基于压力和温湿度的检测系统对不同功能性鞋的评价研究

2024-01-17贾潇然卜婉君孙润军

西部皮革 2024年1期

贾潇然，卜婉君，孙润军*

（1.西安工程大学纺织科学与工程学院，陕西西安 710048；2.西安工程大学省部共建智能纺织材料与制品国家重点实验室（培育），陕西西安 710048）

0 引言

随着生活水平的提高，人们对鞋靴的关注点逐渐转移到了舒适性和功能性上[1]。在实际穿着中，我们脚部会感受到鞋子带来的压力和鞋内的温湿度，若脚部长期受力不合理，容易导致足部变形或损伤，而当温湿度失衡会使足部真菌感染，引发皮肤疾病[2]，这也是鞋类专家和设计者在改善鞋子舒适性和功能性时重点注意的三个因素[3]。因此，如何准确的检测鞋子是否合格，是否符合设计的要求就成了一项重要的任务。

目前针对鞋的压力和温湿度研究众多，但是尚未建立一个完整简易的测量体系。赵铠泽[4]、王天博[5]和动品牌Nike、Adidas、Reebok 等[6]制鞋公司在设计、开发产品时对鞋进行运动力学测试，大多是由鞋垫和测力板或测力台作为系统平台进行力学测量分析。而杜少勋等[7]对运动鞋材料的透气性、吸湿性和保温性等性能进行了测试研究，台州职业技术学院通过测量鞋腔温湿度来描绘鞋腔内温湿度曲线，张亚文[8]测试和足底压力测试来对鞋子进行研究，但是该实验中对温湿度和压力测试的研究装置不是一体化的。作为一个综合性强的穿着物，鞋子内部环境的测量应该一体化，同时检测出足底压力及温湿度三要素的数据。

因此，本文自主研发将压力、温度和湿度数据采集一体化的鞋类舒适性检测系统，测量篮球鞋和慢跑鞋在不同运动状态下的受力和温湿度的变化情况，分析这三个因素对鞋子功能性的影响，并建立相应数据模型，为消费者和制鞋者提供客观、准确的数据分析支持。

1 实验部分

1.1 设备与材料

1.1.1 试验准备设备

测试仪器包括薄膜式压力传感器（IMS-C15A）、温湿度传感器（AHT20）、控制及发送模块（ARDIUNO NANO，ZIGBEE 模块）、鞋垫和家用跑步机。

实验开始前,将压力传感器和温湿度传感器嵌入鞋垫之中，再将控制器、发送模块及电源进行连接，控制采样频率为0.25s检测一次，制作成一个检测设备。本文通过将鞋底分为如图1（a）所示五个区域测量压力，在足弓处测量温湿度，组建为一个检测鞋内环境的平台，将除鞋垫外其余组件组装绑在小腿上，如图1（b）所示。逻辑上该装置如图2 所示，当试验者运动或者静止时进行数据监测，将监测数据通过无线方式进行发送传输，最后电脑接收数据。

图1 （a）足底分布区示意图，（b）鞋子压力数据收集装置

图2 鞋子压力及温湿度测量开发研究图

1.1.2 试验用鞋

本次实验中选取两双已知制作材料的不同功能性的鞋子作为实验用鞋，如图3 所示，鞋1（左）、鞋2（右）分别为慢跑鞋和篮球鞋，以便能更加方便的分析出每种鞋子在不同环境下带给使用者的舒适度感受。

图3 鞋1（左）、鞋2（右）

1.2 试验方法

试验开始时，先将嵌入传感器的鞋垫放入鞋子中，试验者穿上鞋子，静坐1 min 以保证鞋腔内的温湿度达到正常脚内温湿度，再开通电源进行数据测量。

（1）为了证明本次开发使用的检测装置可行有效，本文分别采用了两名体重相似但脚型分别为高弓足和正常足的试验者来检测压力传感数据，通过观察判断是否能分析出正确的脚型结论。

（2）本次试验采取两种不同功能鞋子在三种不同运动状态下进行检测，分别为静坐、步行、跑步，为了更好的控制变量，该试验选择了一名25 岁男学生，身高185 cm，体重86 kg，试验的安排分别为静坐测试时间5 min；步行以3 km/h 的速度测试5 分钟；慢跑以6 km/h 的速度测试5 min。每次试验结束后，试验者休息一段时间，保证脚部环境干燥，同时将试验用鞋放在通风处，以保证下次试验时的数据准确性。

2 结果与讨论

2.1 不同脚型的压力测量分析

首先对两位体重相似但具有不同脚型的两位男志愿者进行了足底受力点测试，如图4 所示。本结果显示高弓足的足底区域受力大小有显著性差异，大小依次排列为足弓下区、脚后跟和足前锋。而正常足的足底受力较为均匀，但受力区域有所不同，主要分布在足弓上部靠外区、足弓下区和脚后跟，此分析结果与罗[9]等一致。为了进一步判断利用该装置得出的脚型结果是否正确，我们对比医生对两位志愿者的脚型判断，结论与本实验结果符合。所以本研究自主开发的检测装置是可行的，而且该装置可以盲测出使用者的脚型以及在足底各个区域的受力信息。

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2.2 两种鞋的压力分布及温湿度变化

2.2.1 静止时

图5 为志愿者保持腿部以下部分放松不动静坐时的数据图。从图5（a）可知，穿篮球鞋静坐时脚部整体受力更加集中，足弓下区和脚后跟的受力大小明显比其他区域受力更大，说明了静坐时实验者的脚腕弯曲度大于或等于直角，导致鞋底受力整体后移，该现象与该篮球鞋对于在运动时对脚部的稳定性以及踝关节的保护性能相符[10]。结合志愿者认为篮球鞋在静坐时受力很舒服的感受，得出压力分布越集中，接触面积越大，人在穿着时会感觉越舒适，与宋玉花[11]的足部压力测试实验一致。而慢跑鞋在静坐状态下的受力与篮球鞋的差异较为显著，图5（b）中可以看出慢跑鞋的受力主要集中在足弓下区和足弓上部靠外区，说明了志愿者在放松状态下穿着慢跑鞋静坐时脚腕处形成的角度小于等于直角，导致整体力向前偏移，这也导致在测量时志愿者描述自己会有将脚伸直或者蜷缩的感觉，即以不标准的姿势坐在椅子上的趋势[12]。其次对两种鞋在静坐状态下研究温湿度随时间的变化关系，可以明显看出慢跑鞋的温度比篮球鞋稍低且湿度较小。参考鞋子制作材料发现，篮球鞋在材料的选择上更加注重吸湿，而慢跑鞋在材料的选择上更注重透气，且篮球鞋的制作工艺要求篮球鞋更加厚重，能够给使用者提供更多的安全保障，慢跑鞋则更注重透气凉爽，能够在运动时及时的将汗液通过气体交换进行排出，所以在静坐时慢跑鞋会不如篮球鞋的保温性高。

图5 篮球鞋（a）和慢跑鞋（b）足底分区压力大小随时间的变化曲线和两种鞋的温度（c）和湿度（d）随时间的变化曲线

2.2.2 步行时

图6（a）和（b）分别是穿篮球鞋和慢跑鞋行走时的足底受力随时间的变化曲线图，对比两组图形可看出，足底的每个受力情况有很大差异。对比两组图形可得出，篮球鞋的脚后跟和足弓上部靠外区这两个区域受力时间在一个周期中时间占比很大，其他的受力区域受力到达顶峰的时间依次以足弓下区到足弓上部靠内区最后是足前锋的顺序逐步变化，这一测力结果表明篮球鞋的足倾角较大，在步行时脚后跟受力比较多，在这一受力周期中足弓上部靠外区到达峰值的时间总是早先于足弓上部靠内区，这一受力现象说明在步行时实验者还不用使用很大的力量，结合足弓上部靠外区的受力时间在整个周期中更长，也证明了使用者还有更多的发力空间用在做急速变向运动。而穿慢跑鞋时的足弓下区受力时间很长，峰值最大，且足弓上部靠外区比足弓上部靠内区提前到峰值的时间更加明显，这一受力现象充分的说明了慢跑鞋有足够大的弹性，使得试验者在步行中使用的力更小，在慢跑这项运动中将更加灵活，极大的减少了着地时的足倾角，进而减少使用者在跑步时产生足跟损伤的概率，也应征了试验者在认为穿着慢跑鞋向前跑更加舒适，而穿着篮球鞋时感觉左右变向移动更为方便的感受。图6（c）为两双鞋的温度变化图，整体来说两双鞋温度变化并不大，但篮球鞋会比慢跑鞋温度更高一些，主要是因为篮球鞋的包裹性在设计时更强，结合从图6（d）中分析得出篮球鞋湿度不稳定，而慢跑鞋湿度数据相对更加稳定[13]。

图6 篮球鞋（a）和慢跑鞋（b）足底分区压力大小随时间的变化曲线和两种鞋的温度（c）和湿度（d）随时间的变化曲线

2.2.3 慢跑时

图7（a）和（b）是穿篮球鞋和慢跑鞋慢跑时的足底受力随时间的变化曲线图，可以看到两双鞋所产生的周期时间减少，每双鞋的受力程度也相应减少，证明了运动中脚底参与受力面积增加，受力均匀，使鞋的最大受力峰值减少，最为明显的就是篮球鞋足前锋受力从60 N 左右减少到了50 N，慢跑鞋足弓下区最大受力变为70 N 左右，在慢跑的过程中两双鞋足弓上部靠内区到达峰值时间和足弓上部靠外区达到峰值时间几乎相似，甚至足弓上部靠内区到达峰值时间要早于足弓上部靠外区，结合图中显示足弓上部靠内区受力时间占整个受力周期的时间比变长和足弓上部靠内区受力变大这两点，可以分析得出足弓上部靠内区使用力量变多，也说明脚掌与鞋底的接触更加的紧密[14]。其次篮球鞋脚后跟的受力整体占整个受力周期时间比例较慢跑鞋大，慢跑鞋的足弓下区受力时间占整个周期的时间比较篮球鞋大，且在运动时慢跑鞋在整个受力周期中主要受力在足弓下区和足弓上部靠外区，故此慢跑鞋在慢跑时的足倾角就会更小，脚在奔跑时抬起的高度更高，在慢跑这项运动中给使用者提供的帮助更大。