基于人體足部特征的織襪模型設(shè)計(jì)及一體成形算法

冀 鶴， 蔣高明， 呂建國(guó)

(1. 江南大學(xué) 教育部針織技術(shù)工程研究中心， 江蘇 無(wú)錫 214122；2. 浙江新昌振興紡織機(jī)械有限公司， 浙江 新昌 312500)

圓襪機(jī)編織技術(shù)具有生產(chǎn)效率高、產(chǎn)品成形效果好、產(chǎn)品提花種類(lèi)豐富及機(jī)器成本低等特點(diǎn)，在當(dāng)今織襪市場(chǎng)應(yīng)用較廣[1]。目前，國(guó)內(nèi)織襪生產(chǎn)還存在諸多問(wèn)題，如織襪完成織造仍需下機(jī)完成縫頭，消耗較大人力成本，降低了織襪生產(chǎn)效率，因此，迫切需要一體襪機(jī)代替?zhèn)鹘y(tǒng)襪機(jī)完成生產(chǎn)。圓襪機(jī)一體成形編織是運(yùn)用類(lèi)似于普通圓襪機(jī)的編織技術(shù)[2]，進(jìn)行加工生產(chǎn)織襪產(chǎn)品，不僅具有柔軟舒適美觀(guān)的特點(diǎn)，且產(chǎn)品成形程度高，采用連續(xù)生產(chǎn)，無(wú)需下機(jī)縫頭簡(jiǎn)化后整理過(guò)程，優(yōu)化了原有生產(chǎn)模式，提高了產(chǎn)品一體性。

為規(guī)范圓襪機(jī)編織產(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)合足部特點(diǎn)，提出了一體成形織襪模型這一概念。同時(shí)，在織襪模型應(yīng)用過(guò)程中，本文主要介紹了單針筒一體成形織襪模型，運(yùn)用平針雙層編織、襯墊編織、上行針?lè)ň幙棥⒉遽樂(lè)ň幙椉皳遽槨⑻翎樀瘸尚尉幙椃椒?，結(jié)合扭結(jié)式縫頭法實(shí)現(xiàn)機(jī)上一體成形。探究了一體成形織襪模型及應(yīng)用，為圓襪機(jī)編織結(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穿著需求，為我國(guó)織襪一體成形產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)提供理論參考。

1 人體足部生理特征及機(jī)能

人體足部具有一定形態(tài)結(jié)構(gòu)、生理機(jī)能及運(yùn)動(dòng)規(guī)律，是人體重要負(fù)重和運(yùn)動(dòng)器官[3]，因此，在進(jìn)行織襪模型設(shè)計(jì)前，首先對(duì)人體足部腳型結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)及足部壓力分布進(jìn)行研究。

1.1 人體足部生理特征

人體足部骨骼包括趾骨、跖骨、跗骨[4]3大類(lèi)，如圖1所示。在走路和運(yùn)動(dòng)過(guò)程中趾骨和跗骨中的跟骨運(yùn)動(dòng)頻率最高，在支撐身體方面起著重要作用，相應(yīng)給與織襪向下的壓力，在走路和運(yùn)動(dòng)時(shí)增加了腳底前端和跟部的摩擦力，因此，在設(shè)計(jì)襪底和襪跟部位時(shí)通常需要“夾底”加入加固線(xiàn)提高其耐磨性。

圖1 足部骨骼Fig.1 Foot-skeleton

在人體足部有較多關(guān)節(jié)，第1至第5趾骨借助關(guān)節(jié)完成內(nèi)收、外展、環(huán)轉(zhuǎn)、回轉(zhuǎn)及屈伸運(yùn)動(dòng)[4]，如圖2所示。趾骨的運(yùn)動(dòng)增加了襪頭部位向上、向下以及向前的沖擊力，因此，在織襪編織過(guò)程中，襪頭部位組織及密度的選取尤為重要，通常在襪頭需要編織加固圈提高其頂破性和保暖性(季節(jié)需要)。

圖2 足部關(guān)節(jié)及活動(dòng)Fig.2 Foot joints and activities

腳部運(yùn)動(dòng)是由附著在骨骼上的肌肉收縮和弛緩帶動(dòng)骨骼完成[4]，肌肉在整個(gè)運(yùn)動(dòng)中處于主導(dǎo)地位，織襪的延伸性和伸縮性直接影響腳部舒適度，因此，織襪襪腳和襪筒部位密度低于襪頭和襪跟，并在收縮運(yùn)動(dòng)頻繁部位添加橡筋，減少足部與織襪摩擦。

1.2 人體足部機(jī)能

足部的生理機(jī)能主要包括分泌汗液、蒸發(fā)水分及調(diào)節(jié)溫度[4]。由于運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目的不同、季節(jié)更替及人體差異，對(duì)織襪性能有不同的需求，恰當(dāng)?shù)剡x擇織襪可減少運(yùn)動(dòng)損傷，增加運(yùn)動(dòng)效果[5]及足部穿著舒適性，因此，在織襪設(shè)計(jì)過(guò)程中，根據(jù)織襪對(duì)吸濕排汗性需求選用棉紗編織地組織，滿(mǎn)足人們對(duì)于織襪的功能需求。

2 織襪參數(shù)及模型建立

織襪模型建立是以織襪參數(shù)為依據(jù)，織襪模型可看成是腳的輪廓，但又不是腳上的束縛品，決定著織襪穿著的舒適性及貼服性，因此，就織襪模型的建立而言，精確地采集人體足部數(shù)據(jù)對(duì)于確定織襪參數(shù)尤為重要。

2.1 織襪參數(shù)

織襪參數(shù)是通過(guò)對(duì)人體足部主要特征部位進(jìn)行測(cè)量，歸納整合足部參數(shù)數(shù)據(jù)獲得的，足部數(shù)據(jù)測(cè)量示意圖如圖3所示。

a—外踝骨高度；b—前跗骨高度；c—第1跖趾關(guān)節(jié)高度；d—拇指厚度；e—跖趾圍長(zhǎng)；f—前跗骨圍長(zhǎng)；g—兜跟圍；i—舟上彎點(diǎn)高度；j—后跟突點(diǎn)高度；k—腳長(zhǎng)；l—腳踝圍長(zhǎng)；m—最長(zhǎng)趾骨長(zhǎng)度；n—足弓長(zhǎng)度；u—跟骨長(zhǎng)度。圖3 人體足部數(shù)據(jù)測(cè)量示意圖Fig.3 Diagram of human foot datd measurement

建立織襪參數(shù)需首先明確織襪分類(lèi)：根據(jù)人體足部尺寸將織襪分為童襪、少年襪、女襪、男襪4大類(lèi)；根據(jù)款式可分為腳套(俗稱(chēng)隱形襪)、短筒襪、中筒、長(zhǎng)筒襪等；結(jié)合織襪功能性，分為普通織襪、運(yùn)動(dòng)織襪等[6]。

不同尺寸、不同款式及不同功能性的織襪都有其對(duì)應(yīng)的參數(shù)，結(jié)合群體穿著偏好及足部尺寸數(shù)據(jù)，選擇女士隱形普通織襪和女士中筒運(yùn)動(dòng)織襪為研究對(duì)象確定參數(shù)：女士中筒運(yùn)動(dòng)織襪要求透氣性好、柔軟舒適符合腳型，針織面料非常適合；女士隱形普通織襪，作為夏天必備品，要求輕薄，整體形態(tài)呈短寬、彈性好，大襪口與足部完美貼服。本文以女士中筒運(yùn)動(dòng)織襪和女士隱形普通織襪為例，設(shè)計(jì)織襪參數(shù)如表1、2(數(shù)據(jù)來(lái)自浙江新昌振興紡織機(jī)械有限公司)所示。

表1 女士中筒運(yùn)動(dòng)織襪尺寸及比例參數(shù)Tab.1 Female sports knee socks size and scale parameters

表2 女士隱形普通織襪尺寸及比例參數(shù)Tab.2 Female shadow socks size and scale parameters

2.2 中筒織襪模型建立

根據(jù)織襪參數(shù)結(jié)合織襪編織原理[6]，本文以中筒女士運(yùn)動(dòng)襪為例探究了織襪模型建立過(guò)程。

圖4示出中筒織襪模型。取襪跟起始編織點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，以織襪襪筒方向?yàn)閥軸方向，以襪口方向?yàn)閤軸方向建立二維直角坐標(biāo)系。根據(jù)腳踝圍長(zhǎng)及織襪編織工藝，結(jié)合運(yùn)動(dòng)過(guò)程中對(duì)襪口與腿部肌肉的貼附性要求，襪口寬W1取79 mm，襪口高H取 30 mm，襪筒寬W2取89 mm，襪筒高H1取85 mm；為保證織襪穿著合腳，考慮減少運(yùn)動(dòng)過(guò)程中襪跟部分的磨損，根據(jù)后跟突點(diǎn)高度及兜跟圍及織襪撳針挑針工藝要求，襪跟半高h(yuǎn)取30 mm。為保證織襪具有良好的延伸性能，收放針數(shù)均為1；通過(guò)如圖5所示襪跟放大模型計(jì)算襪跟尺寸，計(jì)算公式為

L=5NP

D2x=-Rcos(β)

D2y=Rsin(β)

式中：L為襪跟縫長(zhǎng)，mm；N為收針或者放針針數(shù)；P為襪跟密度；R為OC2的長(zhǎng)度，取51 mm；θ為襪跟起始編織到跟縫的角度值，(°)；α為θ/2；β為3θ跟縫到襪底起始編織角度值。可得上筒各點(diǎn)坐標(biāo)值A(chǔ)1(W1/2,H1+H+h/2),A2(-W1/2,H1+H+h/2),B1(W2/2,H1+h/2),B2(-W2/2,H1+h/2),C1(-W1/2,h/2),C2(W1/2,h/2)。

圖4 中筒織襪模型Fig.4 Knee socks model

圖5 襪跟放大模型Fig.5 Zoom model of heel

在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中為使織襪下筒不隨運(yùn)動(dòng)而滑移，在腳底部運(yùn)動(dòng)最頻繁的趾骨位置增加橡筋，襪腳橡筋高H2取40 mm，寬H3取72 mm，考慮到人體足弓尺寸及上機(jī)織縮襪腳高H4取130 mm；在襪頭部分模型建立過(guò)程中，由于足部趾骨及關(guān)節(jié)處運(yùn)動(dòng)靈活對(duì)織襪產(chǎn)生多角度作用力，添加10 mm加固圈工藝以減少對(duì)織襪頭部產(chǎn)生直接沖擊；同時(shí)需要考慮織襪上行針?lè)ㄒ?，作以Q點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，以QG1長(zhǎng)度為半徑，以(180°-β+θ)為圓心角的圓弧，得到中筒女士運(yùn)動(dòng)襪模型。

2.3 隱形織襪模型建立

根據(jù)隱形襪工藝特點(diǎn)及生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)[7]，在普通織襪模型建立的基礎(chǔ)上研究了女士隱形襪模型建立方法。

建立xOy直角坐標(biāo)系，為滿(mǎn)足織襪隱形和舒適性需求及人體足部尺寸結(jié)合跟骨尺寸特征，襪口高H取13 mm，襪口寬W取38 mm；其獨(dú)特的大襪口特征增加了對(duì)襪跟抱合力的需求，選用Y字形襪跟，根據(jù)兜跟圍尺寸確定襪跟最遠(yuǎn)點(diǎn)尺寸為63 mm，考慮后跟凸起高度及腳跟處抱合性能，在OP區(qū)域收放針數(shù)均為5針，P1PP′區(qū)域均為1針，圖6示出隱形織襪襪跟放大圖。通過(guò)如下計(jì)算公式求得襪跟特征點(diǎn)及襪跟軌跡方程：

x2OP22+y2OP22-hcosθ2=1

(x∈(-OP2,0)，y∈(-OA2,OA1cosθ))

圖6 隱形襪跟放大圖Fig.6 Footlet heel with enlarged

結(jié)合人體足弓學(xué)與服飾美學(xué)及織襪工藝，在收針時(shí)至少留1/5～1/6織針在編織區(qū)域，PP1和PP′取 8 mm，織襪襪腳長(zhǎng)取110 mm，為滿(mǎn)足腳面無(wú)織襪，選擇在襪跟編織結(jié)束后44 mm內(nèi)只編織襪底區(qū)域；考慮到織襪模型需適合多數(shù)成年女性穿著及減少襪腳滑落添加20 mm橡筋編織；結(jié)合服飾美學(xué)及織襪力學(xué)性能要求，在襪頭編織前添加加固圈工藝行10 mm，作以Q點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，以QF2長(zhǎng)度45 mm為半徑，以4θ為圓心角的圓弧，得到如圖7所示隱形織襪模型。

圖7 隱形織襪模型Fig.7 Footlet socks model

3 織襪模型應(yīng)用

織襪平面模型為一體成形織襪的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)提供了直接依據(jù)。由于織襪具有較大的彈性，為使一款織襪可以滿(mǎn)足一類(lèi)人群的穿著需求，通過(guò)計(jì)算將織襪模型尺寸轉(zhuǎn)化為線(xiàn)圈縱行，確定織襪各編織部位橫密、縱密。本文實(shí)例在UC606-1446F型國(guó)產(chǎn)普通毛圈與隱形毛圈兩用機(jī)上進(jìn)行編織。

一體成形織襪模型與成形織襪工藝關(guān)系可根據(jù)以下公式進(jìn)行計(jì)算：

D=0.035 68Ttδ

PA=50A

PB=50B

L=1.57A+2B+πD

L=σTt31.62

N=0.4WPA

式中：D為紗線(xiàn)直徑，mm；A為圈距；B為圈高；L為線(xiàn)圈長(zhǎng)度，mm；σ為線(xiàn)圈模數(shù)；Tt為紗線(xiàn)線(xiàn)密度，tex；δ為紗線(xiàn)體積質(zhì)量，g/cm3；PA為織襪橫密，縱行/(5 cm)；PB為織襪縱密，橫列/(5 cm)；N為總針數(shù)；W為模型尺寸。

通過(guò)修正得到成形織襪模型，在進(jìn)行織襪工藝設(shè)計(jì)時(shí)，通過(guò)一體成形方法實(shí)現(xiàn)中筒織襪模型和隱形織襪模型2種款式織襪的成形編織。在MindCottonSocks花型編輯準(zhǔn)備的鏈條編輯系統(tǒng)中，將換算的針數(shù)和密度輸入模型編輯器，設(shè)定參數(shù)結(jié)束后再根據(jù)花型效果需要完成意匠填充、根據(jù)組織結(jié)構(gòu)完成主梭配置達(dá)到織襪成形要求如圖8所示，最后從軟件中導(dǎo)出轉(zhuǎn)換成FAT格式的上機(jī)文件，在單針筒一體襪機(jī)完成編織。

3.1 中筒織襪成形的應(yīng)用

一體成形織襪是在織襪完成成形編織后通過(guò)轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)完成向縫頭機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)移[8]，由縫頭機(jī)構(gòu)完成縫頭，優(yōu)勢(shì)在于下機(jī)即可穿著成形織襪[9]。

在中筒織襪設(shè)計(jì)中，主要根據(jù)織襪功能性需求對(duì)局部尺寸進(jìn)行調(diào)整，如圖9所示。以織襪模型為原型，提花片變換選針?lè)绞脚c主梭橡筋梭配合，實(shí)現(xiàn)雙層假羅口襪口編織，克服了橡筋襯墊襪口邊緣卷曲，賦予襪口羅紋效果。通過(guò)上行針?lè)ㄅ浜蠐遽槨⑻翎樂(lè)ㄍ瓿蓾M(mǎn)足人體足弓學(xué)的袋型襪跟編織。同時(shí)，運(yùn)用分針?lè)ㄍ瓿杉庸桃m底的編織，添加加固紗提高織襪堅(jiān)牢度。圖10示出女士中筒運(yùn)動(dòng)襪及隱形普通襪一體成形產(chǎn)品。

圖8 參數(shù)配置Fig.8 Parameter configuration. (a) Main shuttle setup; (b) Jacquard pattern design

圖9 中筒織襪編織工藝Fig.9 Knee socks knitting process

圖10 一體成形織襪成品Fig.10 Finished product of toe-closed fully-fashioned.(a)Female sports knee sock; (b) Female shadow socks

由于中筒織襪除去襪跟和襪頭部分為上行法編織工藝較為復(fù)雜外，在襪口、襪筒、橡筋部分均為圓筒編織，因此，可采用變化組織結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)增加織襪運(yùn)動(dòng)功能特性，在襪頭和襪跟部位以襯墊組織的形式加入功能纖維增強(qiáng)織襪抗疲勞強(qiáng)度，同時(shí)賦予織襪纖維的功能性；在下筒中部添加橡筋減少運(yùn)動(dòng)過(guò)程中襪底與足部的摩擦，提高運(yùn)動(dòng)效果。同時(shí)，意匠設(shè)計(jì)的靈活性提高了人們對(duì)于個(gè)性著裝的要求。

3.2 隱形織襪成形的應(yīng)用

隱形織襪[10]是在原有一體機(jī)成形工藝中添加隱形三角，實(shí)現(xiàn)在襪口及襪底分區(qū)域進(jìn)行上行針?lè)ň幙棧瑢?shí)現(xiàn)大襪口效果的一體成形織襪，如圖11所示。

圖11 隱形織襪編織工藝Fig.11 Footlet knitting process

在編織過(guò)程中，將中筒織襪成形中的橡筋及橡筋扎口工藝并入起口工藝行，采用上行針?lè)ㄅ浜蠐遽樚翎樄に嚕纬删哂幸欢▋A斜度的襪口組織，同時(shí)提花片完成一隔一選針形成彈性雙層假羅紋組織，實(shí)現(xiàn)襪口向襪跟和襪底過(guò)渡，避免織襪發(fā)生脫落及保護(hù)腳踝。此外，選用Y型襪跟編織，在襪跟轉(zhuǎn)向處采用收針不脫舊線(xiàn)圈的方法在中筒襪跟編織基礎(chǔ)上增加一塊組織，形成滿(mǎn)足人體足部兜跟圍的扁平袋狀造型，增加與足部的抱合力。襪底大面積采用上行走針?lè)ǜ啧噌樛顺鼍幙梾^(qū)，低踵針全部參加編織到達(dá)成圈高度，配合加固底分針編織法使紗線(xiàn)部分墊紗，增加其耐磨性改善卷邊，隱形普通襪的一體成形產(chǎn)品展示如圖10(b)所示。

這種織襪降低了人工縫頭的成本，節(jié)約了生產(chǎn)原料，減少襪筒工藝提高了生產(chǎn)效率。但一體成形隱形織襪編織工藝復(fù)雜，對(duì)機(jī)器牽拉和三角排列等有更高的技術(shù)要求，為滿(mǎn)足織襪工藝減少組織搭配種類(lèi)，因此，對(duì)于如何提高一體成形隱形襪的組織搭配種類(lèi)需要進(jìn)一步開(kāi)展研究。

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(duì)織襪進(jìn)行工藝及編織方法設(shè)計(jì)時(shí)，除依靠撳針、挑針、提花片變化選針?lè)椒▽?duì)織襪成形模型適當(dāng)變化外，還需要借助添加毛圈組織或者襯緯橡筋組織等組織變化，及針筒、生克片和沉降片密度等參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，從而滿(mǎn)足織襪的性能要求，更符合服飾美學(xué)、人體足弓學(xué)及功能性，達(dá)到服裝裝飾吸濕排汗及保護(hù)足部的效果。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)人體足部特征及生理機(jī)能特性，運(yùn)用圓襪機(jī)編織成形原理，結(jié)合中筒織襪模型和隱形織襪模型，設(shè)計(jì)了符合圓襪機(jī)織造要求的織襪模板。實(shí)現(xiàn)了模型與工藝成形設(shè)計(jì)的對(duì)接，在一定程度上規(guī)范了一體成形織襪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，同時(shí)，優(yōu)化了織襪設(shè)計(jì)算法，提高了織襪生產(chǎn)的科學(xué)性，并為我國(guó)圓襪機(jī)編織一體成形開(kāi)發(fā)提供了新方向。

FZXB