基于人体足部特征的织袜模型设计及一体成形算法

2018-12-22蒋高明吕建国

纺织学报 2018年12期

冀鹤，蒋高明，吕建国

(1. 江南大学教育部针织技术工程研究中心，江苏无锡 214122；2. 浙江新昌振兴纺织机械有限公司，浙江新昌 312500)

圆袜机编织技术具有生产效率高、产品成形效果好、产品提花种类丰富及机器成本低等特点，在当今织袜市场应用较广[1]。目前，国内织袜生产还存在诸多问题，如织袜完成织造仍需下机完成缝头，消耗较大人力成本，降低了织袜生产效率，因此，迫切需要一体袜机代替传统袜机完成生产。圆袜机一体成形编织是运用类似于普通圆袜机的编织技术[2]，进行加工生产织袜产品，不仅具有柔软舒适美观的特点，且产品成形程度高，采用连续生产，无需下机缝头简化后整理过程，优化了原有生产模式，提高了产品一体性。

为规范圆袜机编织产品的设计，本文依据人体足部结构特征，从足部生理机能角度出发，结合足部特点，提出了一体成形织袜模型这一概念。同时，在织袜模型应用过程中，本文主要介绍了单针筒一体成形织袜模型，运用平针双层编织、衬垫编织、上行针法编织、插针法编织及揿针、挑针等成形编织方法，结合扭结式缝头法实现机上一体成形。探究了一体成形织袜模型及应用，为圆袜机编织结构设计合理性提供保证，使其能够更好地符合人体足部穿着需求，为我国织袜一体成形产品的设计与开发提供理论参考。

1 人体足部生理特征及机能

人体足部具有一定形态结构、生理机能及运动规律，是人体重要负重和运动器官[3]，因此，在进行织袜模型设计前，首先对人体足部脚型结构特点、运动特点及足部压力分布进行研究。

1.1 人体足部生理特征

人体足部骨骼包括趾骨、跖骨、跗骨[4]3大类，如图1所示。在走路和运动过程中趾骨和跗骨中的跟骨运动频率最高，在支撑身体方面起着重要作用，相应给与织袜向下的压力，在走路和运动时增加了脚底前端和跟部的摩擦力，因此，在设计袜底和袜跟部位时通常需要“夹底”加入加固线提高其耐磨性。

图1 足部骨骼Fig.1 Foot-skeleton

在人体足部有较多关节，第1至第5趾骨借助关节完成内收、外展、环转、回转及屈伸运动[4]，如图2所示。趾骨的运动增加了袜头部位向上、向下以及向前的冲击力，因此，在织袜编织过程中，袜头部位组织及密度的选取尤为重要，通常在袜头需要编织加固圈提高其顶破性和保暖性(季节需要)。

图2 足部关节及活动Fig.2 Foot joints and activities

脚部运动是由附着在骨骼上的肌肉收缩和弛缓带动骨骼完成[4]，肌肉在整个运动中处于主导地位，织袜的延伸性和伸缩性直接影响脚部舒适度，因此，织袜袜脚和袜筒部位密度低于袜头和袜跟，并在收缩运动频繁部位添加橡筋，减少足部与织袜摩擦。

1.2 人体足部机能

足部的生理机能主要包括分泌汗液、蒸发水分及调节温度[4]。由于运动项目的不同、季节更替及人体差异，对织袜性能有不同的需求，恰当地选择织袜可减少运动损伤，增加运动效果[5]及足部穿着舒适性，因此，在织袜设计过程中，根据织袜对吸湿排汗性需求选用棉纱编织地组织，满足人们对于织袜的功能需求。

2 织袜参数及模型建立

织袜模型建立是以织袜参数为依据，织袜模型可看成是脚的轮廓，但又不是脚上的束缚品，决定着织袜穿着的舒适性及贴服性，因此，就织袜模型的建立而言，精确地采集人体足部数据对于确定织袜参数尤为重要。

2.1 织袜参数

织袜参数是通过对人体足部主要特征部位进行测量，归纳整合足部参数数据获得的，足部数据测量示意图如图3所示。

a—外踝骨高度；b—前跗骨高度；c—第1跖趾关节高度；d—拇指厚度；e—跖趾围长；f—前跗骨围长；g—兜跟围；i—舟上弯点高度；j—后跟突点高度；k—脚长；l—脚踝围长；m—最长趾骨长度；n—足弓长度；u—跟骨长度。图3 人体足部数据测量示意图Fig.3 Diagram of human foot datd measurement

建立织袜参数需首先明确织袜分类：根据人体足部尺寸将织袜分为童袜、少年袜、女袜、男袜4大类；根据款式可分为脚套(俗称隐形袜)、短筒袜、中筒、长筒袜等；结合织袜功能性，分为普通织袜、运动织袜等[6]。

不同尺寸、不同款式及不同功能性的织袜都有其对应的参数，结合群体穿着偏好及足部尺寸数据，选择女士隐形普通织袜和女士中筒运动织袜为研究对象确定参数：女士中筒运动织袜要求透气性好、柔软舒适符合脚型，针织面料非常适合；女士隐形普通织袜，作为夏天必备品，要求轻薄，整体形态呈短宽、弹性好，大袜口与足部完美贴服。本文以女士中筒运动织袜和女士隐形普通织袜为例，设计织袜参数如表1、2(数据来自浙江新昌振兴纺织机械有限公司)所示。

表1 女士中筒运动织袜尺寸及比例参数Tab.1 Female sports knee socks size and scale parameters

表2 女士隐形普通织袜尺寸及比例参数Tab.2 Female shadow socks size and scale parameters

2.2 中筒织袜模型建立

根据织袜参数结合织袜编织原理[6]，本文以中筒女士运动袜为例探究了织袜模型建立过程。

图4示出中筒织袜模型。取袜跟起始编织点为坐标原点，以织袜袜筒方向为y轴方向，以袜口方向为x轴方向建立二维直角坐标系。根据脚踝围长及织袜编织工艺，结合运动过程中对袜口与腿部肌肉的贴附性要求，袜口宽W1取79 mm，袜口高H取 30 mm，袜筒宽W2取89 mm，袜筒高H1取85 mm；为保证织袜穿着合脚，考虑减少运动过程中袜跟部分的磨损，根据后跟突点高度及兜跟围及织袜揿针挑针工艺要求，袜跟半高h取30 mm。为保证织袜具有良好的延伸性能，收放针数均为1；通过如图5所示袜跟放大模型计算袜跟尺寸，计算公式为

L=5NP

D2x=-Rcos(β)

D2y=Rsin(β)

式中：L为袜跟缝长，mm；N为收针或者放针针数；P为袜跟密度；R为OC2的长度，取51 mm；θ为袜跟起始编织到跟缝的角度值，(°)；α为θ/2；β为3θ跟缝到袜底起始编织角度值。可得上筒各点坐标值A1(W1/2,H1+H+h/2),A2(-W1/2,H1+H+h/2),B1(W2/2,H1+h/2),B2(-W2/2,H1+h/2),C1(-W1/2,h/2),C2(W1/2,h/2)。

图4 中筒织袜模型Fig.4 Knee socks model

图5 袜跟放大模型Fig.5 Zoom model of heel

在运动过程中为使织袜下筒不随运动而滑移，在脚底部运动最频繁的趾骨位置增加橡筋，袜脚橡筋高H2取40 mm，宽H3取72 mm，考虑到人体足弓尺寸及上机织缩袜脚高H4取130 mm；在袜头部分模型建立过程中，由于足部趾骨及关节处运动灵活对织袜产生多角度作用力，添加10 mm加固圈工艺以减少对织袜头部产生直接冲击；同时需要考虑织袜上行针法要求，作以Q点为坐标原点，以QG1长度为半径，以(180°-β+θ)为圆心角的圆弧，得到中筒女士运动袜模型。

2.3 隐形织袜模型建立

根据隐形袜工艺特点及生产标准[7]，在普通织袜模型建立的基础上研究了女士隐形袜模型建立方法。

建立xOy直角坐标系，为满足织袜隐形和舒适性需求及人体足部尺寸结合跟骨尺寸特征，袜口高H取13 mm，袜口宽W取38 mm；其独特的大袜口特征增加了对袜跟抱合力的需求，选用Y字形袜跟，根据兜跟围尺寸确定袜跟最远点尺寸为63 mm，考虑后跟凸起高度及脚跟处抱合性能，在OP区域收放针数均为5针，P1PP′区域均为1针，图6示出隐形织袜袜跟放大图。通过如下计算公式求得袜跟特征点及袜跟轨迹方程：

x2OP22+y2OP22-hcosθ2=1

(x∈(-OP2,0)，y∈(-OA2,OA1cosθ))

图6 隐形袜跟放大图Fig.6 Footlet heel with enlarged

结合人体足弓学与服饰美学及织袜工艺，在收针时至少留1/5～1/6织针在编织区域，PP1和PP′取 8 mm，织袜袜脚长取110 mm，为满足脚面无织袜，选择在袜跟编织结束后44 mm内只编织袜底区域；考虑到织袜模型需适合多数成年女性穿着及减少袜脚滑落添加20 mm橡筋编织；结合服饰美学及织袜力学性能要求，在袜头编织前添加加固圈工艺行10 mm，作以Q点为坐标原点，以QF2长度45 mm为半径，以4θ为圆心角的圆弧，得到如图7所示隐形织袜模型。

图7 隐形织袜模型Fig.7 Footlet socks model

3 织袜模型应用

织袜平面模型为一体成形织袜的设计与生产提供了直接依据。由于织袜具有较大的弹性，为使一款织袜可以满足一类人群的穿着需求，通过计算将织袜模型尺寸转化为线圈纵行，确定织袜各编织部位横密、纵密。本文实例在UC606-1446F型国产普通毛圈与隐形毛圈两用机上进行编织。

一体成形织袜模型与成形织袜工艺关系可根据以下公式进行计算：

D=0.035 68Ttδ

PA=50A

PB=50B

L=1.57A+2B+πD

L=σTt31.62

N=0.4WPA

式中：D为纱线直径，mm；A为圈距；B为圈高；L为线圈长度，mm；σ为线圈模数；Tt为纱线线密度，tex；δ为纱线体积质量，g/cm3；PA为织袜横密，纵行/(5 cm)；PB为织袜纵密，横列/(5 cm)；N为总针数；W为模型尺寸。

通过修正得到成形织袜模型，在进行织袜工艺设计时，通过一体成形方法实现中筒织袜模型和隐形织袜模型2种款式织袜的成形编织。在MindCottonSocks花型编辑准备的链条编辑系统中，将换算的针数和密度输入模型编辑器，设定参数结束后再根据花型效果需要完成意匠填充、根据组织结构完成主梭配置达到织袜成形要求如图8所示，最后从软件中导出转换成FAT格式的上机文件，在单针筒一体袜机完成编织。

3.1 中筒织袜成形的应用

一体成形织袜是在织袜完成成形编织后通过转移机构完成向缝头机构转移[8]，由缝头机构完成缝头，优势在于下机即可穿着成形织袜[9]。

在中筒织袜设计中，主要根据织袜功能性需求对局部尺寸进行调整，如图9所示。以织袜模型为原型，提花片变换选针方式与主梭橡筋梭配合，实现双层假罗口袜口编织，克服了橡筋衬垫袜口边缘卷曲，赋予袜口罗纹效果。通过上行针法配合揿针、挑针法完成满足人体足弓学的袋型袜跟编织。同时，运用分针法完成加固袜底的编织，添加加固纱提高织袜坚牢度。图10示出女士中筒运动袜及隐形普通袜一体成形产品。

图8 参数配置Fig.8 Parameter configuration. (a) Main shuttle setup; (b) Jacquard pattern design

图9 中筒织袜编织工艺Fig.9 Knee socks knitting process

图10 一体成形织袜成品Fig.10 Finished product of toe-closed fully-fashioned.(a)Female sports knee sock; (b) Female shadow socks

由于中筒织袜除去袜跟和袜头部分为上行法编织工艺较为复杂外，在袜口、袜筒、橡筋部分均为圆筒编织，因此，可采用变化组织结构设计增加织袜运动功能特性，在袜头和袜跟部位以衬垫组织的形式加入功能纤维增强织袜抗疲劳强度，同时赋予织袜纤维的功能性；在下筒中部添加橡筋减少运动过程中袜底与足部的摩擦，提高运动效果。同时，意匠设计的灵活性提高了人们对于个性着装的要求。

3.2 隐形织袜成形的应用

隐形织袜[10]是在原有一体机成形工艺中添加隐形三角，实现在袜口及袜底分区域进行上行针法编织，实现大袜口效果的一体成形织袜，如图11所示。

图11 隐形织袜编织工艺Fig.11 Footlet knitting process

在编织过程中，将中筒织袜成形中的橡筋及橡筋扎口工艺并入起口工艺行，采用上行针法配合揿针挑针工艺，形成具有一定倾斜度的袜口组织，同时提花片完成一隔一选针形成弹性双层假罗纹组织，实现袜口向袜跟和袜底过渡，避免织袜发生脱落及保护脚踝。此外，选用Y型袜跟编织，在袜跟转向处采用收针不脱旧线圈的方法在中筒袜跟编织基础上增加一块组织，形成满足人体足部兜跟围的扁平袋状造型，增加与足部的抱合力。袜底大面积采用上行走针法高踵针退出编织区，低踵针全部参加编织到达成圈高度，配合加固底分针编织法使纱线部分垫纱，增加其耐磨性改善卷边，隐形普通袜的一体成形产品展示如图10(b)所示。

这种织袜降低了人工缝头的成本，节约了生产原料，减少袜筒工艺提高了生产效率。但一体成形隐形织袜编织工艺复杂，对机器牵拉和三角排列等有更高的技术要求，为满足织袜工艺减少组织搭配种类，因此，对于如何提高一体成形隐形袜的组织搭配种类需要进一步开展研究。

由于人体足部具有特殊的生理结构及机能，因此，在对织袜进行工艺及编织方法设计时，除依靠揿针、挑针、提花片变化选针方法对织袜成形模型适当变化外，还需要借助添加毛圈组织或者衬纬橡筋组织等组织变化，及针筒、生克片和沉降片密度等参数进行调整，从而满足织袜的性能要求，更符合服饰美学、人体足弓学及功能性，达到服装装饰吸湿排汗及保护足部的效果。