CN107928001A - 基于生物力学的客制化鞋垫制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于生物力学的客制化鞋垫制备方法，分别对用户的站姿、步行及上下斜坡时的运动情况、足底压力分布情况进行三维运动采集和动力学测量，确定压力分布峰值区域；采集用户足部三维数据，建立足部三维实体模型，以及鞋垫初步模型；增加接触面积，改变材料性能，调整压力峰值所在区域鞋垫高度的方法，依次降低压力峰值，改善足部的前后受力比和内外受力比，增加瞬态姿势的稳定性。本发明制备出的客制化鞋垫，有效改善了使用者的足底压力分布情况，提高了舒适度，具有预防和矫形的作用，可以满足各种类型用户的需求。

Description

基于生物力学的客制化鞋垫制备方法

技术领域

本发明涉及客制化鞋垫的制备领域，具体为一种基于生物力学的客制化鞋垫的制备方法。

背景技术

步行时足部承受的负荷为体重的120%，跑步时高达275%。美国足踝骨科医学会的研究报告显示，有足部疼痛困扰的女性约为男性的9倍之多，常见的足部疾病有鸡眼、过敏、扁平足、高足弓、经常崴脚、足底筋膜炎等，严重的有足底溃疡、糖尿病足、跟痛症等，影响了人们的日常生活。以往对无腿部和足部疾患的成年人站姿研究发现，赤足站立时，足跟所受压力为整体负重的60%，中足8%，前足28%，足趾4%，足跟可以承受的最大压力是前足的2.6倍。在前足部位，第二跖骨头承受的压力最大。赤足行走时，后足负重大于60%，中足占8%，前足占28%，足趾几乎不负重（Margareta Nordin，Victor H. Frankel 著，邝适存，郭霞译，肌肉骨骼系统基础生物力学，第3版，人民卫生出版社，2013.12，148-168.）。而对于上下斜坡过程中的足底受力数据，报道较少。

足部前足和后足的受力比值，即前后受力比（A/P），可以衡量足底压力前后方向上分布情况，前后受力比值越大，则足底压力中心越靠前，瞬态姿势稳定性越好；内侧足和外侧足的受力比值，即足部的内外受力比（M/L），衡量足底压力内外方向上的分布情况，内外受力比越大，则足底压力中心越靠近内侧，瞬态姿势稳定性越好（牛文鑫，姚杰，傅维杰，倪明著，安全着陆：生物力学研究，同济大学出版社，2017.3,72-92）。

在对人体站姿时主要原因是由于鞋的不合适引起的，不合适的鞋会使足部肌肉长期处于非正常的紧张状态，引起足部肌肉、肌腱损伤，进而引发相关疾病。一双合脚的鞋子，或垫双合适的鞋垫，可以缓冲减震，提供矫形功能，改善足底的受力情况，有效的防止足部在鞋内的滑动，以及改善鞋内的温度、湿度等。除此之外，还会对膝关节、髋关节甚至下背部具有一定的保护作用。

目前市面上常见的鞋垫，只能满足与足的几何尺寸匹配，而没有考虑足底压力的分布情况。有一些个性化定制的鞋垫，考虑了站姿情形的足底受力情况，但没有运动状况下的情形（包括常见的步行和上下斜坡）。特别是对于如果已经出现足部疾病，如上述描述过的：鸡眼、过敏、扁平足、高足弓，足底溃疡、糖尿病足、跟痛症等患者，他们行走时的足部受力情况和足部无疾病的成年人会有较大的区别。另外，对于未成年人，其行走时的足部受力情况与成年人有较大差异，因此也需要分别采集数据分析。通过客制化的鞋垫也可以起到预防和矫形的作用。

随着经济的发展，生活水平的日渐提高，人们对生活品质有了更高的要求，本发明方法所制备的鞋垫，符合人体足部生物力学受力特征，使用户在舒适的使用过程中稳定改善足底受力特性，防止足部乃至下肢肌肉因异常受力引起的下肢各种关节不适或者疾病的发生，并且可以满足各种类型用户的需求。

发明内容

本发明为了解决现有的鞋垫存在足底压力分布不合理的情况，提供了一种基于生物力学的客制化鞋垫制备方法。

本发明是采用如下技术方案实现的：

一种基于生物力学的客制化鞋垫制备方法，包括如下步骤：

（1）、采集用户生理数据

参数：年龄、性别、身高、体重，疾病史；

身体直立时，使用三维运动捕捉系统扫描用户足部，获得足部的点云数据；

（2）、将足底压力分区，分前、后足和内、外侧，并在前脚趾、脚掌位置区分第一足趾，第二至第五足趾，以及区分5个跖骨；

（3）、采集用户站姿足底压力数据

用户身体直立，赤足穿着鞋垫式压力传感器，获得站姿时足底压力分布情况，记录每个区域的压力分布情况，包括接触压力峰值、接触面积、接触力及三个方向的地面反作用力，确定压力集中的区域；

（4）、采集用户自然步行、上下斜坡过程中足底压力数据

使用三维运动捕捉系统，结合测力台，用户穿着鞋垫式压力传感器进行步行、上下斜坡运动，获得步行、上下斜坡过程中足底压力分布情况，记录各过程中每个区域的压力分布情况，包括接触压力峰值、接触面积、接触力及三个方向的地面反作用力和重心轨迹、位置，确定压力集中的区域；

（5）、分别计算赤足站立、自然步行、上斜坡、下斜坡时前、后足的受力比值，即足部的前后受力比（A/P）；内侧足和外侧足的受力比值，即足部的内外受力比（M/L）；

（6）、分析站姿、步行、上下斜坡过程中压力峰值的大小，根据压力峰值的大小依次确定需要减压处理的区域；

（7）、生成足部三维实体模型

将步骤（1）中扫描得到的足部数据导入到工程设计软件中，生成足部的外形轮廓曲面，构建足部三维实体模型，测量基本参数包括：足长、足宽、足围；

（8）、根据足部的三维实体模型，建立上表面与足底完全贴合、下表面水平的鞋垫初步几何实体模型；

（9）、依据步骤（6）中得到的需要减压的区域，根据以下两种途径相结合的方法改进各个区域的足底压力分布，以期，改善足部的前后受力比和内外受力比，增加瞬态姿势的稳定性，改善异常压力区域所带来的不适：

A、调整各区域内鞋垫高度，不同高度之间平滑过渡；通过增加鞋垫与足底中需减压区域的有效接触面积，降低足底接触压力；

B、根据不同分区内足底压力分布改善的需求，分区设计选用不同性能的材料，满足该鞋垫性能与几何参数相协调的设计要求，在步骤（8）中所述的鞋垫初步模型中对每个区域进行减压效果优化，降低压力峰值；

（10）、根据减压后的鞋垫模型，选择合适的鞋垫材料，3D打印成品。

本发明方法依据使用者足部的几何尺寸，结合其站立、步行、上下斜坡等日常活动的运动方式、受力特点，通过优化鞋垫结构和材料，对压力峰值区域进行减压处理，制备出适合其的客制化鞋垫，更符合人体足部生物力学受力特征而使用户在舒适的使用过程中稳定改善足底压力分布情况，提高舒适度，防止足部肌肉因异常受力引起的各种不适或者疾病的发生。

本发明设计合理，采用该方法制得的客制化鞋垫克服了现有鞋垫存在的足底压力分布不合理的问题。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施例进行详细说明。

一种基于生物力学的客制化鞋垫制备方法，分别对用户的站姿、步行及上下斜坡时的运动情况、足底压力分布情况进行三维运动采集和动力学测量，确定压力分布峰值区域；采集用户足部三维数据，建立足部三维实体模型，以及鞋垫初步模型；增加接触面积，改变材料性能，调整压力峰值所在区域鞋垫高度的方法，依次降低压力峰值，改善足部的前后受力比和内外受力比，增加瞬态姿势的稳定性。具体设计步骤如下：

（1）、采集用户生理数据：

包含参数：年龄、性别、身高、体重，疾病史；身体直立时，使用三维运动捕捉系统扫描用户足部，获得足部的点云数据。

（2）、将足底压力分区，分前、后足和内、外侧，并着重在前脚趾、脚掌位置区分第一足趾（T1），第二至第五足趾（T2-5），以及区分5个跖骨（M1-M5）。

（3）、采集用户站姿足底压力数据：

用户身体直立，赤足穿着鞋垫式压力传感器，获得站姿时足底压力分布情况，记录每个区域的压力分布情况，包括接触压力峰值、接触面积、接触力及三个方向（XYZ三轴）的地面反作用力，确定压力集中的区域。

（4）、采集用户自然步行、上下斜坡过程中足底压力数据：

使用三维运动捕捉系统，结合测力台，用户穿着鞋垫式压力传感器进行步行、上下斜坡运动，获得步行、上下斜坡过程中足底压力分布情况，记录各过程中每个区域的压力分布情况，包括接触压力峰值、接触面积、接触力及三个方向的地面反作用力和重心轨迹、位置，确定压力集中的区域。

（5）、分别计算赤足站立、自然步行、上斜坡、下斜坡时前、后足的受力比值，即足部的前后受力比（A/P），内侧足和外侧足的受力比值，即足部的内外受力比（M/L）。

（6）、分析站姿、步行、上下斜坡过程中压力峰值的大小，根据压力峰值的大小依次确定需要减压处理的区域。

（7）、生成足部三维实体模型：

将步骤（1）中扫描得到的足部数据导入到工程设计软件中，生成足部的外形轮廓曲面，构建足部三维实体模型，测量基本参数包括：足长、足宽、足围。

（8）、根据足部的三维实体模型，建立上表面与足底完全贴合，下表面水平的鞋垫初步模型。

（9）、依据（6）中得到的需要减压的区域，根据以下两种途径相结合的方法改进各个需减压区域的足底压力分布，以期，改善足部的前后受力比和内外受力比，增加瞬态姿势的稳定性，改善异常压力区域所带来的不适：

A、调整各区域内鞋垫高度，不同高度之间平滑过渡。依据足底生物力学特性，通过增加鞋垫与足底需减压区域的有效接触面积，降低足底减压区域的接触压力；

B、根据不同分区内足底压力分布改善的需求，分区设计选用不同性能的材料，满足该鞋垫性能与几何参数相协调的设计要求，在步骤（8）中所述的鞋垫初步模型中对每个需减压区域进行减压效果优化，降低压力峰值。

（10）、根据减压后的鞋垫模型，选择合适的鞋垫材料（按照不同区域减压要求，选择性能相匹配的材料），3D打印成品；

具体实施过程中，足部扫描数据使用足部三维扫描系统获得；采集站立、步及上下斜坡时的运动学数据由三维运动捕捉系统采集获取，动力学数据由鞋垫式动态压力测量分布系统和测力台采集获得，并保证运动学和动力学数据的同步性；从鞋垫的外形，高度、内部孔隙，材料选择（密度、性能）等方面降低接触界面力，优化足底压力分布情况，改善足部的前后受力比和内外受力比，增加瞬态姿势的稳定性；该客制化鞋垫设计通过3D打印技术实现。

本发明实施例制备出的客制化鞋垫，有效改善了使用者的足底压力分布情况，提高了舒适度，具有预防和矫形的作用，可以满足各种类型用户的需求。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。本领域的普通技术人员应当理解，在不脱离本发明原理的前提下的若干改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种基于生物力学的客制化鞋垫制备方法，其特征在于：包括如下步骤：

（1）、采集用户生理数据

参数：年龄、性别、身高、体重，疾病史；

身体直立时，使用三维运动捕捉系统扫描用户足部，获得足部的点云数据；

（2）、将足底压力分区，分前、后足和内、外侧，并在前脚趾、脚掌位置区分第一足趾，第二至第五足趾，以及区分5个跖骨；

（3）、采集用户站姿足底压力数据

用户身体直立，赤足穿着鞋垫式压力传感器，获得站姿时足底压力分布情况，记录每个区域的压力分布情况，包括接触压力峰值、接触面积、接触力及三个方向的地面反作用力，确定压力集中的区域；

（4）、采集用户自然步行、上下斜坡过程中足底压力数据

使用三维运动捕捉系统，结合测力台，用户穿着鞋垫式压力传感器进行步行、上下斜坡运动，获得步行、上下斜坡过程中足底压力分布情况，记录各过程中每个区域的压力分布情况，包括接触压力峰值、接触面积、接触力及三个方向的地面反作用力和重心轨迹、位置，确定压力集中的区域；

（5）、分别计算赤足站立、自然步行、上斜坡、下斜坡时前、后足的受力比值，即足部的前后受力比（A/P）；内侧足和外侧足的受力比值，即足部的内外受力比（M/L）；

（6）、分析站姿、步行、上下斜坡过程中压力峰值的大小，根据压力峰值的大小依次确定需要减压处理的区域；

（7）、生成足部三维实体模型

将步骤（1）中扫描得到的足部数据导入到工程设计软件中，生成足部的外形轮廓曲面，构建足部三维实体模型，测量基本参数包括：足长、足宽、足围；

（8）、根据足部的三维实体模型，建立上表面与足底完全贴合、下表面水平的鞋垫初步几何实体模型；

（9）、依据步骤（6）中得到的需要减压的区域，根据以下两种途径相结合的方法改进各个区域的足底压力分布，改善足部的前后受力比和内外受力比，增加瞬态姿势的稳定性，改善异常压力区域所带来的不适：

A、调整各区域内鞋垫高度，不同高度之间平滑过渡；通过增加鞋垫与足底中需减压区域的有效接触面积，降低足底接触压力；

B、根据不同分区内足底压力分布改善的需求，分区选用不同性能的材料，降低压力峰值；

（10）、根据减压后的鞋垫模型，选择合适的鞋垫材料，3D打印成品。