耐力跑鞋大底跟部结构设计方法和耐力跑鞋大底跟部结构
阅读说明：本技术 耐力跑鞋大底跟部结构设计方法和耐力跑鞋大底跟部结构 (Design method of heel part structure of large sole of endurance running shoe and heel part structure of large sole of endurance running shoe ) 是由 范毅方 余根宇 黄国豪 范雨轩 刘雅铭 于 2021-06-29 设计创作，主要内容包括：本发明涉及运动鞋设计方法技术领域,特别涉及一种耐力跑鞋大底跟部结构设计方法和耐力跑鞋大底跟部结构,所述耐力跑鞋大底跟部结构设计方法,包括步骤：S1、所述鞋大底跟部对应足跟骨和距骨所构成的后跟部区域；根据人体足部解剖特征以及人体日常基本站立、行走和耐力跑的活动需求将鞋大底跟部划分为三个区域；S2、在所述鞋大底跟部外侧前区域和鞋大底跟部外侧后区域分别设置相互独立且不同形状的防滑纹路。本发明的有益效果在于：通过对耐力跑鞋大底跟部按照人体足部解剖特征和人体日常基本站立、行走和耐力跑的活动需求进行分区,并在不同的分区设置不同形状的防滑纹路以应对不同运动的需求。(The invention relates to the technical field of sports shoe design methods, in particular to a design method of a heel part structure of an upper sole of a endurance running shoe and the heel part structure of the upper sole of the endurance running shoe, wherein the design method of the heel part structure of the upper sole of the endurance running shoe comprises the following steps: s1, the heel part of the outsole corresponds to a heel part area formed by a heel bone and a talus; dividing the heel part of the outsole into three areas according to the anatomical features of the human foot and the daily activity requirements of basic standing, walking and endurance running of the human body; s2, anti-skid grains which are independent and different in shape are respectively arranged in the front area of the outer side of the heel part of the outsole and the rear area of the outer side of the heel part of the outsole. The invention has the beneficial effects that: the heel part of the big sole of the endurance running shoe is partitioned according to the anatomical characteristics of the foot of a human body and the activity requirements of daily basic standing, walking and endurance running of the human body, and anti-skid grains with different shapes are arranged in different partitions to meet the requirements of different sports.)
技术领域
本发明涉及运动鞋设计方法技术领域，特别涉及一种耐力跑鞋大底跟部结构设计方法和耐力跑鞋大底跟部结构。
背景技术
3.8亿万年前的希望螈(Elpistostege)化石表明，四足动物在登陆前，一系列过渡性的四肢结构已经形成，如前足的肱骨、桡骨、尺骨和指骨(Cloutier,et al.,2020)。结构与功能是相互统一的，结构的改变是为了更好地发挥功能，从结果而言，对特定功能的需求也引导结构的不断优化。足弓是人类特有的足部结构，而耐力跑则是人类演化过程中的重要功能(Bramble et al.,2004)。耐力跑的化石证据至少可追溯到距今200万年(Cortright,1991)。耐力跑使狩猎成为人类祖先的一项社会活动，通过集体狩猎，人类最终征服世界、走向文明。150万前的足印迹化石表明肯尼亚的伊莱雷特人(Bennett,et al.,2009)的足与现今长期赤足或穿着简易的鞋的人的非常相似的。这暗示着，至少在200万年前(Day et al.,1964)，足弓结构已经基本成型，这为适应耐力跑提供了条件。
现如今，人们不再为了生存而跑步，耐力跑成为了深受大众喜爱的健身方式之一。据《2014年全民健身活动状况调查公报》显示，跑步是国民参与锻炼最常选择的运动项目之一。《2019年中国跑步服务行业报告》统计，我国大众跑者大约为3亿；核心跑者大约为1亿。但大众跑者损伤率约为28％，而核心跑者中马拉松参赛者的损伤率超过90％。下肢最常见的受伤部位是膝盖，其次是小腿和脚。损伤率居高不下的原因何在？或许我们能够从跑步的落地方式上找到答案。超过90％的耐力跑者在跑步过程中采用足跟落地的方式。
2010年，Lieberman团队通过对比穿着传统跑鞋的跑者和习惯赤脚跑者跑步时的落地方式以及下肢生物力学差异，发现：赤足跑时，人们更倾向于采用前脚落地。前脚落地时脚部更弯曲，落地时脚踝的顺应性更强，从而减少了身体与地面碰撞时的有效质量，更有利于保护下肢，尤其是膝关节免受一些与冲击有关的伤害。而穿鞋跑时，我们的落地方式发生改变——从前脚落地转变为后脚落地。因为鞋跟部的缓冲功能会在足跟落地时带来舒适感，但足跟落地方式可能导致足横弓的工效不能充分发挥，只能通过“屈膝”的方式进行缓冲，这会导致大、小腿之间做明显的折叠运动。这种折叠运动将使半月板受到周期性的搓揉，由此造成膝关节半月板的损伤。
跑鞋，尤其是鞋跟部的设计对跑步时落地方式的影响是巨大的。目前市面上的跑鞋跟部过度注重缓冲减震，虽然给跑者带来舒适感，但过度的减震的代价是落地瞬间稳定性的牺牲以及落地方式的改变，随之而来的就是膝踝关节损伤的增加。因此，鞋跟部设计应与合适的落地方式相匹配，帮助跑者维持正确跑态，减少运动损伤。
耐力跑鞋大底跟部结构设计还离不开防滑纹路的布局。防滑纹路的设计应与跑鞋的发挥功能相匹配，如耐力跑以及日常行走和站立等活动需求。跟腱的三股螺旋的胶原蛋白分子通过间隙连接方式，把能量通过侧连的弹性元件储存为弹性势能。将胶原蛋白的三股螺旋结构引入耐力跑鞋大底的鞋跟区域的结构设计也许能作为仿生结构增强鞋底的防滑耐磨等特性。
随着耐力跑人群的不断增加，以及对运动装备保护性能需求的日益增加，对耐力跑鞋跟部区域的结构设计亟待革新。正确分解耐力跑过程中，足后跟所受到的地面反作用力，设计达到防滑、耐磨的工效的纹路是必须解决的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：目前市场上的跑鞋过度注重缓冲减震，没有在鞋跟区域设计与运动功能相匹配的纹路以及纹路设置与足后跟所受到的力的方向不完全匹配。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种耐力跑鞋大底跟部结构设计方法，包括步骤：
S1、所述鞋大底跟部对应足跟骨和距骨所构成的后跟部区域；根据人体足部解剖特征以及人体日常基本站立、行走和耐力跑的活动需求将鞋大底跟部划分为三个区域，包括如下：
跟骨小结节、跟骨载距突以及跟骨底部内侧突构成的三角区域对应鞋大底跟部内侧区域；
跟骨小结节到跟骨底部外侧突前方对应鞋大底跟部外侧前区域；
而跟骨底部外侧突对应鞋大底跟部外侧后区域；
在采用最佳工效的外侧弓落地方式进行耐力跑时，鞋跟部落地区域为鞋大底跟部外侧前区域；
在日常生活中，运动鞋还需要满足站立、行走等身体活动需求，鞋跟部落地区域为鞋大底跟部外侧后区域；
S2、在所述鞋大底跟部外侧前区域和鞋大底跟部外侧后区域分别设置相互独立且不同形状的防滑纹路。
本发明提供的另一技术方案为：提供一种耐力跑鞋大底跟部结构，采用上述耐力跑鞋大底跟部结构设计方法制作而成。
本发明的有益效果在于：本发明提供一种耐力跑的鞋大底跟部结构设计方法及跟部结构，通过对耐力跑鞋大底跟部按照人体足部解剖特征和人体日常基本站立、行走和耐力跑的活动需求进行分区，并在不同的分区设置不同形状的防滑纹路以应对不同运动的需求，在站立、行走和耐力跑过程中，为跑者足部提供自然的支撑、缓冲、防滑等效果。
附图说明
图1为本发明中实施例一外侧弓落地方式下触地阶段鞋大底跟部的等效应力分布；
图2为本发明中实施例一外侧弓落地方式下触地阶段鞋大底跟部的等效应变；
图3为本发明中实施例一外侧弓落地方式下触地阶段鞋大底跟部的总形变；
图4为本发明中实施例一耐力跑的鞋大底跟部结构的结构示意图；
图5为本发明中实施例一耐力跑的鞋大底跟部结构的仰视图；
图6为本发明中实施例一耐力跑的鞋大底跟部结构的右视图；
图7为本发明中实施例一耐力跑的鞋大底跟部结构的左视图；
图8为本发明中实施例一耐力跑的鞋大底跟部结构的前视图；
图9为本发明中实施例一耐力跑的鞋大底跟部结构的后视图；
标号说明：
11、第一部件；12、第二部件；13、点状镂空。
具体实施方式
为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。
本发明提供一种耐力跑鞋大底跟部结构设计方法，包括步骤：
S1、所述鞋大底跟部对应足跟骨和距骨所构成的后跟部区域；根据人体足部解剖特征以及人体日常基本站立、行走和耐力跑的活动需求将鞋大底跟部划分为三个区域，包括如下：
跟骨小结节、跟骨载距突以及跟骨底部内侧突构成的三角区域对应鞋大底跟部内侧区域；
跟骨小结节到跟骨底部外侧突前方对应鞋大底跟部外侧前区域；
而跟骨底部外侧突对应鞋大底跟部外侧后区域；
在采用最佳工效的外侧弓落地方式进行耐力跑时，鞋跟部落地区域为鞋大底跟部外侧前区域；
在日常生活中，运动鞋还需要满足站立、行走等身体活动需求，鞋跟部落地区域为鞋大底跟部外侧后区域；
S2、在所述鞋大底跟部外侧前区域和鞋大底跟部外侧后区域分别设置相互独立且不同形状的防滑纹路。
由上述描述可知，本发明的有益效果在于：本发明提供一种耐力跑的鞋大底跟部结构设计方法及跟部结构，通过对耐力跑鞋大底跟部按照人体足部解剖特征和人体日常基本站立、行走和耐力跑的活动需求进行分区，并在不同的分区设置不同形状的防滑纹路以应对不同运动的需求，在站立、行走和耐力跑过程中，为跑者足部提供自然的支撑、缓冲、防滑等效果。
优选的，上述耐力跑鞋大底跟部结构设计方法中，所述防滑纹路为基体或三股螺旋纹路组成；
所述基体的制备方法为：选择三颗相等的球体，并将所述球体两两相互重合20％的直径组成基体，所述球体的直径分别为1.5mm、2mm、2.5mm、3mm或3.5mm；
所述三股螺旋纹路的制备方法为：将单个所述基体复制十一次，并依次转动30°之后移动至与上一个所述基体相交20％直径的位置，构成三股螺旋纹路。
由上述描述可知，采用三球体组成基体的结构，使得基体满足平行排列就可以在三个方向上产生工效，达到减震和防滑的效果；同时将多个基体以旋转并平移的方式构成三股螺旋结构，再采用该结构构成的防滑纹路不仅能够在前后左右方向上都发挥摩擦工效，提供缓冲、支撑、推动和分散冲击力的效果，还可根据垂直方向上的力对该三股螺旋结构的轴向上的高低进行适应性的变化。
优选的，上述耐力跑鞋大底跟部结构设计方法中，所述步骤S2具体为：
在所述鞋大底跟部外侧前区域和所述鞋大底跟部外侧后区域分别制作相互独立且由不同形状的所述防滑纹路构成的第一部件和第二部件，所述第二部件防滑纹路为三股螺旋纹路。
由上述描述可知，根据足底压力测量结果得到在鞋大底跟部的主要受力区域：即跟部外侧前区域和外侧后区域，并分别在这两个个区域制作由不同形状的防滑纹路构成的第一部件、和第二部件，而在几乎不承力的跟部内侧区域制作由非防滑纹路构成的第三部件，保证了人体运动工效有效发挥的同时，节省了材料。
优选的，上述耐力跑鞋大底跟部结构设计方法中，所述步骤S2中制作所述第一部件具体为：
沿着所述鞋大底跟部外侧前区域的弧形边缘由外而内相互平行且按照3mm间隔依次设置第一弧形、第二弧形和第三弧形，以形成第一部件，所述第一弧形采用四个2.5mm所述基体间隔组成，所述第二弧形采用三个2.5mm胶原分子单体和三个2.5mm胶原分子双体间隔组成，所述第三弧形采用八个2.5mm所述基体构成。
由上述描述可知，外侧前区域采用三组不同球体直径的基体平行排列形成的梯度结构，能在耐力跑过程中，提供减震的同时迫使跑者的足弓从外侧向内侧转动，提升足部转动的工效。
优选的，上述耐力跑鞋大底跟部结构设计方法中，所述步骤S2中制作所述第二部件具体为：
在所述鞋大底跟部外侧后区域上沿其外侧边弧度的方向平行且按照3mm间隔依次分布3条所述三股螺旋纹路以形成第二部件。
由上述描述可知，第二部件中的三条三股螺旋纹路防滑纹路设计，可以有效提升足部的力感。在站立和行走过程中，鞋底的摩擦力向前，并且大部分人的足部具有5-15°的外翻，防滑纹路与摩擦力方向垂直可以最大效度的发挥工效，达到增大摩擦，提供防滑的效果。
优选的，上述耐力跑鞋大底跟部结构设计方法中，所述步骤S2之后还包括步骤：
S3、在所述鞋大底跟部内侧区域设计点阵状镂空，点阵间隔为5mm，镂空位置与第一、二部件不发生重合。
由上述描述可知，根据足底压力测量结果得到内侧区域部分几乎不承力，在此区域设计点状镂空，既能有效节省材料，减轻鞋底的重量，又能提升鞋底的透气性。
优选的，上述耐力跑鞋大底跟部结构设计方法中，所述第一部件和所述第二部件采用两种材质制成。
由上述描述可知，第一部件和第二部件采用两种材质制成，可以保证满足减震和防滑两种基本功能。
本发明提供的另一技术方案为：提供一种耐力跑鞋大底跟部结构，采用上述耐力跑鞋大底跟部结构设计方法制作而成。
请参照图1至图3，本发明的实施例一为：
一种耐力跑的鞋大底跟部结构设计方法，包括步骤：
S1、根据人体足部解剖特征以及人体日常基本站立、行走和耐力跑的活动需求将鞋大底跟部划分为三个区域：
大底跟部主要对应足跟骨和距骨所构成的后跟部区域。跟骨小结节、跟骨载距突以及跟骨底部内侧突构成的三角区域对应鞋大底跟部内侧区域；跟骨小结节到跟骨底部外侧突前方对应大底跟部外侧前区域；而跟骨底部外侧突对应大底跟部外侧后区域。在采用最佳工效的外侧弓落地方式进行耐力跑时，鞋跟部落地区域主要为大底跟部外侧前区域。而在日常生活中，运动鞋还需要满足站立、行走等身体活动需求，鞋跟部落地区域主要为大底跟部外侧后区域；
S2、在所述外侧前区域和所述外侧后区域分别设置相互独立且不同形状的防滑纹路。
本实施例通过采集受试者赤脚与穿鞋状态下跑步的足底压力数据，并根据转动顺序建立步态动力学方程，建立诊断和分析穿鞋步态评价的方法；同时基于从未穿鞋跑步的足弓建立有限元模型，探究不同足的落地方式下的应力分布结果，通过招募承试人，训练其落地方式并验证有限元模型结果，得出外侧弓的落地方式具有最佳的工效。即在本实施例中，以最佳工效的外侧弓落地方式为依据，将鞋大底跟部分为三个区域：跟部外侧前区域、跟部外侧后区域和跟部内侧区域，并在不同的分区设置不同形状的防滑纹路以在满足不同的运动需求。
在其他等同实施例中，每个区域的防滑纹路可具体根据每个人的运动实际需求设计，同时，作为一种优选实施方式，鞋大底跟部的功能分区也可以依据每个人耐力跑过程中的足底压力测量结果进行个性化设计。
其中，在本实施例中，步骤S1和步骤S2之间还包括步骤：
S11、选择三颗相等的球体，并将所述球体两两相互重合20％的直径组成基体，所述球体的直径分别为1.5mm、2mm、2.5mm、3mm或3.5mm。
S12、将单个所述基体复制十一次，并依次转动30°之后移动至与上一个所述基体相交20％直径的位置，构成三股螺旋纹路。
S13、采用所述基体或所述三股螺旋纹路构成不同形状的所述防滑纹路。
由上述描述可知，采用三球体组成基体的结构，使得基体满足平行排列就可以在三个方向上产生工效，达到减震和防滑的效果；同时将多个基体以旋转并平移的方式构成三股螺旋结构，再采用该结构构成的防滑纹路不仅能够在前后左右方向上都发挥摩擦工效，提供缓冲、支撑、推动和分散冲击力的效果，还可根据垂直方向上的力对该三股螺旋结构的轴向上的高低进行适应性的变化，同时还能节省材料。
为了验证本实施例的实际工效，本实施例还建立了鞋底的有限元模型，根据足底压力测量数据建立边界条件设定，探究不同足的落地方式下的应力分布结果。由于有限元不仅计算精度高，而且能应对足弓这一复杂结构在跑步时不同落地方式的工效问题，通过对进行鞋大底跟部在外侧弓落地方式下触地阶段的有限元分析，得到如图1至图3所示的结果，应力主要出现在大底跟部外侧区域，尤其是跟部外侧前区域，即验证了本实施例中的中对鞋大底跟部的分区能完美适配了外侧弓落地方式中的鞋跟部的实际应力分布以及应力变化。由图1至图3中可以看出，大部分防滑纹路的颜色较深，故而得到防滑纹路也为应力较大的区域，即防滑纹路在触地阶段下在鞋跟外侧前区域的应力峰值，表明防滑纹路充分发挥了工效。
请参照图4至图9，本发明的实施例二为：在上述实施例一的基础上，如图4所示，本实施例的一种耐力跑的鞋大底跟部结构设计方法的步骤S2具体为：在跟部外侧前区域和跟部外侧后区域分别制作相互独立且由不同形状的防滑纹路构成的第一部件11和第二部件12。
其中，如图4、图5、图6、图7、图8和图9所示，制作第一部件11具体为：
沿着所述跟部外侧区域的弧形边缘由外而内相互平行且按照3mm间隔依次设置第一弧形、第二弧形和第三弧形，以形成第一部件，所述第一弧形、所述第二弧形和所述第三弧形分别为采用四个2.5mm所述基体、三个2.5mm胶原分子单体和三个2.5mm胶原分子双体以及八个2.5mm所述基体构成。
即在本实施例中，外侧前区域采用三组不同球体组合平行排列形成的梯度结构，能在耐力跑过程中，提供支撑的同时迫使跑者的足弓从外侧向内侧转动，提升足部转动的工效。
其中，如图4、图5、图6、图7和图9所示，制作第二部件12具体为：
在所述跟部外侧后区域上沿所述后区域的外侧边弧度的方向平行且按照3mm间隔依次分布3条所述三股螺旋纹路以形成第二部件；
即在本实施例中，第二部件中的三条三股螺旋纹路防滑纹路设计，可以有效提升足部的力感。在站立和行走过程中，鞋底的摩擦力向前，并且大部分人的足部具有5-15°的外翻，防滑纹路与摩擦力方向垂直可以最大效度的发挥工效，达到增大摩擦，提供稳定支撑的效果。
其中，第一部件11和第二部件12采用两种材质制成。即在本实施例中，第一部件11和第二部件12采用两种材质制成，可以保证满足防滑和减震两种基本功能。第一部件11采用减震用的橡塑合用材料，而第二部件采用以防滑为主的橡胶材料制成。在满足外侧弓落地时的减震需求同时，也满足站立和步行时的防滑需求。
请参照图4、图5及图9，本发明的实施例三为：
在上述实施例一或实施例二任意实施例的基础上，本实施例的一种耐力跑的鞋大底跟部结构设计方法的步骤S2之后还包括步骤：
S3、在所述的鞋大底跟部内侧区域设计点阵状镂空13，点阵间隔为5mm，镂空位置与第一、二部件不发生重合。
即在本实施例中，在此区域设计点状镂空13结构，既能有效节省材料，减轻鞋底的重量，又能提升鞋底的透气性。在其他等同实施例中，点状镂空可以根据实际需求及鞋大底跟部的底部弧度调整疏密程度，或者替换其他材料，在省材和强度之间形成平衡关系。
本发明的实施例四为：
采用上述实施例一至实施例三中任一实施例的一种耐力跑的鞋大底跟部结构的设计方法，制作得到一种耐力跑的鞋大底跟部结构。
综上所述，本发明提供的一种耐力跑的鞋大底跟部结构设计方法及跟部结构，通过对耐力跑鞋大底跟部按照人体足部解剖特征以及人体日常基本站立、行走和耐力跑的活动需求将鞋大底跟部分区得到跟部外侧前区域、跟部外侧后区域和跟部内侧区域这三个区域，能在耐力跑过程中，为跑者足部提供自然的缓冲、支撑等效果，有效提升耐力跑的人体运动工效。其中，在主要受力区域，即跟部外侧前区域和跟部外侧后区域设置由不同形状的防滑纹路构成的第一部件和第二部件，防滑纹路具体为采用胶原分子球体构成的不同形状，其中第一部件采用三组不同球体组合平行排列形成的梯度结构、第二部件采用三条横向平行分布的三股螺旋纹路。能在耐力跑过程中，使在外侧前区域上能提供减震的同时迫使跑者的足弓从外侧向内侧转动，提升足部转动的工效，在站立和行走过程中，在外侧后区域上达到更好的防滑效果。同时第一部件和第二部件采用两种材质制成，可以保证满足防滑和减震两种基本功能；同时在除第一和第二部件的内侧区域设置点阵状镂空，既能有效节省材料，减轻鞋底的重量，同时提升鞋底的透气性。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
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