图学学报 ›› 2024, Vol. 45 ›› Issue (4): 868-878.DOI: 10.11996/JG.j.2095-302X.2024040868
黄昱喆1(), 王旭鹏1,2(
), 陈文会2, 周中泽1, 赵嘉鑫2, 王芸倩2
收稿日期:
2024-04-18
接受日期:
2024-06-24
出版日期:
2024-08-31
发布日期:
2024-09-03
通讯作者:
王旭鹏(1981-),男,教授,博士。主要研究方向为运动生物力学、“医工”交叉创新设计与仿真、计算机辅助工业设计。E-mail:wangxupeng@xaut.edu.cn第一作者:
黄昱喆(1999-),女,硕士研究生。主要研究方向为足型矫正、计算机辅助设计。E-mail:1136344701@qq.com
基金资助:
HUANG Yuzhe1(), WANG Xupeng1,2(
), CHEN Wenhui2, ZHOU Zhongze1, ZHAO Jiaxin2, WANG Yunqian2
Received:
2024-04-18
Accepted:
2024-06-24
Published:
2024-08-31
Online:
2024-09-03
Contact:
WANG Xupeng (1981-), professor, Ph.D. His main research interests cover sports biomechanics, “medical-engineering” cross-innovation design and simulation, computer-aided industrial design. E-mail:wangxupeng@xaut.edu.cnFirst author:
HUANG Yuzhe (1999-), master student. Her main research interests cover foot orthosis, computer-aided design. E-mail:1136344701@qq.com
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摘要:
为优化足底压力分布、降低足底峰值压力,提出一种基于三维足部模型的全接触矫形鞋垫参数化设计方法。以足底压力数据为基础,结合三维晶格结构分析,对鞋垫的减压结构进行优化。首先,利用足部三维扫描模型,通过Grasshopper插件平台开发全接触鞋垫模型参数化设计流程,实现全接触鞋垫的个性化设计。其次,在Abaqus环境下,对TPU材质的六种常见三维立方晶格结构进行能量吸收效率的分析,计算不同填充率下“金刚石”晶格结构的有效弹性模量,评估不同晶格结构在吸收足底压力时的性能,为减压结构的选择提供科学依据。然后,利用图像采样算法提取足底压力较大的区域,选择相应的有效弹性模量结构进行填充,完成全接触矫形鞋垫优化设计,并通过仿真分析对比优化前后矫形鞋垫的减压性能。最后,通过静态和动态足底压力测量实验,证明基于足形和三维减压结构设计的个性化矫形鞋垫可以有效优化足底压力分布、卸载足底压力峰值和提高足部稳定性。
中图分类号:
黄昱喆, 王旭鹏, 陈文会, 周中泽, 赵嘉鑫, 王芸倩. 面向足底压力优化的全接触矫形鞋垫设计[J]. 图学学报, 2024, 45(4): 868-878.
HUANG Yuzhe, WANG Xupeng, CHEN Wenhui, ZHOU Zhongze, ZHAO Jiaxin, WANG Yunqian. Full-contact orthopedic insole design for plantar pressure optimization[J]. Journal of Graphics, 2024, 45(4): 868-878.
图13 三维立方晶胞结构((a)简单立方结构;(b)体心立方结构;(c)面心立方结构;(d)金刚石结构;(e) Fluorite结构;(f) Kelvin晶体结构)
Fig. 13 Three-dimensional cubic unit cell structure ((a) Simple cubic; (b) Body-centered cubic; (c) Face-centered cubic; (d) Diamond; (e) Fluorite; (f) Kelvin)
图14 有限元模型构建((a)晶格结构仿真模型;(b)施加载荷和条件)
Fig. 14 Finite element model construction ((a) Simulation model of the seismic lattice structure; (b) Applied loads and conditions)
图15 不同晶胞结构的形变位移量((a)简单立方结构;(b)体心立方结构;(c)面心立方结构;(d)金刚石结构;(e) Fluorite结构;(f) Kelvin晶体结构)
Fig. 15 The amount of deformation displacement for different unit cell structures ((a) Simple cubic; (b) Body-centered cubic; (c) Face-centered cubic; (d) Diamond; (e) Fluorite; (f) Kelvin)
填充率/% | 晶胞管直径/mm | E/MPa |
---|---|---|
30 | 2.40 | 0.53 |
35 | 2.65 | 0.64 |
40 | 2.90 | 0.92 |
45 | 3.20 | 1.36 |
50 | 3.50 | 1.88 |
表1 不同填充率结构的晶胞直径和有效弹性模量
Table 1 Unit cell diameter and effective elastic modulus of structures with different filling rates
填充率/% | 晶胞管直径/mm | E/MPa |
---|---|---|
30 | 2.40 | 0.53 |
35 | 2.65 | 0.64 |
40 | 2.90 | 0.92 |
45 | 3.20 | 1.36 |
50 | 3.50 | 1.88 |
鞋垫区域 | E/MPa |
---|---|
足趾区 | 0.47 |
跖骨区 | 0.95 |
足弓区 | 2.47 |
足跟区 | 1.39 |
表2 鞋垫各区采用晶格结构的有效弹性模量[10]
Table 2 The effective modulus of elasticity of the lattice structure is used in each zone of the insole [10]
鞋垫区域 | E/MPa |
---|---|
足趾区 | 0.47 |
跖骨区 | 0.95 |
足弓区 | 2.47 |
足跟区 | 1.39 |
鞋垫类型 | 形态 | 结构 | 材料 | 鞋垫厚度/mm |
---|---|---|---|---|
平板鞋垫 | 二维 平板 | 均质 无减压结构 | TPU | 7 |
优化前 矫形鞋垫 | 三维 全接触 | 均质 无减压结构 | TPU | 7 |
优化后 矫形鞋垫 | 三维 全接触 | 有减压 结构 | TPU+ 乳胶 | 5+ 2 |
表3 鞋垫参数定义表
Table 3 Insole parameter definition table
鞋垫类型 | 形态 | 结构 | 材料 | 鞋垫厚度/mm |
---|---|---|---|---|
平板鞋垫 | 二维 平板 | 均质 无减压结构 | TPU | 7 |
优化前 矫形鞋垫 | 三维 全接触 | 均质 无减压结构 | TPU | 7 |
优化后 矫形鞋垫 | 三维 全接触 | 有减压 结构 | TPU+ 乳胶 | 5+ 2 |
裸足状态 | S.Max/kPa | S.Min/kPa | S.Ave/kPa |
---|---|---|---|
裸足 | 88.5 | 24.80×10-4 | 18.2 |
平板鞋垫 | 58.6 | 23.35×10-4 | 16.4 |
优化前矫形鞋垫 | 53.7 | 19.39×10-4 | 15.1 |
优化后矫形鞋垫 | 41.6 | 13.68×10-4 | 13.3 |
表4 最大(S.Max)、最小(S.Min)和平均(S.Ave)足底应力
Table 4 Maximum, minimum, and average plantar stress
裸足状态 | S.Max/kPa | S.Min/kPa | S.Ave/kPa |
---|---|---|---|
裸足 | 88.5 | 24.80×10-4 | 18.2 |
平板鞋垫 | 58.6 | 23.35×10-4 | 16.4 |
优化前矫形鞋垫 | 53.7 | 19.39×10-4 | 15.1 |
优化后矫形鞋垫 | 41.6 | 13.68×10-4 | 13.3 |
图22 优化前后鞋垫模型仿真对比((a)裸足;(b)平板鞋垫;(c)优化前矫形鞋垫;(d)优化后矫形鞋垫)
Fig. 22 Optimized the simulation comparison of the front and rear insole models ((a) Bare feet; (b) Flat insole; (c) Optimized anterior orthopedic insole; (d) Optimized posterior orthopedic insoles)
图23 静态足底压力测试((a)裸足;(b)穿戴优化前矫形鞋垫;(c)穿戴优化后矫形鞋垫)
Fig. 23 Static plantar stress test ((a) Bare feet; (b) Orthopedic insoles before wearing optimization; (c) Wearing orthopedic insoles after wearing optimization)
图25 三种足型受试者静态足底压力分布云图((a)裸足;(b)穿戴优化前矫形鞋垫;(c)穿戴优化后矫形鞋垫;P.Max:峰值压强;Ave.P:平均压强)
Fig. 25 Static plantar pressure distribution contour of subjects with three foot types ((a) Bare feet; (b) Wearing optimized anterior orthopedic insole; (c) Wearing optimized posterior orthopedic insole; P.Max: peak pressure;Ave.P: average pressure)
图26 高弓足动态足压分布云图和足压中心轨迹图((a)裸足;(b)穿戴优化前矫形鞋垫;(c)穿戴优化后矫形鞋垫)
Fig. 26 Dynamic foot pressure distribution contour and foot pressure center trajectory map of high arched feet ((a) Bare feet; (b) Wearing optimized anterior orthopedic insole; (c) Wearing optimized posterior orthopedic insole)
图27 三种足型受试者穿戴矫形鞋垫前后动态足底峰值压强((a)扁平足;(b)正常足;(c)高弓足)
Fig. 27 Dynamic plantar peak pressure before and after wearing orthopedic insoles in subjects with three foot types ((a) Flat feet; (b) Normal feet; (c) High arched feet)
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