（服装设计与工程专业论文）鞋压力舒适性的研究[服装设计与工程专业优秀论文].pdf

r e s e a r c ho np r e s s u r ec o m f o r t a b i l i t yo fs h o e s a b s t r a c t w i t ht h ei m p r o v e m e n to fs t a n d a r do fl i v i n g ，p e o p l ea t t a c hm u c hi m p o r t a n c et o h e a l t h c a r eo ff o o t ；r o l e st h a ts h o e sa c ti nd a i l yl i f ea r em o r ea n dm o r ei m p o r t a n ta sw e l l t h en e wd e v e l o p i n gb i o l o g i c a lt h e o r yo fm e c h a n i c sa n dt h ea p p l i c a t i o no fa d v a n c e d m e a s u r ee q u i p m e n ti ns h o e sm a n u f a c t u r i n gi n d u s t r y , b r i n gc h a n g e so n ea f t e ra n o t h e ro n p r e s s u r ec o m f o r t a b l e n e s s o ft h es h o e s ，a n dg u a r a n t e et h e i r f i m c t i o na sp r o t e c t i o nt o h u m a n sf e e t i fw er e a l l yw a n tt os e tu pt h ep r o t e c t i v ea c t i o no ft h es h o e so nt h ef o o t ，t h e p r i m a r yt a s kf o ru st od oi st os o l v et h ep r o b l e mo fm a t c h i n gf o o tf o r mt h es t r u c t u r eo ft h e s h o e s t h i sp a p e rr e g a r d sf o o tf o r ma n dm a t c hp r o b l e mo ft h es h o e ss t r u c t u r ea ss t a r t i n g p o i n t ，a n du s e si n t e r a c t i v e3 dl a s e rs c a n n e rt om e a s u r et h ec o l l e g es t u d e n t sf e e ta n dt h e n d r a wc h a r a c t e r i s t i ci n d e x e sd e s c r i b i n gh u m a nf o o t ，t a k i n gt h es o l ep r e s s u r em e a s u r i n g s y s t e mt oo b t a i nt h es o l ep r e s s u r ed i s t r i b u t i o nc u r v ea sw e l la st h e r e s u l to fs u b j e c t i v e p r e s s u r eo ff e e l i n g f i n a l l ya n a l y z e st h ei n t e r - r e a c t i o no ft h ep r e s s u r ed i s t r i b u t i o n , w h i c h o f f e r ss c i e n t i f i cb a s i sf o rp e r f e c tc o m f o r ts h o e sd e s i g n t i l i sp a p e ri sc o n s i s t so ff o u rp a r t s ： 1 ) t h e o r e t i c a lr e s e a r c ho ns o l el o c o m o t i o nb i o m e c h a n i c s f i n d i n go u tt h e p h y s i o l o g i c a ls t r u c t u r eo fh u m a nf e e ta n dt h el o c o m o t i o nb i o m e c h a n i c st h r o u g ha n a l y z i n g t h ei m p a c t i n gf a c t o r so fs o l ep r e s s u r e d r a w i n go u tt h a tt h em a i nr e a s o nc a u s e dt h ef e e t d i s e a s e si st h a tt o ob i go fs o m ep r e s s u r eo fs o l ec a u s e db yt h em i s m a t c h i n go ff e e ta n dt h e s t r u c t u r eo fs h o e s ， 2 ) r e s e a r c ho nc h a r a c t e r i s t i ci n d e x e so fh u m a nf e e t u s i n gt h ei n t e r a c t i v e3 dl a s e r s c a n n e rt oc o l l e c tt h em e a s u r e m e n t so ff e e t ，d r a w i n go u tc h a r a c t e r i s t i ci n d e x e sd e s c r i b i n g h u m a nf e e tf o r m 3 ) r e s e a r c ho nm e a s u r i n gs y s t e mo ff o o tp r e s s u r ed i s t r i b u t i o n ，s e tu pa ne c o n o m i c f o o tp r e s s u r ed i s t r i b u t i o nm e a s u r i n gs y s t e m ；c a r r yo nm e a s u r e m e mo fs o l ep r e s s u r e d i s t r i b u t i o nt op e r s o n s 、i t hd i f f e r e n tf o o tt y p e 4 ) r e s e a r c ho ne v a l u a t i o no fs u b j e c t i v ep r e s s u r ec o m f o r t a b l e n e s s a n a l y z i n gt h er e s u l t o fs u b j e c t i v ee v a l u a t i o no fs o l ep r e s s u r ec o m f o r t a b l e n e s st h o u g ht h eu n i t yo ft h er e s u l to f m e a s u r e m e n to fo b j e c t i v ef e e t p r e s s u r ed i s t r i b u t i o na n ds u b j e c t i v ee v a l u a t i o no ns o l e p r e s s u r ec o m f o r t a b l e n e s s a n a l y z i n gt h ei n t e r - r e a c t i o no f t h es t r u c t u r eo f t h es h o e s a n dt h e s o l e p r e s s u r e ，o f f e r i n g s c i e n t i f i cb a s e sf o rt h ep r e s s u r ec o m f o r t a b l e n e s so ft h es h o e s d e s i g n a u t h o rl ih u t 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 ：f o o ts h a p e ，f o o ts h a p em e a s u r e m e n t ，p l a n t a rp r e s s u r em e a s u r i n gs y s t e m ， p r e s s u r ec o m f o r t a b l e n e s s 第一章绪论 1 绪论 1 、1 课题研究的必要性 鞋压力舒适性的研究是现代社会消费和发展现状的需求。随羞时代的发展，物质 生活的丰富，人们对足部保健日趋重视，不再仅仅满足于鞋的装饰性，更加强调鞋的 功能性，能够符合个人足型的鞋子越来越受到人们的青睐。 首先，从市场角度来说，各种功能鞋( 如增高鞋、减肥鞋) 和运动鞋有着很大的 消费市场，消费者往往要求这类鞋具有特殊功能，穿着舒适并具有保护作用。其次， 从体育角度来说，现代专业运动员对于专业运动鞋压力舒适方面个性化需求不断提 高，更加注重于适合自身足部形状，运动时可以减缓足部震动，减轻足部压力的运动 鞋。再者，从临床角度来说，如糖尿病患者足部痛觉、压力觉、温度觉和本体感觉消 失，而且由于蛋白质的糖化引起的足畸形，步态异常导致足的生物机械负荷改变，从 而引发足底压力增加。这两方面原因使患者穿着不合适的鞋子时，足部受到过大压力 而产生溃疡，重者可以导致截肢【l j 。所以，需要设计适用于糖尿病脚的鞋子，来减轻 糖尿病足病症的恶化。另外，女性长时间穿着鞋跟过高的高跟鞋，会产生脚部酸痛、 扭伤、摔伤、头痛；而长期穿着鞋尖过窄的鞋会产生拇外翻等病症【引。这些情况都是 由于足型与鞋结构之间的不匹配而引起的足部疾病，此问题正有待于通过鞋压力舒适 性的研究来解决。最后，从技术角度来说，电子测量技术和计算机技术为了解足一鞋 界面压力分布研究提供了可能。研究人员可以利用多种测量技术获得足底压力 ( p l a n t a rp r e s s u r e ) 和剪切力( s h e a rf o r c e ) 并用计算机加以处理，利用c a d 系统和 专业有限元分析软件对足部建模和分析。所以，可以说鞋压力舒适性的研究是适应现 代社会消费和发展现状的需求。 1 、2 鞋压力舒适性的研究现状及相关技术发展状况分析 1 、2 、1 国内外鞋压力舒适性的研究现状 在国外，大多数的制鞋公司都有专门的科研人员来研究如何使鞋更适合人体脚 型、符合人体生物力学，从而减少人体伤害。如世界上的著名运动鞋品牌n i k e 、a d i d a s 、 r e e b o k 等制鞋公司都有自己专门的研究机构，在设计、开发产品时对鞋进行运动学 和动力学测试，其中鞋压力舒适性便是其中的一个重要研究方面。在各大制鞋公司中， 以世界鞋王耐克的投入最大，每年达数百万美元。耐克公司所有新产品的基础研究都 是由耐克体育研究室( n i k es p o r t sr e s e a r c hl a b ) 以及其联合瑞士e t h 生物力学 实验室、p e n n s y l v a n i a 州大学生物力学实验室等大学实验室进行的。这些实验室专门 进行各类运动鞋的功能性研究，以确保进行各种运动项目的运动员在运动时足部受到 最小的伤害，并且研究制造出了相应的功能性运动鞋。如2 0 0 4 年刚推出的n i k es h o x 第一章绪论 系列运动鞋，便是耐克实验室的工程师和设计人员花了1 6 年时间才研制成功了符合 人体生物力学要求的运动鞋 3 】。这款运动鞋的鞋跟由4 个像弹簧一样的弹性泡沫材料 制成的立柱组成，不仅具有气垫的缓冲、减压、减震作用，而且还能够提供推力。另 外，a d i d a s 公司也是倾其最好的科学和技术完成整个运动鞋的设计、测试、制造。 在国内，鞋压力舒适性研究方兴未艾。有少数的专门研究足部压力健康的研究机 构。其中，北京正之本人体力学研究所是专门从事人体力学相关研究的科研单位【4 】。 对鞋与健康的问题做了长期深入研究，在研究足对人体力学影响的同时，也关注了足 部健康，尤其是鞋对健康的影晌。并研制了功能鞋、健身鞋和日常生活用鞋等。还有 一些专门从事假肢研究的实验室，如中国假肢矫形技术培训中心的人体生物力学实验 室应用r e f l e x2 4 0 三维人体步态分析系统、压力测试板和n o v e l l 人体足部及假肢接 受腔压力分析仪为下肢病残者配置穿着舒适和压力适宜的假肢1 5 j 。 在国内企业界，以对鞋压力舒适性要求最高的运动鞋厂家为例，各种运动鞋品牌 公司都很少有自己的研发中心，基本上还是处于产品开发的水平，根本没有自己的运 动生物力学、生理学、运动学的研究机构支撑其品牌的专业化发展。最近两年，制鞋 业已经注意到这些不足，并且经过努力取得了一些进展。李宁公司首次在2 0 0 4 年与 香港中文大学人体运动科学系合作，对李宁公司生产的运动鞋的力学特性进行运动生 物力学测试，建立专业运动员的脚型数据库，对专业运动特征进行数据搜集和分析， 从而提高产品的专业性和压力舒适度1 6 】。在2 0 0 4 年1 1 月2 1 日，比利时f l a n d e r s 的 r s s c a ni n t e r n a t i o n a l ( 从事鞋的人体力学设计测试与运动医学分析系统的国际性科技 研发企业) 与中国就相关运动鞋、个性化专业鞋垫等方面的科技合作，并且已在北京 设立办事处和实验室，与中国体育科研机构合作，为中国的顶级运动员进行运动分析、 个性化运动鞋垫的设计、选择或设计适合个人运动特点的运动鞋【7 】。让以足为本的生 物力学研发理念逐渐融入中国制鞋业。 1 、2 、2 足底压力测量技术的发展和应用 着鞋状态下足鞋界面压力分布的研究，为制鞋工业带来了理论和技术支持。 目前，很多健身鞋，减肥鞋等功能鞋都是足底压力测量技术运用和研究的结果。因此， 可以说足底压力测量技术是研究鞋压力舒适性过程中一个必不可少的测量手段。近 2 0 年来，伴随着新型传感技术的压力测量仪器的发展和计算机技术的普及，足底压 力测量与研究在运动生物力学步态研究领域中日益体现出其重要地位。 a 足底压力测量技术的发展 足底压力测量技术( m e a s u r i n gt e c h n i q u eo fp l a n t a rp r e s s u r e ) 是运用压力 测量仪器对人体在静止或者动态过程中足底压力的力学、几何学以及时间参数值进行 测定，对不同状态下的足底压力参数进行分析研究，揭示不同的足底压力分布特征和 模式，通过正常足与病理足的足底压力参数的对比研究，分析病足成因、病程衍变以 2 第一章绪论 及功能评定【8 j 。足底压力分布测量技术自1 8 8 2 年英国人b e e l y 率先研究以来，真正有 系统地进行步态分析和广泛临床则始于2 0 世纪5 0 年代。国内从上个世纪8 0 年代开 始，对步态的研究目益重视，近二十年来步态研究技术发展很快。1 9 9 7 年第1 6 届国 际生物力学大会上，步态研究论文约占生物力学论文总数的三分之【9 】。 根据足底压力测定的发展过程及使用技术可将其分为脚印法( p e d e g r a p h y ) 、足 底压力扫描器( s o l e b a r o g r a p h ) 、测力板( f o r c ep l a t e ) 及测力台( f o r c ep l a t f o r m ) 、压力鞋 及压力鞋垫( i n - s h o ep l a n t a r ) 【1 0 】。脚印法是人足在石膏、泥、橡胶等易变形物质上 留下的足印或痕迹，足底各部位的压力大小只能根据足印的形态及深浅作出大致判 断。足底压力扫描技术是在一块玻璃的两端安置光源，玻璃上放置橡胶等弹性垫，即 可在玻璃下发生清晰的足印象，影响的光强度正比与压力。脚印法与直接压力扫描都 是定性分析，足底压力的大小只能根据图像的变化作大致的判断。 测力板、测力台，压力鞋和鞋垫则是在换能器、传感器基础上发展起来的测试系 统。测力板和测力台只能测量足底压力，不能评定足鞋界面的受力情况l l “。由于测 力板和测力台的面积有限，所以只能测定站立或者步行一步的压力参数。压力鞋和压 力鞋垫则是将传感器安置在鞋和鞋垫中，这就克服了测力板和测力台的不足，它可以 将传感器放置在需要测量的部位，由于鞋子和鞋垫与足底帖服，因此它可以连续测定 足底压力、时间等参数，并可以进行实时监测和反馈。目前，运用最多的是鞋垫式足 底压力测量技术，它可以根据研究需要，调整压力鞋垫的大小，并可以在不同类型地 鞋子上进行测量。 从国内外近些年的研究成果来看，采用瑞士k i s t t e r 测力台，美国t e k s c a n 公司的 f s c a n 测力鞋垫系统和德国n o v e l 公司的e m e d 测力板系统和p e d a r 测力鞋垫系统进 行的研究相对较为广泛。各种测试系统见图1 。 图l - a 瑞士k i s t l e r 测力平台 图1 _ bt d c s c a n 公司p r e s t o s c a n 第一章绪论 图l - et e k s c a n 公司的f - s c a n 测力鞋垫系统图1 - dn o v e l - e m e d - s f 测力平板 图卜ep e d a r 测力鞋垫系统 图1 足底压力测量系统 b 足底压力测量技术的应用 ( 1 ) 在运动生物力学步态研究中的应用 运动生物力学步态研究是通过对不同年龄、不同性别人群的足底压力研究，揭示 其各自的步态特征。通过对人体在不同行走状态下的足底压力研究，从而进一步掌握 足的运动机制和功能特征。通过特殊人群，如孕妇、, j , j d 麻痹症患者、平足症患者等 足底压力测量与分析，找出其步态特征和压力分布特点，以便为这些特殊人群提供帮 助。 通过对人体在穿不同种类鞋的运动过程中的足底研究，揭示鞋跟高度、鞋底硬度、 以及鞋子本身结构等诸多因素对人们足健康的影响，指导人们提倡健康穿鞋。足底压 力测量技术在步态研究中将越来越呈现出其重要性。 g r u n d ye ta 1 【l2 】等人对人体行走式足底压力的研究中指出，人体在裸足状态下正 常行走时，前脚掌的负重与足跟相比并没有明显的偏大，但前脚掌的负重时间却比足 跟时间长，还发现，随着鞋底的硬度增加，前脚掌的负重功能明显的减弱。j o s e p h l l 3 l 发现步幅的大小跟鞋跟的高度并没有直接的关系，但是s a t o l l 4 】等人通过对高跟鞋与 运动鞋或者平跟鞋的对比研究中发现，鞋后跟的高度增加，步幅相应的减小。j e a n n e r e i s e n h a r d t 0 5 1 等人通过对3 0 位1 8 3 0 岁女性穿不同跟高的高跟鞋行走时的足底压 4 第一章绪论 力研究后指出，女性穿高跟鞋行走时，下肢的支撑期与前脚掌的负重时间相比裸足行 走时有一定延长，但这种变化跟鞋子的后跟高度没有直接的联系。当鞋跟高度超过 3 1 2 c m 时，足后跟的负重时间开始减少。与裸足状态下第五跖骨端峰值压强相比， 随着鞋后跟的增高，第五跖骨端的压强明显的降低。中部跟骨的压强峰值在裸足状态 下出现最早，并随鞋跟的增高而延迟。j o a n n er e i s e n h a r d t 等人通过对运动鞋与高跟 鞋，绉纱平跟鞋与高跟皮鞋【1 7 】，以及裸足与高跟鞋【1 3 】【1 叼的对比研究后指出，鞋子 的后跟是导致足底压力分布产生变化的主要原因。足底压力测量与步态研究在足 鞋这一步态领域的研究，对指导人们健康穿鞋，揭示足病的成因和机制，以及鞋子的 设计带来了极大的帮助和积极的作用。 ( 2 ) 在临床步态研究中的应用 近些年来，足底压力研究在临床步态与临床医疗上的广泛应用，不但促进了足底 压力测量技术本身的快速发展，同时为临床步态和医疗康复带来的明显的效果。足底 压力研究对病足步态特征的研究与足病的诊断、预防带来了积极作用，并在运动系统 的康复、疗效评定和鉴定方面起到了很大作用。随着足底压力研究在临床上的不断深 入，在帕金森综合征、偏瘫症、糖尿病等患者的步态研究中取得了很大的进步，为预 防和治疗某些临床疾病起到了积极的作用。同时，伴随着一领域研究的不断开展，足 底压力研究在临床医疗中将越来越受到人们的重视与肯定。 正常人的足底压力分布有一定的规律及模式，足部畸形和功能异常将破坏足底压 力的正常分布【1 9 】。m i r m 2 0 等人对类风湿性关节炎跖痛病人与正常人的足底压力测量 分析后指出，在静态站立时两组人的前足的最大压力分布无明显的差别，但在行走时， 正常足在趾离地面的最大压力多集中在前足中部，而病足在趾离地面的最大压力多集 中在前足外侧。有资料表明【2 “，糖尿病合并神经损伤时，前足的压力峰值增高，如前 足有溃疡，则该区域有异常的高压力分布。r j a b b o u d l 2 2 1 等人对2 9 名糖尿病患者和 2 2 名健康人的足底压力对比研究后指出，糖尿病人的足底触地加压期时间比正常人 要明显的厂( p o 0 0 3 ) ，其前足的触地过程是一个快速的过渡过程，触地时间较正常 人来的短。s t o k e l 2 3 1 在对拇外翻的足底压力研究中指出，患足内侧四趾的最大压力峰 值明显减小，拇指外翻角与足底压力偏差相关。洪水宗f 2 4 】在“外翻病理足及其手术方 案的生物力学探讨”中表明，正常人前足跖骨头区，以第一跖骨头区负重最大，外侧 四个跖骨头区负重一次减小，而拇外翻病人的第二跖骨区成为前足的主要负重区，而 第一跖骨区成为前足的次要负重区。王志彬【2 5 】等对足弓垫能减轻跟部损伤后疼痛的机 理进行了研究，他发现足弓垫可改变足底压力的分布，使足底的压力在垫下相对集中， 达体重的5 7 1 ，减轻了前、后足的负重，增加了足弓的支撑力，缓解了跖腱膜的牵 引力，从而可减轻足跟疼痛。 足底压力测量技术在临床上，尤其是足部疾病的医疗、康复中的应用可以说非常 第一章绪论 广泛，足部一些固定的畸形，如马蹄足、高弓足、扁平足等，其足底压力分布均有其 各自的特征1 2 6 j 。足底压力在临床上的研究，不但对临床疾病的医治和预防起到了积极 的作用，同时，也促进了临床步态的进一步发展。 足底压力的测量在对假肢的设计和假肢质量的鉴定上有着积极的作用，通过对足 结构和足底压力、步态特征的研究，设计出最适合病人的假肢，帮助其步行。同时， 对假肢行走过程中的步态、压力进行测量研究，完善、提高假肢的功能，尽可能的恢 复病人的行走功能。a x e lh i l l m a n n 2 ”等人在对假肢的研究中指出，从足底压力研究中 获得的信息与数据，对掌握假肢在解剖学和生物力学上的足底负载特征带来了极大的 帮助，这些知识可能会帮助人们在设计新的假肢时提供新思路。 足底压力分析不仅能对病足步态进行诊断和分析，同时也是一个较为科学的判定 足部手术孰优孰劣的方法。国内外有很多学者作了这方面的工作，刘金祥【2 8 等应用自 行研制的足底压力分布视频图像测试系统对先天性马蹄内翻足早期行肌力平衡校正 畸形的手术疗效作了临床及足底压力测定的综合评价，临床疗效优良者，其足底静态 压力分布正常，而动态足底压力测定分析表明：病足第一跖骨头和跟趾步态的压力峰 值减小，全足着地期延长，足跟离地期缩短，趾部位的压力时间积分减小，它提示应 用此手术校正先天性马蹄内翻足，不仅足形态及功能可获得满意的结果，而且在足的 生物力学方面基本接近正常，但与正常足相比仍有一定缺陷。同样在国外，应用足底 压力测量，对拇外翻各种手术效果的评价也可以见其他文献中田j 查到。 1 、3 研究内容与方法 本课题在了解人体足部生理结构、骨力学性能和运动生物力学的基础上，通过对 足底压力分布影响因素的分析，得出足部形状与鞋结构的不匹配是产生足病的主要原 因。利用非接触三维激光扫描仪对在校大学生进行足部立体扫描，研究足部形状特征， 提取了可以区分人体足型的六个特征指标。通过建立足部压力分布测量系统，对不同 脚型的着鞋者进行足底压力分布的测量，同时进行足底压力舒适性的主观评价，分析 足部形状一鞋的结构足底压力的相互关系，为鞋的压力舒适设计提供科学依据。 1 j 、4 论文框架 本论文共分6 个章节来叙述，各章节内容如下： 第一章为绪论部分，主要介绍了论文的研究意义、内容和方法、论文框架、研究 现状等内容。 第二章内容介绍了足部生理结构、生物力学、骨骼力学性能，以及影响鞋底压力 分布的主要因素。 第三章应用t e c m a t h 非接触式三维扫描仪对在校大学生进行足部三维扫描，对足 6 第一章绪论 部三维图像进行测量部位的数据采集和数理分析，总结出用于描述人体脚型的特征指 标。 第四章主要阐述了组建足底部压力分布测量系统的过程。 第五章包括两部分内容，第一部分主要是应用足底压力测量系统进行足底压力的 测量：第二部分是分析主观压力感觉实验结果，从客观测量与主观评价的统一中分析 出让被试者感到压力舒适的鞋子。 第六章总结本论文的最后结论，以及对穿着者和设计者的建议。 第二章足部运动生物力学 2 足部运动生物力学 生物力学( b i o m e c h i n a e i s ) 是- - i 1 新兴交叉性学科，是研究生物结构的受力过程 及其影响，是运用力学理论和方法研究生物组织和器官的力学特性，研究机体的力学 特征与其功能的关系口，其研究成果对了解人体患病机理及确定治疗方案有重大意 义，也可以为人工器官和人工组织的设计提供依据。了解作用于人体上力的大小和方 向为整形外科医生，运动教练，制鞋厂，人体工程学家，神经专科医师，轿车制造厂 以及其他生物力学交叉学科领域中的研究者提供极为宝贵的讯息。 了解掌握足部运动生物力学是正确分析影响足底的受力因素及足底压力分布测 量实验结果的前提条件，只有熟悉了足部在行走时的受力过程，才能准确分析出影响 足部受力的内、外部因素，才能对足底压力测量结果作出正确的分析、得出正确的结 论。所以本章着重介绍足部的运动生物力学，在此之前，首先了解足部生理结构，以 及人体骨骼本身的力学性能。 2 、1 足部生理结构 足部由二十六块骨骼所构成，内部结构分布了许多肌肉、肌腱、关节和韧带及骨 骼等精密的结构，各个部分相互复杂密切的配合才能完成行走时一系列复杂的动作。 下面分别从足部骨骼、肌肉、关节和足弓等方面来介绍足部的解剖知识。 ( 1 ) 足部骨骼 人体单足上的骨骼为2 6 块，分跗骨、趾骨和跖骨三大部分。跗骨位于足的后半 部，为短骨，近似立方体，各具六个面。跖骨在足的中部，自内向外依次为第一、二、 三、四和第五跖骨。趾骨除拇趾为两节外，其余为三节，见图2 。 ( 2 ) 足部关节 骨与骨之间的连接属于活动范围很大的可动连接，叫关节。足部关节主要有踝关 节、跗骨关节、跗跖关节、跖趾关节。踝关节是一个非常重要的运动关节，为负重关 节。在上下楼梯、登山、跳跃等运动中起着重要的作用。跗骨关节在功能上属于联合 关节，可做足部的内、外翻，内收、外展等活动。 ( 3 ) 足部肌肉 足部肌肉主要集中在足底部位。足底皮肤坚厚致密，无毛且汗腺多，在负重较大 的部位，如足跟、第一和第五跖骨头等处，角化形成胼胝。浅筋膜较厚，富含脂肪组 织，其中有致密结缔组织将皮肤与足底腱膜紧密相连。足底肌可分为内侧群、中间群 和外侧群，见图3 ： 内侧群：为运动拇趾的肌肉，共3 块。浅面并列的两块为拇展肌和拇短屈肌。 中间群：可分浅、中、深三层。浅层叫趾短屈肌，中层为足底方肌( 跖方肌) ， 第二章足部运动生物力学 深层由浅向深排列着4 块蚓状肌，3 块骨间足底肌( 骨间跖侧肌) 和4 块骨问背侧肌。 外侧群：为运动小趾的肌肉，共2 块，小趾展肌在外侧，小趾短屈肌位于内侧。 图2 人体足部骨骼结构图3 足底肌肉群 ( 4 ) 足弓 当人用两只脚站立或行走时，主要是靠双足下的拱型构造来平衡身体。这个拱型 构造就是人类在进化过程中，为了负重行走和吸收震荡而形成的内外两个纵弓和两个 横弓。内侧纵弓由跟骨、距骨、舟骨、契骨和第一、二、三跖骨组成，内侧纵弓较高， 有较大弹性，主要起缓冲减震作用；外侧纵弓由跟骨、股骨和第四、五跖骨组成，弓 身较低，弹性差，主要起支撑作用；前横弓由跖趾关节构成；后横弓由契骨和股骨构 成。全体做拱桥形排列。这些足弓构造具有避震和弹性的作用，可以吸收足部受到的 冲击力，分散人体重量，帮助身体完成站立、行走、跑步等动作。 正常足弓负重后相应降低，在跑跳或行走时可以吸收震荡，并保护足以上关节， 防止内脏损伤。但是，在生长时如果足弓发育不健全，或者过度的疲劳、体位过重、 持续穿着不适合或穿着不具有足弓支撑力的鞋子都会导致足弓发育不良，造成扁平足 ( 见图4 ) ，影响脚部的活动，甚至影响到腿部的发育，及造成脚的疾病的发生。 正常足( 足弓正常) 扁平足( 足弓塌陷) 图4 正常足和扁平足 通过对足部生理结构的了解，可知人体依靠足部骨骼来支撑身体重量，并且承受 地面反作用于人体的压力。而足部则依赖于足弓构造吸收震荡、减轻来自地面的反作 9 第二章足部运动生物力学 用力，所以当足弓构造发生变化时，人体足部受到的地面反作用力也随之变化。因此 可以说足弓是人体减缓震动，减轻压力的主要部位。 2 、2 骨骼力学性能髓” 图5 中曲线( c ) 是反映骨力学特性的曲线，该曲线可以分为两个区域：弹性变形区 和塑性变形区。在弹性变形区内，骨的变形随负荷的增加而成线性增加，当负荷去除 后，骨可以完全回弹而恢复到初始状态。曲线下面积( 弹性应变区与塑性应变区面积 之和) 是衡量骨折发生所需要能量大小的指标。骨组织的这种性质为韧性，韧性较高 的骨能更好地抵抗骨折的发生。随着年龄的增长，骨的韧性大大降低，是导致老年入 骨折发生率明显高于年轻人的重要原因。 图5 骨骼力学性能曲线 根据骨力学性能曲线，可测量出反映骨力学特性的指标： ( 1 ) 骨应力：指骨标本单位面积上承受的载荷值。骨骼的应力( k g m 2 ) = f a f = 力： a = 面积。根据载荷方向的不同，可分为压缩应力、张应力和剪切应力。当载荷使骨标 本长度缩短时，产生的应力为压缩应力；使骨标本延伸时则产生张应力；当载荷使骨 标本的一个平面相对于临近平面滑动时，产生剪切应力。应力常用的单位为 m p a ( 1 m p a = 1 n m m 寿。 ( 2 ) 骨应变：指在载荷作用下，骨标本长度的百分变化或相对变形，即骨标本缩短 或延伸的长度与其初始长度的比值。骨骼的应变( 1 ) ( ) = l l ：a l = 变形长度； l = 原来长度。 ( 3 ) 骨可塑性：指骨质在发生骨折前的塑性应变量，即断裂应变。所以，骨到达塑 性区后，很易产生骨折。 ( 4 ) 骨韧性：骨力学性能曲线下面积，表示引起骨材料断裂所需吸收的能量。韧性 是一项很重要的力学指标，韧性大的骨质对骨折的抵抗力大，尽管对屈服的抵抗力小。 随着年龄的增加，骨韧性降低。 1 0 第二章足部运动生物力学 ( 5 ) 骨疲劳：在骨力学性能曲线的弹性区范围内反复对骨标本施加周期性的载荷， 导致骨力学特性( 如骨强度) 随时间降低的现象叫骨疲劳。所以在相同状态下疲劳者 先受伤，疲劳会使弹性松弛。如运动员经常会产生疲劳性骨折。 通过上面对骨骼本身力学性能及力学指标的了解，可知当足部骨骼受力到达塑性 区后，骨便会产生塑性变形，很容易产生骨折。另外，足部进行大量的反复性运动会 使足骨产生疲劳，使运动者的足部产生疲劳性骨折。所以，要通过分析和设计鞋结构 来减小足底压力和足骨疲劳，减轻因足鞋不匹配导致的足部疾病，从而确保足部的健 康。 2 、3 足部运动生物力学 行走是人体日常生活中重复最多的一种运动。为了站立及行走，人类整个骨骼肌 肉必须发达，除了由9 0 的骨骼与韧带、筋、肌腱、血管、皮下组织和皮肤等联合进 行外，足部要凭借肌肉来收缩和放松形成杠杆原理，依靠微血管动作与各个功能不同 的肌肉组织接受神经、脊髓、大脑控制，彼此协调合作及密切联系，才产生人类站立 及步行所需的稳定度，进行站、坐、跑、跳等各项微妙的复杂活动。 当人运用两只脚站立或步行时，足部的生物力学可说是相当复杂的，必须先由足 部依靠足弓结构及附着的骨骼、肌肉、韧带以及足底软组织形成一个适应力极佳的吸 震结构。然后，人在站立、行走时，由胫骨、腓骨传递来的人体重量，传递至跟骨和 跖骨，此时，内外纵弓和后横弓始终保持弓状结构，起着弹簧作用，在运动时，可将 由于体重而施于地面的冲力的反作用力得以减缓。而前横弓在站立时，仍保持弓状， 行走时，人体重心前移至跖趾关节部位的瞬间，前横弓的弓状消失，当人体重心继续 向前移动时，前横弓逐渐恢复其弓状，当脚离开地面时，弓状全部恢复。 足部是人体主要承受压力部分。足部依靠足弓构造所具有的避震和弹性作用，增 加足部的弹力，来吸收足部受到的冲击力，分散人体重量，产生身体的平衡性，帮助 身体完成站立、行走、跑步等动作。当人体足部由于自身足弓构造的损坏或者其他外 部因素使足部受到过大的压力，使足部骨骼受力达到塑性区，便容易使足骨产生骨折。 或者足部进行大量的反复性运动使足骨产生疲劳性骨折。另外，足部受到的过大压力 会传递到人体骨骼的其它部位，对人体其它部位产生伤害。所以，应该避免让足部受 到过大的压力j 。 现代测量技术的发展对人类行走时身体各部分，特别是下肢的运动和受力情况进 行动态的数量化分析，这项工作逐渐发展为生物力学的一个特殊分支，并被定名为步态 分析( g a i ta n a l y s i s ) 【3 3 】。步态分析对人体运动系统和神经系统疾病的病因分析和 诊断，功能、疗效与残废评定，骨、关节假体与义肢设计，截瘫病人的行走功能重建 等均有重要意义，已成为临床研究中不可缺少的手段之一，在人类学、体育学和宇航 第二章足部运动生物力学 学等领域也具有特殊的价值。步态生物力学研究的主要方法包括：步态的影像测量、 身体平衡测量、肌电测量、支撑反力测量及足部压力分布测量。 2 、4 影响足底压力分布囟素 影响足部受力的因素大体可分为两类：内部因素和外部因素，见表i 。 表1 影响足底部受力的内外因素 内部因素外部因素 1 运动时身体姿势1 运动时着鞋类型 2 人体自身特征的差异( 如：腿长度、体重、0 型2 运动时接触地面 腿和x 型腿、足型包括扁平足、高弓足等。) 其中，人体运动时身体姿势虽然因人而异，但是人体可以通过自身努力来改变运 动时的姿势。人体自身特征差异中的足型( 扁平足、高弓足等) 因素是不能够改变的， 也就是说足部形状不同，其足底部受力也不同。运动者可以通过改换鞋，用草地代替 柏油路等一系列手段来改变运动时的着鞋类型和接触地面，但在多数条件下可行的改 变是有限的，比如在一些地区是很难找到用来慢跑的草地，所以，运动时的着鞋类型 为可调节的因素，其中鞋子的鞋底是影响足底压力分布的主要部件，鞋底的结构和材 料是组成鞋底的两大元素，所以鞋底的结构和材料为影响足底压力分布的两个因素。 不同的足底部形状即使在运动时的着鞋类型相同，足底压力分布也是不同的。所 以，研究如何减少足底压力分布问题，就是要研究足部形状和鞋结构的匹配问题，也 就是在了解人体足部形状的基础上，通过分析不同足型的被试者在穿着不同类型鞋子 时的足底压力分布测量结果，设计出足鞋界面压力分布合理，对人体健康有益的 鞋子类型。 第三章足部三维特征指标的提取 3 足部三维特征指标的提取 3 、1 脚型测量 3 、t 、1 测量目的 虽然人的每只足都是由2 6 块骨骼和肌肉、韧带、血管、神经、皮肤等部分所构 成，也就是人体足型的共性，但是每个人的脚又有其不同的特点即个性，特别是我国 地域辽阔、气候复杂、劳动生活习惯各不相同，足型差异较大。所以，我国6 0 年代 和2 0 0 3 年进行的全国脚型测量的目的，就是要从实际出发，从测量的大量数据中， 通过数理统计分析，找出不同地区、不同职业、不同性别、不同年龄人的脚型的共同 特点和变化规律，作为研究鞋楦造型和制定鞋楦系列标准的依据，也为鞋帮设计、全 鞋设计、货号搭配等提供参考和依据口帕口“。 因为只有鞋子的结构与人体足型相匹配，使鞋子符合人体足部的生物力学，才能 使穿着者的足底压力分布均匀，使穿着者感到压力舒适。所以，此次足型测量的目的 就是要通过对5 7 名在校女大学生的足型数据的分析，总结出可以用来描述足部形状 的特征指标，从而达到区分个体足型的目的。 3 、1 、2 测量方法 脚型测量的方法分为非接触测量式和接触测量式。我国6 0 年代开展过的两次全 国性的脚型调查都是采用的接触测量的方法啪儿3 ”。虽然接触式测量较为简单、易操 作，但是劳动强度大、效率低、准确性差，不适宜进行大量的脚型测量。所以，为了 避免这些缺点，本课题采用非接触式测量的方法，使用德国t e c h m a t h 生产的人体三维 扫描系统( 见图6 ) ，它速度快、精度高，可以满足大数量的足部数据的采集。该系 统是专用于人体立体扫描的先进仪器，它事实上是一个宽敞的照相室，1 5 秒内便可 完成全身扫描，扫描精度高，不超过士0 2 c m ，扫描结果是一个三维图像，并有多种格 式的输出文件，这很有矛u 于以后的数据处理。 图6t e c h m a t h 非接触式三维人体测量仪 第三章足部三维特征指标的提取 3 、1 、3 测量姿势 足在不同状态下，其尺寸变化较大，即在抬脚、静坐、站立、运动等不同姿势下， 足的同一部位尺寸亦不一样( 见下表2 ) ，人体通常处于站立状态，但是考虑到要测 量足弓部位自然状态( 不受力情况) 下的高度和所选仪器的测量范围( 不能够测量到 被测量物的顶部和底部) ，所以采用让被试者抬脚的姿势。 表2 不同姿势下脚尺寸对比州单位：i i l l n 图7 足部扫描时的抬脚姿势 被试者在人体三维扫描室内的姿势如图7 所示，在扫描过程中的注意事项如下： ( 1 ) 双手分别支撑在门两侧，以保证身体的平衡和稳定： ( 2 ) 抬起一只脚，使其小腿与地面尽量保持水平，重点是要让抬起的足部呈自然 舒展状态； ( 3 ) 让抬起的膝部靠住另一只腿的膝盖部，以确保它的稳定性，需要注意的是在 仪器扫描过程中一定要保证稳定。 3 、1 、4 测量部位 参照全国脚型调查时所选择的其中四个关键部位【3 8 】，又增加了两个与足底部分相 关的部位，所以本次试验共选择了六个关键部位( 见图8 ) 。关键部位的选择理由： ( 1 ) 脚长和脚宽是现行国家标准鞋号的两个特征指标，是选择鞋的基础。 ( 2 ) 跖趾围长处于脚的最宽处，是决定脚肥瘦的主要标志，是鞋楦设计、做鞋和 穿鞋的最重要的尺寸。 ( 3 ) 因为在跖趾围长相同的情况下，也可能出现“宽而扁”和“窄而厚”两种不 同的脚型，所以增加了第一跖趾关节高度这个特征尺寸。 第三章足部三维特征指标的提取 ( 4 1 足弓是最主要的减缓振动和缓解地面对人体冲力的部位，是防止人体运动系 统受损害的重要部位。所以为了体现人体足部承受压力的能力和更准确的描述足底曲 面形状，提出了足弓高度和脚趾与脚底平面夹角两个新的测量部位。 定义六个关键部位： ( 1 1 脚长：最长脚趾的端点所接触的垂直线与后跟突点所接触的垂直线之间的水 平距离。 ( 2 ) 脚宽：以第一、第五跖趾关节点的连线作为脚宽，这种宽度也叫做跖趾斜宽。 ( 3 ) 跖趾围长：围绕第一、第五跖趾关节突出点测量的围长，简称跖围。 ( | ) 第一跖趾关节高度( 简称跖趾关节) ：脚的第一趾跖关节最高点至脚底着地面 的垂直距离。 ( 5 ) 脚趾与脚底平面夹角( 简称夹角) ：人脚本身有一定的自然跷度，在自然状态 中，由跖趾部位向前，脚趾自然向上弯曲，与脚底平面成一定角度，这个角度叫做脚 趾与脚底平面夹角。 ( 6 ) 足弓高度：足弓由两个纵弓和两个横弓组成，足弓高度就是内纵弓和后横弓 相交处的最高点到脚底平面的垂直距离。 l 一跖趾围长；2 一第一跖趾关节高度：3 一脚长；4 足弓高度：5 一脚趾与脚底平面的夹角 图8 足型测量部位 3 、1 、5 测量步骤 ( 1 ) 随机抽取5 7 名年龄在1 9 岁一2 6 岁之间的在校女大学生作为被试者，并填写 个人资料( 见表3 ) ； ( 2 ) 用皮尺测量脚前后最突出点的最大长度即为脚长( 由于三维扫描局限，不能保 证脚长测量的准确性，所以采用手工测量) ； ( 3 ) 用人体三维扫描系统分别进行左、右脚扫描； ( 4 ) 在s c a n w o r x 软件中对足部三维图像的跖趾围长部位进行数据采样，采集过程 见图9 - a ，9 - b ，9 - c ，9 - d ； ( 5 1 在a u t o c a d 软件中对三维足部图像进行测量部位的数据采样，各个测量部位 数据采样图如下：( 见图1 0 一a ，1 0 一b ，1 0 一c ，1 0 一d ) 。 1 5 第三章足部三维特征指标的提取 表3 测试者个人资料 姓名：性别： 学号：来自：农村城市 年龄：鞋号： 是否平足：脚长：( 左)( 右) 图9 - a 足部三维图形图9 - b 对足部跖趾围妖部位进行纵切 图9 - c 足部跖趾围长部位的纵切面图形 图9 - d 对跖趾围长纵切面的围长进行测量 图9 在s c a n w o r x 软件中跖趾围长的数据采样 图1 0 一a 脚宽部位的数据采集图1