CN111243095A - 一种多孔鞋垫制备方法及多孔鞋垫 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多孔鞋垫制备方法及多孔鞋垫，包括：生成实体鞋垫模型；对所述实体鞋垫模型进行网格化处理，得到网格鞋垫模型；对所述网格鞋垫模型的网格密度进行调整，得到调整后的网格鞋垫模型；基于所述调整后的网格鞋垫模型，提取出网格线和网格线之间的连接点；以所述网格线为基础，按照特定的截面图形进行放样操作，生成杆结构鞋垫模型；于所述连接点处设置加固结构，得到具有加固结构的杆结构鞋垫模型。本发明能够快速制备出符合穿戴性能要求的鞋垫。
Description
技术领域
本发明涉及康复辅具技术领域，特别是指一种多孔鞋垫制备方法及多孔鞋垫。
背景技术
鞋垫是一种常见的生活用品，日常穿着能够起到防止鞋与脚直接摩擦的作用，对于患有扁平足、足部畸形、足部残缺等疾病的患者，穿着鞋垫能够起到预防、矫正、固定及康复等作用。
传统的鞋垫制作方法可以是手工制作或是机器制作。手工制作的鞋垫多采用织物、布等材料手工缝制出扁平状鞋垫，与足部的形态不具有几何匹配特性，穿着舒适性较差。机器制作鞋垫的方法是，先通过三维扫描足部的轮廓形态，然后结合生物力学原理设计出与足部几何形态相匹配、且受力合理的鞋垫模型，最后通过计算机数字化控制精密机械加工制作出鞋垫。然而，两种方法制作出的鞋垫均为实体鞋垫，透气性能较差，且穿戴一定时间容易出现塌陷变形、损坏等问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提出一种多孔鞋垫制备方法及多孔鞋垫，能够制备出整体穿戴性能良好的鞋垫。
基于上述目的，本发明提供了一种多孔鞋垫制备方法，包括：
生成实体鞋垫模型；
对所述实体鞋垫模型进行网格化处理，得到网格鞋垫模型；
对所述网格鞋垫模型的网格密度进行调整，得到调整后的网格鞋垫模型；
基于所述调整后的网格鞋垫模型，提取出网格线和网格线之间的连接点；
以所述网格线为基础，按照特定的截面图形进行放样操作，生成杆结构鞋垫模型；
于所述连接点处设置加固结构，得到具有加固结构的杆结构鞋垫模型。
可选的，对所述网格鞋垫模型的网格密度进行调整，得到调整后的网格鞋垫模型，包括：
根据足部区域及穿戴性能要求，通过增加、删除、细化方式，对所述网格鞋垫模型的整体网格密度或是局部网格密度进行调整，得到密度调整后的网格鞋垫模型。
可选的，对所述网格鞋垫模型的网格密度进行调整，得到调整后的网格鞋垫模型，包括：
根据足部区域及穿戴性能要求，于网格鞋垫模型的不同区域分别设置不同密度的网格，得到密度调整后的网格鞋垫模型。
可选的，所述穿戴性能包括但不限于透气性能、力学性能、重量参数。
可选的，所述截面图形包括但不限于正方形、长方形、圆形、椭圆形。
可选的，于所述连接点处设置加固结构，得到具有加固结构的杆结构鞋垫模型，包括：
根据鞋垫的受力点分布，于所有连接点处或是部分连接点处设置加固结构，不同连接点处设置的加固结构相同或是不同。
可选的，所述方法还包括：
对所述具有加固结构的杆结构鞋垫模型进行仿真分析，得到仿真分析结果；
根据所述仿真分析结果，对所述杆结构鞋垫模型进行适应性调整，得到调整后的杆结构鞋垫模型。
可选的，对所述具有加固结构的杆结构鞋垫模型进行力学性能仿真分析，得到力学性能量化指标；若所述力学性能量化指标不符合力学性能要求，调整所述网格鞋垫模型的网格密度，或者重新选取所述截面图形、设置所述截面图形的尺寸，或者调整个别连接点的力学参数，然后重新生成调整后的杆结构鞋垫模型。
可选的，对所述具有加固结构的杆结构鞋垫模型进行流体仿真分析，得到透气性能指标；若所述透气性能指标不符合透气性能要求，调整所述网格鞋垫模型的网格密度，或者重新选取所述截面图形、设置所述截面图形的尺寸，然后重新生成调整后的杆结构鞋垫模型。
本发明实施例还提供一种多孔鞋垫，按照所述鞋垫制备方法制备而成。
从上面所述可以看出，本发明提供的多孔鞋垫制备方法及多孔鞋垫，通过生成实体鞋垫模型，对实体鞋垫模型进行网格化处理，得到网格鞋垫模型，对网格鞋垫模型的网格密度进行调整，得到调整后的网格鞋垫模型，基于调整后的网格鞋垫模型，提取出网格线和网格线之间的连接点，以网格线为基础，按照特定的截面图形进行放样操作，生成杆结构鞋垫模型，于连接点处设置加固结构，得到具有加固结构的杆结构鞋垫模型，利用3D打印进行制作。本发明能够快速制备出符合穿戴性能要求的鞋垫，穿戴舒适。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例的多孔鞋垫制备方法流程示意图；
图2为本发明实施例的实体鞋垫模型的结构示意图；
图3为本发明实施例的网格鞋垫模型的结构示意图；
图4为本发明实施例的杆结构鞋垫模型的结构示意图；
图5为图4所示模型的局部结构示意图；
图6A-6D为本发明实施例的截面图形的示意图；
图7A-7C为本发明实施例的加固结构的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
需要说明的是，本发明实施例中所有使用“第一”和“第二”的表述均是为了区分两个相同名称非相同的实体或者非相同的参量，可见“第一”“第二”仅为了表述的方便，不应理解为对本发明实施例的限定，后续实施例对此不再一一说明。
一些实现方式中，制作鞋垫时，可以先设计出实体鞋垫模型，然后在实体鞋垫模型的基础上运用布尔运算切割出一些孔洞，再加工出鞋垫，这种方法制作出的鞋垫，透气性较好。但是，由于鞋垫呈曲面状，一般需要对鞋垫边缘位置的孔结构进行修剪，以保证与鞋垫的形状一致，导致鞋垫边缘出现不完整的孔结构，影响鞋垫的力学性能，而且，因无法有针对性的加强局部受力点的力学性能，穿戴一段时间后容易出现局部塌陷变形、损坏等问题。
为解决上述问题，本发明实施例提供一种多孔鞋垫制备方法及多孔鞋垫，生成实体鞋垫模型之后，对实体鞋垫模型进行网格化处理，得到网格鞋垫模型，再对网格鞋垫模型的网格密度进行调整，得到调整后的网格鞋垫模型，基于网格鞋垫模型提取出网格线，以网格线为基础，按照特定的截面图形进行放样操作，得到杆结构鞋垫模型，最后利用3D打印加工出多孔鞋垫，所制备出的多孔鞋垫具有良好的透气性能、力学性能等穿戴性能。
图1为本发明实施例的制备方法流程示意图。如图所示，本发明实施例提供的多孔鞋垫制备方法，包括：
S10：生成实体鞋垫模型；
本实施例中，可利用足部扫描仪器对人体站立位足部底面形态及足部周围轮廓形态进行扫描，得到人体足部轮廓的点云数据，再利用特定的软件对点云数据进行拟合处理，生成完整的足部模型，然后，以足部模型的足底面为贴合曲面设计出形态完全匹配的实体鞋垫模型1(如图2所示)。可选的，可利用Geomagic等软件对点云数据进行拟合处理，得到足部模型，再利用solidworks或Rhino等软件设计出实体鞋垫模型。
一些实施例中，可利用足部生物力学原理，对实体鞋垫模型进行肌骨一体化建模，以分析实体鞋垫模型的设计合理性，保证后续步骤所制备出的多孔鞋垫的准确性。
S11：对实体鞋垫模型进行网格化处理，得到网格鞋垫模型；
本实施例中，利用预定的软件对实体鞋垫模型进行网格化处理，一次性快速生成网格密度一致的网格鞋垫模型。一些方式中，可通过设置网格参数生成不同网格形态的网格鞋垫模型，可设置的网格参数包括但不限于大小、长宽比例、数量等。
一些实现方式中，可利用HyperMesh、Gambit等软件对实体鞋垫模型进行网格化处理。
S12：对网格鞋垫模型的网格密度进行调整，得到调整后的网格鞋垫模型；
本实施例中，在网格鞋垫模型的基础上，根据鞋垫的穿戴性能要求，对网格鞋垫模型的网格密度进行调整，得到调整后的网格鞋垫模型。其中，鞋垫穿戴性能包括但不限于透气性能、力学性能(强度和/或刚度)、重量等影响穿戴效果的性能参数。
S13：基于调整后的网格鞋垫模型，提取出网格线和网格线之间的连接点；
如图3所示，本实施例中，基于调整后的网格鞋垫模型，提取出所有网格的网格线2，为后续放样操作提供路径，同时提取出网格线之间的连接点3，用于后续设置加固结构。
S14：以提取出的网格线为基础，按照特定的截面图形进行放样操作，生成杆结构鞋垫模型；
如图4、5所示，本步骤中，将提取出的网格线作为特定的截面图形的一部分，以该特定的截面图形为基础进行放样操作，操作结束得到杆结构形态的鞋垫模型，杆结构鞋垫模型由若干完整的杆结构4构成，完整的杆结构之间为孔隙5，不存在鞋垫边缘孔隙结构不完整的问题，能够保证鞋垫的力学性能。
S15：于连接点处设置加固结构，得到具有加固结构的杆结构鞋垫模型。
本步骤中，可于提取出的连接点处设置加固结构6，用以调整加强鞋垫的力学性能。
本发明实施例提供的多孔鞋垫制备方法，以有限元体网格划分为启发，先生成与人体足部轮廓相适应的实体鞋垫模型，再对实体鞋垫模型进行网格化处理，得到网格鞋垫模型，之后，根据鞋垫的穿戴性能要求，对网格鞋垫模型的网格密度进行调整，得到调整后的网格鞋垫模型，基于网格鞋垫模型的网格线，按照特定截面图形进行放样操作，得到杆结构鞋垫模型，再于杆结构鞋垫模型上设置加固结构，最后利用3D打印加工出多孔鞋垫。能够快速高效的制备出能够满足透气性能、力学性能等穿戴性能要求的多孔鞋垫。该多孔鞋垫制备方法一次性自动生成非规则的多孔结构实体，且局部孔隙密度和杆结构横截面可调，具有仿草鞋，贴近自然，效率高，建模速度快的特点。
本实施例中，所述步骤S12中：对网格鞋垫模型的网格密度进行调整，得到调整后的网格鞋垫模型，方法是：根据鞋垫的穿戴性能要求，通过增加、删除、细化等处理方式，对密度一致的网格进行整体或是局部调整，得到密度调整后的网格鞋垫模型。
实际设计过程中，网格的密度越高，网格线越多，越接近实体鞋垫，最终所制作的多孔鞋垫强度较高，刚度较高，透气性较差；网格的密度越低，网格线越少，最终所制作的多孔鞋垫透气性较好，而强度较低，刚度较低。
为更贴合鞋垫的穿戴性能，提高舒适性，可于鞋垫的不同接触区域分别设置不同密度的网格，以使制作得到的多孔鞋垫能够同时满足透气性、力学性能等方面的穿戴性能要求。例如，在与人体前足接触的第一接触区域，网格的密度小于等于第一密度阈值，以使前足区域具有良好的透气性能，在与人体足弓部接触的第二接触区域，网格的密度大于第一密度阈值，以使足弓部区域具有良好的力学性能，能够有效支撑足部。密度阈值的数量和具体数值可根据足部区域及穿戴性能要求具体设定，本实施例不做具体限定。
本实施例中，所述步骤S14中，所述选取的截面图形不同，所生成的杆结构鞋垫模型的杆结构形态不同，截面图形的形状与尺寸直接决定了鞋垫的孔隙尺寸、重量及外观样式，可根据鞋垫的穿戴性能要求，选择合适的截面图形、设置截面图形的尺寸。
如图6A所示，截面图形例如可以设置为正方形，该正方形的四个顶点呈圆弧形；如图6B所示，截面图形也可以为长方形，该长方形的四个顶点呈圆弧形；如图6C、6D所示，截面图形也可以为椭圆形或圆形。按照不同的截面图形进行三维空间放样，能够得到变截面或定截面的杆结构，按照不同尺寸的截面图形进行三维空间放样，能够制备得到不同穿戴性能条件的多孔鞋垫。
例如，截面图形选取图6A所示正方形，通过设置正方形的边长调整鞋垫的穿戴性能。所设置的边长越大，杆结构越粗，孔隙越密，透气性越差，重量越大，刚度与强度越大，反之，所设置的边长越小，杆结构越细，孔隙越稀疏，重量越小，透气性越好，刚度与强度越小。
截面图形选取图6B所示长方形，通过设置长方形的长和宽，调整鞋垫的穿戴性能。所设置的长方形的长和宽越大，杆结构越粗，孔隙越密，重量越大，刚度与强度越大，所设置的长方形的长和宽越小，杆结构越细，孔隙越稀疏，重量越小，刚度与强度越小。
截面图形选取图6C所示椭圆形，通过设置椭圆形的长轴和短轴调整鞋垫的穿戴性能。所设置的长轴和短轴越大，杆结构越粗，孔隙越密，重量越大，刚度与强度越大，反之，所设置的长轴和短轴越小，杆结构越细，孔隙越稀疏，重量越小，刚度与强度越小。
截面图形选取图6D所示圆形，通过设置圆形的半径调整鞋垫的穿戴性能。所设置的半径越大、杆结构越粗，孔隙越密，重量越大，刚度与强度越大，所设置的半径越小，杆结构越细，重量越小，孔隙越稀疏，刚度与强度越小。
本实施例中，鉴于鞋垫穿戴于人体足部，人体足部的不同区域受力不同，为有效调整鞋垫的力学性能，所述步骤S15中，于连接点处设置加固结构，得到具有加固结构的杆结构鞋垫模型。
一些方式中，根据鞋垫的受力点分布，可于所有的连接点处或是部分连接点处设置加固结构，并可于所有的连接点处或是部分连接点处设置同一种加固结构或是设置不同的加固结构，以使所设计出的多孔鞋垫不仅能够满足力学性能要求，而且穿戴舒适，不易发生损坏变形问题。同时，不同的加固结构具有不同的力生物学效应，可以进行局部的穴位按摩和促进康复。
如图7A、7B、7C所示，所述设置的加固结构包括但不限于加固球61、十二面体加固体62、八面体63等。
一些方式中，可于足底的特定穴位区域设置特定的加固结构，以使多孔鞋垫具有按摩保健功效，具有刺激生理功能康复的功能。
本发明实施例中，按照上述步骤S10-S15得到杆结构鞋垫模型之后，还包括：对杆结构鞋垫模型进行仿真分析，得到仿真分析结果；根据仿真分析结果，对杆结构鞋垫模型进行适应性调整，得到调整后的杆结构鞋垫模型。
本实施例中，可利用有限元软件，对杆结构鞋垫模型进行力学性能仿真分析以测试杆结构鞋垫模型的力学性能。具体的，以应力、应变、位移等参数为衡量指标对杆结构鞋垫模型的力学性能进行量化测试，得到杆结构鞋垫模型的力学性能量化指标。
根据杆结构鞋垫模型的力学性能量化指标，若力学性能指标不符合穿戴性能要求，则需要对杆结构鞋垫模型进行调整。调整方法可以是，于步骤S12中，重新调整网格鞋垫模型的网格密度，根据不符合力学性能要求的区域，对整体或是局部的网格，通过增加、删除、细化等方式调整网格的密度；或者于步骤S14中，重新选取截面图形，设置截面图形的尺寸，以调整鞋垫的力学性能；或者，调整个别连接点处的力学参数，于个别受力点处设置倒角或是加固结构，以改善局部的力学性能。
本实施例中，还可对杆结构鞋垫模型进行流体性能仿真分析以测试杆结构鞋垫模型的空气流体性能。具体的，以渗透率、流速、流体剪切力等参数为衡量指标对杆结构鞋垫模型的空气流体性能进行量化测试，得到杆结构鞋垫的透气性能指标。
根据杆结构鞋垫模型的透气性能指标，若流体性能指标不符合穿戴性能要求，则对杆结构鞋垫模型进行调整。调整方法可以是，于步骤S12中，重新调整网格鞋垫模型的网格密度，根据不符合透气性能要求的区域，对整体或是局部的网格，通过增加、删除、细化等方式调整网格的密度；或者于步骤S14中，重新选取截面图形，设置截面图形的尺寸，以调整鞋垫的透气性能。
经过调整之后，得到各方面穿戴性能均符合要求的杆结构鞋垫模型，再利用SLS等无支撑打印技术，或MJP、SLA支撑易去除的3D打印技术，加工制作出杆结构形态的多孔鞋垫，所制得的多孔鞋垫透气性能、力学性能等穿戴性能良好，重量适中，穿戴舒适。
本实施例另一个方面，提供一种按照上述多孔鞋垫制备方法制备而成的鞋垫。依照上述多孔鞋垫制备方法，能够快速、高效、简便的制备出杆结构鞋垫模型，再利用SLS等无支撑打印技术，或MJP、SLA支撑易去除的3D打印技术，加工制作出杆结构形态的多孔鞋垫，所制得的多孔鞋垫透气性能、力学性能等穿戴性能良好，重量适中，穿戴舒适，还可以根据需要增加穴位按摩功能，并可通过上色、设置装饰图案等提高美观性。
所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。
另外，为简化说明和讨论，并且为了不会使本发明难以理解，在所提供的附图中可以示出或可以不示出与集成电路(IC)芯片和其它部件的公知的电源/接地连接。此外，可以以框图的形式示出装置，以便避免使本发明难以理解，并且这也考虑了以下事实，即关于这些框图装置的实施方式的细节是高度取决于将要实施本发明的平台的(即，这些细节应当完全处于本领域技术人员的理解范围内)。在阐述了具体细节(例如，电路)以描述本发明的示例性实施例的情况下，对本领域技术人员来说显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下或者这些具体细节有变化的情况下实施本发明。因此，这些描述应被认为是说明性的而不是限制性的。
尽管已经结合了本发明的具体实施例对本发明进行了描述，但是根据前面的描述，这些实施例的很多替换、修改和变型对本领域普通技术人员来说将是显而易见的。例如，其它存储器架构(例如，动态RAM(DRAM))可以使用所讨论的实施例。
本发明的实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种多孔鞋垫制备方法，其特征在于，包括：
生成实体鞋垫模型；
对所述实体鞋垫模型进行网格化处理，得到网格鞋垫模型；
对所述网格鞋垫模型的网格密度进行调整，得到调整后的网格鞋垫模型；
基于所述调整后的网格鞋垫模型，提取出网格线和网格线之间的连接点；
以所述网格线为基础，按照特定的截面图形进行放样操作，生成杆结构鞋垫模型；
于所述连接点处设置加固结构，得到具有加固结构的杆结构鞋垫模型。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对所述网格鞋垫模型的网格密度进行调整，得到调整后的网格鞋垫模型，包括：
根据足部区域及穿戴性能要求，通过增加、删除、细化方式，对所述网格鞋垫模型的整体网格密度或是局部网格密度进行调整，得到密度调整后的网格鞋垫模型。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对所述网格鞋垫模型的网格密度进行调整，得到调整后的网格鞋垫模型，包括：
根据足部区域及穿戴性能要求，于网格鞋垫模型的不同区域分别设置不同密度的网格，得到密度调整后的网格鞋垫模型。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述穿戴性能包括但不限于透气性能、力学性能、重量参数。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述截面图形包括但不限于正方形、长方形、圆形、椭圆形。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，于所述连接点处设置加固结构，得到具有加固结构的杆结构鞋垫模型，包括：
根据鞋垫的受力点分布，于所有连接点处或是部分连接点处设置加固结构，不同连接点处设置的加固结构相同或是不同。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：
对所述具有加固结构的杆结构鞋垫模型进行仿真分析，得到仿真分析结果；
根据所述仿真分析结果，对所述杆结构鞋垫模型进行适应性调整，得到调整后的杆结构鞋垫模型。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，对所述具有加固结构的杆结构鞋垫模型进行力学性能仿真分析，得到力学性能量化指标；若所述力学性能量化指标不符合力学性能要求，调整所述网格鞋垫模型的网格密度，或者重新选取所述截面图形、设置所述截面图形的尺寸，或者调整个别连接点的力学参数，然后重新生成调整后的杆结构鞋垫模型。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，对所述具有加固结构的杆结构鞋垫模型进行流体仿真分析，得到透气性能指标；若所述透气性能指标不符合透气性能要求，调整所述网格鞋垫模型的网格密度，或者重新选取所述截面图形、设置所述截面图形的尺寸，然后重新生成调整后的杆结构鞋垫模型。
10.一种多孔鞋垫，其特征在于，按照如权利要求1至9中任意一项所述鞋垫制备方法制备而成。
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