可动假足装置在鞋压力舒适性研究中的应用

孔令华 ,袁鹏程 ,赵卫

（1.数字福建工业制造物联网实验室，福建 福州 350118；2.福建工程学院 机械与汽车工程学院，福建 福州 350118）

引言

鞋 压 力 舒 适 性 是 指 鞋 - 足 界 面 间 的 压 力 舒 适性，舒适与否已成为消费者购鞋时的重要考 虑 因素之一[1]。众多研究表明，足部受力的改变不仅影响穿着舒适性，长期的不适，很容易导致足部损伤[2-5]。因此，鞋压力舒适性的设计与改善已成为鞋生产制造的重要过程。

鞋 压 力 舒 适 性 包 括 足 底 压 力 与 跗 面 压 力 舒 适性。现阶段对成鞋足底压力舒适性的测试评 价，除主观试穿评价法外，最常用的就是进行客观运动学测量，即通过足底压力测量系统采集运动过程中足底与鞋之间的压力数值，分析评价压力舒适性[2]；陈磊等 人[6]通 过主 观 与 客 观 评 价 相 结 合 的 方 式 ，研 究了脚与楦之间在基本宽度、跖趾围长两个关键参 数的差值对人脚舒适性的影响。Lam 等人[7]通 过 运动学测量，研究了不同硬度鞋底在不同篮球动作 中，对足底压力舒适度的影响。宋影等人[8]同样利 用鞋垫式足底压力系统，研究高跟女鞋大底硬度和跟 高与足底压力舒适度之间的关系。虽然运动学测量被广 泛 的应用 ，但 仍 需 要 人 的 参 与 ，受 个 体 差 异 影 响较大，难有统一的标准，且测量耗人耗时耗力。

由于主观试穿与客观测量存在的不足，随着科学技术的发展，研究者使用有限元法分析足部和鞋之间的受力状况。Mario 等人[9]将有限元法应用于高跟鞋的设计制造，为鞋的开发节约了成本。柯 思 成等人[10]通过建立足部 - 鞋底 - 地面有限元仿真模型，模拟着鞋状态下的足部在落地过程中的受力情况，从而对鞋底的减震性能进行预测。但仿真更多在设计过程中对鞋进行分析，对成鞋后舒适性的检测，有研究者提出了使用假足代替人脚研究鞋—足压力舒适度[11]。NGUYEN 等人[12]研制了踝关节与趾关节可控的假足，用于鞋类的检测。尽管有研究者提出使用假足代替人脚研究用于鞋类检测，但实际应用鲜有报道。因此，本文设计了一种可动假足检测装置，并用于研究鞋压力舒适性，通过相关测试数据，验证了检测 装置的有效性，为鞋压力舒适性研究提供了一种技术支撑。

1 实验部分

1.1 仪器与材料

1.1.1 试验设备

测试仪器主要包括鞋垫式足底压力传感器（RPPS-99，力感科技）、家用走步机和可动假足装置测试系统。

鞋垫式足底压力传感器由鞋垫、控制器、电 源盒和无线接收器组成，每只鞋垫分布 99 个传感器，采样频率为 100 Hz。将足底分为前掌、足中、足跟 3个分区，如图 1 所示，其中 选取了前掌与足跟的数据来进行分析。

图1 足底分区示意图Fig.1 Schematic diagram of plantar zone

可动假足装置测试系统如图 2 所示，主要包括人工胫骨、人工假足、二自由度平台和促动器等。假足通过激光三维扫描人体足部，在三维软件中绘制而成，足长 262 mm，足宽 98 mm，足底平面与脚趾平面约成角度 13°，以便模仿行走时趾骨的弯曲。该装置对假足模型与胫骨 模型进行了固定，在假足底部，利用一组步进电机驱动二自由度运动平台，实现前进过程中矢状面内的上下运动与翻转运动，模拟地面相对足部的运动。在假足上方有一个平移机构，以提供一个自由度的运动，该机构的内部装有弹簧阻尼系统，用以调整模拟人体重力。对三自由度可动假足装置的设计，实现了人体步态的模拟。

图2 可动假足装置测试系统Fig.2 Test system of movable prosthetic foot device

1.1.2 试验用鞋

实验选取三双不同类型的鞋作为试验用鞋，如图 3 所示。三双鞋均为日常生活穿着用鞋，以满足对鞋压力舒适性的研究需求。

图3 不同类型鞋Fig.3 Different types shoes

1.2 实验方法

为了验证可动假足测试系统的有效性，本文对人体试验与可动假足试验分别进行独立试验，并对试验结果数据进行对比分析。

1.2.1 人体试验

如图 4（a）所示，选取一位足部健康的志愿者进行测试，测试者年龄 24 岁，体重 68 kg，身高 176 cm，鞋码为 42 码。被试者分别穿着鞋 1、鞋 2 和鞋 3 进行测试，测试时，压力鞋垫平整地置于鞋垫与足底间，控制走步机的行走速度为 4.2 km/h。每测试完一双鞋后，中间休息 10 min，然后在进行下一双鞋的测试。

1.2.2 可动假足装置试验

可动假足测试如图 4（b）所示。与人体试验一致，将鞋穿着于假足模型之上，压力鞋垫平整地置于鞋垫与假足模型之间。根据走步机的速度，调节促动器的速度为 60 r/min，使二自由度运动平台和假足穿鞋接触时间与人体试验相近，调节足底压力如图 5 所示，以模拟人体行走状态，对三种不同类型的鞋进行试验。

图4 试验图片Fig.4 Test picture

图5 裸足足底压力对比Fig.5 Comparison of barefoot plantar pressure

2 结果与讨论

为了对比分析人体测量试验与可动假足试验，在 评 价 鞋 压 力 舒 适 性 时 ， 选 取 了 足 底 峰 值 压 强（kPa）、压强时间积分（kPa·s）与接触面积（cm2）作为验证指标。由于每一组试验都重复进行了三次，因此最终的数据为三次试验数据的平均值。

2.1 足底峰值压强

足 底 压 强 是 足 底 在 单 位 面 积 的 反 作 用 力 ，峰 值足 底 压 强 则 是 在 一 个 特 定 区 域 内 所 受 反 作 用 力 最大的部分单位面积上的受 力 值[10]。 足 底 峰值压强与足 部 压 力 舒 适 性 有 着 紧 密 联 系 ，压 强 的 增 高 ，容 易引起足部不适，且高度越高，影响越大。足部长时间受到鞋子压迫，容易导致足部疲劳和受损[11]。

如图 6 所示，分别为两种测试方法在前掌与后跟处的峰值压强，可以看出基于人脚试穿的测量低于假足测量的峰值压强，可能原因由于人造钢制假足为刚性体，在测量过程中与鞋接触面积较小，造成压强偏高。与人造假足不同，人体足底具有软组织结构，其为柔性体，同等压力情况下，接触面接增加了，降低了测量的峰值压强。在对三种不同类型鞋测量时，假足试验表现出了与人脚试验的一致性，有效验证了不同类型鞋之间足底压力舒适度的检测。

图6 假足试验与人体试验峰值压强对比Fig.6 Comparison of peak pressure between prosthetic foot test and human test

2.2 足底接触面积

足底接触面积是足部与鞋之间接触的面积，接触面积的大小是评价鞋与脚贴合程度的一个重要参数[12]。如图 7 所示，分别为两种测试方法在前掌与后跟处的接触面积，可以看出假足试验足底接触面积要小于人体试验。由于人造假足为刚性体，足部形状与不可变形性在一定程度上限制了与鞋的接触面积。在测量三种不同类型鞋时，假足试验同样表现出了与人脚测量的一致性，穿着时脚与鞋 2 和鞋 3 贴合更加紧密，足底接触面积较多。

图7 假足试验与人体试验接触面积对比Fig.7 Comparison of contact area between prosthetic foot test and human test

2.3 足底压强时间积分

足 底 压 强 时 间 积 分 反 映 了 压 强 在 时 间 上 的 积累效 应 ，时 间 越长，压强越 大 ，积 累 效 用 就 越 大 ，容易产生足部疲劳损伤[15]。如图 8 所示，分别为两种测试方法在前掌与后跟处的压强时间积分，其中假 足测试要高于人体试验。压强时间积分受压强与接触时间两个因素的影响。假足测试时足底压强与接触时间均较高于人体试验，导至假足试验高于人体试验。对测试鞋进行比较，鞋 2 较适宜于行走穿着。

图8 假足试验与人体试验压强时间积分对比Fig.8 Comparison of pressure time integral between prosthetic foot test and human test

为了进一步对比试验结果，通过计 算 假足试验数据相对于人体试验数据的误差率，如表 1 所示。从表 1 中可以看出穿着不同类型的鞋进行试 验 ，假足数据相对于人体数据存在一定误差，但所有误差率的绝对值都小于 10%，因此可以验证使用假足试验是有效的，可以代替人脚用于鞋舒适性的检测。误差的存在原因是人体足部结构很复杂，人造 假 足无法很好的模拟人脚，且人体试验伴随着人的主观能动性，导致差异的存在。

表1 假足试验数据相对于人体试验数据的误差率Tab.1 The error rate of prosthetic foot test data relative to human test data

3 结论

介绍了一种可动假足鞋类检测装置 ，用 于 研究鞋的压力舒适性。通过对穿着不同类型鞋的试 验 ，将假足试验所测得的足底峰值压强、压强时间积分和接触面积与人脚试验进行了对比，验证了 可 动假足检测装置的有效性，且具有好的规范性与可重复性，为鞋压力舒适性研究提供了一种技术支撑。虽然这种方法可以有效地代替人脚研究鞋压力舒适性，但仍有很多不足，例如，对脚模结构与材料的改进，使其更符合人体足部，进一步地有望对足部跗面压力舒适性进行研究。