周 捷,李 健,馬秋瑞

(西安工程大學 服裝與藝術(shù)設計學院,陜西 西安 710048)

0 引 言

長期穿著不合腳的鞋子從事高強度的體育訓練,容易導致疲勞、疼痛及畸形等諸多足部疾病[1-2]。由于非競技運動員腳型的特殊性,批量生產(chǎn)的鞋類無法滿足訓練穿著時的合體要求[3-4]。因此,如何針對我國非競技運動員的腳型特征,研發(fā)出更加舒適的運動鞋是科研機構(gòu)和鞋類企業(yè)亟待解決的問題。

腳型是鞋楦設計的基礎,而鞋楦是鞋的三維實體模具,對鞋類的美觀性與舒適性起著關(guān)鍵作用[5]。目前,國內(nèi)外學者對鞋楦研究主要分為3類:一是腳型與楦型間的匹配性評價[6-7];二是參數(shù)驅(qū)動的鞋楦數(shù)字化設計[8-9];三是針對特殊群體(如糖尿病足,定制等)的鞋楦研究[10-11]。這些研究為設計合腳的鞋類產(chǎn)品提供了有益的參考,但針對非競技運動員腳型的鞋楦研究尚未見報道。基于此,本研究采用三維足部測量技術(shù),擷取非競技運動員足部相關(guān)重要尺寸,開發(fā)出符合腳型特征的專業(yè)運動鞋楦模型,為運動鞋類設計及個性化定制提供參考。

1 實 驗

1.1 數(shù)據(jù)采集

實驗對象為230名18～35歲定期參加中等至高強度訓練的非競技運動員,參照相關(guān)研究[12-13],樣本量符合實驗要求。受試者均為漢族,籍貫主要在福建、江西、河南和湖北等地區(qū)，占比為52.6%。采用LSF三維足部掃描儀(深圳市精易迅科技有限公司,掃描精度≤1.0 mm,掃描單只足約10 s)[12]采集數(shù)據(jù)。經(jīng)數(shù)據(jù)預處理,共有24個樣本因數(shù)據(jù)丟失或明顯的足部畸形而被剔除,最終確定84名男性(年齡22～32歲,身高168～179 cm,體重59.8～80.4 kg)和122名女性(年齡22～28歲,身高157～168 cm,體重44.2～62.0 kg)。所有程序經(jīng)受試者簽訂書面知情同意書。

1.2 測量指標

依據(jù)人體足部測量的數(shù)據(jù)要求[12-13],結(jié)合本項目的實際需要,分別從長度:足長(L1)、第一跖趾關(guān)節(jié)長(L2)、第五跖趾關(guān)節(jié)長(L3)、第五足趾端點長(L4)和踵心位置長(L5);寬度:基本寬度(W1)、第一跖趾里寬(W2)、踵心寬度(W3)和跖趾斜寬(W4);圍度:跖圍(G1)、前跗骨圍(G2)和兜根圍(G3)；高度:拇指高(H1)、第一跖趾高(H2)、前跗骨高(H3)、外踝下緣高(H4)和足弓高(H5)等4個方面提取17項指標，如圖1所示。

1.3 數(shù)字化處理

應用三維足部測量技術(shù),擷取非競技運動員足部相關(guān)重要尺寸,開發(fā)符合消費者腳型的專用運動鞋楦,研究流程分為3個步驟:

1) 鞋楦和腳型數(shù)據(jù)的獲取。通過三維足部掃描儀采集鞋楦和腳型點云數(shù)據(jù),在Geomagic Studio軟件中依次經(jīng)過點云、多邊形及曲面階段獲取數(shù)字化模型。

2) 腳型向鞋楦數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化。根據(jù)腳型與楦型在長度、寬度和圍度指標的匹配關(guān)系,考慮腳在跖圍、放余量、后容差等穿著需要構(gòu)建數(shù)字化鞋楦。

3) 鞋楦的設計與修改?；谀_型規(guī)律及逆向工程技術(shù)得到標準化鞋楦模型,在Lastmaker軟件中進行參數(shù)修改,生成定制的個性化鞋楦,并進行鞋楦模型的合體性評價。研究流程圖見圖2。

2 結(jié)果與分析

2.1 鞋碼分布

鞋碼是衡量人體腳型以便選配鞋尺寸的標準系統(tǒng)。表1是受試者鞋碼在歐制鞋碼類別中的分布情況。由表1可知,青年男性非競技運動員鞋碼分布范圍是40～45碼,以41、42和43碼居多(占比66.6%);而青年女性非競技運動員鞋碼分布范圍是33～39碼,尤以36和37碼居多(占比66.4%)。

表 1 青年非競技運動員鞋碼分布Tab.1 Shoe size distribution of young non-competitive athletes

2.2 腳型規(guī)律

為便于比較找出腳型規(guī)律,以足長為參考將足部各個指標數(shù)據(jù)標準化,即標準化數(shù)據(jù)=(足部指標/足長)×100%。經(jīng)數(shù)據(jù)標準化后,青年非競技運動員腳型指標數(shù)據(jù)的平均值及標準差見圖3。

圖3結(jié)果顯示:①男性17個腳型指標的平均值及標準差均明顯大于女性,即男性骨骼發(fā)育程度及差異性大于女性。②在右足中,青年男女非競技運動員在第一跖趾里寬、前跗骨圍和前跗骨高等指標上,性別差異具有統(tǒng)計學意義(P<0.05);在左足中,青年男女非競技運動員在前跗骨圍和前跗骨高指標上,性別差異具有統(tǒng)計學意義(P<0.05)。③女性在第一跖趾關(guān)節(jié)長、第五跖趾關(guān)節(jié)長、第五足趾端點長、第一跖趾里寬、拇指高和外踝下緣高等指標上,左右足的差異具有統(tǒng)計學意義(P<0.05),即女性在以上指標的雙腳發(fā)育情況差異較大;而男性僅在第五跖趾關(guān)節(jié)長指標上,左右足的差異具有統(tǒng)計學意義(P<0.05),即男性在成長過程中雙腳發(fā)育情況比較一致。

2.3 腳型向鞋楦數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換

2.3.1 腳型與鞋楦的差異 鞋楦是制鞋的核心。鞋楦以腳型為依據(jù),是腳型規(guī)律的反映,但又不等同于腳型[10,14]。若完全以腳型輪廓及其尺寸為鞋楦尺寸,則鞋楦會肥大而不合腳。因此,腳型數(shù)據(jù)向鞋楦尺寸的轉(zhuǎn)換是鞋楦設計的首要步驟。腳型與鞋楦的差異見文獻[10]。

2.3.2 鞋楦底樣 腳長是設計鞋楦底樣長的依據(jù)。為保證腳在鞋腔內(nèi)的活動余量,使鞋不至于頂腳,鞋楦底樣長需在足長的基礎上增加放余量。在行走過程中,足部受到體重的壓力,腳掌和腳跟受力時足弓帶被拉長(約5 mm);同時,足后跟是一個弧狀結(jié)構(gòu),為使在行走時鞋不脫跟,鞋楦后跟應有適當?shù)耐苟?即后容差)。通常,鞋楦底樣長=足長+放余量-后容差[15]。其中,放余量會依據(jù)鞋款式、季節(jié)和動靜態(tài)的變化而有所差異。在本研究中,采用保持后容差和放余量不變的計算方法,放余量取16.8 mm,后容差取5 mm。

在鞋楦的寬度系數(shù)中,若直接使用基本寬度尺寸,會造成鞋楦底樣空曠等不合腳的問題；相反,若以足印輪廓寬為鞋楦底樣寬,由于足部肌肉的存在,可能會引起擠腳、磨腳等情況發(fā)生。從生理特點考慮,鞋楦寬度須在足印與足輪廓之間。通常,鞋跖圍小于腳跖圍6 mm時,主觀舒適性最佳[15]。

2.3.3 鞋楦造型 人在行走或負重時,腳部血液流動加速,足弓相比坐姿時會下塌,使得腳的圍度尺寸增加[16]。為確保鞋穿著舒適,大多數(shù)鞋楦的圍度尺寸應大于腳尺寸,以適應腳在鞋腔內(nèi)因腳的運動而變形。其中,跖圍是腳肥瘦的標志,在運動時彎曲并承受足部壓力。通常,鞋楦跖圍=腳跖圍-跖圍感差值[15,17]。在鞋楦造型設計中,幾個橫截面的設計至關(guān)重要,如圖4所示。

2.4 數(shù)字化鞋楦模型的構(gòu)建

逆向工程是從目標實物產(chǎn)品中獲取數(shù)字模型并將產(chǎn)品設計再現(xiàn)的相關(guān)技術(shù),在大規(guī)模定制環(huán)境下應用廣泛[18-19]。采用Geomagic Studio軟件構(gòu)建數(shù)字化鞋楦模型,主要分為點云階段、多邊形階段和曲面階段等3個階段。重建的數(shù)字化鞋楦模型見圖5。

經(jīng)逆向工程獲得的鞋楦模型(圖5),為便于鞋楦參數(shù)的修改,需對鞋楦模型的方位進行標準化處理。按照文獻[20]的處理方法,完成鞋楦模型的方位標準化, 如圖6所示。

在圖6中,HL為楦跟點;B1L為第一跖趾部位點;B2L為第五跖趾部位點;CL為B1L與B2L連線的中點;SPL為前掌凸點;D1為B1L的Z坐標值;D2為B2L的Z坐標值。

為了更好地體現(xiàn)運動鞋楦特征, 采用 K-means聚類方法對腳型指標進行聚類分析。 參照相關(guān)文獻[21-23], 將腳型聚類數(shù)定為3時, 從實用性和邏輯內(nèi)容上的聚類效果最好。 因此, 以17項腳型指標為腳型分類的聚類變量, 將84名男性和122名女性腳型細分為3類。 腳型分類的聚類分析結(jié)果如表2所示。

表 2 基于鞋楦細分的聚類分析Tab.2 Clustering analysis based on last subdivision

依據(jù)表2中腳型分類結(jié)果,發(fā)現(xiàn)男性的聚類1為瘦腳型(n=28,33.3%),聚類2為胖腳型(n=20,23.8%),聚類3為中間腳型(n=36,42.9%);同理,女性聚類1為胖腳型(n=49,40.2%),聚類2為瘦腳型(n=18,14.7%),聚類3為中間腳型(n=55,45.1%)。由于跖圍、基本寬度和足弓高是鞋類設計的關(guān)鍵尺寸,選擇以這3個尺寸表征鞋楦形態(tài)。由表2中3類腳型在17項指標上的尺寸數(shù)值,在Lastmaker軟件中修改鞋楦尺寸的。基于腳型分類的楦型設計如圖7所示。

2.5 模型評價

為了評價鞋楦三維重建效果,在Geomagic Studio軟件中進行模型精度評價,重建的鞋楦數(shù)字化模型誤差見圖8。圖8所示的顏色顯示鞋楦數(shù)字化模型不僅能夠清晰地反映出腳趾、腳底和足弓等重要信息,而且模型的誤差較小,驗證了結(jié)合逆向工程的數(shù)字化鞋楦的精度是可接受的[24]。

3 結(jié) 論

1) 通過采集非競技運動員腳型數(shù)據(jù),在分析腳型規(guī)律及其與鞋楦匹配關(guān)系的基礎上,提出了一套完整的鞋楦設計方法。

2) 青年男性非競技運動員鞋碼分布范圍是40～45碼,以41、42和43碼居多(占比66.6%);而青年女性非競技運動員鞋碼分布范圍是33～39碼,尤以36和37碼居多(占比66.4%)。

3) 青年非競技運動員腳型存在較大的性別差異及左右足差異。在鞋楦設計時,應考慮在第一跖趾里寬、前跗骨圍、前跗骨高等指標的性別差異,同時應考慮男性在第五跖趾關(guān)節(jié)長以及女性在第一跖趾關(guān)節(jié)長、第五跖趾關(guān)節(jié)長、第五足趾端點長、第一跖趾里寬、拇指高和外踝下緣高等指標的左右足差異。

4) 逆向工程技術(shù)應用到鞋楦設計中是可行的?；趥€體腳型的數(shù)字化鞋楦設計,為制鞋企業(yè)改進運動鞋產(chǎn)品的功能性與舒適性奠定了理論基礎。