跑运动也是带动全身各个器官的一种运动。 慢跑运动可能造成运动损伤的部位大概可以分为：足部损伤、踝关节损伤、小腿 部损伤、膝关节损伤、大腿部损伤、跨关节 损伤等。其中足部损伤、踝关节损伤、小腿、 膝关节损伤最频繁发生。以下分别从足部的 软组织、膝关节的软组织和足部骨骼方面来 探讨足部损伤。足部损伤中比较常见的是足 底腱膜炎、第二跖骨的疲劳性骨折如图1 - 3 图1 - 3 足所示部损伤 软组织损伤的多发部位为；足底腱膜和膝关节软组织。研究人员“”归纳了足 底腱膜的生物力学意义：第一，通过沿足弓张力和固定的跖骨关节对纵弓有固定 作用。第二，通过卷扬作用使足产生跖屈，并使跖趾关节在有效提供直接动力的 同时承受离地时的载荷。第三，足底腱膜可以在正常行走时，将力通过横跨第一、 二跖骨头的高齿轴直接传递形成更有效的运动。足底腱膜有以上功能和繁重的工 作量，所以足底腱膜会因长时间站立、行走、跑步或常穿硬底等因素，尤其是足 底腱膜经常受到过多或不正常的冲击作用时，可导致腱膜发炎。即当足部站立时 会有强烈的刺痛感。足底腱膜发炎一般是在足跟部，也有少数因特殊的冲击力量 而在跖趾关节下方部位。 在所有关节中，膝关节承受大压力最大，膝盖里面的软组织非常脆弱，长期 的冲击会磨损，并且一旦磨损很难复原，几乎是不会恢复，会令患者痛苦一生， 而且极易造成各种骨质增生病变。膝关节的损伤大多是由于不正当的外力作用引 起的，所以应尽量减小膝关节的受力才不会造成膝关节的损伤。 应力性骨折是一种由于过渡使用造成的骨骼损伤，当肌肉过度使用疲劳后会 变得僵硬且没有弹性，因此，不能及时吸收由于反复碰撞所产生的应力。在应力 没有经过衰减而直接传导至骨骼就会造成骨骼的疲劳性骨折。应力性骨折多发生 于身体承重部位，如小腿胫骨、腓骨和足部( 跟骨、足舟骨、跖骨) 足部骨折 多发于第二、三跖骨，第二、三跖骨骨折又被称为行军性骨折。 由以上的运动损伤分析可以得出，运动损伤之所以会发生是由在长期的运动 中没有使疲劳的足部骨骼或软组织得到良好的恢复。要减少这些损伤的发生有两 种办法：其一，将每次运动间隔的时间增加，这样会有效地将足部软组织的弹性 能力恢复。其二，通过借助运动鞋的功能性来减小作用于足底的作用力。此法也 l 绪论 是最根本地降低运动过程中足底或身体其它部位受到的冲击力的大小。这就要求 运动过程中运动鞋的鞋底反作用于人体的作用力尽可能的小，即鞋底要有衰减地 面对人体冲击的这种能力。 1 2 3 足底压力测量技术的发展及应用 按足底压力测量技术的发展过程及使用技术可将足底压力测量技术分为：足 印技术( p e d o g r a p h y ) 、足底压力扫描技术( s o l eb a r o g r a p h y ) 、力板( f o r c ep l a t e ) 与测力台技术( f o r c ep l a t f o r m ) 、压力鞋与压力鞋垫技术( i n s h o ep l a n t a r ) “”。足印技术是依据人足在石膏、泥等易变形的物质上留下足印，根据足印的形 态及深浅，对足底压力及分布做出定性的判断。足底压力扫描技术是在一块玻璃 的两端安置光源，玻璃上放上具有弹性的垫子，当脚踩了弹性垫之后，由于光在 玻璃内全反射，受压的弹性垫可在玻璃下产生一清晰的足印，影像光的强度与足 底压力成正比，由此可以稍微精确地定性分析足底压力的分步。力板与测力台， 压力鞋、压力鞋垫则是在换能器、传感器基础上发展起来的测试系统力板与测 力台则可以准确测量足或鞋底的压力，但不能评定足鞋界面的受力情况。由于 力板和测力台的面积有限，一般只能测定站立或少数几个步态的压力参数。压力 鞋和压力鞋垫是将传感器安置在鞋垫或鞋内底上，这就克服了测力板和测力台的 不足从近年来国内外的研究成果来看，采用美国的t e k s c a n 公司的f - s c a n 测 力鞋垫系统、德国n o v e l 公司的e m e d 测力板和p e d a r 测力鞋垫系统和比利时 r s - s c a n 公司的f o o t s c a n 测力板和测力鞋垫系统进行的研究相对较为广泛。 足部压力测量技术已经广泛应用于生物力掣“2 “嘲、临床医学嗡“4 卅、 康复评估帆刎、体育训练嘲“3 ”及工业方面池“。3 等领域。但足部生物力学 的应用不仅应在这些方面，对运动鞋设计尤其是鞋底的设计具有重要的指导意 义，但国内的一些研究资料对于该方面只是指出；足部的生物力学，足底压力的 分布状况可以指导运动鞋的设计，但还没有相关方面的深入研究 1 3 课题研究的内容 本课题研究的主要问题是针对目前中国运动鞋企业的现状，企业在设计研发 过程中的一些弱项而进行的一种设计过程的技术路线、方法的研究。在运动鞋的 功能方面侧重于对慢跑鞋的减震功能和能量回归功能方面进行研究，并对该技术 路线进行有效性验证。首先，对慢跑运动中的足底压力进行动态测量，对测量数 据进行分析；并在此基础上分析了慢跑鞋的功能需求和某些功能的评价方法及解 决方案的研究。其次，分析了鞋底各部件在运动鞋中的作用，基于三维造型技术 分别对鞋底各部件进行造型设计，并建立开放的鞋底几何模型库。从模型库选取 适当的模型进行装配，生成整个鞋底的几何模型。再次，对鞋底进行力学性能分 9 1 绪论 析。最后将仿真结果与足底压力测量实验结果作对比，得出这套设计方案的可行 性结论。 1 4 课题研究的意义 足部是人体唯一与地面接触的人体结构，是负重和行走时吸震的重要器官， 对人类生活的影响巨大。有关足部生物力学方面的研究，以及由生物力学、运动 学等知识指导运动鞋的设计和相关方面的研究在发达国家较早开展。在我国这方 面的研究也是刚刚起步，尤其是以运动科技指导运动鞋的设计方面研究较少。大 多数足部生物力学方面的研究是针对足疾或糖尿病足的诊断及假肢技术的研究 方面，或者是用来指导运动员提高运动成绩，在大部分的相关论文中均有提到可 以用来指导运动鞋的设计咖，但没有深入，对于专项运动鞋设计方面的指导性研 究也未涉及到。本论文中通过对慢跑运动动作的深入研究，将慢跑动作分解，从 而提出了慢跑运动鞋鞋底在功能方面的要求。 同时，目前运动鞋设计过程中专款专用的设计模式也不利于设计研发成果的 重复利用和个性化的发展。同时，我国虽然是世界运动鞋的产鞋大国，但在整个 研发过程中还是没有脱离早先的试做、试错的方式，这样的方式由研发周期长、 成本高，而且产品的性能难以达到最优本论文的设计与测试过程完全是在信息 技术的基础上进行的。这样的设计过程降低了设计研发成本，并缩短了研发周期。 对提高运动鞋产品的科技含量有较大帮助。该研究有较强的实际应用价值。 1 0 2 足部及鞋底数据的测量与分析 2 足部及鞋底数据的测量与分析 2 1 测量实验设计 2 1 1 测量目的 本实验是由两部分测量工作组成，其一，足部基本信息的采集：其二，足底 压力的动态测量。通过对足部基本信息的采集，获取在鞋底设计中较为重要的足 部的基础数据。通过动态的足底压力测量实验，获得慢跑运动过程中的足底压力 分布信息。通过对足部基本信息的采集和足底压力的动态测量实验获取数据进行 分析。得出足底压力的分布特征及压力分布与易损伤部位的对应关系，在此基础 上对慢跑运动鞋鞋底提出性能要求，用以指导运动鞋的设计。本研究最终要对所 设计的鞋底进行力学分析研究，由该实验获得的足底压力数据可以作为有限元分 析的载荷和边界条件的定义。 2 1 2 测量方法 足部基本信息的采集采用手工测量的方式进行。测量被测者足部的一些基本 信息。 足底压力的动态测量。是应用比利时r s s c a n 公司的f o o t s c a n 足底压力分布 步态分析系统进行测量r s s c a n 是一家集运动分析和专业足底压力测试系统研 发于一体的比利时企业，拥有全球最精密的足底压力测试系统( 如图2 1 ) 。 图2 - 1f o o t s c a n 足底压力测量系统 f o o t s c a n 生物力学分析产品是目前 世界上采样率最高的足底压力测试 系统侧。此系统包括一个f o o t s c a n b o x 、一个测力平板和一套软件，测 力平板的传感器分布密度为4 个平 方厘米，采样率范围在1 2 5 3 0 0 h z 之间。该系统会自动报告测量步态 的时间、人体重心的运动曲线、足底 压力、压强随时间的变化曲线，还具有动态分析、静态分析，提供左右对比、平 衡分析、角度测量、数据库管理及参考值提供等。该测量系统可用于进行赤足或 穿鞋状态下走、跑以及站立等不同运动状态的分析。被广泛应用于运动生物力学 研究，运动鞋设计、运动鞋检测，步态分析、平衡分析，糖尿病足的测试、下肢 关节疾病等临床及科研领域。本实验中应用2 o m 测力板，设定采样频率为2 3 5 t l z ， 对足底压力进行动态测量实验。 2 足部及鞋底数据的测量与分析 2 1 3 测量姿势及测量部位 足部基本信息的采集测量实验，要求被测者站立、抬头挺胸、两眼平视前方 且两脚自然分开。采用软尺、千分尺、钢尺等工具对基本信息进行采集。 本研究对主要从鞋底设计的角度出发一共提取了7 个关键部位。 ( 1 ) 脚长：最长脚趾的端点所接触的竖直面1 与后跟突点所接触到的竖直面2 之间的距离。 ( 2 ) 跖围：绕第一、第五跖趾关节点的顺滑围长。 ( 3 ) 脚宽：与第一、第五突点相切的两平行平面间的距离。 ( 4 ) 失跖距：第一、第五跖趾关节在失状面投影的距离。 ( 5 ) 跖前距：平分失跖距的冠状面到与于脚趾最长端相切的冠状面之间的距离。 ( 6 ) 足弓高：足弓最高处的竖直距离。 ( 7 ) 足弓跨度：即整个足弓的长度。 足底压力的动态测量实验是在福建省安踏运动科学实验室内完成，该实验环 境温度( 2 5 3 ) ，湿度( 6 0 4 - 1 0 ) ，符合赤足状态下测量的环境标准。测量过程 中要求被测者抬头挺胸、双眼平视前方，以自身感觉较为舒适的速度自然地进行 慢跑，要求测试时被测者均以左脚起跑的方式进行，以保证在慢跑过程中双脚可 以均可以落在测力板上获取一个完整步态的足底压力信息。为了提高数据的准确 性，测量过程中受试者分别在赤足、穿鞋状态下( 如图2 - 2 、图2 - 3 ) 以自身感 觉舒适的慢跑速度进行慢跑三次。受试者所穿的鞋子是由安踏( 中国) 有限公司提 供的法码4 1 码的男式慢跑鞋。 图2 2被测者赤脚实验图2 3被测者穿鞋实验 2 1 4 测量步骤 ( 1 ) 对安踏( 中国) 有限公司技术质量中心的8 名2 0 一2 9 岁之间，无足疾 2 足部及鞋底数据的测量与分析 病的健康男性作为测量对象，并填写个人资料( 见表2 1 ) ( 2 ) 用皮尺、千分尺、钢尺、直角板等工具直接测量跖围、足弓高度、足 弓跨度，并用铅笔将足部的外围轮廓投影到白纸上，标记第一、五跖趾关节及足 弓高度的测量位置，再通过间接测量获取脚长、脚宽、失跖距、跖前距 ( 3 ) 用f o o t s c a n 足底压力测量系统，分别进行赤足和穿鞋慢跑过程中的足 底压力的测量。 ( 4 ) 在f o o t s c a n 软件系统中对需要测量的项目进行数据采集。 表2 - 1受试者个人资料 姓名性别年龄 体重( k g ) 鞋号 身高( e r a ) 跖围( r a m )左脚右脚 足弓高( m )左脚右脚 足弓跨度( n u n )左脚右脚 脚长( m m )左脚右脚 2 2 数据的获取及分析 2 2 1 足部基本信息的获取及分析 通过手工测量获取人体足部脚长、跖围、脚宽、失跖距、跖前距、足弓高、 足弓跨度等信息测量数据见附录。由于人体足部具有一定的对称性，所以采用生 产中对于对称部位存在明显差异现象的常用的处理方法。本研究选择数值较大的 一侧作为鞋底设计时人体足部进本信息的依据。 聚类分析又称群分析，是研究如何将客观事物合理分类的一种数学方法，它 基本思想是根据对象间的相关程度进行类别的聚合，根据事物本身的特性对被研 究对象进行分类，使同一类中的个体有较大的相似性，不同类中的个体有较大的 差异。聚类分析的目的是定性地找出项目之间的相关性和紧密性。 反映足部特征的项目非常多，要从众多的项目中，找到反映代表足部特征的 代表性指标，使之服务于鞋底的设计，就必须进行测量项目的聚类分析。 表2 2 是聚类分析结果，其显示了变量的聚类过程。从表中可知：经分类把 7 个测量项目共分为3 类， 第一类：脚长、脚宽、矢跖距、足弓跨度 第二类：跖前距、跖围 第三类：足弓高 本论文提取脚长、跖围作为指导运动鞋鞋底设计的足部基础尺寸。 2 足部及鞋底数据的测量与分析 表2 - 2聚类分析 a g g l o m e r a t i o ns c h e d u l e s t a g eo u s t e rf i r s t a u s t e rc o m b i n e da o o e a r s s t a q ea u s t e f la u s t e r2 c o e f f i c i e n t sa u s t e r la u s t e r 2n e x ts t a o e 14 7 8 5 8o0s 2236 6 3oo 4 3l66 2 soo 4 4125 1 8 326 5451 2 3lo6 6l4- 3 3 0 4 so 2 2 2 赤足实验数据的获取及分析 本实验中系统可以报告出步态周期的时间、身体重心移动过程中压力与时间 的关系，足底各区域压力、压强、动态分析、静态分析，提供左右对比、平衡分 析、角度测量、数据库管理及参考值等。根据本实验的最终目的，我们从系统中 获取以下数据信息 图2 3赤足慢跑运动足底压力峰值分布的三维图 2 4慢跑运动中足的某些部位的足底压力随时问的变化曲线 1 4 2 足部及鞋底数据的测量与分析 图2 - 3 是赤足慢跑运动中足底各部位的压力峰值分布的三维图，由图可以直 观地看出：慢跑运动过程中足跟部、足前掌的第一、二跖趾关节部位以及大拇指 部位受到的压力值较大。由前面总结的慢跑动过程中的运动损伤分析可以看到， 足部运动损伤的发生和足底压力分布有相应的关系，即容易引发运动损伤的区域 也是慢跑运动过程中应力较为集中的区域。慢跑过程中，足跟部受力较大，在常 期的冲击载荷下，足底腱膜的弹性机制在得不到良好的恢复的情况下，就会出现 足底腱膜发炎的情况。由于第一、二跖趾关节的受力较大，但足部的第一、二跖 趾关节下方的软组织相对较少。在慢跑过程中的登离阶段，足部的跖趾关节部位 不仅要承受身体本身的重量，同时还要承受身体向前运动的推动力。故在长时问 的运动过程中，跖趾关节部位承受的压力未得到良好的衰减，