全掌支撑板及鞋底

技术领域

本发明涉及鞋领域，尤其涉及一种兼顾运动安全和运动功效优化的全掌支撑板，以及包含有该全掌支撑板的鞋底。

背景技术

影响运动员最佳运动表现的因素有很多，比如运动员自身的天赋、力量素质、训练计划以及理想的运动装备等。运动装备的设计目的一般是防止发生运动损伤和/或提高运动表现，为了使运动工效优化，根据热力学第一定律和功能原理，运动员在训练和比赛中改善功能平衡主要有三种策略：(1) 最大限度地储存和回收能量；(2)最大限度地减少能量损失；(3)优化肌肉功能。

在篮球运动中，通过对篮球比赛进行分析，运动员有超过20％的比赛时间处于高强度的运动状态，比如加速和减速的跑步或冲刺(55次冲刺和97 次跑步)、跳跃(44次)以及各种高强度的篮球动作(94次)，这会使下肢承受巨大的外部和内部负荷。篮球运动员的踝关节和足部是受伤最多的部位(39.7％)，因此，运动装备的选择尤为重要，特别是篮球鞋的选择，篮球鞋应当在提高运动员运动表现的同时尽量减少运动损伤。

运动鞋制造商经常强调其鞋类产品具有增强能量存储和回报的效果，然而，基于目前设计技术的限制和用于鞋中底构造的材料特性，运动鞋的典型特征是能量存储和回收能力差。因此，当脚接触地面时，大部分储存在鞋中底的能量会通过热量、摩擦和振动消散或损失，从而降低运动员的运动能效。因此，人们越来越有兴趣研究鞋底弯曲刚度在提高运动成绩方面的作用。将碳纤维板插入到鞋中底和鞋垫中，通过优化鞋弯曲刚度来提高性能，这种方法已经在强调速度和力量的各种运动中得到检验。

但是，对于篮球运动而言，篮球鞋鞋底中复合全掌式的碳板，被认为并不符合运动安全原理，因为过大的刚度会使得小腿的肌肉与肌腱负载增大，容易导致运动损伤，因此如何平衡碳板带来的刚度与下肢肌群的负载，同时使运动工效优化，是一个亟需解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种兼顾运动安全和运动功效优化的全掌支撑板，以及包含有该全掌支撑板的鞋底。具体技术方案如下：

一种全掌支撑板，包括顺次连接的前掌区域、中足区域和足跟区域，前掌区域朝向人体足部方向弯曲设置，与人体脊柱的腰椎段的生理弯曲相对应；中足区域朝向地面方向弯曲设置，与人体脊柱的胸椎段的生理弯曲相对应；足跟区域朝向人体足部方向弯曲设置，与人体脊柱的颈椎段的生理弯曲相对应。

进一步，足跟区域和/或前掌区域上设置有镂空结构，以避免足跟区域和 /或前掌区域出现集中应力。

进一步，足跟区域上的镂空结构为单椭圆形镂空。

进一步，前掌区域上的镂空结构为双椭圆形镂空，椭圆形镂空的长轴与前掌区域的足底压力中心移动轨迹平行设置。

进一步，足跟区域和/或前掌区域上设置有弹性结构，以提高足跟区域和/或前掌区域的线性变形能力和结构韧性。

进一步，足跟区域上的弹性结构包括第一弹性板，第一弹性板朝向地面方向弯曲设置，连接在足跟区域的下方，以在足跟区域与第一弹性板之间形成第一形变空间。

进一步，第一弹性板和足跟区域具有相同的弯曲弧度，第一弹性板与足跟区域镜像对称设置。

进一步，第一弹性板和足跟区域上均设置有镂空结构，第一弹性板和足跟区域上的镂空结构镜像对称设置。

进一步，前掌区域上的弹性结构包括第二弹性板，第二弹性板朝向地面方向弯曲设置，连接在前掌区域的下方，以在前掌区域与第二弹性板之间形成第二形变空间。

进一步，第二弹性板和前掌区域具有相同的弯曲弧度，第二弹性板与前掌区域镜像对称设置。

进一步，第二弹性板和前掌区域上均设置有镂空结构，第二弹性板和前掌区域上的镂空结构镜像对称设置。

进一步，前掌区域与第二弹性板之间设置有减震支撑单元，可提高前掌区域的力反馈效果。

进一步，前掌区域上设置有双椭圆形镂空结构，第二弹性板上对称地设置有双椭圆形镂空结构，减震支撑单元包括三组，分别设置在前掌区域的双椭圆形镂空结构的两侧及两个椭圆形镂空结构的中间。

进一步，每组减震支撑单元包括三个，三个减震支撑单元沿椭圆形镂空结构的长轴延伸方向顺次排布，位于中间的减震支撑单元的尺寸大于位于两侧的减震支撑单元的尺寸。

进一步，中足区域的内侧设置有支撑板，支撑板朝向人体足部方向倾斜设置，以承托足部的内侧区域。

一种鞋底，包括以上所述的全掌支撑板。

本发明的全掌支撑板及鞋底具有以下优点：

1、为人体足部提供足够的刚度，优化地面反作用力的方向，实现机械能利用效率的优化，同时缓冲储能，发挥“跷跷板”的效果，有效助推人体向前运动；

2、承载时可避免集中应力的出现，增加回弹韧性，减少对下肢的冲击，实现缓冲避震，减少运动损伤；

3、能够调整力的方向，使人体足部落地时落地位置与地面反作用力的方向更靠近人体质心，同时减少足部与鞋底之间的相对滑动，增加运动过程中跳跃等技术动作的稳定性；

4、可加强中足区域的支撑刚度和抗扭性，防止运动过程中足部发生侧翻，提高运动安全性。

附图说明

图1为本发明中全掌支撑板的实施例一的立体图。

图2为本发明中全掌支撑板的实施例一的正面示意图。

图3为本发明中全掌支撑板的实施例一的俯视图。

图4为图3中所示A-A方向上的剖视图。

图5为本发明中全掌支撑板的实施例一的侧面示意图。

图6为全掌支撑板实施例一在受力状态下上表面的形变程度示意图。

图7为全掌支撑板实施例一在受力状态下上表面的应变图。

图8为全掌支撑板实施例一在受力状态下上表面的应力分布图。

图9为全掌支撑板实施例一在受力状态下下表面的形变程度示意图。

图10为全掌支撑板实施例一在受力状态下下表面的应变图。

图11为全掌支撑板实施例一在受力状态下下表面的应力分布图。

图12为本发明中全掌支撑板的实施例二的侧面示意图。

图13为本发明中全掌支撑板的实施例二的剖视图。

图14为本发明中全掌支撑板的实施例二的正面示意图。

图15为本发明实施例二中的减震支撑单元的立体图。

图16为本发明实施例二中的减震支撑单元的剖视图。

图17为全掌支撑板实施例二在受力状态下上表面的形变程度示意图。

图18为全掌支撑板实施例二在受力状态下上表面的应变图。

图19为全掌支撑板实施例二在受力状态下上表面的应力分布图。

图20为全掌支撑板实施例二在受力状态下下表面的形变程度示意图。

图21为全掌支撑板实施例二在受力状态下下表面的应变图。

图22为全掌支撑板实施例二在受力状态下下表面的应力分布图。

具体实施方式

为了更好的了解本发明的目的、结构及功能，下面结合附图，对本发明的全掌支撑板及鞋底做进一步详细的描述。

本发明中的全掌支撑板可设置在鞋底中，优选采用碳纤维复合材料制成，能够随人体足部的反复踩踏发生弹性形变，以回收足部落地时的能量，并在人体足部蹬地时重新释放，为穿着者提供助推力，提升蹬伸效率，同时减少应力集中，避免发生运动损伤。

具体的，如图1至图5所示，本发明中的全掌支撑板包括前掌区域10、中足区域20和足跟区域30，前掌区域10与人体足部的前掌相对应，中足区域20与人体足部的中足相对应，足跟区域30与人体足部的足跟相对应，前掌区域10、中足区域20和足跟区域30顺次连接，以与人体足部的足底全掌相对应。其中，前掌区域10朝向人体足部方向弯曲设置，中足区域20朝向地面方向弯曲设置，足跟区域30朝向人体足部方向弯曲设置；将全掌支撑板的上表面与人体脊柱朝向人体正前方的一侧相对应，将全掌支撑板的下表面与人体脊柱朝向人体正后方的一侧相对应，则前掌区域10的弯曲弧度与人体脊柱的腰椎段的生理弯曲相对应，中足区域20的弯曲弧度与人体脊柱的胸椎段的生理弯曲相对应，足跟区域30的弯曲弧度与人体脊柱的颈椎段的生理弯曲相对应。

参考人体脊柱的弯曲弧度设计全掌支撑板，可以有效帮助运动过程中，尤其是篮球运动中，运动员在进行变速跑和向前蹬伸时，使鞋底发挥“跷跷板”的效果，改变地面反作用力的方向，有效助推人体向前运动。具体的，为了把水平方向的动能转化为垂直方向的动能，需要人体足部的足跟参与起跳时的“制动”工作，而影响制动转换效率的因素主要有垂直方向上地面反作用力的大小和方向，以及水平方向上地面反作用力的大小和方向，由于地面通常是水平的，因此通过改变足与鞋之间相互作用界面、调整鞋底结构能够实现力的大小和方向的改变和调整；此外，在助跑起跳的“制动”阶段之后，人体足部会进入蹬伸阶段，在蹬伸阶段中，跖趾关节的“绞盘机制”的工效会受到多个因素的影响，其中也包括足与鞋之间的相互作用界面与鞋底的结构。由此，根据应力遮挡效应，通过提取人体脊柱(参考健康脊柱通常的生理弯曲数值)腰椎段、胸椎段和颈椎段的三个生理弯曲弧度作为全掌支撑板的弯曲弧度，能够有效提升全掌支撑板的助推效果。

进一步，如图2和图5所示，全掌支撑板的足跟区域30上设置有弹性结构，弹性结构能够提高足跟区域30的线性变形能力和结构韧性。具体的，足跟区域30上的弹性结构包括第一弹性板31，第一弹性板31朝向地面方向弯曲设置，连接在足跟区域30的下方，以在足跟区域30与第一弹性板31 之间形成第一形变空间。当足跟区域30承载时，足跟区域30与第一弹性板 31可通过第一形变空间发生弹性形变，增加足跟区域30处的刚度和回弹力。优选的，第一弹性板31和足跟区域30具有相同的弯曲弧度，第一弹性板31 与足跟区域30镜像对称设置。

进一步，如图1和图3所示，足跟区域30上设置有第一镂空结构32，在助跑起跳后的缓冲阶段，由于身体发生躯干收腹、上肢后摆以及下肢屈曲等动作，人体足部的足跟处属于高压力值区域，设置第一镂空结构32可避免足跟区域30出现集中应力。具体的，足跟区域30上的第一镂空结构32 为单椭圆形镂空；优选地，第一弹性板31和足跟区域30上均设置有单椭圆形的第一镂空结构32，第一弹性板31和足跟区域30上的第一镂空结构32 呈镜像对称设置。这种设置方式能够最大程度地减少应力集中。

上述设置在足跟区域30上的第一弹性板31和第一镂空结构32，与鞋底的中底材料相互配合，能够更好的避免集中应力的出现，实现缓冲避震，并且可以增大后跟区域的刚度，提供下肢变向过程中所需的稳定性。

进一步，如图2和图5所示，全掌支撑板的前掌区域10上设置有弹性结构，弹性结构能够提高前掌区域10的线性变形能力和结构韧性。具体的，前掌区域10上的弹性结构包括第二弹性板11，第二弹性板11朝向地面方向弯曲设置，连接在前掌区域10的下方，以在前掌区域10与第二弹性板11 之间形成第二形变空间。当前掌区域10承载时，前掌区域10与第二弹性板 11可通过第二形变空间发生弹性形变，增加前掌区域10处的刚度和回弹力。优选的，第二弹性板11和前掌区域10具有相同的弯曲弧度，第二弹性板11 与前掌区域10镜像对称设置。

进一步，如图1和图3所示，前掌区域10上设置有第二镂空结构12，可避免前掌区域10出现集中应力。优选地，前掌区域10上的第二镂空结构12为双椭圆形镂空，椭圆形镂空的长轴倾斜设置，以与前掌区域10的足底压力中心移动轨迹平行设置；第二弹性板11和前掌区域10上均设置有第二镂空结构12，第二弹性板11和前掌区域10上的第二镂空结构12呈镜像对称设置。

上述设置在前掌区域10上的第二弹性板11和第二镂空结构12，与鞋底的中底材料相互配合，可以在蹬伸过程中增加前掌区域10的刚度，同时配合镂空设计能够更好的避免集中应力的出现，实现缓冲避震。将第二镂空结构12设置为双椭圆形镂空的好处在于，在变速跑或起跳等动作的蹬伸阶段，由于身体产生躯干挺胸、上肢前摆、下肢蹬伸等动作，此时前掌区域10处的压力峰值会大于3倍体重，双椭圆形镂空能够调整力的方向，同时缓冲储能。使椭圆形镂空的长轴与前掌区域10足底压力中心移动轨迹平行一致，即在水平面上重叠设置，是由于正确的起跳步态线与足纵弓的最优承载线一致，这种设置方式更利于将人体足部的运动方向调整到最佳位置。

上述采用将前掌区域10与第一弹性板31镜像设置、将足跟区域30与第二弹性板11镜像设置的设置方式，可以提高结构的回弹韧性，承载时会发生负泊松比现象，减少对下肢的冲击，避免运动损伤；同时，人体足部在蹬伸阶段和缓冲阶段具有不同的运动需求，镜像设置的结构能够在贴合鞋与足交互作用的基础上，引导鞋与足之间发生的相对运动方向，减少鞋与足之间的滑动。

综合上述全掌支撑板的整体结构，足跟区域30的弯曲设计能够使人体落地时落地位置与地面反作用力的方向更靠近人体质心，形成轴心力，减少偏心力矩，增加篮球运动过程中跳跃与其他技术动作的稳定性；而中足区域 20的弯曲设计能够有效实现不同篮球技术动作的有效过渡，避免直接过渡带来的冲击载荷与剪切应力。

进一步，如图3和图4所示，中足区域20的内侧设置有支撑板21，支撑板21朝向人体足部方向倾斜设置，自中足区域20向前掌区域10和足跟区域30延伸，以承托足部的内侧区域。支撑板21可通过改变其支撑面积调整支撑强度，支撑板21能够增加中足区域20的支撑刚度，加强中足区域20 的抗扭性，防止人体足部在运动过程中发生侧翻。

如图6至图11所示，为了验证本发明中全掌支撑板的实施例一的实际工效，建立了全掌支撑板嵌入鞋底的有限元模型，以探究全掌支撑板在标准载荷下的力学性能。有限元不仅计算精度高，而且能应对足弓这一复杂结构在篮球运动过程中与鞋的交互作用。有限元结果中：足跟区域30的形变和应力结果表明全掌支撑板有效地通过脊柱弧度设计，依靠足跟区域30的弧度，使落地时落地位置与地面反作用力的方向更靠近人体质心；前掌区域10 的应力结果同样说明脊柱弧度设计可以有效在变速跑过程中发挥“跷跷板”的效果，改变地面反作用力的方向，有效助推人体向前运动；中足区域20较小的形变，表明中足区域20的支撑板21发挥了较好的支撑效果；有限元应力结果表明，前掌区域10与后跟区域的镂空结构有效的避免了集中应力的出现。

进一步，如图12至图14所示的本发明的全掌支撑板的另一种优选实施方式，即在前掌区域10与第二弹性板11之间还设置有减震支撑单元40，增加减震支撑单元40可提高前掌区域10的力反馈效果。

优选地，全掌支撑板的前掌区域10上设置有双椭圆形镂空结构，第二弹性板11上对称地设置有双椭圆形镂空结构，减震支撑单元40包括三组，分别设置在前掌区域10的双椭圆形镂空结构的两侧及两个椭圆形镂空结构的中间。

将减震支撑单元40与前掌区域10复合设置的结构，可以有效提升篮球运动过程中的变速跑、向前蹬伸等动作的工效，最大化发挥“跷跷板”的效果，改变地面反作用力的方向，有效助推人体向前运动，同时在进行跳跃动作时，为穿着者提供更大的垂直方向上的正向反馈。

优选地，每组减震支撑单元40包括三个，三个减震支撑单元40沿椭圆形镂空结构的长轴延伸方向顺次排布，位于中间的减震支撑单元40的尺寸大于位于两侧的减震支撑单元40的尺寸。这种设置方式可以更大效率的进行减震缓冲。

具体的，如图15和图16所示，减震支撑单元40包括相互嵌套的第一支撑元件41、第二支撑元件42和第三支撑元件43，第一支撑元件41位于减震支撑单元40的外层，第二支撑元件42位于减震支撑单元40的中层，第三支撑元件43位于减震支撑单元40的内层，第一支撑元件41、第二支撑元件42和第三支撑元件43共同组成三层嵌套结构。

第一支撑元件41、第二支撑元件42和第三支撑元件43分别具有相对设置的底壁和顶壁，底壁与顶壁之间连接有可发生弹性形变的环形侧壁，环形侧壁上设置有镂空结构44，镂空结构44连通各支撑元件的内部空间和外部空间。第一支撑元件41、第二支撑元件42和第三支撑元件43的底壁采用一体成型的方式重叠设置，顶壁和环形侧壁相互间隔设置，以使第一支撑元件 41和第二支撑元件42之间、第二支撑元件42和第三支撑元件43之间分别形成有形变空间。

进一步，各支撑元件的底壁和顶壁均为圆形，且具有相同大小的尺寸，底壁和顶壁的圆心上下对应设置；各支撑元件的环形侧壁均为弧面结构，朝向支撑元件的外部凸出设置，环形侧壁一边连接底壁的圆周，另一边连接顶壁的圆周，以使各支撑元件形成鼓形结构。这种形式的鼓形结构在竖直方向上呈中心对称，在水平方向上呈轴对称，因此具有稳定的支撑性能和弹性形变性能，能够在竖向方向上提供良好的力学响应。

进一步，设置在各支撑元件环形侧壁上的镂空结构44包括6个孔，6个孔设置在环形侧壁的中部位置，即设置在环形侧壁向外凸出幅度最大的区域处，并且6个孔相互间隔的环绕环形侧壁的一周设置。具体的，以环形侧壁的中轴线为中心线，位于同一环形侧壁上的相邻两个孔之间间隔60度设置，位于相邻两个环形侧壁上的孔错位30度设置。这种镂空结构44的错位设置方式能够最大程度的减少各层支撑元件在受力形变过程中，空气压缩或流动所产生的相互影响，使整个减震支撑单元40在给予垂直方向上的正向力反馈的同时，进一步增加其支撑和形变过程的稳定性，特别是在进行弯道跑或变向动作时。此外，孔优选为圆形孔，可进一步减少环形侧壁形变过程中的应力集中现象。

进一步，位于外层的第一支撑元件41的顶壁和底壁直径为第一支撑元件41高度的5/8；位于中层的第二支撑元件42的顶壁和底壁直径为第二支撑元件42高度的5/8，为第一支撑元件41顶壁直径的7/10；位于内层的第三支撑元件43的顶壁和底壁直径为第三支撑元件43高度的5/8，为第一支撑元件41顶壁直径的1/2。

进一步，第一支撑元件41、第二支撑元件42和第三支撑元件43采用 TPU或碳纤维复合材料等具有一定刚性和回弹性的材料制成。

当然，除上述设置方式外，本发明中的减震支撑单元40也可以设置为两层或三层以上，但优选为设置成三层嵌套的结构。

如图17至图22所示，为了验证本发明中全掌支撑板的实施例二的实际工效，建立了全掌支撑板嵌入鞋底的有限元模型，以探究全掌支撑板在标准载荷下的力学性能。有限元不仅计算精度高，而且能应对足弓这一复杂结构在篮球运动过程中与鞋的交互作用。有限元结果中：相较于未增加减震支撑单元40的全掌支撑板，全掌支撑板的形变程度、应力与应变值均增大，前掌区域10增大显著，这说明增加减震支撑单元40优化了全掌支撑板的工效，可以为穿着者提供更大的垂直方向上的正向反馈。

优选地，上述全掌支撑板采用碳纤维材料制成。

本发明中还公开了一种鞋底，包括以上所述的全掌支撑板。

本发明的全掌支撑板及鞋底具有以下优点：

1、为人体足部提供足够的刚度，优化地面反作用力的方向，实现机械能利用效率的优化，同时缓冲储能，发挥“跷跷板”的效果，有效助推人体向前运动；

2、承载时可避免集中应力的出现，增加回弹韧性，减少对下肢的冲击，实现缓冲避震，减少运动损伤；

3、能够调整力的方向，使人体足部落地时落地位置与地面反作用力的方向更靠近人体质心，同时减少足部与鞋底之间的相对滑动，增加运动过程中跳跃等技术动作的稳定性；

4、可加强中足区域的支撑刚度和抗扭性，防止运动过程中足部发生侧翻，提高运动安全性。

以上借助具体实施例对本发明做了进一步描述，但是应该理解的是，这里具体的描述，不应理解为对本发明的实质和范围的限定，本领域内的普通技术人员在阅读本说明书后对上述实施例做出的各种修改，都属于本发明所保护的范围。