關(guān)于大規(guī)?？蛻舳ㄖ菩冈O(shè)計(jì)的研究

張亞文,張一帆,龍海如,莊輝

(1.東華大學(xué)紡織學(xué)院，上海 201620)(2.軍委后勤保障部軍需軍代局駐濟(jì)南軍代室，山東 濟(jì)南 250022)

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關(guān)于大規(guī)模客戶定制鞋楦設(shè)計(jì)的研究

張亞文1,張一帆1,龍海如1,莊輝2

(1.東華大學(xué)紡織學(xué)院，上海 201620)(2.軍委后勤保障部軍需軍代局駐濟(jì)南軍代室，山東 濟(jì)南 250022)

目前制鞋行業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)越來(lái)越激烈。為了適應(yīng)市場(chǎng)需求，鞋類的制作必須在風(fēng)格和舒適性等方面滿足消費(fèi)者需求,所以有必要開發(fā)一個(gè)能夠快速變換鞋楦模型的虛擬設(shè)計(jì)系統(tǒng)，在滿足客戶大規(guī)模定制的前提下降低公司的成本。本文提出的鞋楦制作系統(tǒng)，它可以改變鞋楦設(shè)計(jì)，最終實(shí)現(xiàn)大規(guī)模制作。這個(gè)系統(tǒng)還可根據(jù)個(gè)人的好愛，快速改變鞋楦造型，不需要任何物理設(shè)計(jì)。

鞋楦設(shè)計(jì)；參數(shù)化設(shè)計(jì)；大規(guī)模定制

1　簡(jiǎn)介

為了滿足客戶對(duì)鞋類風(fēng)格和舒適性的需求，以及大規(guī)模生產(chǎn)到私人定制的改變，鞋類行業(yè)面臨著巨大的競(jìng)爭(zhēng)[1]。鞋類大規(guī)模生產(chǎn)是指不同大小的鞋按照尺寸和等級(jí)分類系統(tǒng)制造，然后將制作好的鞋子以相對(duì)較低的價(jià)格出售，消費(fèi)者只有在購(gòu)買過程中接觸到鞋子大小，消費(fèi)者有時(shí)候?qū)@一情況存在不滿，尤其對(duì)于腳的形狀不正常的人來(lái)說。人體足部包括骨骼、韌帶、肌腱和肌肉，這一復(fù)雜的結(jié)構(gòu)賦予了腳運(yùn)動(dòng)和支撐的功能。人在靜止和運(yùn)動(dòng)，腳的外部形狀不同[2]。除了這些，還有人口，性別和年齡的差異也導(dǎo)致了腳外部形狀的不同?，F(xiàn)在大批量生產(chǎn)鞋的方法是根據(jù)腳長(zhǎng)，腳周長(zhǎng)或腳寬等數(shù)據(jù)信息進(jìn)行設(shè)計(jì)的，但是這種方法是無(wú)法滿足消費(fèi)者對(duì)鞋舒適性的要求[3-5]。為了提高消費(fèi)者的滿意度和制造商的競(jìng)爭(zhēng)力，開發(fā)一個(gè)可以定制以及改變?cè)煨偷南到y(tǒng)是十分必要的。

鞋類定制最重要的方面是設(shè)計(jì)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的和舒適性好的鞋楦[6-7]。鞋楦是鞋的三維模型，不是由直線構(gòu)成，形狀相對(duì)復(fù)雜，通常以高密度聚乙烯為材料。鞋的合適性取決于鞋楦的設(shè)計(jì)、外形和體積[8-9]。鞋楦代表腳的解剖信息，同時(shí)給成品鞋一種愉悅的時(shí)尚外觀感。

在傳統(tǒng)定制鞋的過程中，經(jīng)驗(yàn)豐富的鞋匠用卷尺測(cè)量顧客的腳，但是沒有兩只腳是完全一樣的。鞋匠盡可能多的獲取顧客腳的信息，但這僅使得鞋在大小方面適合，而且鞋匠測(cè)量的準(zhǔn)確性是由經(jīng)驗(yàn)和技巧決定的。后來(lái)他們發(fā)明了鞋楦來(lái)滿足顧客私人定制的要求。好的鞋楦才能制造出好的鞋。但是由于缺乏科學(xué)知識(shí)的指導(dǎo)，大多數(shù)工廠仍然準(zhǔn)備一雙適用鞋。試鞋的制作成本高而且耗時(shí)，雖然提高了客戶的滿意度，但同時(shí)也浪費(fèi)了高品質(zhì)的皮革和時(shí)間。后來(lái)鞋匠用中等質(zhì)量的皮革來(lái)制作試鞋，如果顧客穿著合適，再用高檔的皮革進(jìn)行加工制作；如果有不合適的地方，鞋匠們?cè)谛干蠘?biāo)記要增加或者減少的點(diǎn)再做調(diào)整。雖然有了鞋楦，但是由于時(shí)間長(zhǎng)和昂貴的成本，即使顧客想買一雙非常適合的鞋，大多數(shù)消費(fèi)者不愿意購(gòu)買定制的鞋子。

消費(fèi)者們總是愿意購(gòu)買物美價(jià)廉的商品，他們總希望自己的鞋個(gè)性化而且很舒適。利用計(jì)算機(jī)CAD技術(shù)可以滿足消費(fèi)者這一獨(dú)特的消費(fèi)特征需求。而且低價(jià)定制高品質(zhì)鞋，快速交易不再是一個(gè)夢(mèng)。大規(guī)模定制系統(tǒng)提供的低成本的定制產(chǎn)品可以同時(shí)滿足生產(chǎn)者和消費(fèi)者的需求。目前，由于科技的進(jìn)步，消費(fèi)者可以了解設(shè)計(jì)和制作過程，減少不必要的其他過程。大規(guī)模定制在符合私人定制設(shè)計(jì)的前提下同時(shí)可以滿足成本要求。這是一種通過提高產(chǎn)品合格率來(lái)降低成本效益的方法。它可以減少浪費(fèi)，降低庫(kù)存和提高顧客滿意度，從而占領(lǐng)更多的市場(chǎng)份額。此前很多研究者提出了大規(guī)模定制的框架，但很少有人就計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)技術(shù)和功能進(jìn)行討論,這種技術(shù)可以使消費(fèi)者和生產(chǎn)者在同一空間。

個(gè)性化鞋楦的設(shè)計(jì)和制作不僅需要網(wǎng)絡(luò)搜索和選擇適當(dāng)鞋楦的標(biāo)準(zhǔn)，而且它需要一個(gè)在線系統(tǒng)和一個(gè)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)來(lái)完成這個(gè)目標(biāo)。在大多數(shù)現(xiàn)代工業(yè)中CAD技術(shù)已經(jīng)成為一個(gè)重要的工具。在制鞋工業(yè)中CAD系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了大量的自動(dòng)化，而且CAD技術(shù)在鞋子設(shè)計(jì)過程起著越來(lái)越重要的作用[10]。Kim & Park運(yùn)用CAD系統(tǒng)開發(fā)和設(shè)計(jì)了大量的鞋楦模型，該系統(tǒng)還能夠根據(jù)消費(fèi)者的需求進(jìn)行修改[11]。雖然系統(tǒng)使用的是商業(yè)用CAD軟件，但它提供了洞察未來(lái)電子商務(wù)發(fā)展需求的功能，而且消費(fèi)者可以參與設(shè)計(jì)的過程。本文研究的目的是創(chuàng)造更多樣式的鞋楦實(shí)現(xiàn)客戶化定制。同時(shí)對(duì)設(shè)計(jì)的形成和修改進(jìn)行了討論。此外，本設(shè)計(jì)是以三維足部掃描數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的，所以它不僅可以用于客戶化設(shè)計(jì)，而且也適合客戶化。

2　設(shè)計(jì)系統(tǒng)

本課題利用CAD系統(tǒng)開發(fā)了一個(gè)創(chuàng)新性的鞋楦定制設(shè)計(jì)系統(tǒng)。此定制鞋楦設(shè)計(jì)系統(tǒng)的框架如圖1所示。在這個(gè)系統(tǒng)中，消費(fèi)者可以在加工之前選擇合適的樣式。利用足部掃描儀掃描消費(fèi)者的足部，存儲(chǔ)相關(guān)數(shù)字化信息，消費(fèi)者自由選擇數(shù)據(jù)庫(kù)里鞋的風(fēng)格，選擇好后，系統(tǒng)可以根據(jù)信息設(shè)計(jì)出消費(fèi)者需要的鞋。此設(shè)計(jì)系統(tǒng)把消費(fèi)者和制造商鏈接在一個(gè)系統(tǒng)中，制造商設(shè)計(jì)各種樣式的鞋楦提供消費(fèi)者選擇。然后消費(fèi)者根據(jù)各自的需要進(jìn)行簡(jiǎn)單的修改。在樣式選擇好之后，消費(fèi)者可以決定做成正常尺寸或自定義尺寸。這樣不僅可以生產(chǎn)出消費(fèi)者自己設(shè)計(jì)的鞋楦，而且更重要的是省時(shí)省力。

3　樣式和鞋楦設(shè)計(jì)系統(tǒng)

鞋楦設(shè)計(jì)包括鞋跟高度設(shè)計(jì)，鞋頭形狀設(shè)計(jì)和鞋的款式設(shè)計(jì)[12]。圖2顯示的是物理鞋楦。不同款式的鞋可以在同一個(gè)鞋楦上進(jìn)行設(shè)計(jì)，但是每雙鞋的鞋頭形狀和鞋跟高度是相同的。不同款式的鞋楦可以通過改變鞋頭形狀來(lái)創(chuàng)建。一雙合適的鞋楦是一個(gè)可靠的投資，而且是制造出時(shí)尚和舒適鞋的第一步。

圖1　鞋楦設(shè)計(jì)系統(tǒng)框架

圖2　鞋楦

3.1設(shè)計(jì)的探索與選擇

本課題在三次樣條的基礎(chǔ)上對(duì)鞋楦進(jìn)行了設(shè)計(jì)，三次樣條可以表示最常見的曲線和曲面[13]。通過變化參數(shù)改變鞋楦的款式，直到消費(fèi)者的滿意。圖3為設(shè)計(jì)的流程圖。好的鞋楦是利用各種樣條曲線進(jìn)行設(shè)計(jì)的。在工廠里，鞋楦修改通常是鞋頭形狀的修改，忽略了腳背曲線的設(shè)計(jì)與開發(fā)。

圖3　設(shè)計(jì)流程圖

本文利用Luximon的方法創(chuàng)建了標(biāo)準(zhǔn)化的腳背曲線[14]。足底的鞋楦輪廓如圖4(a)。PH表示后跟中心線上的腳尖觸碰地面的點(diǎn) (圖4(a)和4(b))。圖4(a)顯示的是鞋楦的頭部和后跟部分。鞋頭部分可以用兩個(gè)樣條曲線進(jìn)行模擬，一個(gè)外側(cè)(CW)和一個(gè)在內(nèi)側(cè)(CN)，如圖4(b)所示。外側(cè)曲線是由指骨跖骨關(guān)節(jié)位置PMW和它的切線 P’MW，以及鞋楦前面尖點(diǎn)PTW和它的切線P’TW四個(gè)參數(shù)控制得到的。同理內(nèi)側(cè)曲線CN是由點(diǎn)PMN和PTN以及各自的切線P’MN和P’TN四個(gè)參數(shù)得到的。點(diǎn)PTW和點(diǎn)PTN是同一個(gè)點(diǎn)。參數(shù)L和T控制點(diǎn)PTW的原始位置。L可以控制鞋頭的長(zhǎng)短，T可以控制鞋頭形狀。通過改變切線P’TN和’TW大小改變鞋頭形狀。切線P’TN和’TW分別控制曲線1和曲線2的張力，從而調(diào)整鞋頭的形狀。

(a) 鞋楦輪廓　　　　　　　　　　(b) 鞋楦頭部外形設(shè)計(jì)

(a) 腳尖翹度曲線　　　　　　　　　　(b) 腳背曲線

腳底曲線生成后，鞋頭輪廓的設(shè)計(jì)如圖5所示。圖5顯示了鞋頭部分由兩條曲線構(gòu)成：腳尖翹度曲線(圖5(a))和腳背曲線(圖5(b))。類似于鞋頭的設(shè)計(jì)，腳尖翹度曲線(CI)由PH、PTN兩點(diǎn)和各自的切線構(gòu)成。腳背曲線(CL)的鞋頭部分由點(diǎn)PL、PTN和各自的切線構(gòu)成，曲線CI和CL的形狀可以調(diào)整。

兩個(gè)截面曲線CC1和CC2可以改變鞋頭設(shè)計(jì)(圖6)。分別找出交叉點(diǎn)PL1、PW1和PN1和交叉點(diǎn)PL2、PW2和PN2，這樣就形成了腳背的截面曲線CC1和CC2。圖7顯示了一些通過修改樣式曲線鞋楦的變化，在CAD平臺(tái)上進(jìn)行設(shè)計(jì)仿真(CATIA系統(tǒng))，更多的變化曲線可以通過添加額外的點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)。消費(fèi)者可以通過修改曲線實(shí)現(xiàn)個(gè)性化定制設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)師和制造商可以用更多的時(shí)間研究自助設(shè)計(jì)和修改方法。

(a) 截面曲線　　　　　　　　　　　　　　　(b)曲線創(chuàng)建曲面

(b) 腳尖翹度變化圖

4　鞋楦定制的使用評(píng)價(jià)

如果根據(jù)消費(fèi)者的需求進(jìn)行鞋楦設(shè)計(jì)，消費(fèi)者對(duì)鞋楦的滿意度會(huì)大大提高。所以設(shè)計(jì)一個(gè)滿足消費(fèi)者選擇鞋楦的調(diào)整、分級(jí) 、自定義系統(tǒng)是十分必要的[15]。圖7為鞋楦設(shè)計(jì)圖，通過鞋楦鞋頭翹度和鞋跟高度的數(shù)字化信息調(diào)整鞋的形狀，修改代表鞋的內(nèi)部形狀的鞋楦后利用MATLAB程序進(jìn)行誤差計(jì)算。圖8表示一個(gè)誤差彩色圖，用于評(píng)價(jià)鞋的合腳性。它可以計(jì)算平均誤差。因?yàn)樵诓煌哪_位置公差的情況不同，需要設(shè)計(jì)一個(gè)平均誤差的加權(quán)函數(shù)。

圖8　彩色等級(jí)圖

5　結(jié)論

本文對(duì)鞋楦設(shè)計(jì)和大規(guī)模定制進(jìn)行了研究。大規(guī)模定制既保持了大規(guī)模生產(chǎn)效率優(yōu)勢(shì)的同時(shí)又滿足市場(chǎng)要求。本課題開發(fā)了一個(gè)可以改變鞋楦造型的系統(tǒng)。該系統(tǒng)對(duì)消費(fèi)者和制造商都有好處。三維足部掃描，幫助精確測(cè)量個(gè)體消費(fèi)者的各項(xiàng)參數(shù)。設(shè)計(jì)師可以通過系統(tǒng)中CAD變化曲線、 點(diǎn)、 曲面等工具輕松的設(shè)計(jì)鞋楦造型。該系統(tǒng)可以使產(chǎn)品可視化，而且有效的控制成本，提高顧客滿意度。這項(xiàng)研究系統(tǒng)更有助于買家選擇樣品，同時(shí)節(jié)約了生產(chǎn)成本，減少了材料浪費(fèi)和交貨時(shí)間。同時(shí)通過提供更適合消費(fèi)者的樣式定制，大大降低了鞋類不合腳的風(fēng)險(xiǎn)。

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張亞文，東華大學(xué)碩士研究生，研究方向是數(shù)字化紡織工程、鞋類舒適性。

張一帆，東華大學(xué)講師，碩士研究生導(dǎo)師。研究方向是數(shù)字化紡織工程、鞋類舒適性和智能傳感器的開發(fā)。

TU22

A

1671-1602(2016)18-0042-03