足底壓力測量技術在鞋靴外形及舒適度設計中的應用

徐淑波

（江西服裝學院，江西 南昌 330201）

鞋靴舒適度主要指人體對鞋靴的主觀感受，在體育運動普及背景下，人們對鞋靴舒適度的要求越來越高，鞋靴市場需求也日漸增長[1]。為了避免不良鞋靴設計導致的裸足病理學改變問題，需要研究鞋靴外形及舒適度設計方法[2]。

鞋靴設計主要包括幫樣設計、尺寸設計、鞋墊設計等，需要調整鞋靴的重量、尺寸、彎曲度等達到減震、透氣等目的[3]。相關人員針對鞋靴舒適度的影響關系進行了分析，研究了鞋靴外形、顏色等與鞋靴舒適度的影響關聯[4]。研究結果發現，鞋靴的外觀與鞋靴的體感舒適度關聯性較低，與裸足的跖趾關節區、足弓區的貼近狀態有關[5]。除此之外，鞋靴的舒適度與裸足的足底壓力分布存在直接關系，若足底壓力過高，容易引起足部疼痛，從而引發嚴重的足部病變[6]。目前，大多數鞋靴外形及舒適度設計方法主要使用形狀文法調整設計空間組織及造型[7]，易受等比例旋轉操作衍生作用影響，導致平均足底壓力峰值不符合舒適度峰值要求。為了解決該問題，本文將足底壓力測量技術應用于鞋靴外形及舒適度設計，設計出平均足底壓力峰值滿足舒適度的鞋靴，并通過實際測試分析驗證其效果。

1 分析鞋靴外形及舒適度設計影響因素

影響鞋靴外形及舒適度設計的因素較多，而為了提高鞋靴外形及舒適度設計可靠性[8]，本文設計的方法首先分析了鞋靴外形及舒適度設計影響因素，如圖1 所示。

圖1 鞋靴外形及舒適度設計影響因素（作者自繪）

由圖1 可知，影響鞋靴外形及舒適度設計的因素主要包括8 點。其一是鞋靴結構，鞋靴設計和制造過程主要涉及到鞋面、鞋幫、鞋墊等部分，鞋子的結構影響鞋子的合腳性，與消費者裸足的尺寸有關[9]；其二是防水性，鞋靴設計和制造過程中主要考慮的是鞋面的防水性和鞋底的不滲透性問題，需要鞋靴滿足在雨天或行走地面有水霧時鞋靴處于不透水狀態，同時還要注意避免出現憋悶問題；其三是重量，即人穿著鞋靴移動時將會消耗的能量，鞋靴越重，人體能量消耗越高，舒適度相對下降；其四是衛生性能，鞋靴既要符合外形設計要求，還要采用衛生面料，避免破壞足表面的皮膚衛生平衡；其五是材料，部分天然材料的舒適度高于合成材料；其六是減震性與緩沖性，這也是影響鞋靴舒適度的最重要因素[10]，需通過對鞋靴鞋底的設計，保證足底壓力平衡，要求鞋靴的軟硬度適中；其七是止滑性，指的是鞋靴鞋底在某些地面較滑的場地能有效行走；其八是微氣候，鞋靴要保證鞋腔內部環境滿足裸足的行走溫濕度舒適要求。根據上述的鞋靴舒適度設計影響因素分析，可以進行后續的面料及壓力分布鞋墊設計。

2 基于足底壓力測量技術的鞋靴外形及舒適度設計方法

由本文章節1 中提到的鞋子結構方面的內容可知，鞋面和鞋幫占鞋靴外觀的大部分，鞋面材料的選擇也決定了穿著時的舒適性、透氣性以及衛生性等。而鞋墊設計中需要考慮的問題更多，為了增強穿著時的舒適度，本文的鞋底設計引入足底壓力測量技術。

2.1 鞋靴表面外觀設計及舒適度材料選擇

鞋面的剪裁方式需要根據鞋靴種類和功能需求進行選擇，例如運動鞋常采用有線縫制、逐塊拼接的方式，而休閑鞋則可以采用簡潔的流線型剪裁。本文設計的高舒適度鞋靴為休閑鞋，其鞋面的線條和面積分布對于整體外觀起著重要作用，應考慮與鞋型相匹配，遵循美學原則，營造出平衡和諧的視覺效果。鞋靴外觀設計情況如圖2 所示（圖片由筆者自繪）。

圖2 鞋靴外形設計情況

面料是鞋靴的重要設計要素，面料的選擇對于鞋靴的穿著舒適度有著重要影響?？椢镄婢哂辛己猛笟庑院褪孢m感，通?？梢愿鶕枰x擇不同質地的纖維材料，如棉、麻、聚酯纖維等。在制作過程中可以采用手工縫制、機器縫制、膠粘劑粘合等縫制工藝，以便嚴格控制裁剪和縫線的精度，確保鞋面的質量和強度。人造革和合成材料，如PU 革、PVC 等，具有豐富的質感和裝飾性，可以模擬天然皮革的外觀和觸感，同時易于加工和維護，常采用粘合工藝進行制作。天然皮革是高品質鞋面的常見選擇，具有優雅、舒適和耐久的特點，如牛皮革、小牛皮革、山羊皮革等。

面料的圖案、色彩對鞋靴的風格有重要影響，為了在保證設計鞋靴的舒適度的同時，保證鞋靴外形的美觀度，本文以人造皮革面料為基礎，再造調整了鞋靴外形面料。首先對面料的肌理進行設計，調整材料的觸覺肌理與視覺肌理。其次根據鞋靴設計的原料設計節奏與韻律，將原本普通的面料按照規律感再造調整為新型觸覺肌理面料，如圖3 所示。

圖3 鞋靴外形面料再造調整

由圖3 可知，再造調整鞋靴外形面料后，鞋靴的層次更明顯，空間塑造更完整，可以結合材料特點及相關的工藝要素進行動態調整，保證最終的鞋靴外形及舒適度設計效果。

鞋幫是鞋靴覆蓋足部上部和側部的部分，其設計需要考慮鞋靴外觀、透氣性、舒適度等方面。鞋幫的材料同樣可以選擇紡織品、人造革或者天然材料等，本文在鞋幫的材料選擇上結合人造革和紡織品，能夠保證鞋幫的柔軟舒適性及透氣性。

2.2 基于足底壓力測量技術設計高舒適度壓力分布鞋墊

足底壓力測量技術可以利用相關的傳感器判斷足底壓力的分布關系，提高鞋靴的舒適度。本文設計的方法根據人體的穿戴條件選擇PVDF 作為足底壓力測量傳感單元，設計了高舒適度壓力分布鞋墊。PVDF屬于高分子材料，可看成一個換能電容，其輸出電荷與應力變化關系如公式（1）所示。

式中：Q 為傳感應力輸出電荷量；d 為介電常數；F為垂直施加應力；A為有效感應面積。

根據上述傳感單元獲取到的傳感信息可以用來判斷人體裸足壓力的動態變化，按照人體足部力學特征可以描述動態傳感單元，劃分足底的各個解剖區域。此時設計的高舒適度壓力分布鞋墊的傳感單元分布如圖4 所示（圖片由筆者自繪）。

圖4 高舒適度壓力分布鞋墊傳感單元分布示意圖

由圖4 可知，在鞋靴舒適度設計的過程中，可以假設腳長度，設置最長腳趾與端點接觸的垂直線，此時上述的傳感單元可以按照腳長的10%、42%、70%分布。設計的高舒適度壓力分布鞋墊將傳感單元埋入鞋墊內部，設置保護壓電薄膜傳感單元，從而提高鞋墊的舒適度。

結合上述的測量技術可以對鞋靴的足底部分進行優化設計，根據鞋靴的實際使用要求，盡量避免選擇偏重的結構作為鞋靴底部，在保證鞋靴精巧的同時，還需要滿足鞋靴的保暖要求?？梢允褂米愕追p技術增加鞋靴的摩擦力，提高鞋靴的行走舒適度。鞋靴的鞋跟高度與形狀對鞋靴的舒適性也有重要影響，因此，可以從根本的加工制造工業入手，使用鞋幫面后翻縫制工藝增加鞋底的韌性。

3 實例分析

3.1 概況及準備

針對鞋靴外形及舒適度實例分析要求，本文選取FOOTSCAN 分析平臺作為實例分析平臺，設置了若干個鞋靴設計樣本。為了判斷不同設計型號鞋靴的足底壓力差值，本文還選取了硬度測試儀及天平。

本文預設了鞋靴基礎舒適度，調整鞋靴跟高至1.5～2.0cm 之間，試驗用鞋的跟高一致，材質不一致。測試者為處于平均體重、平均身高條件下的裸足健康測試者，保持習慣性站姿，調整足間距在40～60cm 之間，由受試者分別站在特征點為01（03）～14（16）的足底壓力測試板中，以平時勻速步態步行、跑步、跳躍等方式展開測試，判斷鞋靴的舒適度狀況，此時測試者的足底靜態分布關系如圖5 所示。

圖5 測試者足底靜態分布關系

由圖5 可知，根據上述的足底靜態分布關系，可以截取鞋靴在不同截點的舒適度變化情況，從而獲取準確的實例分析結果。

在裸足狀態下，各個受試者的足底壓力承載百分比如表1 所示。

表1 足底壓力承載百分比

由表1 可知，結合前述的足底壓力承載百分比可以對壓力數據進行進一步分析，從而獲取準確的實例分析結果。

3.2 應用效果與討論

使用本文方法設計得到的鞋靴，規劃若干個鞋靴足底特征點，測試足底各個特征點的壓力峰值，并將其與舒適度設計峰值[11]進行對比，實例分析結果如表2所示。

表2 實例分析結果

由表2 可知，本文提出的基于足底壓力測量技術的鞋靴外形及舒適度設計方法在不同運動姿態及足底各特征點下的足底壓力峰值符合設計舒適度峰值。證明本文設計的基于足底壓力測量技術的鞋靴外形及舒適度設計方法的設計效果較好，具有可靠性，有一定的應用價值。

4 結語

本文引入足底壓力測量技術，提出一種鞋靴外形及舒適度設計方法，保證其滿足足部健康發育以及足底壓力調節要求。實例分析結果表明，本文提出的鞋靴外形及舒適度設計方法的平均足底壓力峰值滿足舒適度要求，證明所提出的鞋靴外形及舒適度設計方法的設計效果較好。