足部相关产品人因设计研究综述

2022-01-04周克璇朱兆华

机电产品开发与创新 2021年6期

周克璇，姚君，朱兆华

（中国矿业大学建筑与设计学院，江苏徐州 221116）

0 引言

用户对人体穿戴产品的个性化需求日益凸显，对舒适健康的生活提出更高的要求，作为人体穿戴产品的重要一环，足部相关产品主要包括鞋类、足部医疗产品、足部运动护具等。用户对足部相关产品提出新需求，不仅满足基本功能，同时要具备舒适度等特点。舒适度是衡量足部相关产品的重要指标，良好的舒适度可以改善用户穿戴体验，提升足部医疗产品的康复效果。匹配人体曲面形态的足部相关产品可以提高用户穿着的舒适度，通过人体测量技术能得到精准的足部形态，为足部相关产品的设计提供帮助。

1 足部测量技术

人体足部包括26 块骨骼，见图1，33 个关节和复杂神经结构。个体足部形态存在差异，在不同状态下足部形态会有不同，同时会受到人体不同姿势、体重等因素的影响。同时，采用不同的测量手段会影响最终测得的足部形态尺寸，为提高测量的效率和精确度，需要选取最适合的足部测量方法。

图1 足部骨骼

人体测量技术是通过测量人体相关部位的二维尺寸或三维形态来探究不同个体之间的差异，促进人体穿戴产品、人体医疗器械、人体定制化产品等领域的发展。人体测量技术，见图2，经历了从二维到三维、从接触式到非接触式的发展过程。接触式测量技术简单快捷，但测量时间长、人力成本高、误差大，测量过程中有诸多不确定因素；非接触式测量技术速度快、精度高，可以获取大量的三维数据。

图2 人体测量技术

1.1 接触式足部测量技术

传统的接触式测量方法主要采用软尺、直尺等工具，见图3，通过对人体部位进行接触式测量，获得长度、宽度、高度等二维数据。 20 世纪60 年代，国内外学者开始使用接触式三维测量技术获取人体足部三维形态，运用三坐标测量机，见图3（c），此设备通过探头接触被测物体表面，经过数据处理得到物体的空间坐标。 Darren 等[1]利用接触式三维扫描仪采集足部三维模型，定义26 个足部表面特征点，确定这些点的三维坐标，并计算出23 个需要测量的具体尺寸。三维接触式测量仪的探测部位需要与被测物体直接接触，在测量足部柔性对象时，皮肤表面难免会发生变形。在测量中受诸多因素影响，在测量人体不同部位时容易出现偏差，难以准确反映人体三维形态，且测量结果不可逆。

图3 接触式测量工具

1.2 非接触式足部测量技术

非接触式三维测量技术包括图像测量技术、三维扫描技术、医学手段，见图4，医学手段包括CT 扫描和核磁共振等。图像测量技术是通过对足部图像处理提取足部轮廓、长宽尺寸等参数信息，但获得的尺寸信息单一，且不能直接获得足部三维信息。Witana 等[2]比较四种足部尺寸测量方法，三维扫描、卡尺法、足迹法和墨迹法，三维扫描技术不仅能提供更详细的足部尺寸和形态，且测量效率高。刘国忠等[3]提出一种同时测量足部三维模型和足部负荷的非接触式测量系统，对170 名受试者进行测试，得出男女足长和足围的差异。图像测量技术速度快、成本低，但缺少三维数据。三维扫描技术测量时间短、精度高、效率高。 CT 扫描和核磁共振精度高，但数据转化复杂且可能对人体造成伤害。

图4 非接触式测量仪器

2 足部相关产品设计方法

足部相关产品设计方法分为三类，见图5：基于足部特征尺寸分析、基于足部曲面定制和基于足部曲面分类进行批量定制的足部相关产品设计方法。

图5 足部相关产品设计方法

2.1 基于足部特征尺寸分析的足部相关产品设计方法

基于足部特征尺寸分析的足部相关产品设计方法是通过测量足部的二维尺寸得到足部轮廓、长宽尺寸等数据，为足部相关产品设计提供参考。高岭[4]在鞋楦上标出足部关节处的对应点，然后将这些特征点连成横向和纵向的轮廓曲线，测量出轮廓线的尺寸，设计出不同的鞋帮部件，得到了不同样式的皮鞋模型。王宵宵[5]通过测量不同年龄段儿童足部的基本尺寸，重点分析足部宽度与跖趾围长的关系，保证鞋前掌部位的舒适性为儿童鞋楦设计和生产提供参考。二维尺寸和轮廓形状无法准确描述人体足部复杂的形态，不能为穿戴产品的设计提供准确的三维数据。

2.2 基于足部曲面定制的足部相关产品设计方法

基于足部曲面定制的足部相关产品设计方法是通过三维测量技术得到足部三维模型，然后对模型进行预处理和曲面重构，以此作为设计参考依据；或是构建基于足部特征参数化模型，通过改变尺寸数据得到具有差异的三维模型，从而达到足部相关产品设计与用户足部特征曲面相匹配的目的。张芳兰[6]提出参数化的踝足矫形器设计方法，见图6（a），先采用三维扫描技术获取足部模型，然后通过提取足部特征曲线和型值点，构建出参数化建模具体流程，最终达到改变参数就能实现踝足矫形器的定制设计。陈营瑞[7]通过数据回归的方法构建小腿加足部参数化模型，得到基于参数化小腿加足部模型的矫形器制作方法，见图6（b），以解决用户与矫形器个性化匹配、使用满意度低、效率低下等问题。徐永昌[8]将足部三维草图的曲面重建与CAD 模型构建运用于个性化鞋楦设计，创建含有关键参数的鞋楦三维草图，通过修改草图可以快速得到个性化鞋楦设计，见图6（c），并且确定了鞋楦的设计准则，进一步推动了鞋楦个性化设计的发展。Niu[9]等通过三维扫描技术获取糖尿病足部曲面数据，提出一种针对糖尿病足的分层模块化定制鞋垫，见图6（d），通过移动或增减内置垫子改变内部空间，避免因挤压足部导致足部的血液流动不通畅并导致足部病变。

图6 基于足部曲面定制

基于足部曲面定制的足部相关产品设计方法主要运用逆向工程（Reverse Engineering，RE）技术[10]。逆向工程技术的具体流程，见图7，首先是数据采集：通过三维扫描仪可以快速获取实物模型；然后进行数据处理：去除噪点、数据平滑处理、点云数据冗余压缩、补齐数据点等；其次是曲面重构：将处理好的网格面重构成可编辑的NURBS 曲面等；最后对曲面进行参数化编辑和设计，并通过快速成型技术得到实物模型。

图7 逆向工程流程

2.3 基于足部曲面形态分类的足部相关产品批量定制设计方法

基于足部曲面形态分类的足部相关产品批量定制设计方法是通过提取足部三维模型的特征点，采用主成分分析法、线性及非线性模拟等方法，将足型简化降维作为关键指标，利用聚类算法将人体足部模型进行分类。基于足部曲面形态分类的批量定制设计方法与基于足部曲面定制的足部相关产品设计方法相比，既满足了用户对舒适度的需求又可以解决批量生产的问题。 Baek 等[11]测量350 位韩国人足部三维模型，提取足部曲面型值点，见图8（a），通过层级聚类算法把足部曲面分为8 类，发现足部形态分类规律，为鞋类设计提供高效的方法。班迪尼[12]测量100 名18～35 岁男性足部三维模型，建立足部尺寸的三维数据库，运用相关性分析、回归分析以及主成分分析方法得出足部尺寸之间的联系，见图8（b），提出8 种不同的鞋码系统，每种鞋码系统拥有不同的号型间距。张春强[13]采集306 个足部和踝关节数据模型，找出足部踝关节与弹性护踝形态以及与织物拉、压力之间的关系，运用Kmeans 算法对护踝模型的型值点进行聚类分析，见图8（c），找出足踝压力较小的部分，利于足部踝护具设计。Lee 等[14]扫描2000 名男性和1000 名女性足部三维模型，使用主成分分析法预测足部的三维模型，见图8（d），通过分类算法将足型分为6 类，发现足型存在性别及种族差异，以用于鞋楦设计和提高鞋类的舒适度。

图8 基于人体特征曲面分类批量定制

3 足部相关产品设计评价方法研究

舒适性是衡量足部相关产品重要的评价标准，人体穿戴产品的设计评价方法包括主观性评价法和客观性评价法。主观性评价是通过形象的词语进行描述，结果主要取决于用户的主观感受；客观性评价是通过实验方式测得用户的生理反应参数，主要实验方法有心率验证法、眼动追踪法、脑电分析法以及压力分布验证法等。

3.1 足部相关产品主观性评价

陆红[15]通过调查问卷和访谈的方式对200 位不同年龄段的女性穿高跟鞋习惯进行调查，穿高跟鞋的频率、跟高的高度区间、高跟鞋的材质等，同时针对舒适度问题提出解决方案。张英[16]通过研究鞋垫材料参数与足底压力舒适度之间的联系，采用主观舒适性评价法，由受试者穿着不同材料的几款优化的鞋垫，每隔5min 采用语义标尺法对穿着的感受进行打分，最终得出最佳的鞋垫设计参数。

3.2 足部相关产品客观性评价

张亚文[17]设计出一种把3D 打印与光纤传感技术结合的足底压力测试系统，模拟孕妇增重过程变化对足底压力分布的影响，图9（a）是足部模型误差彩色图，它可以计算平均误差，用于评价鞋的合脚性。张晴晴[18]通过CT扫描提取足部骨骼及软组织边缘的轮廓数据，利用CAD软件进行曲面重构，建立了足部骨骼和肌肉的模型。通过有限元模型分析足部骨骼在不同状态时的应力和足底压力情况，见图9（b），同时分析鞋垫底部不同的凹凸程度对足部舒适性的影响。孙云[19]对相同鞋码的青年女性进行研究，让受试者保持静止站立或匀速行走状态，利于用脑电信号技术测出女性穿着6 种不同高跟鞋的脑电特征，见图9（c），对女性鞋类设计的舒适度评价具有理论意义。Taha[20]利用人体足部骨骼和软组织结构的三维数据，建立足部的有限元模型，通过模拟人体在多种载荷条件下站立时的综合应力分布，见图9（d），提出估算足底压力的模型，利于帮助研究人员调查足底压力，并开发定制鞋垫。