CN114098214B - 一种用于优化足底压力的多功能鞋及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于优化足底压力的多功能鞋，包括鞋底，还包括：位于鞋底上面的鞋底变形装置，以及位于鞋底变形装置上面的定制鞋垫；定制鞋垫用于承受足部压力，其上表面为曲面，其按照人体足底压力分布及足底形状制作；鞋底变形装置用于检知足底压力并辅助定制鞋垫分压。本发明还公开了一种用于优化足底压力的多功能鞋的制造方法。本发明采用定制鞋垫和鞋底变形装置的双层构造形式，以用于优化用户足底压力分布。

Description

一种用于优化足底压力的多功能鞋及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种鞋及其制造方法，特别涉及一种用于优化足底压力的多功能鞋及其制造方法。

背景技术

目前，近些年来，随着生活水平的提高，人们对足部的健康越来越关注。足部是支撑整个身体的重要部位，而足底压力是衡量足部健康与否的重要生物力学指标之一。过高的足底压力轻则会使足部感到不适，对足部造成磨损，重则增加引发各类足部疾病的风险。有研究表明，糖尿病足、足底筋膜炎等足部病变与足底压力分布异常有极高的相关性。因此，通过优化足底压力分布可以对这些足部病变进行有效的预防或协助治疗。

足部的健康和舒适与鞋类的穿用舒适度密不可分。鞋垫是与人体足部直接接触的界面，其最直接的作用是为足部提供基本的支撑与稳定。由于鞋垫的材料与表面形状的不同会改变足底的压力分布，因此，定制鞋垫的出现可以用于预防或治疗足部疾病及损伤的产生。目前市场上用来优化足底压力分布的定制鞋垫大多采用用户的足部形状或者足印作为鞋垫表面的设计形状。采用足部形状作为鞋垫形状的方法虽然能够改变压力分布，但未能考虑足底在与鞋垫接触过程中的不均匀变形，这可能会使患者仍然感到足底不适；而采用足印形状作为定制鞋垫形状的方法，没有充分利用足底压力信息，并且此定制方法工序复杂且耗时，同时也要求设计人员有足够的技术经验。如果鞋垫设计失误，没有修改的机会，只能重复鞋垫的定制过程，造成材料的浪费和成本的提升。除此之外，定制鞋垫和鞋底之间的接触界面变化以及用户在长时间使用定制鞋垫后，足型的变化和鞋垫的变形，均会导致用户足底压力的分布再次发生变化，导致用户足底感到不适。由于市场上的定制鞋垫均为一次定制成型鞋垫，用户在使用一段时间后若感到不适，不得不定期更换定制鞋垫，增加用户的经济负担。

发明内容

本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种用于优化足底压力的多功能鞋及其制造方法。

本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种用于优化足底压力的多功能鞋，包括鞋底，还包括：位于鞋底上面的鞋底变形装置，以及位于鞋底变形装置上面的定制鞋垫；定制鞋垫用于承受足部压力，其上表面为曲面，其按照人体足底压力分布及足底形状制作；鞋底变形装置用于检知足底压力并辅助定制鞋垫分压。

进一步地，鞋底变形装置包括：用于检测足底压力的压力传感器、具有补偿定制鞋垫变形的变形调控模块、用于检测变形调控模块变形调整量的位移传感器、用于控制变形调控模块的微处理器；变形调控模块包括若干个电驱动的伸缩柱；伸缩柱的固定端安装在鞋底变形装置的基底上，伸缩柱的伸缩端与定制鞋垫的底面触接；伸缩柱在微处理器控制下伸缩。

进一步地，变形调控模块还具有按摩功能；变形调控模块采用双级调节，一级调节用于补偿定制鞋垫的变形，控制伸缩柱伸缩的行程范围为1～3mm；二级调节用于按摩足底，控制伸缩柱伸缩的行程范围为3～10mm。

进一步地，还包括可视化操作系统，可视化操作系统与微处理器连接，用于与微处理器进行人机交互。

本发明还提供了一种上述的用于优化足底压力的多功能鞋的制造方法，该制造方法基于用户足部的三维数据以及用户足底压力分布数据建立定制鞋垫的三维模型；根据理想的足底压力分布数据，对定制鞋垫的三维模型进行优化。

进一步地，定制鞋垫的三维模型的建立方法包括如下步骤：

步骤一，建立用于存储用户信息的数据库；

步骤二，检查用户健康状况，包括足部形态检查、整体姿势检查和足部病症检查；采集用户的性别、年龄、体重、身高、脚码信息，并录入数据库；

步骤三，使用三维扫描仪采集用户足部的三维数据，进而从用户足部三维数据中分离得到足底三维数据；用户足部三维数据和分离得到的足底三维数据均录入到数据库中；

步骤四，采用测试鞋垫对用户进行足底压力测试；采集用户足底压力分布数据并录入数据库；

步骤五，调取测试鞋垫表面参数和对应压力分布数据，建立该用户的压力分布与鞋垫表面参数的映射关系模型；所得映射模型录入数据库中；

步骤六，根据采集到的用户信息和测量数据，分散足部受力集中点，拟定出理想的压力分布模型；

步骤七，根据足底压力分布与鞋垫表面参数的映射模型和拟定的理想足底压力分布模型，求解出定制鞋垫表面参数，生成定制鞋垫的三维模型。

进一步地，测试鞋垫分为匹配不同脚码的测试鞋垫组，每种脚码下的测试鞋垫组有数对表面形状互异的测试鞋垫。

进一步地，步骤四中，采集用户足底压力分布数据包括用户静止站立下的赤足足底压力分布数据和站立在不同测试鞋垫时的足底压力分布数据。

进一步地，步骤五中，采用神经网络模型对数据库中已有用户的数据进行特征提取，将新用户的足底区域数据和提取的数据特征进行比对分析，由数据库中储存的已有客户的压力分布与鞋垫表面参数的映射关系模型，建立新用户的压力分布与鞋垫表面参数的映射关系模型。

进一步地，还包括如下步骤：

步骤B1，由数据库中的用户足部三维数据，生成足部三维模型；

步骤B2，对用户足部三维模型进行适当的比例放大，并结合用户需求对放大后的足部三维模型修整，构造多功能鞋的鞋腔形状；

步骤B3，根据鞋腔形状，确定外观形状和搭饰，最后生成鞋体的三维数据模型；

步骤B4，选择合适的鞋体材料，基于鞋体的三维数据模型，进行多功能鞋鞋体的制作。

本发明具有的优点和积极效果是：一方面通过足部三维扫描、足底压力测试与分析以及数据库等技术高效简洁的制作符合用户足底压力分布的定制鞋垫；另一方面加入鞋底变形装置，用于补偿定制鞋垫使用中存在和产生的误差，达到精确控制真实的足底压力分布的效果。

本发明采用定制鞋垫和鞋底变形装置的双层构造形式，以用于优化用户足底压力分布。本发明中的定制鞋垫的设计通过足部三维扫描建模、足底压力测试实验以及数据库等技术，能够将优化后的压力数据直接作为定制鞋垫设计的指导因素，不需要反复制作实物鞋垫模型进行足底压力测试，能够显著节约定制鞋垫研发的时间及经济成本；本发明中的鞋底变形装置能够实现足底压力可视化，便于用户时刻监测足部压力分布状况，在足底压力异常时能够通过可视化操作系统实施有效合理的减压干预，为用户保持足底健康提供积极的帮助；本发明中的足底变形装置可采用机械顶压的方式可以模拟按摩，充分发挥人体自然的自愈能力，达到治疗和保健的效果；本发明中多功能鞋的鞋腔依据用户足部三维模型设计，能够弥补足部与鞋体配合松紧不均的不足，使鞋的穿戴舒适度提高。

附图说明

图1为本发明的一种多功能鞋定制鞋垫的制作流程；

图2为本发明的一种用于存储用户信息的数据库存储信息的框图；

图3为本发明数据处理分析软件功能示意图；

图4为本发明的一种可视化操作系统与足底变形装置数据传输形式的示意图；

图5为本发明的一种多功能鞋组成构件的示意图。

图中：1、鞋面；2、定制鞋垫；3、伸缩柱；4、鞋底变形装置；5、鞋底。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹列举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

请参见图1至图5，一种用于优化足底压力的多功能鞋，包括鞋底5，还包括：位于鞋底5上面的鞋底变形装置4，以及位于鞋底变形装置4上面的定制鞋垫2；定制鞋垫2用于承受足部压力，其上表面为曲面，其按照人体足底压力分布及足底形状制作；鞋底变形装置4用于检知足底压力并辅助定制鞋垫2分压。

优选地，鞋底变形装置4可包括：用于检测足底压力的压力传感器、具有补偿定制鞋垫2变形的变形调控模块、用于检测变形调控模块变形调整量的位移传感器、用于控制变形调控模块的微处理器；变形调控模块包括若干个电驱动的伸缩柱3；伸缩柱3的固定端安装在鞋底变形装置4的基底上，伸缩柱3的伸缩端与定制鞋垫2的底面触接；伸缩柱3在微处理器控制下伸缩。

优选地，变形调控模块还可具有按摩功能；变形调控模块可采用双级调节，一级调节可用于补偿定制鞋垫2的变形，控制伸缩柱3伸缩的行程范围可为1～3mm；二级调节可用于按摩足底，控制伸缩柱3伸缩的行程范围可为3～10mm。

优选地，还可包括可视化操作系统，可视化操作系统与微处理器连接，用于与微处理器进行人机交互。

本发明还提供了一种上述的用于优化足底压力的多功能鞋的制造方法，该制造方法基于用户足部的三维数据以及用户足底压力分布数据等建立定制鞋垫2的三维模型；根据理想的足底压力分布数据，对定制鞋垫2的三维模型进行优化。

优选地，定制鞋垫2的三维模型的建立方法可包括如下步骤：

步骤一，建立用于存储用户信息的数据库；

步骤二，检查用户健康状况，包括足部形态检查、整体姿势检查和足部病症检查；采集用户的性别、年龄、体重、身高、脚码信息，并录入数据库；

步骤三，使用三维扫描仪采集用户足部的三维数据，进而从用户足部三维数据中分离得到足底三维数据；用户足部三维数据和分离得到的足底三维数据均录入到数据库中；

步骤四，采用测试鞋垫对用户进行足底压力测试；采集用户足底压力分布数据并录入数据库；

步骤五，调取测试鞋垫表面参数和对应压力分布数据，建立该用户的压力分布与鞋垫表面参数的映射关系模型；所得映射模型录入数据库中；可在测试鞋垫内对应足部不同位置设置多个压力传感器，来分别检知用户足部各个位置的压力。

步骤六，根据采集到的用户信息和测量数据，分散足部受力集中点，拟定出理想的压力分布模型；

步骤七，根据足底压力分布与鞋垫表面参数的映射模型和拟定的理想足底压力分布模型，求解出定制鞋垫2表面参数，生成定制鞋垫2的三维模型。

优选地，测试鞋垫分为匹配不同脚码的测试鞋垫组，每种脚码下的测试鞋垫组有数对表面形状互异的测试鞋垫。

优选地，步骤四中，采集用户足底压力分布数据包括用户静止站立下的赤足足底压力分布数据和站立在不同测试鞋垫时的足底压力分布数据。

优选地，步骤五中，采用神经网络模型对数据库中已有用户的数据进行特征提取，将新用户的足底区域数据和提取的数据特征进行比对分析，由数据库中储存的已有客户的压力分布与鞋垫表面参数的映射关系模型，建立新用户的压力分布与鞋垫表面参数的映射关系模型。

优选地，还可包括如下步骤：

步骤B1，由数据库中的用户足部三维数据，生成足部三维模型；

步骤B2，对用户足部三维模型进行适当的比例放大，并结合用户需求对放大后的足部三维模型修整，构造多功能鞋的鞋腔形状；

步骤B3，根据鞋腔形状，确定外观形状和搭饰，最后生成鞋体的三维数据模型；

步骤B4，选择合适的鞋体材料，基于鞋体的三维数据模型，进行多功能鞋鞋体的制作。

下面以本发明的一个优选实施例来进一步说明本发明的工作原理：

一种用于优化足底压力的多功能鞋的制造方法，具体实施步骤如下：

1)建立框架如附图2所示的数据库；

2)接待用户，并在数据库中建立用户的信息档案。检查用户健康状况，包括足部形态检查、整体姿势检查和足部病症检查等，并确认用户能否参与足底压力测量实验；测量或采集用户的基本身体参数，包括但不限于性别、年龄、体重、身高、脚码等。所得信息录入数据库对应的栏目下；

3)使用三维扫描仪对用户的足部进行扫描，获得用户足部三维数据，进一步地从用户足部三维数据中分离得到足底三维数据。所得数据均录入数据库中；

4)调取用户足部三维数据，建立用户足部三维模型。对用户足部三维模型进行适当的比例放大和修整，设计多功能鞋鞋腔的形状。与用户进行沟通并结合鞋腔形状，确定多功能鞋的整体的外观形状和搭配，生成包括鞋面1和鞋底5在内的鞋体三维数据模型；

5)选择合适的材料，并根据鞋体的三维数据模型进行多功能鞋鞋体的制作，并结合用户需求及鞋体尺寸匹配多功能鞋的外观图案及搭配方案；

6)对用户进行足底压力测试实验。使用足底压力测量装置采集用户静止站立时的足底压力分布；进一步地，采集用户站立在测试鞋垫组中不同鞋垫下的压力分布。所得压力分布数据均存入数据库对应的栏目下；

7)使用数据处理分析软件调取数据库中存储的测量数据，分析并建立用户足底压力—鞋垫表面形状映射模型。从数据库中调取用户的理想压力分布，并结合建立的映射模型，求解出定制鞋垫2的数字化表面并存入数据库。理想压力分布为数据库内置算法根据采集到的用户信息，针对性地分散足底受力集中点所拟定；

进一步地，为提高用户定制鞋垫的设计效率，在数据库的用户数据信息达到成熟阶段后，可对步骤6和步骤7进行优化：使用足底压力测量装置采集用户赤足站立时的足底压力分布，并结合用户基本身体参数和健康状况拟定出理想压力分布。

数据处理分析软件的功能框架如附图3所示；

在数据处理分析软件中，对用户足底进行区域划分并提取相关压力分布特征。利用数据挖掘算法对数据库中其他用户的相关数据进行特征提取，将新用户的足底区域的特征和所提取的数据库特征进行比对分析，从数据库中获取新用户足底各个区域的足底压力分布与鞋垫表面参数的映射模型。

数据处理分析软件，其可为Python、美国MathWorks公司的MATLAB等数据处理分析软件。

数据挖掘算法，其可为分类、回归、聚类、预测、关联等机器学习算法。

根据拟定的理想压力分布和提取的映射模型，求出定制鞋垫2的数字化曲面。

8)使用数据处理分析软件的鞋垫生成功能，根据定制鞋垫2的数字化表面生成定制鞋垫2的三维模型；

9)根据设计好的定制鞋垫2的三维模型，制作定制鞋垫2；

10)将鞋底变形装置4和定制鞋垫2依次置于多功能鞋鞋体中，并在鞋底变形装置4和鞋底5接触的部分位置添加特定结构，保证多功能鞋在使用中的稳定性；

鞋底变形装置4的设置目的是：定制鞋垫2在实际使用中所达到的压力优化效果与理想的压力优化效果可能存在误差，其误差来源如下：①定制鞋垫2的上表面形状是在不同测试鞋垫及相应压力的映射模型中根据拟定的理想足底压力求解而来，但定制鞋垫2的下表面所接触的曲面区别于测试鞋垫下表面接触的刚性平面，造成实际的压力优化效果达不到理想状态。②用户长时间使用优化鞋垫后足型发生变化；③用户长时间使用后定制鞋垫2后，鞋垫发生塑性变形。因此，在定制鞋垫2和鞋底5之间添加一个鞋底变形装置4。鞋底变形装置4封装为一个密闭的鞋垫形装置，包括多个压力传感器、位移传感器、伸缩柱3以及微处理器。鞋底变形装置4通过内部伸缩柱3的高度变化改变其外表面形状，实现足底压力的改变；

11)设计可视化操作系统，用户可选择指定的功能模块实现对鞋底变形装置4的控制。该可视化操作系统包括但不局限于下述功能：

可视化操作系统包括压力处理模块、数据分析模块、传动控制模块、测试模块、自定义调节模块、按摩模块等。上述这些模块协同作用实现以下功能。

功能一：足底压力显示功能；用户在使用多功能鞋时，位于鞋底变形装置4的微处理器将压力传感器采集压力数据通过蓝牙模块发送至可视化操作系统。

该系统设有两个压力显示界面：一个压力显示界面用于显示设定的理想压力分布云图或位于足底的压力传感器在某一时刻采集的压力分布云图；另一个压力显示界面用于显示实时采集到的足底压力分布云图。用户可在实际使用中可根据自身需求选择可视化操作系统中存储的某一时刻的足底压力分布云图或设定的理想压力云图与实时采集到的压力分布图进行对比，能够针对性地调整鞋底变形装置4。

功能二:足底压力补偿功能；

为弥补用户穿戴多功能鞋时的实际压力分布同理想压力分布之间存在的误差，可视化操作系统提供压力补偿功能。用户穿戴多功能鞋并静止站立，可视化操作系统中测试模块驱动鞋底变形装置4完成设定的测试实验，得到用户实时足底压力分布同鞋底变形装置4中伸缩柱3高度分布之间的映射模型。进一步地，可视化操作系统中的压力处理模块调用步骤7中拟定的理想压力分布并进行数值转换，数据分析模块根据理想压力分布和映射模型求出鞋底变形装置4中伸缩柱3的需移动的高度。然后将求解出的模块高度数据通过蓝牙模块发送至位于鞋底变形装置4中的微处理器，进一步地驱动相应位置处的伸缩柱3至指定的高度，完成对足底压力的补偿。

功能三：用户自定义调节功能；为进一步确保鞋底变形装置4对足底压力分布调整的准确性，可视化操作系统提供了自定义调节功能。用户可在足底压力显示功能的指导下，当实时监测的足底压力数值与预设的压力数值有较大偏颇时，可适当调整伸缩柱3，达到设定的压力分布要求。用户也可根据在穿戴多功能鞋时足部的感受调整指定位置处的伸缩柱3，以更好地满足更好的舒适性体验。

功能四：按摩功能；可视化操作系统中配有足底按摩穴位和身体器官对应反射区的示意图，并标识出对应的伸缩柱3的位置。用户可根据自身需求并结合示意图，在可视化操作系统中选择指定位置处的伸缩柱3并设定移动距离，足底变形装置4根据可视化操作系统的指令完成变形。用户穿戴多功能鞋站立或缓慢行走时，鞋底变形装置4凸起的部位能够对用户指定的足底位置起到顶压效果，实现按摩功能；

12)由用户对多功能鞋进行试穿，利用可视化操作系统中足底压力补偿功能完成对鞋底变形装置4的变形；

13)变形完成后，用户在可视化操作系统的压力显示界面中比对目标压力分布云图和鞋底变形装置4变形后的压力分布云图，判断经补偿的压力分布是否符合需求。若仍对部分区域压力不满足，可使用可视化操作系统自定义调节功能调控指定位置处的伸缩柱3，直至满足目标压力分布；

14)多功能鞋投入使用。

以上的实施例仅用于说明本发明的技术思想及特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够理解本发明的内容并据以实施，不能仅以本实施例来限定本发明的专利范围，即凡本发明所揭示的精神所作的同等变化或修饰，仍落在本发明的专利范围内。

Claims (8)

1.一种用于优化足底压力的多功能鞋，包括鞋底，其特征在于，还包括：位于鞋底上面的鞋底变形装置，以及位于鞋底变形装置上面的定制鞋垫；定制鞋垫用于承受足部压力，其上表面为曲面，其按照人体足底压力分布及足底形状制作；鞋底变形装置用于检知足底压力并辅助定制鞋垫分压；

鞋底变形装置包括：用于检测足底压力的压力传感器、具有补偿定制鞋垫变形的变形调控模块、用于检测变形调控模块变形调整量的位移传感器、用于控制变形调控模块的微处理器；变形调控模块包括若干个电驱动的伸缩柱；伸缩柱的固定端安装在鞋底变形装置的基底上，伸缩柱的伸缩端与定制鞋垫的底面触接；伸缩柱在微处理器控制下伸缩。

2.根据权利要求1所述的用于优化足底压力的多功能鞋，其特征在于，变形调控模块还具有按摩功能；变形调控模块采用双级调节，一级调节用于补偿定制鞋垫的变形，控制伸缩柱伸缩的行程范围为1～3mm；二级调节用于按摩足底，控制伸缩柱伸缩的行程范围为3～10mm。

3.根据权利要求1所述的用于优化足底压力的多功能鞋，其特征在于，还包括可视化操作系统，可视化操作系统与微处理器连接，用于与微处理器进行人机交互。

4.一种权利要求1至3任一所述的用于优化足底压力的多功能鞋的制造方法，其特征在于，该制造方法基于用户足部的三维数据以及用户足底压力分布数据建立定制鞋垫的三维模型；根据理想的足底压力分布数据，对定制鞋垫的三维模型进行优化。

5.根据权利要求4所述的用于优化足底压力的多功能鞋的制造方法，其特征在于，定制鞋垫的三维模型的建立方法包括如下步骤：

步骤一，建立用于存储用户信息的数据库；

步骤二，检查用户健康状况，包括足部形态检查、整体姿势检查和足部病症检查；采集用户的性别、年龄、体重、身高、脚码信息，并录入数据库；

步骤三，使用三维扫描仪采集用户足部的三维数据，进而从用户足部三维数据中分离得到足底三维数据；用户足部三维数据和分离得到的足底三维数据均录入到数据库中；

步骤四，对用户进行足底压力测试；采集用户足底压力分布数据并录入数据库；采集用户足底压力分布数据包括用户静止站立下的赤足足底压力分布数据和站立在不同测试鞋垫时的足底压力分布数据；

步骤五，调取测试鞋垫表面参数和对应压力分布数据，建立该用户的压力分布与鞋垫表面参数的映射关系模型；所得映射模型录入数据库中；

步骤六，根据采集到的用户信息和测量数据，分散足部受力集中点，拟定出理想的压力分布模型；

步骤七，根据足底压力分布与鞋垫表面参数的映射模型和拟定的理想足底压力分布模型，求解出定制鞋垫表面参数，生成定制鞋垫的三维模型。

6.根据权利要求5所述的用于优化足底压力的多功能鞋的制造方法，其特征在于，测试鞋垫分为匹配不同脚码的测试鞋垫组，每种脚码下的测试鞋垫组有数对表面形状互异的测试鞋垫。

7.根据权利要求5所述的用于优化足底压力的多功能鞋的制造方法，其特征在于，步骤五中，采用神经网络模型对数据库中已有用户的数据进行特征提取，将新用户的足底区域数据和提取的数据特征进行比对分析，由数据库中储存的已有客户的压力分布与鞋垫表面参数的映射关系模型，建立新用户的压力分布与鞋垫表面参数的映射关系模型。

8.根据权利要求5所述的用于优化足底压力的多功能鞋的制造方法，其特征在于，还包括如下步骤：

步骤B1，由数据库中的用户足部三维数据，生成足部三维模型；

步骤B2，对用户足部三维模型进行适当的比例放大，并结合用户需求对放大后的足部三维模型修整，构造多功能鞋的鞋腔形状；

步骤B3，根据鞋腔形状，确定外观形状和搭饰，最后生成鞋体的三维数据模型；

步骤B4，选择合适的鞋体材料，基于鞋体的三维数据模型，进行多功能鞋鞋体的制作。