基于人體足部特征的鞋面樣板設(shè)計(jì)及橫編成形方法

盧致文，蔣高明，叢洪蓮，楊 茜

(江南大學(xué)教育部針織技術(shù)工程研究中心，江蘇無錫 214122)

針織面料以其輕質(zhì)透氣的特性應(yīng)用于針織鞋材的開發(fā)［1］，已受到業(yè)內(nèi)人士的廣泛關(guān)注。目前鞋類產(chǎn)品的加工存在諸多問題，如加工步驟繁復(fù)，人力成本較高，加工過程中部分化工原料對環(huán)境污染嚴(yán)重等［2］，因此迫切需要成形程度較高的產(chǎn)品代替?zhèn)鹘y(tǒng)產(chǎn)品。橫機(jī)編織的鞋面材料(以下簡稱橫編鞋面)，是運(yùn)用橫編技術(shù)進(jìn)行加工生產(chǎn)的鞋面產(chǎn)品，不僅具有輕質(zhì)透氣的特性，且產(chǎn)品成形程度高，采用色紗編織，無需染色定型，就可呈現(xiàn)豐富的色彩及組織花型的變化，整身無拼縫，是減少加工流程，降低環(huán)境污染，提高產(chǎn)品整體性的有效手段。

為規(guī)范橫編鞋面產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，本文依據(jù)人體足部結(jié)構(gòu)特征，從足部生理機(jī)能角度出發(fā)，結(jié)合運(yùn)動慢跑鞋鞋楦特點(diǎn)，提出了橫編成形鞋面基礎(chǔ)樣板這一概念。同時在基本樣板應(yīng)用過程中，運(yùn)用明收針、局部編織等成形方法對橫編鞋面產(chǎn)品進(jìn)行編織，探討了半成形及完全成形2種鞋面的成形編織工藝，為橫編鞋面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理性提供保證，使其能夠更好地符合人體足部的穿著需求，為產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與開發(fā)提供了參考依據(jù)。

1 人體足部生理構(gòu)造及機(jī)能

由于足部是人體重要的負(fù)重、運(yùn)動器官，具有一定的形態(tài)構(gòu)造、生理機(jī)能及運(yùn)動規(guī)律，因此，在進(jìn)行鞋面樣板設(shè)計(jì)前，首先要對人體足部的基本結(jié)構(gòu)、機(jī)能以及運(yùn)動規(guī)律進(jìn)行研究。

1.1 人體足部生理構(gòu)造

人體每側(cè)足有26塊骨骼，關(guān)節(jié)多達(dá)數(shù)十個，依據(jù)不同功能及位置，可將人體足部骨骼分為:趾骨、跖骨、跗骨3大類［2］。其中跖骨和趾骨的第1節(jié)構(gòu)成了趾跖關(guān)節(jié)，是足部活動較為頻繁的部位，可做小幅度屈伸運(yùn)動，在跑跳過程中受力強(qiáng)度較大，因此在幫面設(shè)計(jì)的時候不宜作斷幫處理。

在人體足部關(guān)節(jié)中，由脛骨、腓骨及距骨構(gòu)成的踝關(guān)節(jié)，可在多個方向同時翻轉(zhuǎn)擺動，但活動范圍超出承受上限則會引起關(guān)節(jié)損傷［2］，因此，在運(yùn)動鞋設(shè)計(jì)中，良好的保護(hù)及支撐對腳踝部位十分重要。圖1為人體足部示意圖。

圖1 人體足部示意圖Fig.1 Diagram of human foot.(a)Arches of foot;(b)Foot-skeleton

足弓作為人體足部重要的組成部分，由跖骨、跗骨構(gòu)成，結(jié)合足底肌腱、韌帶共同構(gòu)成一個近似拱形向上突起［3］，其主要功能在于保證直立時足底支撐的穩(wěn)定性，同時在人體跳躍或下落過程中起到緩沖減震的作用，保護(hù)足底血管和神經(jīng)免受壓迫，由于內(nèi)外側(cè)縱弓長度不同，因此在鞋面樣板輪廓兩側(cè)采用不對稱設(shè)計(jì)。

1.2 人體足部機(jī)能

生理機(jī)能是指在正常狀態(tài)下各系統(tǒng)器官的工作能力。足部的生理機(jī)能主要包括:調(diào)節(jié)溫度、分泌汗液、蒸發(fā)水分等［4］。由于運(yùn)動狀態(tài)不同、季節(jié)變換、人體差異都會導(dǎo)致足部排汗?fàn)顟B(tài)的變換，主要表現(xiàn)為前腳掌及腳心等汗腺分布多的區(qū)域排汗較多，而后腳跟、外踝及腳面等部位則排汗較少，因此在鞋面設(shè)計(jì)過程中，需注重鞋材的保暖性設(shè)計(jì)，同時也要針對排汗部位設(shè)計(jì)透氣孔洞，滿足鞋腔溫濕度要求。

2 鞋楦造型及鞋面樣板

鞋楦是以腳型為依據(jù)的，鞋楦可看成是腳的模型，但又不只是腳的復(fù)制品［5］，決定著鞋的造型式樣以及穿著的合腳性及舒適性，因此，對于鞋楦設(shè)計(jì)而言，準(zhǔn)確地采集人體足部數(shù)據(jù)極為關(guān)鍵。

2.1 人體足部數(shù)據(jù)采集

足部數(shù)據(jù)是通過對穿著影響較大的主要特征部位進(jìn)行測量［6］，從而獲取的數(shù)據(jù)參數(shù)，如圖2所示。

圖2 人體足部測量示意圖Fig.2 Diagram of human foot measurement

2.2 慢跑鞋鞋楦特點(diǎn)

鞋楦是在遵循腳型規(guī)律和科學(xué)的基礎(chǔ)上，對腳的一種美化和藝術(shù)的處理。鞋楦由楦底面、楦統(tǒng)口面、楦側(cè)面3個面構(gòu)成，具有明確的分區(qū)及功能要求。不同款式的鞋樣都有自身的鞋楦參數(shù)及造型，慢跑鞋作為專用于慢跑的運(yùn)動鞋，要求質(zhì)量輕，質(zhì)地柔軟，透氣性好，非常適合用針織面料。表1示出慢跑鞋鞋楦設(shè)計(jì)參數(shù)。慢跑鞋楦整體較瘦長，前蹺較高，楦體肉頭安排肥瘦適度，從整體造型風(fēng)格上給人一種輕快、動感的視覺感受［7］，如圖3所示。

表1 慢跑鞋鞋楦設(shè)計(jì)參數(shù)(腳長為255 mm)Tab.1 Parameters design of running shoe-lasts(foot length 255 mm) mm

圖3 慢跑鞋及鞋楦造型Fig.3 Running shoes(a)and shoe-lasts(b)

2.3 慢跑鞋鞋面平面樣板

依據(jù)足部采集的尺寸數(shù)據(jù)，進(jìn)行鞋楦參數(shù)整理與修正。由于楦體的表面是一個三維空間里向多個方向自由延伸的曲面，曲面的面積以及起伏的狀況是樣板設(shè)計(jì)的依據(jù)，因此要盡量將楦面的面積和起伏狀況拷貝下來［8］。獲取鞋楦樣板需經(jīng)過貼楦、標(biāo)畫設(shè)計(jì)點(diǎn)和線、展平、制備基礎(chǔ)樣板、樣板分解及技術(shù)處理、樣品試制及樣板檢驗(yàn)幾項(xiàng)步驟。其中展平過程如圖4所示。首先在鞋頭處打剪口，然后沿箭頭方向?qū)Ⅰ薨櫨鶆蚍稚ⅲ罱K得到平面鞋楦形狀。

圖4 鞋楦平面展開樣板Fig.4 Flat template of shoe-lasts

2.4 橫編成形鞋面基礎(chǔ)樣板

橫編成形鞋面基礎(chǔ)樣板是指在人體足部及鞋楦結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合橫編編織原理，運(yùn)用比例法［9］在展平的鞋楦樣板上進(jìn)行繪制及修訂，制訂出的可用于橫機(jī)織造的基礎(chǔ)樣板。慢跑鞋常用設(shè)計(jì)尺寸見表2。表中給出了對應(yīng)部位取值的參考范圍，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)選擇出1組具體數(shù)據(jù)。圖5示出比例法繪制橫編成形鞋面基礎(chǔ)樣板。

表2 關(guān)鍵點(diǎn)取值范圍腳長為(腳長為255 mm)Tab.2 Key value range(foot length 255 mm)mm

圖5 比例法繪制橫編成形鞋面基礎(chǔ)樣板Fig.5 Making basic pattern of flat knitting shaping shoe-upper by ratio method.(a)Hemihedral pattern;(b)Flatten pattern

圖5(a)為鞋面半面樣板，沿鞋楦展開樣板前端底邊描畫鞋底輪廓線，得到前端點(diǎn)J，再找到后跟突點(diǎn)位置，得到后端點(diǎn)A1，LJA1即為楦面全長。取31%LJA1長度，確定出口門位置點(diǎn)E，取32%LJA1長度，定出鞋幫高度位置點(diǎn)D，其余37%LJA1為后幫長?？紤]到人在跑步狀態(tài)下，對鞋領(lǐng)口抱腳能力有一定要求，但又不妨礙腳腕活動，因此取口門寬度為15 mm、足踝高度為65 mm、后幫高度為80 mm、鞋幫高度為100 mm等一組數(shù)據(jù)，分別標(biāo)記為點(diǎn)F、點(diǎn)B、點(diǎn)A及點(diǎn)D。進(jìn)行樣板縮放時，腳長每增加5 mm，后踵高度增高1 mm，踝骨高度增加為0.5 mm，腳山高度增加2 mm。在制訂樣板時還應(yīng)考慮到上底工藝要求，從A1點(diǎn)與A點(diǎn)分別預(yù)留5 mm和7 mm的后跟泡棉厚度，以繃幫工藝為例，鞋底前段抬升15 mm鞋底后段抬升12 mm，滑順后得到楦面樣板。將繪制好的楦面樣板通過旋轉(zhuǎn)修正、標(biāo)記尺寸，得到橫編成形鞋面基礎(chǔ)樣板，如圖5(b)所示為將半面樣板展平后得到鞋面的整體基礎(chǔ)樣板。

3 橫編鞋面基礎(chǔ)樣板的應(yīng)用

橫編鞋面基礎(chǔ)樣板的設(shè)計(jì)為成形鞋面的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)提供了直接的依據(jù)。由于橫編織物具有較強(qiáng)的彈性，為使橫編成形鞋面達(dá)到作為鞋面材料的要求，對于原料及設(shè)備的選擇都存在一定限制。應(yīng)用實(shí)例是在STOLL CMS530 7.2G電腦橫機(jī)上，選用78 tex淺綠及78 tex深綠滌綸紗線進(jìn)行編織。

橫編成形鞋面工藝模型與基礎(chǔ)樣板鞋對應(yīng)關(guān)系可根據(jù)下式進(jìn)行計(jì)算:

式中:N為輸入模型中的起針數(shù);W為基礎(chǔ)樣板中的鞋口寬度;K為模型總高度;H為樣板總長度;PA與PB分別為通過打樣確定織物的橫縱密度，即橫向與縱向100 mm內(nèi)的線圈個數(shù)，通過修正得到橫編成形鞋面模型。在進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)時，分別通過半成形和完全成形2種方式實(shí)現(xiàn)橫編鞋面的成形編織［10］。在M1Plus花型準(zhǔn)備系統(tǒng)中，將換算成針數(shù)及轉(zhuǎn)數(shù)的基礎(chǔ)樣板輸入模型編輯器，設(shè)定屬性后套入坯布中，再根據(jù)款式、組織結(jié)構(gòu)及花型效果要求進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)及參數(shù)修改達(dá)到鞋面成形要求，最后從軟件中導(dǎo)出轉(zhuǎn)換成.sin、.set、.jac格式的文件，直接用于上機(jī)文件后在電腦橫機(jī)中編織。

3.1 橫編半成形鞋面的應(yīng)用

橫編半成形鞋面是在鞋面模型上，對鞋后跟及鞋頭部位在其形狀及位置上進(jìn)行調(diào)整，其優(yōu)勢在于加工工藝簡單，組織結(jié)構(gòu)及花型變化多樣且便于實(shí)現(xiàn)，能在普通電腦橫機(jī)上實(shí)現(xiàn)高效生產(chǎn)。

在橫編半成形鞋面的設(shè)計(jì)中，主要是根據(jù)組織及花型要求，適當(dāng)調(diào)整局部尺寸，如圖6所示。以鞋面模型為原型，運(yùn)用明收針的方法實(shí)現(xiàn)半成形鞋面的外部輪廓，為滿足人體足部后跟突點(diǎn)及鞋頭前蹺的要求，通過局部編織的手段抬高后跟12 mm，鞋頭部位下降7 mm，同時選擇翻針模塊對需裁剪部分輪廓進(jìn)行標(biāo)記，并運(yùn)用提花工藝在需裁剪部位進(jìn)行款式碼數(shù)的標(biāo)注，最終通過裁剪陰影區(qū)域?qū)崿F(xiàn)鞋面的成形。

圖6 橫編半成形鞋面的編織工藝Fig.6 Knitting technology of flat knitting half shaping shoe-upper

由于橫編半成形鞋面只在外輪廓上采用成形設(shè)計(jì)，且成形方法較簡單，因此可進(jìn)行多組織結(jié)構(gòu)變化、多色彩變化的鞋面設(shè)計(jì)，通過不同組織結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)搭配，滿足了鞋面材料需具備的透氣透濕功能，實(shí)現(xiàn)了鞋面產(chǎn)品的高效生產(chǎn)，同時色彩的多樣化滿足了人們對于服裝配件裝飾性的要求。

3.2 橫編完全成形鞋面的應(yīng)用

橫編完全成形鞋面是通過對鞋面基礎(chǔ)樣本進(jìn)行剪切變形后，最終獲得的可在橫機(jī)上織造的無需裁剪的成形鞋面。圖7示出完全成形鞋面的樣板變形。

以左半邊鞋面模型為例，首先在模型上標(biāo)記前開口端點(diǎn)a點(diǎn)、鞋口最高點(diǎn)c點(diǎn)以及后跟端點(diǎn)f點(diǎn)，分別經(jīng)a和c作垂直于鞋口的直線ab、cd，交鞋面模型外輪廓線于b點(diǎn)、d點(diǎn)，經(jīng)f點(diǎn)作鞋領(lǐng)口切線，交于e點(diǎn)。經(jīng)a點(diǎn)一條豎直線L，將ab、cd、ef剪開，以b點(diǎn)為定點(diǎn)將ab進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，得到a1b且垂直于L。將cd沿d點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，使c點(diǎn)落在由豎直線L、水平線ff1的交點(diǎn)f1點(diǎn)與c1點(diǎn)構(gòu)成的c1f1的中點(diǎn)延長線上;再將ef沿f點(diǎn)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，使e點(diǎn)所在延長線交豎直線L上的e1點(diǎn)和f1點(diǎn)構(gòu)成的e1f1與e1點(diǎn)和g點(diǎn)所在延長線與豎直線L的交點(diǎn)g1點(diǎn)構(gòu)成的e1g1形成3∶2的比例關(guān)系，調(diào)整鞋面模型樣板(右側(cè)樣板的調(diào)整與左側(cè)相同)。最后按照調(diào)整后的樣板作為完全成形鞋面的編織樣板并進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)。

圖7 完全成形鞋面的樣板變形Fig.7 Pattern deformation of whole shaping shoe-upper

如圖8所示，運(yùn)用放針滿足人體足部兜跟圍圍度要求，并通過左右不對稱的明收針方式，實(shí)現(xiàn)鞋面里外懷底口的區(qū)別，符合了人體足部內(nèi)外側(cè)縱弓尺寸及彎曲弧度具有差異的要求。在編織過程中，以口門寬度針數(shù)為基準(zhǔn)，刪除門口以下部分，滿足前開口式運(yùn)動鞋鞋面的分別編織。同時運(yùn)用局部編織的手段對樣板調(diào)整后的空白部分進(jìn)行填充，以實(shí)現(xiàn)人體足部前跗骨圍長的要求，以及口門到腳山的曲線造型。在后幫部位，采用大面積局邊編織，滿足后跟處曲線弧度，但由于該區(qū)域局邊范圍過大，在織造的過程中會產(chǎn)生牽拉不均或斷線等問題，因此在該部分局邊中部加入1～1.5轉(zhuǎn)的基本組織進(jìn)行過渡，便于更好地編織生產(chǎn)。

經(jīng)更改后的樣板起口處保持水平，因此織物起頭及鞋口羅紋部分都可正常編織不僅實(shí)現(xiàn)了織造的一次成形，同時羅紋部分通過添紗等編織方法形成一定的厚度要求，滿足了運(yùn)動鞋鞋面對統(tǒng)口處的硬挺要求，同時對腳踝部位起到了良好的支撐及保護(hù)作用。這類鞋面產(chǎn)品不僅實(shí)現(xiàn)了鞋面的一次成形，節(jié)約了生產(chǎn)原料，簡化了鞋材加工步驟，降低了人工成本，還在一定程度上減少了對環(huán)境的污染。但是該種成形方式編織工藝復(fù)雜，織造時間較長，同時對機(jī)器牽拉等有更高的技術(shù)要求，存在生產(chǎn)效率較低的問題，因此，對于如何提高完全成形鞋面的生產(chǎn)效率，仍需進(jìn)一步研究。

圖8 橫編完全成形鞋面編織工藝Fig.8 Knitting technology of flat knitting fully shaping shoe-upper

由于人體足部具有特殊的生理結(jié)構(gòu)及機(jī)能，因此在對橫編成形鞋面進(jìn)行工藝及編織方法設(shè)計(jì)時，除依靠明收針及局部編織方法對橫編成形鞋面進(jìn)行適當(dāng)變化以外，還需借助不同組織結(jié)構(gòu)及密度參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)氖站o，從而滿足運(yùn)動鞋鞋面的性能要求，使其更符合服裝人體工學(xué)，達(dá)到輕質(zhì)舒適、透濕透氣且具有一定裝飾效果的要求。

4 結(jié)語

針對人體足部結(jié)構(gòu)及生理機(jī)能的特性，運(yùn)用橫編成形原理，結(jié)合運(yùn)動鞋鞋楦原型，設(shè)計(jì)了符合橫編鞋面織造的基礎(chǔ)樣板。根據(jù)不同的需求，在對橫編鞋面基礎(chǔ)樣板進(jìn)行應(yīng)用的過程中，得到了橫編半成形及橫編完全成形鞋面的織造樣板并進(jìn)行橫編鞋面產(chǎn)品的設(shè)計(jì)生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)了工藝與設(shè)計(jì)的成形對接。將橫編鞋面基礎(chǔ)樣板應(yīng)用于成形鞋面中，在一定程度上規(guī)范了橫編成形鞋面產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，同時，為鞋面的設(shè)計(jì)提供了新的方法，減少成品鞋樣的后道加工流程，并為橫編產(chǎn)品的進(jìn)一步開發(fā)提供了新的途徑。

［1］ 蔣高明.針織學(xué)［M］.北京:中國紡織出版社，2012:12－14.JIANG Gaoming.Knitting Technology［M］.Beijing:China Textile＆ Apparel Press，2012:12－14.

［2］ 魏偉，吳新星.運(yùn)動鞋造型設(shè)計(jì)［M］.北京:中國紡織出版社，2012:138－139.WEI Wei，WU Xinxing.The Style of Sports Shoes Design［M］.Beijing:China Textile＆ Apparel Press，2012:138－139.

［3］ 施凱.足部運(yùn)動受力分布與鞋楦優(yōu)化分析研究［J］.包裝工程，2009(2):148 －150，184.SHI Kai.Research on pressure distiution of foot in movement condition and shoe tree optimization［J］.Packaging Engineering，2009(2):48 －150，184.

［4］ 劉靜民，劉卉，曲毅.運(yùn)動鞋溫、濕度舒適性研究［J］.體育科學(xué)，2012，32(6):50 －54.LIU Jingmin，LIU Hui，QU Yi.Study on characteristic of temperature and humidity in sport shoes［J］.China Sport Science，2012，32(6):50 －54.

［5］ 孫毅，丘理.鞋楦設(shè)計(jì)教程［M］.北京:中國輕工業(yè)出版社，2011:9－10.SUN Yi，QIU Li.The Course of Last Design［M］.Beijing:China Light Industry Press，2011:9 －10.

［6］ 鄭嫦娥.鞋楦數(shù)字化測量及數(shù)據(jù)處理技術(shù)的研究［D］.北京:北京林業(yè)大學(xué)，2003:13－14.ZHENG Chang'e.Research on the Technology of Digitizing Shoe Last and Data Processing［D］.Beijing:Beijing Forestry University，2003:13 －14.

［7］ 杜少勛.運(yùn)動鞋設(shè)計(jì)［M］.北京:中國輕工業(yè)出版社，2007:35－37.DU Shaoxun.Sports Shoes Design［M］.Beijing:China Light Industry Press，2007:35 －37.

［8］ 毛昕，王坤，黃英，等.鞋楦面與其展平圖間的幫樣交互設(shè)計(jì)［J］.工程圖學(xué)學(xué)報，2008(4):44－47.MAO Xin，WANG Kun，HUANG Ying，et al.Shoe last model reconstruction and surface development based on reverse engineering［J］.Journal of Engineering Graphics，2008(4):44 －47.

［9］ 高士剛.運(yùn)動鞋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［M］.北京:中國紡織出版社，2011:56－65.GAO Shigang. Construction Design for Sports Shoes［M］.Beijing:China Textile ＆ Apparel Press，2011:56－65.

［10］ 朱文俊，鄭建林.電腦橫機(jī)編織技術(shù)［M］.北京:中國紡織出版社，2011:323－324.ZHU Wenjun，ZHENG Jianlin.Knitting Technology of Computerized Flat Knitting Machine［M］.Beijing:China Textile＆ Apparel Press，2011:323 －324.