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足底压力测量技术在鞋靴设计中的应用及进展

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防护装备技术研究 C。。。。h。i。。’n。。。a。。。。P。。。。e。。。。r。。s。o。。。an。。。。。。 l。。。P。。。。r。。。。o。。。te。。。c。。。。ti。。v。。。e。。。。。E 。。‘q 。。u ‘ipme—n—t 足底压力测量技术在鞋靴设计中的 应用及进展 费锐 弓太生 梁高勇 f1陕西科技大学资源与环境学院 陕西西安710021 2总后军需装备研究所北京 100010) 【摘要】足底压力测量技术是用来研究穿鞋状态下足一鞋界面压力分布的必要手段,对生物力学和临床医 学等的相关理论和技术都有着重要的作用,也为指导人们健康穿鞋与科学制鞋带来了科学理论依据。本文 概要地介绍足底压力测量技术发展历史及其在鞋靴设计领域中的应用方向。 【关键词】足底压力 压力分布 测力鞋 Application and Advances of Plantar Pressure Measurement in Shoes Design Fei Rui’ Gong Tai—sheng’Liang Gao-yong (1 Shaanxi University of Science&Technology,Shaanxi,Xian 71 0021 2 The Quartermaster Equipment Institute of the General Logistics Department,Beijing 1 0001 0) 【Abstract】The technology of plantar pressure measurement was necessary means which was used to study the pressure distribution between“feet to shoe”interfaces in condition of wearing shoes.It played an important role the theory and technology of sports and medicine filed,etc,and provided theory basis of guiding people wearing shoes healthy and scientific shoemaking.This paper briefly introduced the foot pressure measuring instruments history and application of shoe design field. 【Keywords】plantar pressure;pressure distribution;ergom shoes 1 足底压力测试发展概要及常 才真正快速发展.而应用于足底 形物质上留下的足印或痕迹.足 见测量仪器 的研究起步更晚些.到目前为止. 底各部位的压力大小只能根据变 1.1足底压力测量技术的发展 围内外已经进行了近30年的研 形物质的形变形态及深浅做出大 足底压力分布测量技术自 究.其发展技术经历足印技术、 致判断 Morton[2】是最早利用复印 1882年英国人Beelv率先开始研 足底压力扫描技术、力板与测力 技术记录足部压力分布的学者之 究.但当时的实验所得到的只是 台技术和压力鞋与鞋垫技术 一.他所设计的活动摄影机 足部的外形轮廓而非足底压力模 足印法又叫直接复印技术. (KiBetograph)技术利用橡胶的 式… 该技术在20世纪5O年代 是人足在石膏、泥、橡胶等易变 弹性把压力转换为一定比例的变 本论文由陕西科技大学研究生创新基金资助 2010年第5期中国个体防护装备11 防护装备技术研究 China Personal Protective Equipment 形.这一原理成了随后许多发展的基础 随后一 参数.不利于动态研究 且测力板只能测定足底压 些用于分析足部印痕的商业系统也陆续出现.如 力.不能评定足一鞋界面的受力情况 .如果测力板 MO0re商业公司生产的SHUTRAK系统、Fuji公司 面积较大则需传感器的数目众多.因此其造价昂 生产的PRESCALE系统.这些商业系统已广泛应 贵 著名的KISTLE(瑞士)压力板就是应用该技 用于矫形、治疗和生产假肢等领域 足底压力扫 术的商业测量系统.还有美同的AMTI测力台测量 描技术是在一块玻璃的两端安置光源.玻璃上放 置橡胶等弹性垫.当脚踩在弹性垫后.由于光在 玻璃内全反射.受乐的弹性垫即可在玻璃下产生 一清晰的足印象.影像的光强度正比于压力 脚 印法与直接压力扫描都足定性分析.足底受力的 大小只能根据图像的变化做大致的判定一脚印只 能记录足底的压力峰值.测不出瞬时压力.直接 形象化技术虽然可辨认高压力点.但灰度的均匀 变化很难肉眼分辨.足底受力的大小只能根据图 像的变化做大致的判断 测力板、测力台(冈1),压力鞋和鞋垫(图 2)则是在换能器、传感器基础上发展起来的测试 系统。测力板、测力台多采刖力一电转换技术.足 图1 板片式足底压力测量器 图2鞋垫式足底压力测量器 底压力被转换为方便测量的电信号.可得到相当精 确的结果,且能测量前后、左右及垂直方向上的三 维受力。由于测力板和测力台的面积有限.且具有 电延迟性.所以只能测定站立或者步行一步的压力 12 2010年第5期中国个体防护装备 系统 压力鞋和鞋垫则是将传感器安置在鞋和鞋垫 中.这就克服了测力板和测力台的不足.能实时测 量连续的步态压力分布 其所用传感器大致有两 类:压阻晶体及压电晶体 传感器有贴于鞋底的. 也有做出鞋垫置于鞋内的.还有直接做出成鞋鞋底L4j 、 研究人员为了对进行日常活动的实验对象的足部载 荷力I1以记录.设计了嵌入鞋内垫的压力转换装置 鞋内 测量可以对足部与鞋的接触反应做出评价. 对设计具有特殊功能的鞋类有重要指导意义 更重 要的是.鞋内垫装置可以连续记录行进中的足部 压力.而压力板只能记录其中的一个步态时相 另一类可获得连续足底压力分布的方法是用附着 于足底的压力转换垫片进行测量 Schwarts和 Heath F5]利用这一思想设计出一个具有l2个压力传 感碟片的系统.压力传感碟片被附着在大趾、第 一、第三和第五跖骨前端.以及跟骨的巾部和后 部.并用导线连接到电流计.给出有12个通道的 与时间相关的压力曲线 以上4类测量系统并不 能完全包括所有足部测量技术.但它可以作为各 种方法比较的基础 从国内外近些年的研究成果 来看,美围TekscaI1公司的F~Scan测力鞋垫系统、 德国N0vel公司的Emed测力板系统和Pedar测力 鞋垫系统和比利时的RS—scan系统进行的研究相 对较为广泛 表1为3种品牌鞋垫测力系统的性 能指标及相应比较 表1 3种鞋垫测力系统性能比较表[。 Novel Pedar-X RS-Scan F-Scan 最大采样频率 100Hz 400Hz l65Hz 数据采集时间 无限 8s 无限 传感器密度 高 高 一 局 定标方法 复杂 简单 简单 鞋垫可重复使用 重复使用 重复使用 一次或几次 使用范围 速度较慢、时 速度较快、时 速度适中、时 间较长 间较短 间适中 产地 德国 比利时 美国 防护装备技术研究 C。 —h——i ——n—a———— P’。。。er。。。。s。o。。n 。。a。 l————P————ro——。。te。。c 。。。ti。v。。。。e。。‘E。‘ —q— u。’’ip 。。m。。。 e。。n—t— 鸯 1.2足底压力测量技术的应用 随着足底压力测量技术的快速发展与广泛应 在这方面的研究取得了不少成果.主要集中在运动 量不仅可以对足疾进行诊断分析.而且可以比较准 “鞋设计与运动医学”作了专题报告.指出目前 市场上的健身鞋(垫)的设计和开发几乎都离不 生物力学设计进行研究发现.鞋底有13个凸起 用.以及先进测试系统在国内的引进.国内近些年 开足底压力测量 G.Brizuela ̄9 7等对足球鞋的鞋底 生物力学步态研究和临床步态研究上 足底压力测 在提高成绩和防护方面的效果优于鞋底有15和 l4个凸起 Shorten ]将足底压力分布数据应用于 确地判定足部手术效果 足底压力测量技术对足部 疾病的诊断和治疗已比较成熟.一些常见的足部畸 形,如马蹄足、高弓足、扁平足等,其足压力分布 均有其规律性的特征7l 足底压力测量技术的应 用.促进了临床生物力学的发展.在临床生物力学 领域.步分析是诊断病因及评价康复的重要手段. 并能有效地鉴定肢的安装质量和帮助肢残人步行 A 。l IU;等对置假肢者的步态研究后指出从足底压 力研究中获得的信息与数据.对掌握假肢在解剖学 和生物力学意义上的足底负荷特征带来帮助.有利 于假肢设计的科学性 足一鞋界压力分布与特征研究.在揭示人体足 鞋状态下的足底压力分布特征与模式的同时.也为 制鞋工业带来了技术支持 目前.很多健身鞋.减 肥鞋都是在部分研究成果下产生.还有很多保健鞋 垫都是足底压力测量技术运用和研究的结果。世界 上的著名运动鞋品牌.如Nike.Adidas都有自己专 门的研究机构.在设计、开发产品时对其进行运动 学和动力学测试 2足底压力测量技术在鞋靴领域中的应用 鞋是人类生活中不可或缺的日常用品.它与人 的健康息息相关 早在几百年前的欧洲,制鞋业者 就被誉为“膝盖以下的外科医生” 足底压力的分 布早已被用于鞋靴的设计与开发、鞋垫的设计与开 放、脚支撑的研制与开发、矫形鞋的设计和优化相 关设计等很多方面 2.1在各类运动鞋设计中的应用 世界著名的运动鞋品牌.都有专门的生物力 学研究机构,在设计、开发专项运动鞋和个性化 运动鞋时进行运动学、动力学和形态学的测试。 Nike公司运动研究实验室创始人Frederica博士领 导的足履生物力学研究曾获奥林匹克奖 国际运 动医学会Kai—Ming Chan教授在2004年 “藉科学技术之力.促鞋新产品开发”工作坊就 运动鞋设计中去 陆毅琛ll6]等对穿运动鞋时足底 压力的分布测量.揭示了现代运动鞋缓冲振动的 基本力学特征 2.2在各类功能鞋设计中的应用 M.J.Mueller E11]等对糖尿病和截肢患者穿着 的6种不同鞋子.鞋底压力分布的影响效果进行 了研究.指出了能够降低峰值的鞋具:中国学者 张伟等l']提出.站立和行走时.作用于拇趾矢状 面方向的力可能与拇趾外翻的形成有关.当作用 于拇趾矢状面方向力一定时.使拇趾外翻的力随 拇趾轴线与矢状面的夹角的增大而增大.使第一 跖骨头内移的力随矢状面与拇趾轴线夹角、拇趾 外翻角的增大而增大 因此.在设计矫形鞋等易 使拇趾外翻的力和第一跖骨头内翻的力加大的鞋 靴时.要特别注意 2.3在鞋大底设计方面的应用 2.3.1鞋跟 Sato H等通过对高跟鞋、运动鞋、平跟鞋的对 比研究发现f13].增加鞋后跟的高度.将导致步幅减 小等一系列力学指标的变化 De Cock等lI4j通过对 l8~30岁穿不同高跟鞋的女性正常行走步态的足底 压力进行研究认为.女性穿高跟鞋行走时.支撑其 足前掌的负重时间延长.但这种变化似乎与鞋跟高 度没有直接的联系 当鞋后跟高度超过3.12em时. 足后跟的负重时间开始缩短.与裸足状态下第五跖 骨端峰值压强相比.随着鞋跟的增粗增大.第五跖 骨端的压强明显降低 跟骨中部的压强峰值在裸足 状态下最早出现.并随后跟的增高而延迟出现 Joanne R.E.ElSj等通过对不同高度鞋跟进行对比研 究结论是.鞋后跟高度是导致足底压力及其分布产 生变化的主要原因.鞋跟高度和粗细对足底压力分 布具有重要影响,因此.鞋跟设计是鞋设计中不容 忽视的重要因素.是鞋设计中不容忽视的重要因 素.而这恰恰容易被鞋设计者所忽略 2010年第5期中国个体防护装备13 琶 C。防护装备技术研究 。。hi na‘。P。’erso。n。a 。。l Pr‘‘o。t。e。c tive 。 。E’ qui 。p。me —n—t 国内一些学者就鞋跟高度也有一些研究..王立 静态和动态足底压力特征,引入了时间概念、足 平等对青年女性行走过程中。裸足、平底鞋、中跟 底压力和步态特征分析、足底各区域压力分布分 鞋和高跟鞋行了全足底压力分布研究 .发现:穿 析、特殊人群和特殊环境等.为制鞋丁业提供了 高跟鞋行走时足前掌受力明显增加.足跟受力减 技术支持。但各项研究的系统性和深人性还不够. 小:足底受力面积随鞋跟的增高而减小,鞋跟高度 尤其是足底压力测量技术各项指标在制鞋工业中 对足前区和足中区受力面积影响较大:足前掌内侧 的具体应用研究还不多.在这方面还有很多课题 跖骨区和大拇趾区的受力随鞋跟增高而增大.而外 值得研究 侧跖骨区明显减小.足底压力中心前移.位移距离 明显缩短:步频明显降低.支撑时间增加,步态周 期和双肢负重时间随鞋跟增高而增加 2.3.2鞋底花纹 方廷I7j在他的研究中提到鞋底的周边(后跟、 中腰、前掌)向内10~15mm是受到摩擦最多的部 参考文献 [1]Elftman Ho.A cinematic study of the distribution of pres— sure in the human foot Anat.Record,1 934;59:48 1. [2 1 Morton D1.Structural factors in static disorders of the foOt AmJ Surg,1930;19:315 [3]Cavanagh PR,Hewitt JR J E,et a1.Inshoe plantar pres— sure measurement.Foot,1985,2:185. 位.但该处的受磨程度小于鞋头和后跟.由于传统 波浪纹作为大底花纹具备良好的止滑性和耐磨性. [4]Neptune RR,Zajac FE,Kautz SA.Muscle force redis— tibutes sregmental power for body progress ion during walking.Gait Posture 2004;19:194~205. 过分细密的网球鞋底花纹易磨损。因此可将大底花 纹设计成传统波浪纹 2。4其他方面应用 [5]Schwartz RP,Heath AL.A Quantitative Analysis of Recorded Variables in the Walking Pattern of‘‘Normal” Yamada+i81初步对鞋和鞋垫的各种材料降低糖 尿病人足底压力的有效性进行了研究:Mcpoi ]则 Adults.J Bone Jt Surg.1 964;46:324—334 [6]于宁,毛德伟,洪友廉足底压力测量仪器的性能及在 运动生物力学研究领域的应用 ].沈阳体育学院学报, 2007,26(6):60-62. 对行走时.鞋垫材料足底受力和压力的影响效果进 行了研究 蔡宁辉 研究证实将足底压力分布测 量、鞋底材料压缩测试及鞋内底曲线吻合度的方法 相结合.不仅可以定量地分析慢跑鞋在不同运动速 [7]刘金祥,王军,黄耀添先天性马蹄内翻足术后远期足底 压应力分析LJ J.中华小儿外科杂志,1996,17(2):1 12 [8]Axd Hillmann,Dieter Rosenbaum,wjn fried Winkel~ mann.Plantar and dorsal foot loading measurements in pa- tients after rotationplasty.Clinical Biomechanics 200(3.1 5: 359-364. 度下的缓冲减震功能.得出影响慢跑鞋鞋底功能的 本质因素.而且是分析慢跑鞋缓冲减震的有效方 法 胡小春 -】等提}』J一种基于足部压力分布的个 性化鞋楦设计方法 利用足部压力数据构建了放映 [9]Brizuela G.Biomechanical design of football boots?:effect of studs on performance and injury[EB/OL].Prevention. 足底压力分布的二三维鞋楦底面.结合足部与鞋楦之 间的关系完成了从足部到鞋楦的数据转换 但该模 型在快速修改、模型完善等方面还有一点缺陷。 3结束语 足底压力分布测试可以从时间、空间上量化足 的运动,精确反应受试者脚底、鞋底的受力变化情 [1O]Shorten M.Application of plantar distirbution data tO ath— letic footwear design[C].Emed Scientiifc Meeting Con~ ference Proceedings.I 991. [11]MueHer M J,et la Effect of six types offootwear on peak plantar pressures in patients with diabetes trans metatarsal amputation[c].Fifth Emed User Meeting Proceedings, 1996. 况,因此对一些扁平足和高弓足等足部有疾病的人 群.还有针对老年人步态不稳等特点.可以提供个 [12]张伟.足底压力分析在足部疾病中的应用[J].中国矫形 外科杂志,1998, (3):257—258. 性化矫正建议.从而为他们提供个性化鞋靴、三维 [13]Sato H,Sako H,Sato A,Takahashi T Gait patterns of 鞋垫等产品的制作方案 从上述研究可以看出.关于人体足底压力的各 项研究逐步深入.指标和内容也不断深入 涉及了 14 2010年第5期中国个体防护装备 young Japanese women.J Hum Ergol 199 I.20:85~88. [1 4]A.De Cock,D De Clercq,T.Willems,E.Witvrouw. Temporal characteristics of foot rollover during barefoot 一安一 C’ h— i ’n’a。’。 P、 —’e’’r—s—o 。’n ’ a 。。—l’P —’ r o’— 。te。’c’。 ti’。v。。 。。e 。 E。 ’q。’。u。。i。。p。。。。m’。。。e。n——t 防护装备技术研究 jogging:reference data for young adult.Gait Posmre 2005; 21(4)432-439. 一堡 栏一 materials in reducing pressures in diabeticsa pilot study. Emed Scientiic Meetfing Proceedings,1 992. [1 5]Joanne R.Eisenhardt et al,Changes in temporal gait characteristics and pressure distribution for bare feet versus 『19]N yska M.The effect of出e shoe on foot pressure.Emed Scientiic Meetifng Proceedings,1 992 various heel heights.Gait&Posture 1 996(4)280—286. [20]蔡宇辉.慢跑鞋缓冲减震功能的对比研究[D],北京:北 京师范大学论文.2007. [21] 胡小春,施豪亮,万孝军.基于足部压力分布的个性化 鞋楦CAD研究[J].轻工机械,2009,27(4):43—39. [22] de Lateur gJ,Giaconi RM,et at Footwear and posture: compensatory strategies for heel height.Am J Phys Med Rehabil 1991,70(5):246—254. *[16]李建设,王立平.足底压力测量技术在生物力学研究q- 的应用与进展【I].北京体育大学学报,2005,28 (2):191—193. [17]方延.鞋底压力在运动鞋设计中的分析研究[D],湖北: 湖北工业大学论文.2009. [1 8]Yamada W.The effectiveness of shoewear and insoles ~一一-4-一一…4-.4-一~一4-一4-一一一一-4-4-一~一-4-*—十一 4--— -— 一一+一+一十--I---+一-— _+ .重视职工劳动保护确保企业持续发展 239300) 要的劳动保护投人.是企业必须 唐宗礼 (江苏油田安徽采油厂 天长市目前已有很多企业逐渐重视 害比较严重的岗位也难以做到 了职业安全健康工作.表现之一 按规定进行定期健康体检:有 承担的义务.同时是企业长久收 是把职工健康体检由过去的两年 的企业把职工的劳保用品一减 益的举措 一次调整为每年一次.虽然增加 再减.标准一降再降.就连日 为持续地、更好地发展, 企 了一笔当期成本费用.但由于职 常工作中使用的毛巾、手套数 业要严格遵守劳动保规.把 工身体疾患得到了早期发现和及 量也是逐年递减.劳保服装的 劳保费用纳人生产成本预算. 按 时治疗.职工队伍的总体健康水 质量越来越差.很难起到劳动 照规定的比例进行提取.确保j 平得到了保证.既能够提高职工 保护作用 的出勤率.也能够减少职工医疗 款专用:要对劳动保护项目进行 这些企业目光短浅、急功近 充分论证.把劳动保护工作计划j 开支.同时还有利于增强企业的 利.只看到劳动保护方面投入的 提交职工代表大会进行审议蠢形 凝聚力.有效调动职工的生产积 经费.看不到劳动保护与企业经 成规范的制度文件并严格执行: 极性 虽然职工体检增加了看得 济效益、职工积极性发挥方面的 要加强对劳动保护工作的监督- 见的管理成本.但同时创造了大 内在联系。比较一下.如果因为 加强对劳动保护费用的定期审计・ 量看不见的远期效益 由此可 节省了劳动防护用品而导致事故 对劳动保护用品采购进行公开招 见.劳动保护费用不仅不能省. 发生.所给企业造成的损失和给 投标.确保有限的劳保费用发挥 而且还要逐年增加 职工个人带来的伤痛.孰轻孰 最大的效用:要注重加强劳动保 但还有一些企业在节省开 重.不言而喻。 护工作的研讨.经常听取职工群 支、降低成本的借口下,职工 开展正常体检和各种职业病 众对劳动保护工作的意见和建议 体检几年才组织一次.且检查 的及早有效预防.按照国家职业 不断改进措施,持续改善条件, 项目较少.即使对那些职业危 安全健康工作要求进行相应的必 确保职工群众的职业健康安全。。 2010年第5期中国个体防护装备15 

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