足底压力测量技术在鞋靴外形及舒适度设计中的应用

2024-01-14徐淑波

轻纺工业与技术 2023年6期

徐淑波

（江西服装学院，江西南昌 330201）

鞋靴舒适度主要指人体对鞋靴的主观感受，在体育运动普及背景下，人们对鞋靴舒适度的要求越来越高，鞋靴市场需求也日渐增长[1]。为了避免不良鞋靴设计导致的裸足病理学改变问题，需要研究鞋靴外形及舒适度设计方法[2]。

鞋靴设计主要包括帮样设计、尺寸设计、鞋垫设计等，需要调整鞋靴的重量、尺寸、弯曲度等达到减震、透气等目的[3]。相关人员针对鞋靴舒适度的影响关系进行了分析，研究了鞋靴外形、颜色等与鞋靴舒适度的影响关联[4]。研究结果发现，鞋靴的外观与鞋靴的体感舒适度关联性较低，与裸足的跖趾关节区、足弓区的贴近状态有关[5]。除此之外，鞋靴的舒适度与裸足的足底压力分布存在直接关系，若足底压力过高，容易引起足部疼痛，从而引发严重的足部病变[6]。目前，大多数鞋靴外形及舒适度设计方法主要使用形状文法调整设计空间组织及造型[7]，易受等比例旋转操作衍生作用影响，导致平均足底压力峰值不符合舒适度峰值要求。为了解决该问题，本文将足底压力测量技术应用于鞋靴外形及舒适度设计，设计出平均足底压力峰值满足舒适度的鞋靴，并通过实际测试分析验证其效果。

1 分析鞋靴外形及舒适度设计影响因素

影响鞋靴外形及舒适度设计的因素较多，而为了提高鞋靴外形及舒适度设计可靠性[8]，本文设计的方法首先分析了鞋靴外形及舒适度设计影响因素，如图1 所示。

图1 鞋靴外形及舒适度设计影响因素（作者自绘）

由图1 可知，影响鞋靴外形及舒适度设计的因素主要包括8 点。其一是鞋靴结构，鞋靴设计和制造过程主要涉及到鞋面、鞋帮、鞋垫等部分，鞋子的结构影响鞋子的合脚性，与消费者裸足的尺寸有关[9]；其二是防水性，鞋靴设计和制造过程中主要考虑的是鞋面的防水性和鞋底的不渗透性问题，需要鞋靴满足在雨天或行走地面有水雾时鞋靴处于不透水状态，同时还要注意避免出现憋闷问题；其三是重量，即人穿着鞋靴移动时将会消耗的能量，鞋靴越重，人体能量消耗越高，舒适度相对下降；其四是卫生性能，鞋靴既要符合外形设计要求，还要采用卫生面料，避免破坏足表面的皮肤卫生平衡；其五是材料，部分天然材料的舒适度高于合成材料；其六是减震性与缓冲性，这也是影响鞋靴舒适度的最重要因素[10]，需通过对鞋靴鞋底的设计，保证足底压力平衡，要求鞋靴的软硬度适中；其七是止滑性，指的是鞋靴鞋底在某些地面较滑的场地能有效行走；其八是微气候，鞋靴要保证鞋腔内部环境满足裸足的行走温湿度舒适要求。根据上述的鞋靴舒适度设计影响因素分析，可以进行后续的面料及压力分布鞋垫设计。

2 基于足底压力测量技术的鞋靴外形及舒适度设计方法

由本文章节1 中提到的鞋子结构方面的内容可知，鞋面和鞋帮占鞋靴外观的大部分，鞋面材料的选择也决定了穿着时的舒适性、透气性以及卫生性等。而鞋垫设计中需要考虑的问题更多，为了增强穿着时的舒适度，本文的鞋底设计引入足底压力测量技术。

2.1 鞋靴表面外观设计及舒适度材料选择

鞋面的剪裁方式需要根据鞋靴种类和功能需求进行选择，例如运动鞋常采用有线缝制、逐块拼接的方式，而休闲鞋则可以采用简洁的流线型剪裁。本文设计的高舒适度鞋靴为休闲鞋，其鞋面的线条和面积分布对于整体外观起着重要作用，应考虑与鞋型相匹配，遵循美学原则，营造出平衡和谐的视觉效果。鞋靴外观设计情况如图2 所示（图片由笔者自绘）。

图2 鞋靴外形设计情况

面料是鞋靴的重要设计要素，面料的选择对于鞋靴的穿着舒适度有着重要影响。织物鞋面具有良好透气性和舒适感，通常可以根据需要选择不同质地的纤维材料，如棉、麻、聚酯纤维等。在制作过程中可以采用手工缝制、机器缝制、胶粘剂粘合等缝制工艺，以便严格控制裁剪和缝线的精度，确保鞋面的质量和强度。人造革和合成材料，如PU 革、PVC 等，具有丰富的质感和装饰性，可以模拟天然皮革的外观和触感，同时易于加工和维护，常采用粘合工艺进行制作。天然皮革是高品质鞋面的常见选择，具有优雅、舒适和耐久的特点，如牛皮革、小牛皮革、山羊皮革等。

面料的图案、色彩对鞋靴的风格有重要影响，为了在保证设计鞋靴的舒适度的同时，保证鞋靴外形的美观度，本文以人造皮革面料为基础，再造调整了鞋靴外形面料。首先对面料的肌理进行设计，调整材料的触觉肌理与视觉肌理。其次根据鞋靴设计的原料设计节奏与韵律，将原本普通的面料按照规律感再造调整为新型触觉肌理面料，如图3 所示。

图3 鞋靴外形面料再造调整

由图3 可知，再造调整鞋靴外形面料后，鞋靴的层次更明显，空间塑造更完整，可以结合材料特点及相关的工艺要素进行动态调整，保证最终的鞋靴外形及舒适度设计效果。

鞋帮是鞋靴覆盖足部上部和侧部的部分，其设计需要考虑鞋靴外观、透气性、舒适度等方面。鞋帮的材料同样可以选择纺织品、人造革或者天然材料等，本文在鞋帮的材料选择上结合人造革和纺织品，能够保证鞋帮的柔软舒适性及透气性。

2.2 基于足底压力测量技术设计高舒适度压力分布鞋垫

足底压力测量技术可以利用相关的传感器判断足底压力的分布关系，提高鞋靴的舒适度。本文设计的方法根据人体的穿戴条件选择PVDF 作为足底压力测量传感单元，设计了高舒适度压力分布鞋垫。PVDF属于高分子材料，可看成一个换能电容，其输出电荷与应力变化关系如公式（1）所示。

式中：Q 为传感应力输出电荷量；d 为介电常数；F为垂直施加应力；A为有效感应面积。

根据上述传感单元获取到的传感信息可以用来判断人体裸足压力的动态变化，按照人体足部力学特征可以描述动态传感单元，划分足底的各个解剖区域。此时设计的高舒适度压力分布鞋垫的传感单元分布如图4 所示（图片由笔者自绘）。

图4 高舒适度压力分布鞋垫传感单元分布示意图

由图4 可知，在鞋靴舒适度设计的过程中，可以假设脚长度，设置最长脚趾与端点接触的垂直线，此时上述的传感单元可以按照脚长的10%、42%、70%分布。设计的高舒适度压力分布鞋垫将传感单元埋入鞋垫内部，设置保护压电薄膜传感单元，从而提高鞋垫的舒适度。

结合上述的测量技术可以对鞋靴的足底部分进行优化设计，根据鞋靴的实际使用要求，尽量避免选择偏重的结构作为鞋靴底部，在保证鞋靴精巧的同时，还需要满足鞋靴的保暖要求。可以使用足底翻缝技术增加鞋靴的摩擦力，提高鞋靴的行走舒适度。鞋靴的鞋跟高度与形状对鞋靴的舒适性也有重要影响，因此，可以从根本的加工制造工业入手，使用鞋帮面后翻缝制工艺增加鞋底的韧性。

3 实例分析

3.1 概况及准备

针对鞋靴外形及舒适度实例分析要求，本文选取FOOTSCAN 分析平台作为实例分析平台，设置了若干个鞋靴设计样本。为了判断不同设计型号鞋靴的足底压力差值，本文还选取了硬度测试仪及天平。

本文预设了鞋靴基础舒适度，调整鞋靴跟高至1.5～2.0cm 之间，试验用鞋的跟高一致，材质不一致。测试者为处于平均体重、平均身高条件下的裸足健康测试者，保持习惯性站姿，调整足间距在40～60cm 之间，由受试者分别站在特征点为01（03）～14（16）的足底压力测试板中，以平时匀速步态步行、跑步、跳跃等方式展开测试，判断鞋靴的舒适度状况，此时测试者的足底静态分布关系如图5 所示。