足踝护具产品研究与设计

下肢弹性穿戴产品能给人体提供特定的压力而具有不同功能，诸如静脉梯度压力袜、弹性运动护具等可以消除疼痛、辅助运动或预防运动过度而导致人体组织损伤，是下肢静脉曲张患者、运动员及各类体育运动爱好者的常用产品。这些弹性穿戴产品所提供的压力会受到人体姿态和下肢形态的影响而产生过大或不足的问题，不适当的服装压力不仅起不到相应的治疗和预防等作用，反而会对人体部位造成不良结果。用于人体关节保护的护具产品如护踝，其结构形态设计的宜人性更加受到关注。本书基于足踝内部组织结构和外部形态特征，采用曲面重构、服装压力、运动和生物力学等技术，提出了弹性护踝和半刚性护踝的宜人性设计方法。
本书研究主要受西安理工大学吉晓民教授的指导，也受到薛艳敏、殷媛媛、王旭鹏、胡刚等教授，以及西安理工大学工业设计系的同事们和西安市阎良区人民医院影像科的医生们的大力支持，在此表示诚挚的谢意。另外，笔者也参考了相关文献资料，在此一并表示真诚的感谢。
本书得到以下出版基金支持：106-451123004 人体下肢运动形态与弹性穿戴产品压力研究。
为了方便读者阅读参考，本书插图经汇总整理，制作成二维码放于封底，有需要的读者可扫码查看。
由于笔者经验和水平有限，书中难免有不足之处，敬请读者批评指正。

著者

用户对产品的健康、安全和舒适性要求越来越高，穿戴类的产品与人体接触面大，曲面形态复杂，其结构形态设计的宜人性受到高度关注。本书以足踝组织结构和外部形态曲面为基础，研究了以曲面重构、服装压力、运动和生物力学特征为技术手段的弹性护踝压力和半刚性护踝结构形态的宜人性设计方法。
本书可供设计专业研究与应用的科研工作者和相关工程技术人员阅读使用，也可作为高等院校相关专业师生的参考书。

绪论 001

第1章 足踝运动损伤与护具设计相关技术 003
1.1 足踝运动与损伤 003
1.2 基于人体运动生物力学的产品设计 005
1.3 逆向工程和曲面造型 006
1.4 基于人体形态尺寸的可穿戴产品设计 008
1.5 服装压力  009
1.5.1 服装压力的影响 009
1.5.2 服装压力理论 010
1.5.3 服装压力测量 012
1.6 足踝护具类型及设计 018

第2章 足踝组织结构及模型重构分析 023
2.1 人体足踝解剖学结构 023
2.1.1 骨骼 023
2.1.2 韧带 025
2.1.3 肌肉与肌腱 027
2.1.4 其他组织 029
2.2 足踝关节运动及生物力学 029
2.2.1 足踝主要关节 029
2.2.2 人体基准面及足踝关节运动 030
2.2.3 足踝生物力学 034
2.3 人体扫描与NURBS 曲面重构 035
2.3.1 人体扫描及应用研究 035
2.3.2 NURBS 曲面重构理论 037

第3章 足踝数字化模型构建 040
3.1 足踝外部形态尺寸与踝形态区域 040
3.1.1 样本选择与数据采集 040
3.1.2 足踝特征点及尺寸测量 041
3.1.3 踝形态区域 045
3.2 足踝模型曲面重构 047
3.2.1 局部均匀分布的特征截面线重构方法 048
3.2.2 踝形态区域曲面型值点提取 048
3.2.3 基于NURBS 插值的踝形态曲面重构 049
3.2.4 中、后足外部形态模型 052
3.3 足踝骨骼模型构建 052
3.3.1 样本与设备 052
3.3.2 足踝骨骼模型构建 053
3.3.3 距骨形态特征 055
3.4 足踝肌腱分布尺寸测量及肌肉线模型 056
3.4.1 肌腱分布 056
3.4.2 肌腱分布尺寸测量 057
3.4.3 足踝外在肌肉线模型 057
3.5 足踝数字化模型 059

第4章 踝外部区域变化特征与形态分类 061
4.1 踝外部区域动态尺寸分析及形态变化特征 061
4.1.1 足踝动态尺寸 061
4.1.2 踝表面形态变化特征 062
4.2 特征点的统一化处理 065
4.3 基于特征尺寸的踝外部区域形态分类 066
4.3.1 特征尺寸相关性与类型划分 067
4.3.2 内外踝突出点的位置及距离尺寸 070
4.3.3 踝形态最小临近再聚类方法 071

第5章 足踝关节运动仿真与力学分析 074
5.1 距骨形态与足踝关节运动学理论分析 074
5.1.1 距骨形态与足踝关节运动 074
5.1.2 运动轨迹数学模型 075
5.2 足踝关节运动角度仿真与动捕测量 079
5.2.1 足踝关节运动仿真 079
5.2.2 关节角度的动捕测量 081
5.2.3 运动仿真与动作捕捉测量对比分析 083
5.3 足踝力学模型与分析 084
5.3.1 足底支撑结构 084
5.3.2 足踝关节支撑的临界位置 085
5.3.3 肌力模型 086
5.3.4 足踝生物力学测量与分析 088

第6章 踝护具设计方法 092
6.1 考虑舒适性的弹性护踝设计方法 092
6.1.1 弹性护踝模型及型值点曲率 093
6.1.2 弹性护踝压力与最大压力位置 095
6.1.3 关键特征曲线形态与压力分析 096
6.1.4 考虑舒适性压力的弹性护踝设计 100
6.2 基于足踝ROM 约束的半刚性护踝设计 104
6.2.1 运动类型与半刚性护踝设计方法 104
6.2.2 韧带尺寸变化与ROM 约束 105
6.2.3 半刚性护踝设计 108

第7章 踝护具关键参数实验测试与用户体验 111
7.1 弹性护踝压力测试与分析 111
7.1.1 足踝围线方向的切片模型 111
7.1.2 弹性织物压力测试方法 112
7.1.3 测试数据与结果分析 113
7.1.4 弹性护踝的主观评价 114
7.2 半刚性护踝设计分析与测试实验 116
7.2.1 半刚性护踝有限元分析 116
7.2.2 半刚性护踝测试实验 118
7.2.3 半刚性护踝的主观评价 122
7.3 足踝护具的组合使用 123

附录 足踝特征点及样本尺寸测量原始数据 124

参考文献 156