鞋内垫压力测试系统：创新鞋底材料舒适性的重要评价方式

（一）鞋内垫压力测试简介

与压力平板测试技术不同，鞋内垫压力测试系统主要是针对人体穿鞋状态下足底与鞋底之间的受力变化，鞋楦的楦底曲面弧度、鞋底和鞋垫材料以及结构发生变化时，测试足底与鞋内底接触部位的力学指标变化，评价这些因素变化对足部舒适性的影响。由于足底压力平板测试技术不能获取人体足底和鞋底之间的力学指标，使得鞋内垫压力测试技术成为更进一步观察和分析人体足部在鞋腔内足底受力的一项重要技术。与此同时，鞋内垫压力测试系统与足底压力平板技术相比，其具有连续获取足底与鞋内底力学指标变化的性能，并且对测试者正常开展测试干扰较小。因此，在很多鞋类产品，如女士高跟鞋的力学指标测试，鞋内垫压力测试系统发挥了重要作用。鞋内垫压力测试系统已经成为评价创新的鞋底材料和结构对于舒适性的改进效果的重要手段。

鞋内垫压力测试技术其实是一项将压力传感器铺设在鞋腔之内进而用来测量足底跟鞋内部之间压力分布的技术。压力平板技术更多的是在穿鞋状态下的测试，测试的是整只鞋底与地面的压力分布状况，因此两项技术相比，鞋内垫压力测试技术更能够反映足部在鞋腔之内的压力分布状况。

（二）测试设备简介

鞋内垫压力测试技术的原理与足底压力平板类似，其通过安置在鞋垫内部的压力传感器，实时扫描并存储脚底压力的变化信息。这些记录下的足部与鞋底之间的力量变化有利于研究人员分析鞋类产品的穿着舒适性。一般鞋内垫压力测试装置能够连续测试人体足部压力信息，与足底压力平板相比其依靠穿着在身体上的鞋垫进行压力测试，而不是在某一个特定区域内完成测试。当前鞋内垫压力测试系统种类繁多，不同品牌鞋内垫压力测试系统的实用性主要关注的指标一般为鞋垫与测试样鞋的匹配性；其次是鞋垫的扫描频率和压力传感器数量，扫描频率和压力传感器数量越高，越容易观察到足部与鞋内底之间的细微力量变化；最后是鞋垫设计的厚薄以及分析系统的实用性，以不影响人体正常穿着为标准，鞋垫设计越薄，测试结果与真实值越接近。本文选取比利时RSscan Footscan Insole鞋垫测试系统来介绍鞋内垫压力测试技术一般的测试步骤以及应用其分析鞋类舒适性的简要方法。

1.设备组成

比利时RSscan公司的Footscan Insole鞋内垫压力测试系统主要由测试鞋垫、数据采集卡、数据采集盒、激发器和计算机五部分组成。

2.软件界面

Footscan Insole鞋内垫压力测试系统是分析足底压力测试数据的主要工具，与足底压力平板系统界面类似，测试界面包括显示压力的平面图，通过颜色的变化反映压力的集中趋势，也呈现出红、黄、绿、蓝四色的递减变化（图6-14）。不同的是鞋内垫压力测试系统还具备由于是连续测试足底与鞋底之间的压力，因此通过“分步”选项，即可以自主选择要分析的脚步（图6-15）。

图6-14　鞋垫压力测试界面图

图6-15　分步选项界面图

3.系统特性

Footscan Insole鞋内垫压力测试系统具有高达500Hz的测试频率，因此其能够实现微观观察足部高速运动的力学特征变化，尤其是针对运动鞋的舒适性研究，往往需要较高频率的测试。穿着测试样鞋的受试者能够基本实现外界零干扰的情况下开展步行以及各种运动测试，与足底压力平板测试技术相比，鞋内垫压力测试更灵活，适用场所更广泛。例如，在高跟鞋的舒适性研究中，由于鞋跟结构的变化，使得高跟鞋穿着者的足部鞋腔姿态异常前倾，因此研究鞋跟高度变化对足部在鞋内压力的分布影响具有重要意义，国外研究机构及品牌均是通过该项技术展开高跟鞋的舒适性研究。如图6-16所示，是鞋内垫压力测试系统在Insolia（高跟鞋制鞋工艺中的应用技术）鞋垫设计中的应用。

图6-16　鞋内垫压力测试系统在Insolia鞋垫设计中的应用

鞋内垫压力测试系统因其具有能够测试和分析足部和鞋内底之间的力量变化，使其具备了其他压力测试技术所不能替代的测试性能，所以该项技术被普遍地应用在运动鞋和高跟鞋的舒适性改进之中，通过压力的变化来评价鞋类产品鞋内底的设计优劣，并不断测试改进产品，最终确定最佳舒适性设计方案。

【链接】提升高跟鞋舒适性的科技产品Insolia鞋垫

Insolia鞋垫是一款基于鞋内垫压力测试技术的高跟鞋舒适配件产品，其在高跟鞋的舒适性改进过程中，并未对鞋类产品本身的结构和材料进行改变，而是通过硅胶材料制订了安置在鞋内底后3/4处的结构，实现减缓足部向鞋头处的滑动，达到均衡鞋内压力的效果，该创新产品的实现正是使用了鞋内垫压力检测系统，通过测试和分析有无Insolia鞋垫的鞋内足底压力变化趋势，以均衡压力分散效果为研究目标，最终制订了Insolia鞋垫的设计参数，实现长时间穿着高跟鞋状态下的前脚掌舒适效果（图6-17）。

图6-17　Insolia鞋垫改善足部受力趋势的原理

（三）鞋内垫压力测试步骤

鞋内垫压力测试的步骤：

（1）选择与测试鞋吻合的鞋垫尺码安置在鞋腔之内，测试者穿着测试样鞋并连接鞋垫和数据采集盒。

（2）连接数据采集线至计算机。

（3）测试人员先行开展步行或运动，待基本熟悉测试的目的后，测试者随机触发设备采集。

（4）测试时间超过8秒后，停止测试，取下数据存储卡。

（5）连接打开Insole分析软件，通过数据采集卡传输数据至计算机。

（6）保存数据，以备实验完毕后开展针对性分析。

由于鞋内垫压力测试感应器安置在鞋腔之内，因此在整个测试过程中，务必确保鞋垫放平，以防由于折叠踩压影响测试结果，甚至损坏压力鞋垫感应器，鞋垫的安置应该遵守匹配、放平、无折皱的原则（图6-18）。

（四）鞋内垫压力测试要求

与足底压力平板测试技术相比，鞋内垫压力测试的开展要求相对简单，测试人员主要应关注鞋垫在鞋腔内的安置是否与测试样鞋尺寸匹配，以防止在测试过程中损坏鞋垫以影响数据的准确性。以Footscan Insole为例，其使用的SCSI（小型计算机系统接口）卡仅能保留8秒的测试数据，因此一旦触发测试系统，即从触发之刻起8秒内的数据进行保留，再次触发则先前测试数据被覆盖，所以要求测试人员务必清楚知晓测试的目的，以便准确触发设备，采集需要步行或者运动阶段的数据。

图6-18　鞋内垫压力测试准备

（五）鞋内垫压力测试数据分析

鞋内垫压力测试系统分析和改进鞋类的舒适性主要关注的指标与足底压力平板类似，也是通过图像的分析，压力、压强数据的比对以及平衡曲线变化三个方面衡量鞋类产品的舒适性能，但足底压力平板测试的鞋底压力数据受到鞋底造型的影响，往往足弓处的受力难以获得，而鞋内垫压力系统获取数据更加全面，其对于评价楦底曲面变化以及鞋垫的材料和结构变化对舒适性的影响具有重要意义。具体来说，应用其评价鞋类的舒适性能主要关注的指标如下。(www.xing528.com)

1.鞋内压力分布特征图

在鞋内垫压力测试系统中，测试图像的表述仍然使用的是红、黄、绿、蓝四色的变化，研究人员根据红、黄、绿、蓝四色的变化趋势，清楚发现足部在鞋腔之内足底各个部位受力的集中趋势，可以清楚地察觉鞋内底设计的优劣，同时鞋内垫测试的足底压力图的面积变化同样具有舒适性评价的意义。例如，当前较为流行的三维立体鞋垫设计，通过改变传统鞋垫扁平的造型特征，其立体结构与足底形态吻合，实现足底全接触，从而发挥均衡压力的效果。通过鞋内垫压力测试能够清楚地发现鞋垫是否实现了与足底的全接触，尤其是足弓处的接触形态，从而帮助设计人员不断调整和改进鞋垫的造型结构设计（图6-19）。

图6-19　立体鞋垫造型图

2.足底各区域的压力与压强变化

鞋内垫压力测试技术与足底压力平板一样，其也需要在足底划分特定的区域，帮助研究人员有针对性地对足底的区域进行观察，一般Footscan系统本身会自动将足底分为九个区域，其中足跟四个区域、足弓两个区域、前掌三个区域（图6-20）。区域的定义可以手动调节，以帮助研究人员对感兴趣的区域进行针对性研究，九个区域随时间的推进、力值发生变化的情况，以不同颜色的曲线表述，其中在足弓区域还能够观察到足弓的受力面积。

图6-20　鞋内垫测试压力分析界面

3.步态的平衡性判断

图6-21　鞋内压力中心轨迹平衡性

正常人行走一般步态特征呈现左右对称的趋势，穿鞋行走亦是如此。足底压力鞋内垫测试系统自带的压力中心轨迹计算功能，能够分析人体行走过程中的平衡状况，尤其是当鞋类产品发生变化时，压力中心随之变化的特征对于评价鞋类产品的平衡尤为重要。当鞋类产品长时间穿着，由于磨损和踩压，鞋底发生变形，鞋类产品丧失以往的平衡状态，鞋底舒适性逐渐下降。因此，通过鞋内垫压力测试系统观察人体步行和运动时的步幅平衡性，是判断鞋类产品穿着状态下左右步态是否均衡，以及及时发现鞋类产品平衡性变化并采取改进措施的重要手段。如图6-21所示，观察鞋内压力中心轨迹平衡性（白色虚线），能够清楚看见左右脚压力中心轨迹相交处并未呈现在左右组之间中心位置，而是更靠近右脚内侧，表现出不平衡的状态，如能够通过鞋底或者鞋垫改进这种不平衡的状态，势必有利于提升鞋类产品穿着的舒适性能。

（六）鞋内垫压力测试实验策划

鞋内垫压力测试技术正如先前所述，其主要是分析鞋内底与足底之间的力学指标变化，在鞋类设计中能够对这一接触面力学指标造成影响的因素，都被认为是影响鞋品舒适性的关键，如鞋跟高度、前翘变化、楦底曲面弧度、鞋内底形态、鞋内底厚薄以及鞋内底的材料硬度等，那么为了实现鞋品更佳的穿着舒适度，围绕以上鞋类产品设计因素开展的鞋内垫压力比较性测试，则能够帮助设计开发人员了解特定设计下的舒适性，同时不断进行材料和结构创新，改进鞋品的穿着舒适性。

1.确定实验目的

鞋内垫压力测试技术主要用于测试和评价鞋类产品内底形态、材料以及楦底曲面设计对足底的压力分布影像，按照压力分布的均衡性，能够反映出以上鞋类结构设计的优劣，因此在本测试开展前期，作为研发人员首先应该明确测试目的，一般情况下，为了能够反映鞋类产品的特定结构对舒适性的影响，采用某一指标不同的设计方案制作的鞋类产品作为测试样鞋，通过测试来评价单一指标变化对鞋类舒适性的影响。

2.受试者选取

按照鞋类产品的穿着对象不同，选取适合测试鞋码的穿着受试者，一般情况下，按照样品鞋制作规则，选取男性鞋号250mm，女鞋鞋号230mm的样鞋。受试者要求无下肢损伤历史，对测试样鞋的款式和类型有穿着使用经验，以免由于受试者自身原因，产生较大的测试结果误差。

3.测试设备连接与穿戴

按照鞋内垫压力测试系统的要求，将鞋内垫、数据连接线、数据采集盒进行连接，同时将设备穿戴在受试人员身上，将数据存储卡插入数据采集盒，确认设备连接正确，准备开展测试。

4.开展测试并记录数据

在本步骤开始前，应先将数据接收装置与计算机相连，准备存储测试数据。在受试者穿戴好测试设备后，按照实验的既定要求，组织受试者穿着测试样鞋运动或者步行，待数据采集完毕后，表明测试数据成果已存储于数据卡内。

5.数据保存与分析

将数据存储卡与连接计算机的数据采集盒相连，启动软件，选择记忆卡选项，导入数据，再选择存储，将测试所得到的数据存入计算机，以便于下一步的数据分析。重复第三至第五步骤，逐个完成对每位受试者的测试，以获取测试样鞋在不同受试者下的足底压力分布特征。

（七）测试的意义

除了对整个足底压力鞋垫系统的操作有一个全面的认识，通过足底压力系统测试得到的数据，同样具有重要意义。

（1）认识鞋内垫压力测试系统。如图6-22所示，为足底压力鞋内垫测试系统的分析主界面，在足底受力的不同区域，应用不同的颜色来进行区分，颜色鲜艳的代表压力集中区，而颜色较浅则代表受力较为分散的点。

（2）整个足底压力鞋垫测试系统给我们提供的是如图6-23所示这样的鞋底设计，此设计体现了鞋底压力设计可改善穿着者的足底结构、鞋内垫的结构。鞋内垫压力测试技术可评价此鞋底弧度对足底的支撑效果是否良好。

图6-22　足底压力鞋内垫测试系统

（3）鞋内垫压力测试技术还可以帮助改良中底的曲面弧度和楦底的曲面弧度，通过鞋内垫压力测试技术可以针对鞋内垫设计、鞋中底设计和鞋楦楦底曲面设计这三个方面进行优化。

（4）鞋内垫压力测试系统除了呈现脚底印和足弓受力面积之外，还可以展示整只足部在鞋腔内所受到的压力和压强分布状况。

（5）可进行平衡性分析。

（6）可以测量足部在鞋腔之内的尺寸变化。在正常情况之下，进行脚型测量通常是让测试人员光脚站在水平面上来测试脚在静止状态下的变化。但是在鞋腔之内受到帮面的挤压等因素的影响，整个足部所呈现出来的形态并不一定是脚在静止不穿鞋的状态下所表现出来的状况。所以，此时在测量脚在鞋腔之内的形态变化对于我们评价脚尺寸变化跟舒适性之间的内在联系有着重要的参考意义。

图6-23　鞋底设计