足底压力测试与鞋类舒适性关联分析

足底压力是人体站立和行走过程中，足底与地面相互接触产生的作用力。受足底形态、鞋底材料和造型结构等因素影响，人体站立及行走过程中会产生不同的压力，了解和认识这些压力分布的特征，并分析不同足型足底压力分布的差异，对于分析、评价和改进鞋类产品鞋底的舒适性具有重要的意义。

（一）足底压力测试设备简介

随着科学技术的进步，足底压力测试设备的种类和功能不断更新，极大地满足了鞋类研发及相关研究的需要。目前世界知名的足底压力测试系统研发企业主要包括比利时的RSscan、德国Novel、美国Tekscan等，鞋类产品舒适性研究中，应用范围最为广泛的当属比利时RSscan足底压力平板设备，相对于国内类似的足底压力测试系统，该系统具有测试频率高、分析功能全面的显著特性，可以适应人体赤足及穿鞋状态下的足底压力测量。以下将基于RSscan足底压力测试平板及配套的Footscan Gait分析系统讲述压力设备应用并分析足底压力与鞋类产品穿着舒适性的内在关联。

RSscan具有二三十年鞋研发经验，鞋生物力学专业测试足底压力系统，与德国知名运动品牌Adidas建立多年合作伙伴关系，被认为是鞋生物力学研发实验室最基础系统配量。

1.设备组成

比利时RSscan足底压力测试系统主要设备由Footscan Plate主板、Footscan Gait分析系统、多数据同步盒以及计算机四部分构成（图6-1），其中Footscan Plate为接受压力的感应终端，Footscan Gait分析系统为数据的采集和分析平台，多数据同步盒用于各种数据的同步测试和分析，计算机为设备连接运行的媒介。

图6-1　RSscan足底压力测试系统的组成

在该系统中，人体足部与压力主板表面发生接触，主板按照特定的扫描频率记录下接触部位力值的变化，形成足部与主板整个接触时段的压力变化特征图。研究人员通过压力分布的特征能够判断不同鞋底结构和材料对足底压力分布特征的影响，从而比较和分析出最为合理的舒适性鞋品设计，帮助提升和改进鞋类的舒适性能，该系统亦可针对人体赤足状态下的足底压力进行测量，从而发现足部运动的力学规律指标。

研究人员通过分析人体赤足状态下的足底压力变化特征图，可进行足部运动的力学规律指标研究；通过分析穿鞋状态下压力变化特征图，判断不同鞋底结构和材料对足底压力分布特征的影响，进而得到最为合理的舒适性鞋品设计方案，帮助提升和改进鞋类的舒适性能。

2.软件界面

RSscan足底压力测试系统的软件界面由功能选项、压强视图、压力曲线及数值信息四部分组成。功能选项区由选择左右脚视图、自动足底区域计算等功能键组成；压强视图区则生成走路蹬伸过程中的动态压强图像；压力曲线区则显示最大压力（垂直压力）的数值；数值信息区则包括动态图像、选定步态及动态蹬伸过程中最大压力中心的相应信息（图6-2）。

其中反映动态压强的足底压力分布特征图，主要以色泽变化呈现足底压力的分布特征，脚印区域即足部受力的面积，不同的颜色代表压力的集中趋势强弱，红、黄、绿、蓝四色压力的集中趋势依次递减；贯穿足部的红色实线被称为足中轴，是由后跟轮廓中心与前掌第二和第三跖骨中心的连线所得，代表足部的中心分界；而围绕红色实线的黑色虚线是虚拟的足底压力中心轨迹，其随着足部与地面的逐渐接触，压力中心轨迹亦向前掌蜿蜒过渡。足底压力中心轨迹的变化，以及其与足中轴的位置关系，是评价鞋类产品后跟缓冲性能和鞋类穿着行进特征的重要指标（图6-3）。

图6-2　RSscan足底压力测试系统的软件界面

3.系统特性

图6-3　足底压力分布特征图

RSscan足底压力测试系统主要用于测试人体赤足和穿鞋状态下的足底压力分布特征，由于其具有扫描频率高的特性，通常能够适应人体站立、步行以及跑步的足底压力测试。测试数据能够实现实时动态演示，生动再现了足底与地面之间的作用力关系，并能够比对和分析不同测试间的数据变化，帮助研究人员更好地发现产品结构和材料变化对足底压力变化的影响。该套系统在鞋类舒适性领域领先的重要原因，是其具有一套根据测试数据制订鞋类舒适性改进参考的鞋垫修正建议模块，研究人员根据压力分布的特征，能够自动获取鞋垫的舒适性改进建议，从而极大地缩短了舒适性鞋垫的研发周期。如图6-4所示，即足底压力测试比对及自动鞋垫修正建议图。

图6-4　足底压力测试比对及自动鞋垫修正建议图

（二）足底压力测试要求及方法

1.足底压力测试要求

（1）安放位置要求。足底压力平板仅能采集人体步行时的垂直作用力，平板与水平面的位置关系将直接影响数据的准确性，因此，为了更好地获得真实数据，足底压力测试平板一般不支持安置在斜坡、过高或者过低的水平面上，最理想的测试环境设置应该是在测试地面设置一与平板厚度一致的凹槽，将平板安置于凹槽内，从而形成统一高度的水平测试面。

（2）受测人员要求。受人体主观因素的影响以及测试条件的限制，若压力平板面积过小，为了使测试者能够行经测试区，故意引导测试者改变步态，初次测试时往往数据与自然状态数据差异较大。为此，在正式开展测试前，应让测试对象了解测试目的和程序，并应让测试对象在实验室内自由步行往返多次以适应实验环境和测试过程。

（3）多次测试。人体足底压力的一次测试数据存在诸多的影响因素，因此，仅通过一次测试数据的结果判定鞋类产品的穿着舒适性能存在极大的误差，所以在开展足底压力测试时强烈建议开展多次测量，利用软件的平均计算功能，汇总多次测试结果，发现数据变化的总体规律特征，从而减小测试误差，获取真实数据。

2.足底压力测试方法

足底压力测试的一般流程主要分为以下四个步骤：

①连接设备，启动Footscan Gait分析软件。

②激活设备，压力平板运行。

③发出测试指令，测试者以个人平常步态自然行走，需多次行经压力平板（图6-5）。

④系统以较高的采样频率动态扫描足底各部位的压力分布数据，记录足底压力的动态变化过程。

（三）足底压力测试数据分析

足底压力测试数据具有强大的数据分析功能，其应用领域不仅涉及鞋类产品的舒适性设计与制造，同时也被广泛应用于医疗康复评价领域。但在评价和改进鞋类产品舒适性时，关注的指标数据主要集中在压力分布特征、足底压力中心轨迹变化及压力、压强变化三个方面。

1.压力分布特征图

压力分布特征图是足底压力数据强弱变化的图像表示，受人体足部功能及步态特征差异的影响，不同受试者之间足底压力分布特征图的差异往往不具备可比性，但压力分布图在鞋类舒适性的评价及改进中仍具有重要作用。以压力的集中趋势为例，研究人员根据红、黄、绿、蓝四色的变化趋势，能够直观地发现足底压力集中的特点，并结合鞋类产品鞋底的变化总结得出压力分布特点和鞋底设计之间的内在关联，以及力量持续时间的长短，这些数据是分析和改进鞋类舒适性鞋底设计的重要支撑数据。如图6-6所示，通过对比，在左边一组图中，能够清楚地观察到鞋底前掌跖骨对应位置的压力集中趋势，同时第一拇指处压力也较为集中，由于压力的集中使得足部在该区域内往往受到较其他区域更大的负荷，产生不适感。研究人员可以根据足底压力分布特征图，针对鞋底设计是否过薄、鞋底材料的硬度选择是否合适等因素进行该款鞋类产品的舒适性改进。在右边这组图中，则可以观察到大部分区域的压力分布都较均匀，说明该鞋穿着比较舒适。

图6-5　足底压力测试过程图

图6-6　穿鞋状态的足底压力分布集中与均匀对比(www.xing528.com)

2.足底压力中心轨迹线

与压力分布特征图类似，足底压力中心轨迹线能够直观反映鞋品穿着是否舒适。如图6-7所示，在图中蜿蜒变化的黑色虚线即为压力中心轨迹，该轨迹表明每一次足部与地面接触的压力中心位置，其实时变化与足部的翻转变化有直接联系。从鞋后跟该轨迹的起始位置来看，左边这组图片中压力中心轨迹最初接触地面时形成的形态较为平缓和流畅，表明足跟接触地面平稳，说明鞋跟缓冲效果较好；而右边这组图片中足底压力中心轨迹变化突然、转折较大，预示着后跟与地面的接触作用相对剧烈，足部短时受到的冲击未能很好地释放，说明鞋跟缓冲效果差。

图6-7　后跟缓冲效果好与差的鞋子足底压力中心轨迹线对比

3.压力、压强均值数据

除了足底压力分布图和压力中心轨迹的变化外，足底压力测试系统的重要数据类型即能够按照人体足部骨骼对应位置计算足底各部位所承受的压力和压强变化。压力和压强的变化与鞋类的穿着舒适性负相关，一般表现为压力、压强越大，鞋类的穿着舒适性越差，反之则舒适性越好。足底压力测试系统将足底分为十个主要受力区域，分别为足后跟内侧（HM）、足后跟外侧（HL）、足中部（MF）、前掌第一到第五跖骨（M1，M2，M3，M4，M5）、大拇指（T1）和第二到第五脚趾（T2-T5），如图6-8所示。

图6-8　足底主要受力区域分布图

不同的受力区域在分析系统中使用不同颜色的曲线表示，曲线在X轴的变化代表力量发生和变化的时间，而纵轴则代表指标的高低（图6-9）。将人体赤足状态与穿鞋状态下的压强、压力曲线及对应值产生的变化相对比，就能够准确测定该鞋类产品对足底压力的分布变化发生了何种影响，高低变化即是影响的强弱，从而使得研究人员能够定量地分析和评价鞋底的舒适性能。

（四）足底压力测试实验

在现有鞋类产品中，并不是所有鞋的设计都考虑了人体穿着的鞋底压力舒适性，尤其是受到款式和工艺的制约，某些鞋类产品的鞋底舒适性设计具有极大的提升空间。因此，在本足底压力测试实践环节中，主要选取了两种鞋底结构相近，材料硬度不同的产品，进行足底压力测试的比较，指出优劣，并根据测试结果提出相应的改进建议。

1.目的

选取两款鞋底结构相近，但鞋底硬度指标不同的产品，通过足底压力测试技术观察不同测试者穿着两款产品的足底平均峰力值、压力中心轨迹过渡特征、鞋底压力2D图像等参数特征，比较两款产品的鞋底舒适性能。

2.方法

使用比利时RSscan公司Footscan USB2平板式足底压力测试系统，对比7名年龄在18～20周岁的男性学生穿着两款产品的足底压力分布特征。

3.实验过程

图6-9　赤足状态与穿鞋状态足底不同区域的压力变化图

（1）受测人员选取及培训。选取的7名测试者，穿鞋尺码40，经询问无足部畸形、异常步态和足部外伤史，足踝关节活动正常。所有受试者均脱鞋袜，以个人平常步态自然行走，足底压力分布解析系统可获得完整步态周期的足底压力分布图，测量3次。

（2）测试设备校准及样鞋准备。图6-10（a）鞋的后跟硬度值为70HSA，图6-10（b）鞋的后跟硬度值为58HSA, HSA表示A型肖氏硬度计测定的肖氏硬度值，符号为HS。

图6-10　样鞋准备

（3）测试数据分析。图6-11为测试样鞋的穿着足底压力分布特征图，其中图6-11（a）的鞋底硬度值为70HSA，通过压力的分散趋势可以看出，足底压力集中趋势明显，尤其是左脚的压力分布特征，前脚掌跖骨下、大脚趾压力明显集中；与图6-11（b）的硬度值为58HSA鞋比较，压力集中现象明显降低，硬度值为58HSA的鞋子在压力的分散性能上较硬度值为70HSA的鞋子更好，初步判断58HSA的鞋子鞋底舒适性更佳。

图6-11　足底压力分布特征图

图6-12为两双鞋压力中心轨迹变化的比较，由于两双鞋的鞋底硬度差异，图6-12（a）为硬度较大的鞋子，其足底压力中心轨迹在足跟着地的瞬间，几乎未发生弯转过渡，压力中心轨迹径直向前掌过渡，表明在该硬度下，鞋后跟着地瞬间，无法实现充分压缩，后跟缓冲地面冲击力的效果较差；而图6-12（b）显示的鞋，明显能够观察到压力中心轨迹的递进特征，随着鞋跟的压缩形变，足底压力中心轨迹流畅地向着前掌过渡，足部在整个着地过程中，地面冲击力，尤其是后跟的受力被明显削弱，其后跟缓冲性能较图6-12（a）显示的鞋子更好，鞋底的舒适性能更高。

图6-12　足底压力中心轨迹变化

图6-13（a）中的鞋子因后跟硬度较低，其后跟更易被压缩，缓冲地面冲击力效果更好；图6-13（b）中的鞋子则较差。

图6-13　后跟压力比较

最大压强分布比较如表6-1所示。7名测试者各3次测试数据，选取足底三大区域的最大压强值平均后得出：

表6-1　足底三大区域最大压强值比较

单位：N/cm2

两双皮鞋在后跟踵心处的峰值压强分别为：70邵尔A为（18.2±0.82）N/cm2，58邵尔A为（16.7±0.9）N/cm2。经ANOVA分析p＜0.01，差异显著，硬度为58邵尔A的鞋子在缓解足跟着地时踵心受力有一定的效果。

足前掌第2跖骨和第3跖骨处的压强经ANOVA分析，p＜0.05，58邵尔A的皮鞋前掌中心压强明显降低，与硬度为70邵尔A的皮鞋存在差异。

（4）结果与讨论。通过足底压力分布特征图、足底压力中心轨迹变化以及足底三大区域最大压强值比较，硬度值为58HSA的皮鞋在压力分散效果、缓冲足跟受力等指标上较硬度为70HSA的鞋子更好，足跟在着地瞬间，鞋后跟被充分压缩，有效降低了足跟的受力，提高穿着舒适性。

由于足底压力测试受到鞋底结构变化的影响较为明显，因此，通过足底压力平板分析和比较不同款式结构下的皮鞋舒适程度具有明显的局限，其一般的做法是样鞋按照统一的结构、工艺进行制作，设定某一差异指标。例如，本例中的鞋底硬度，通过足底压力平板的测试比较，在硬度不同的情况下，对压力分布特征变化的影响。

（5）意见与建议。为了设计和制造出鞋底舒适性更高的鞋类产品，应用足底压力平板测试，比较和分析不同鞋底结构和材料指标下的压力分散效果，为材料的选取和结构的设计提供有效的评价手段。但受到人体测试过程中随机误差的影响，要求测试数据的样本量足够大，通过大量的测试样本，总结数据变化规律特征，降低异常数据对测试结果的影响是当前足底压力测试的重要条件。

在本例中，鞋底硬度作为变化的指标，得出在该款式鞋底设计上，鞋底硬度低，其压力分散指标和后跟缓冲性能更明显，从而为设计开发人员提供了鞋底舒适性、硬度设定的参考依据。但并不是所有鞋类产品的硬度设计都可按照该结论进行完善，也要考虑款式、工艺和穿着环境的需要，在不同的环境之下，鞋类产品的穿着需求亦会发生变化。同时，该技术所测试得到的鞋底压力数据受到鞋底结构和硬度的影响过大，仅通过鞋底压力分散的效果衡量整鞋的穿着舒适性能显得过于片面，要想进一步了解和评价鞋类产品的穿着舒适性，还必须关注足部在鞋腔内的受力特征。