CN114831386A - 勺型支撑板及鞋底 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种勺型支撑板，包括相互连接的勺柄部和勺头部，勺柄部与人体足部的中足部位和足跟部位相对应，勺头部与人体足部的前掌部位相对应；在水平方向上，勺柄部靠近人体足部的外侧设置，勺头部自勺柄部朝向人体足部的内侧弯曲设置；在竖直方向上，勺头部朝向地面方向弯曲设置，勺柄部朝向远离地面的方向弯曲设置，以形成前低后高的杠杆结构；同时公开了一种包含有该勺型支撑板的鞋底。本发明的勺型支撑板提高了穿着者的跑步工效，使跑鞋支撑板能够在增强人体足部的刚度的同时，优化地面反作用力的方向，提高助推效果，减少了自身重量，能够有效提升耐力跑的人体运动工效，减材增效，并减少运动损伤。
Description
技术领域
本发明涉及鞋领域，尤其涉及一种减材增效的勺型支撑板，以及包含有该勺型支撑板的鞋底。
背景技术
在竞技体育中，冠军与其他竞争者往往只差毫厘。例如，2021年东京女子马拉松前三名之间仅差了26秒。运动员的跑步工效如果能优化 0.5％，将会对竞技结果带来巨大的差异。优化跑步工效的一个方法是穿上最优化的跑鞋，改进跑鞋以提高运动员跑步工效的一个既定方法是减少跑鞋质量。据文献记载，如果上述的马拉松选手穿着的跑鞋质量能够比原跑鞋减少100克，那么选手们的有氧能量消耗会比原来减少0.8％，马拉松跑步速度会比原来加快0.56％，就能够将金牌带回本国。
在鞋底中加入碳纤维板是一种由来已久的制鞋技术，尽管碳纤维板在体育运动中被广泛使用，但对于长距离的跑步竞赛，政策制定者却限制了跑鞋中碳纤维板的使用，因为他们认为，相对于没有此类技术的竞争对手，碳纤维板给穿着者提供了“不公平优势”。迄今为止，有两项研究报告称，在鞋底中添加坚硬的碳纤维板可以提高跑步的经济性0.812％和1.1％。
跑步过程中，在跑鞋内添加碳纤维板，对跖趾和踝关节存在显著影响，跖屈肌动力学的改变可能有助于解释在跑鞋内添加碳纤维板与不添加碳纤维板的情况下跑步工效的变化。在跑鞋内添加碳纤维板可以增加鞋的弯曲刚度，在与地面接触时，通常会使运动员的压力中心更靠前，这使得地面反作用力和踝关节中心之间产生更长的力矩臂，更长的力矩臂导致更大的踝关节力矩。为了防止踝关节的塌陷，足底屈肌需要产生一个更大的力，并在整个接触地面的过程中对关节施加一个相等和相反的力矩。
跑步过程中，下肢，特别是足踝的生物力学分析，对于跑鞋碳板的设计非常重要。足底压力分布(足印迹)可以反映整个跑步周期内足与地之间的相互作用过程，也是研究足与鞋、鞋与地之间关系的重要参数。基于足印迹形态以及跑步过程中足底压力中心的移动轨迹，可以对足-鞋、鞋-地系统内的载荷条件进行准确的诊断，并以此基础进行跑鞋碳板的设计。
原有的碳板，例如耐克跑鞋的碳板，运用了具有“跷跷板”效应的碳板，改变地面反作用力的方向，提高了穿鞋者的跑步工效，但这并不意味着跑鞋碳板设计不可以进一步优化，“跷跷板”碳板的形态并未依据跑步过程中，足-鞋作用与鞋-地作用设计，其弧度与体积均有一定的优化空间。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够减材增效的勺型支撑板，以及包含有该勺型支撑板的鞋底。具体技术方案如下：
一种勺型支撑板，包括相互连接的勺柄部和勺头部，勺柄部与人体足部的中足部位和足跟部位相对应，勺头部与人体足部的前掌部位相对应；在水平方向上，勺柄部靠近人体足部的外侧设置，勺头部自勺柄部朝向人体足部的内侧弯曲设置；在竖直方向上，勺头部朝向地面方向弯曲设置，勺柄部朝向远离地面的方向弯曲设置，以形成前低后高的杠杆结构。
进一步，勺头部的中心位置处朝向地面方向下凹，以形成凹陷圆顶结构，凹陷圆顶结构可增强勺头部的几何刚度。
进一步，勺头部上位置最高的点与凹陷圆顶结构上位置最低的点之间的高度差值为2mm-4mm。
进一步，勺头部上位置最高的点与凹陷圆顶结构上位置最低的点之间的高度差值为3mm。
进一步，勺型支撑板的厚度为1mm-2mm。
进一步，勺型支撑板的厚度为1.5mm。
进一步，勺头部的底面上设置有压力条，压力条沿足底压力中心移动路径弯曲设置，以提升勺型支撑板的助推力。
进一步，压力条的厚度为1mm-2mm，宽度为1mm-2mm。
进一步，压力条的厚度为1.5mm，宽度为1.25cm。
一种鞋底，包括以上所述的勺型支撑板。
本发明的勺型支撑板通过分析鞋底的压力分布变化，优化了鞋底中支撑板的设计，提高了穿着者的跑步工效，使跑鞋支撑板能够在增强人体足部的刚度的同时，优化地面反作用力的方向，提高助推效果，且相较于同类型碳板，本发明的勺型支撑板在材质相同的情况下减少了自身重量，能够有效提升耐力跑的人体运动工效，减材增效，并减少运动损伤。
附图说明
图1为本发明中的勺型支撑板的立体图。
图2为本发明中的勺型支撑板的仰视图。
图3为本发明中的勺型支撑板的侧视图。
图4为图2中所示B-B方向上的剖视图。
图5为图3中所示C-C方向上的剖视图。
图6为本发明中的勺型支撑板的侧面剖视图。
图7为勺型支撑板在触地阶段上表面的应力分布图。
图8为勺型支撑板在触地阶段下表面的应力分布图。
图9为勺型支撑板在支撑阶段上表面的应力分布图。
图10为勺型支撑板在支撑阶段下表面的应力分布图。
图11为勺型支撑板在蹬伸阶段上表面的应力分布图。
图12为勺型支撑板在蹬伸阶段下表面的应力分布图。
具体实施方式
为了更好的了解本发明的目的、结构及功能，下面结合附图，对本发明的勺型支撑板及鞋底做进一步详细的描述。
本发明中的勺型支撑板可设置在鞋底中，优选采用碳纤维复合材料制成，能够随人体足部的反复踩踏发生弹性形变，以回收足部落地时的能量，并在人体足部蹬地时重新释放，为穿着者提供助推力，提升蹬伸效率。
具体来说，如图1至图6所示，本发明中的勺型支撑板包括相互连接的勺柄部1和勺头部2，优选的是，勺柄部1和勺头部2为一体成型设置。其中，勺柄部1为细长的板件结构，与人体足部的中足部位和足跟部位相对应，勺头部2呈勺头状，与人体足部的前掌部位相对应；在水平方向上，勺柄部 1靠近人体足部的外侧设置，勺头部2自勺柄部1朝向人体足部的内侧弯曲设置；在竖直方向上，勺头部2朝向地面方向弯曲设置，勺柄部1朝向远离地面的方向弯曲设置，以形成前低后高的杠杆结构。
如图6所示，勺型支撑板的厚度h为1mm-2mm，优选的是，勺型支撑板的厚度h为1.5mm。勺型支撑板的厚度值会影响其纵向弯曲刚度，同时改变足部蹬伸时的力臂，因此在考虑勺型支撑板材料为碳纤维复合材料的前提下，根据马拉松比赛时跑鞋所承受的载荷与加载速率，将勺型支撑板的厚度 h设置为1.5mm能够使其具有较佳的力反馈效果，最大程度提升运动员的运动工效。
由于人体足跟的解剖结构不支持跑步时足跟落地的载荷要求，因此人体足跟更适用于站立和步行，虽然可以通过鞋跟缓冲减震技术增强对人体足跟的保护，但如果跑步时用足跟落地，仍然存在发生半月板磨损和胫腓骨骨折的风险。本发明中的勺型支撑板是根据外侧弓落地模式下产生的足印迹将支撑板整体形状设置为勺型，同时形成前低后高的近似于“跷跷板”的结构，这种形式的支撑板更利于减少运动损伤，并且能够改变地面反作用力的方向，增强对人体足部的助推效果，推动人体足部向前运动。
进一步，如图5和图6所示，勺头部2的中心位置处朝向地面方向下凹，以形成可增强勺头部2的几何刚度的凹陷圆顶结构3，根据外侧弓落地模式时足印迹的特征，由于压力对时间的积分主要集中在前掌的基础弓处，因此，为了提高勺头部2的刚度，依据“残余应力理论”，将勺头部2设置为中心下凹的凹陷圆顶结构3，通过预置变形，达到提高勺头部2几何刚度的效果。
具体的，如图5所示，基于设计过程中形成的三维足印迹体，勺头部2 上位置最高的点与凹陷圆顶结构3上位置最低的点之间的高度差值H设置为 2mm-4mm，优选的是，高度差值H为3mm。
进一步，勺头部2的底面上设置有压力条4，压力条4为细长带状结构，可与勺头部2采用嵌套、粘合或者直接一体成型方式设置。优选的是，压力条4在勺头部2的底面上沿足底压力中心移动路径弯曲设置，以提升勺型支撑板的助推力，其中，人体足弓部位与本发明的勺型支撑板在结构与功能需求上的统一，解决了勺型支撑板的刚度问题，但力学耦合不仅涉及到力的大小还有力的作用位置，具体来说是勺型支撑板的承载能力(范式等效应力)要与步态线的轨迹相吻合。
具体的，如图2所示，基于设计过程中承试人对应的载荷条件，压力条 4的厚度设置为1mm-2mm，宽度设置为1mm-2mm，优选的是，压力条4的厚度为1.5mm，宽度为1.25cm。
应注意的是，本发明中的勺型支撑板可依据使用者耐力跑过程中的足底压力测量结果进行调整，以实现勺型支撑板的个性化设计。其中，勺型支撑板的轮廓可以根据使用者的足印迹进行个性化适配，具体的，勺型支撑板随鞋中底形状可以调整整体设计弧度，调整原则是范式等效应力出现拐点(凸点或凹点)；压力条4可以根据使用者的足底压力路径进行个性化适配，具体的，压力条4轮廓可以随穿鞋者的足底压力路径形态进行调整，调整原则是结构的范式等效应力变化轨迹与步态线重叠。
下面对本发明中的勺型支撑板(以勺型碳板为例)的设计方法进行简要说明：
S1、选择承试人，以6m/s的速度在Zebris-HP Cosmos Treadmill (FDM-THQ)上以外侧弓落地方式穿无碳板鞋进行跑步，承试人在跑步机上跑步热身1分钟以熟悉在跑步机上穿鞋跑步，随后采集12s内的足底压力测试数据(至少20个连续的足印迹)，包括跑步过程中垂直地面反作用力(Vertical ground reaction force，VGRF)的变化记录。
S2、在所述足底压力测试数据中，提取最大VGRF的足印迹结合跑态周期的支撑相进行逐帧分析，输出鞋触地-蹬伸整个支撑相过程的足印迹图，保存至Photoshop内。拍摄并扫描无碳板鞋-地接触面(鞋底)形态并存储为 Photoshop可处理格式。同时导出所述足底压力测试数据的CSV格式数据，将蝴蝶图步态线(butterfly gait-line)的数据提取出，判断足印迹的足底压力中心变化。并截取足底压力测试报告中蝴蝶图步态线的位置图进行比较。将所述支撑相过程的足印迹图、所述鞋底形态图以及所述蝴蝶图步态线的位置图进行叠加比较，判断不同步态时相下的足印迹形态特征。
S3、将所述足印迹形态特征提取，形成三维足印迹体。同时提取所述足印迹形态的轮廓，作为原始碳板草图。基于原始碳板草图进行拉伸凸台操作，建立原始碳板。将所述原始碳板与所述三维足印迹体进行布尔运算，得到上表面为不规则面，下表面为平面的勺型碳板基体。提取承试人慢跑500公里后的承试鞋的鞋底弧度，将所述勺型碳板基体的上表面依据鞋底弧度并结合足部跖骨轮廓进行优化，得到优化勺型碳板基体。
S4、沿所述优化勺型碳板基体上表面进行切割，得到厚度为1.5mm的勺型碳板体。基于三维足印迹体，所述勺型碳板体前掌区域存在3mm的凹陷圆顶。所述勺型碳板体有根据足底压力中心的移动轨迹，增加了宽为1.25cm，厚度为1.5mm的压力条4。由此形成跑鞋勺型碳板。
为了验证本发明的实际工效，建立了勺型碳板嵌入鞋底的有限元模型，根据足底压力测量数据建立边界条件设定，探究跑鞋在三个不同支撑相阶段(跑鞋在外侧弓落地模式下触地阶段、支撑阶段以及蹬伸阶段)的应力分布结果，如图7-12所示：在单个跑态周期中，不同阶段的范式等效应力均具较为集中，其中上表面应力峰值出现在前掌凹陷处，下表面应力峰值出现在压力条4处，这表明跑鞋勺型碳板，符合跑步过程中鞋-地的负载条件，且其范式等效应力峰值均具碳板材料属性的屈服值较远，不存在使碳板受损的条件。
本发明的勺型支撑板通过分析鞋底的压力分布变化，优化了鞋底中支撑板的设计，提高了穿着者的跑步工效，使跑鞋支撑板能够在增强人体足部的刚度的同时，优化地面反作用力的方向，提高助推效果，且相较于同类型碳板，本发明的勺型支撑板在材质相同的情况下减少了自身重量，能够有效提升耐力跑的人体运动工效，减材增效，并减少运动损伤。
以上借助具体实施例对本发明做了进一步描述，但是应该理解的是，这里具体的描述，不应理解为对本发明的实质和范围的限定，本领域内的普通技术人员在阅读本说明书后对上述实施例做出的各种修改，都属于本发明所保护的范围。
Claims (10)
1.一种勺型支撑板，其特征在于，包括相互连接的勺柄部和勺头部，勺柄部与人体足部的中足部位和足跟部位相对应，勺头部与人体足部的前掌部位相对应；在水平方向上，勺柄部靠近人体足部的外侧设置，勺头部自勺柄部朝向人体足部的内侧弯曲设置；在竖直方向上，勺头部朝向地面方向弯曲设置，勺柄部朝向远离地面的方向弯曲设置，以形成前低后高的杠杆结构。
2.如权利要求1所述的勺型支撑板，其特征在于，勺头部的中心位置处朝向地面方向下凹，以形成凹陷圆顶结构，凹陷圆顶结构可增强勺头部的几何刚度。
3.如权利要求2所述的勺型支撑板，其特征在于，勺头部上位置最高的点与凹陷圆顶结构上位置最低的点之间的高度差值为2mm-4mm。
4.如权利要求3所述的勺型支撑板，其特征在于，勺头部上位置最高的点与凹陷圆顶结构上位置最低的点之间的高度差值为3mm。
5.如权利要求1所述的勺型支撑板，其特征在于，勺型支撑板的厚度为1mm-2mm。
6.如权利要求5所述的勺型支撑板，其特征在于，勺型支撑板的厚度为1.5mm。
7.如权利要求1至6中任一所述的勺型支撑板，其特征在于，勺头部的底面上设置有压力条，压力条沿足底压力中心移动路径弯曲设置，以提升勺型支撑板的助推力。
8.如权利要求7所述的勺型支撑板，其特征在于，压力条的厚度为1mm-2mm，宽度为1mm-2mm。
9.如权利要求8所述的勺型支撑板，其特征在于，压力条的厚度为1.5mm，宽度为1.25cm。
10.一种鞋底，其特征在于，包括权利要求1至9中任一所述的勺型支撑板。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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