一种耐力跑鞋大底中部结构设计方法
阅读说明：本技术 一种耐力跑鞋大底中部结构设计方法 (Design method for middle structure of outsole of endurance running shoe ) 是由 范毅方 刘雅铭 黄国豪 范雨轩 余根宇 于 2021-06-16 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种耐力跑鞋大底中部结构设计方法,包括设计第一承试鞋,所述第一承试鞋为普通耐力跑鞋,所述普通耐力跑鞋的鞋底设置有压力板；承试人穿着第一承试鞋按照规范的跑步方式完成一定跑步里程后,根据压力板反馈的信息,对第一承试鞋进行优化设计,所述优化设计包括缓冲减震工效评价、减材增效工效评价、外侧纵弓落地模式评估、沿足长度上足底落地与离地时序评估、足底筋膜的绞盘功效和第一跖趾关节结构的绞盘功效评价；通过上述优化设计,设计出第二承试鞋；按照与上述第一承试鞋相同的设计方法对第二承试鞋进行优化设计；重复上述步骤1次以上。该设计方法使得耐力跑鞋大底中部结构设计逐步走向科学化。(The invention relates to a method for designing a middle structure of an outsole of a endurance running shoe, which comprises the steps of designing a first test shoe, wherein the first test shoe is a common endurance running shoe, and a pressure plate is arranged at the sole of the common endurance running shoe; after a test person wears a first test shoe and finishes a certain running mileage according to a standard running mode, carrying out optimization design on the first test shoe according to information fed back by a pressure plate, wherein the optimization design comprises buffer damping work efficiency evaluation, material reduction and efficiency improvement work efficiency evaluation, lateral longitudinal arch landing mode evaluation, time sequence evaluation of landing and leaving of a sole along the length of the foot, winch efficiency of a sole fascia and winch efficiency evaluation of a first metatarsophalangeal joint structure; designing a second test shoe through the optimized design; optimally designing a second test shoe according to the same design method as the first test shoe; repeating the above steps for more than 1 time. The design method enables the structure design of the middle part of the outsole of the endurance running shoe to be gradually scientific.)
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中部结构设计方法。
背景技术
我们从何处来？我们是谁？我们向何处去？四肢的结构演化也不例外。希望螈的化石表明：早在3.8亿年前的泥盆纪，构成我们现今的四肢骨骼已经基本形成，例如肱骨、桡骨、尺骨和指骨等(Cloutier,et al.,2020)。从四肢的演化，我们可以发现四肢具有很强的适应能力，结合“错位演化”(Evolutionary anachronism)(Janzen et al.,1982)、“岛屿法则”(Islandrule)和“镶嵌进化”(mosaic evolution)(Mark,1985；Lomolino,2005)，为了适应环境或生活需要，我们可以改变演化方向，甚至“返祖”，330万年前的小孩的上肢化石就出现了返祖演化(Shane,2007)。这是否意味我们现有的下肢特备适合某种运动呢？答案是肯定的！具体是耐力跑，耐力跑是人类演化史上的罗塞塔石碑！
即使没有文字，通过口口相传，世界上依然有6500种语言传承下来(Ghasemi etal.,2011)。但对于跑步，不了解的远远超过我们所知道的(Jungers,2010；Altman et al.,2012)。人类发明了语言，实现了交流；创造了文字，记录了文明；而人类独创的数学，成为解读大自然本质的工具，数学承担着全部的自然科学描述(Stewart,1998)。因此，建立跑步的动力学方程是耐力跑鞋设计前提。
150万前的足印迹化石表明肯尼亚的伊莱雷特人(Ileret,Kenya)(Bennett,etal.)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)，通过耐力跑，我们足的结构已经稳定下来。
人类足结构是改进运动鞋结构的关键，而如何利用人类足结构改进耐力跑鞋大底中部正向设计以及其工效分析是亟待解决的关键技术问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：如何利用人类足结构改进耐力跑鞋大底中部正向设计以及其工效分析是亟待解决的关键技术问题。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种耐力跑鞋大底中部结构设计方法，包括以下步骤：
设计第一承试鞋，所述第一承试鞋为普通耐力跑鞋，所述普通耐力跑鞋的鞋底设置有压力板；
承试人穿着第一承试鞋按照规范的跑步方式完成一定跑步里程后，根据压力板反馈的信息，对第一承试鞋进行优化设计，所述优化设计包括缓冲减震工效评价、减材增效工效评价、外侧纵弓落地模式评估、沿足长度上足底落地与离地时序评估、足底筋膜的绞盘功效和第一跖趾关节结构的绞盘功效评价；
通过上述优化设计，设计出第二承试鞋；
按照与上述第一承试鞋相同的设计方法对第二承试鞋进行优化设计；
重复上述步骤1次以上，得到优化设计后的耐力跑鞋模型。
进一步，所述缓冲减震工效评价具体为：
根据承试人脚底初着地至最大支撑弹力或最大的压力板传感器压力峰值，建立缓冲减震工效评价指标，具体公式如下：
式中，F(i，j)(t)为某一时刻压力板上(i，j)位置传感器力值，P(t)为某一时刻压力板上所有传感器中最大压力值，Tf，Tp分别表示初着地至最大支撑弹力和最大的传感器压力峰值的时间；当Tf＞Tp时，Tp值之后的P(t)＝1，当Tf＜Tp时，Tf值之后的F(i，j)(t)＝1；另外，
进一步，减材增效工效评价具体为：
在正向或逆向3D工程设计软件中，获得大底中部的体积，用体积和表面积建立以下公式：
式中，So，St分别表示减材增效前后的大底中部表面积；Vo，Vt分别表示减材增效前后的大底中部体积。减材增效的基本条件So＜St和Vo＞Vt，因此本指标是被标准化的，与大底中部的绝对面积、体积是无关的。其中质心机械能的计算用
其中
进一步，所述外侧纵弓落地模式评估具体为：
包括沿足宽度上足印迹冲量评估：
具体为用下列公式计算沿足印迹额状轴上足印迹冲量位置(xcw，ycw)：
Ts表示支撑相时间，P(i，j)(t)表示位置为(i，j)的传感器在某一时刻的压力值。nw表示在足印迹宽度位置上与足相互作用的传感器数量；
还包括沿足长度上足底落地与离地时序评估；
具体为设足底位置(x，y)的落地与离地时间分别为那么沿足印迹主轴上落地、离地时序为：
式中分别表示在足长度上位置为w的触、离地时间，nw同方程(3)中的定义；
通过方程(3)和(4)，根据沿足印迹额状轴上足印迹冲量的分布以及足内侧、基础和外侧纵弓的工作时序评估外侧纵弓落地模式的工效。
进一步，所述足底筋膜的绞盘功效和第一跖趾关节结构的绞盘功效评价具体为：
CT扫描承试人足，重建足骨，分别设跟骨、距骨和第一跖趾关节近端趾骨的形心分别为Cac，Tac，Phc，第一跖骨关节头的转动中心为Mec；
用以下方法计算跟骨、距骨和第一跖趾关节近端趾骨的形心(xc，yc)位置由以下方程计算：
式中，(xi，yi)跟骨或距骨或第一跖趾关节近端趾骨的表面点云的坐标位置；n表示表面点云的数量；
对第一跖骨进行本体坐标标准化，具体由第一跖骨的表面点云数据，计算第一跖骨的三个欧拉主轴，三个欧拉主轴作为第一跖骨的本体坐标，坐标方向按照左手坐标系的定义，第一跖骨的本体坐标标准化后，沿其长轴找到第一跖骨关节头的最大横截面，把最大横截面的中心，也即最大横截面与长轴的交点；
连接跟骨与距骨的形心作为绞盘三角形的第一个边，连接距骨与第一跖骨头最大关节面的中心为绞盘三角形的第二个边，连接第一跖骨头最大关节面的中心与第一跖趾关节近端趾骨的形心为绞盘三角形的第三个边；
根据足骨骨性标识点，在承试人的鞋面近似地张贴标识点；在承试人进行耐力跑时，采集与绞盘三角形相关的标识点，通过绞盘三角形关节角度定量评价鞋的足底筋膜的绞盘工效和第一跖趾关节结构的绞盘工效。
本发明的有益效果在于：本发明提供的耐力跑鞋大底中部结构设计方法中，耐力跑鞋大底中部结构设计回归力学而非经验。具体是科学选择承试人、科学选择承试鞋，在承试人穿着的承试鞋完成一定跑步里程的基础上，基于承试鞋的承试结果进行优化设计，对优化设计进行缓冲减震工效、减材增效等进行评价，得到新的耐力跑鞋大底中部结构设计方案，开模制造成品鞋。再找承试人承试，周而复始，不断优化耐力跑鞋大底中部结构的设计，该设计方法使得耐力跑鞋大底中部结构设计逐步走向科学化。
附图说明
附图1为本发明中实施例一设计得到的耐力跑鞋大底右侧视图；
附图2为本发明中实施例一设计得到的耐力跑鞋大底左侧视图；
附图3为本发明中实施例一设计得到的耐力跑鞋大底前视图；
附图4为本发明中实施例一设计得到的耐力跑鞋大底后视图；
附图5为本发明中实施例一设计得到的耐力跑鞋大底仰视图；
附图6为本发明中实施例一设计得到的耐力跑鞋大底俯视图；
附图7为本发明中实施例一设计得到的耐力跑鞋大底与第一承试鞋大底结构的对比图；
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。
实施例一
一种耐力跑鞋大底中部结构设计方法设计出的耐力跑鞋大底结构请参照图1至图7，其中，图7中，深色为第一承试鞋大底结构，浅色为实施例一设计得到的耐力跑鞋大底结构。
上述耐力跑鞋大底中部结构设计方法，包括以下步骤：
设计第一承试鞋，所述第一承试鞋为普通耐力跑鞋，所述普通耐力跑鞋的鞋底设置有压力板；
承试人穿着第一承试鞋按照规范的跑步方式完成一定跑步里程后，根据压力板反馈的信息，对第一承试鞋进行优化设计，所述优化设计包括缓冲减震工效评价、减材增效工效评价、外侧纵弓落地模式评估、沿足长度上足底落地与离地时序评估、足底筋膜的绞盘功效和第一跖趾关节结构的绞盘功效评价；
通过上述优化设计，设计出第二承试鞋；
按照与上述第一承试鞋相同的设计方法对第二承试鞋进行优化设计；
重复上述步骤1次以上，得到优化设计后的耐力跑鞋模型。
上述承试人需要专业的人来承试，我们需要找到跑步的理想模型。如何找？我们假设世界上有跑得最好的人存在。基于步态常数建立步态动力学方程，用动力学方程计算精英短跑运动员质心动力学数据，用数据评估精英运动员的跑步工效，发现：赢得三枚奥运金牌、一枚奥运银牌和5次世锦赛冠军的运动员杰里米·瓦里纳(JeremyWariner)的跑步工效是最好的。
瓦里纳是理想模型。但是，现在他年级大了，另外，他也不可能当我们设计鞋的承试人。
具体的，作为实施例，我们找到了原江苏省男子16岁400米冠军朱情涛作为承试人，上述一定里程可以是指500km以上。
上述压力板具体是：Zebris-HP Cosmos Treadmill虚拟反馈的步态协调训练系统的(传感器数目：10240；传感器面积：135.5x54.1cm)。
所述缓冲减震工效评价具体为：
根据承试人脚底初着地至最大支撑弹力或最大的压力板传感器压力峰值，建立缓冲减震工效评价指标，具体公式如下：
式中，F(i，j)(t)为某一时刻压力板上(i，j)位置传感器力值，P(t)为某一时刻压力板上所有传感器中最大压力值，Tf，Tp分别表示初着地至最大支撑弹力和最大的传感器压力峰值的时间；当Tf＞Tp时，Tp值之后的P(t)＝1，当Tf＞Tp时，Tf值之后的F(i，j)(t)＝1；另外，
为了使方程(1)满足不同承试人的实验要求，对最大支撑弹力或最大的传感器压力峰值进行归一化，以显现指标的标准化。
减材增效工效评价具体为：
在正向或逆向3D工程设计软件中，获得大底中部的体积，用体积和表面积建立以下公式：
式中，So，St分别表示减材增效前后的大底中部表面积；Vo，Vt分别表示减材增效前后的大底中部体积。减材增效的基本条件So＜St和Vo＞Vt，因此本指标是被标准化的，与大底中部的绝对面积、体积是无关的。其中质心机械能的计算用
其中
上述3D工程设计软件可以是Geomagic/Solidworks等；上述减材增效工效评价中，需要说明的是承试人的体重进行归一化处理；在满足功能需要的情况下，所谓满足功能需求是在相同步速、步频的情况下，大底减材后质心基本的运动学、动力学参数以及质心机械能是一致的，原则上要有所提升，以显现减材增效的工效。
所述外侧纵弓落地模式评估具体为：
包括沿足宽度上足印迹冲量评估：
具体为用下列公式计算沿足印迹额状轴上足印迹冲量位置(xcw，ycw)：
Ts表示支撑相时间，P(i，j)(t)表示位置为(i，j)的传感器在某一时刻的压力值。nw表示在足印迹宽度位置上与足相互作用的传感器数量；
还包括沿足长度上足底落地与离地时序评估；
具体为设足底位置(x，y)的落地与离地时间分别为那么沿足印迹主轴上落地、离地时序为：
式中分别表示在足长度上位置为w的触、离地时间，nw同方程(3)中的定义；
通过方程(3)和(4)，根据沿足印迹额状轴上足印迹冲量的分布以及足内侧、基础和外侧纵弓的工作时序评估外侧纵弓落地模式的工效。
沿足长度上足底落地与离地时序评估中，根据步态特征，跑步中足落地与离地的过程是连续的，即足底的同一位置在一个步态周期中落地与离地过程各只有一次。通过方程(3)和(4)，根据沿足印迹额状轴上足印迹冲量的分布以及足内侧、基础和外侧纵弓的工作时序评估外侧纵弓落地模式的工效。
所述足底筋膜的绞盘功效和第一跖趾关节结构的绞盘功效评价具体为：
CT扫描承试人足，重建足骨，分别设跟骨、距骨和第一跖趾关节近端趾骨的形心分别为Cac，Tac，Phc，第一跖骨关节头的转动中心为Mec；
用以下方法计算跟骨、距骨和第一跖趾关节近端趾骨的形心(xc，yc)位置由以下方程计算：
式中，(xi，yi)跟骨或距骨或第一跖趾关节近端趾骨的表面点云的坐标位置；n表示表面点云的数量；
对第一跖骨进行本体坐标标准化，具体由第一跖骨的表面点云数据，计算第一跖骨的三个欧拉主轴，三个欧拉主轴作为第一跖骨的本体坐标，坐标方向按照左手坐标系的定义，第一跖骨的本体坐标标准化后，沿其长轴找到第一跖骨关节头的最大横截面，把最大横截面的中心，也即最大横截面与长轴的交点；
连接跟骨与距骨的形心作为绞盘三角形的第一个边，连接距骨与第一跖骨头最大关节面的中心为绞盘三角形的第二个边，连接第一跖骨头最大关节面的中心与第一跖趾关节近端趾骨的形心为绞盘三角形的第三个边；
根据足骨骨性标识点，在承试人的鞋面近似地张贴标识点；在承试人进行耐力跑时，采集与绞盘三角形相关的标识点，通过绞盘三角形关节角度定量评价鞋的足底筋膜的绞盘工效和第一跖趾关节结构的绞盘工效。
上述耐力跑鞋大底中部结构设计方法中，建材增效工效的具体数据如表1所示：
表1
综上所述，本发明提供的耐力跑鞋大底中部结构设计方法中，耐力跑鞋大底中部结构设计回归力学而非经验。具体是科学选择承试人、科学选择承试鞋，在承试人穿着的承试鞋完成一定跑步里程的基础上，基于承试鞋的承试结果进行优化设计，对优化设计进行缓冲减震工效、减材增效等进行评价，得到新的耐力跑鞋大底中部结构设计方案，开模制造成品鞋。再找承试人承试，周而复始，不断优化耐力跑鞋大底中部结构的设计，该设计方法使得耐力跑鞋大底中部结构设计逐步走向科学化。
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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