Работа IV.2. Исследование фаз ходьбы

Цель работы: изучить циклограмму движения стопы.

Содержание работы.

1. Изучение датчиков и электрической схемы стенда.

2. Исследование фаз движения стопы при ходьбе.

3. Фазовые осциллограммы и их расшифровка.

4. Исследование соотношения фаз опоры и переноса стопы.

5. Исследование влияния высоты каблука на фазовые характеристики работы стопы.

6. Исследование влияния жесткости обуви при изгибе на фазовые характеристики работы стопы.

Пособия и аппаратура: стенд, включающий в себя мост и осциллограф Н-700, отметчик времени, подвеска для перемещения кабеля, металлическая дорожка (6-10 м), пара обуви с контактами, соединительные провода, омметр или авометр.

Литература. Зыбин Ю. П. Конструирование изделий из кожи, М., "Легкая Индустрия", 1966, стр. 94-100. Макуха В. И. Изменение размеров стопы в движении, Научные труды МТИЛП, М., изд. МТИЛП, сб. 22, 1962.

1. Изучение датчиков и электрической схемы стенда

Перемещение стопы при ходьбе может быть расчленено на ряд элементов, или фаз. Для изучения продолжительности каждой фазы фиксируются определенные положения стопы с одновременной записью отметки времени. Фиксирование осуществляется с помощью датчиков, выполненных в виде подвижных контактов, расположенных на ходовой поверхности обуви, и одного общего неподвижного контакта, роль которого выполняет металлический настил ходовой дорожки.

Контакты диаметром 3-5 мм из тонкой фольги припаивают к тонкому многожильному проводу, который укладывают в канавки глубиной 0,5-0,7 мм на ходовой поверхности подошвы. Контакты из фольги наклеивают на подошву клеем 88-Н. Все контакты соединяются через шунтирующие сопротивления r₁, r₂, r₃, ..., r_n с общим проводником, идущим к разъему ШР. Канавки с проводниками закрывают одним слоем лейкопластыря (рис. IV.5, а).

Рис. IV.5. Схема обуви с датчиками фаз ходьбы: а - схема монтажа шунтов на боковой поверхности обуви; б - схема расположения контактов на ходовой поверхности обуви; 1, 2 - пяточные датчики; 3 - пучковый датчик; 4 - носочный датчик; 5 - слой лейкопластыря

У разных носчиков касание каблука опорной поверхности может начинаться с разных областей (рис. IV.5, б).

Стенд (рис. IV.6) состоит из ходовой дорожки шириной 0,5 м, длиной 6-10 м с металлическим настилом, образца обуви с закрепленными контактами, разъема ШР, коммутирующего подвижные контакты со схемой, подвески для обеспечения перемещения при ходьбе, моста, осциллографа Н-700 (МПО-102, Н-102 и т. п.), отметчика времени и метронома.

Рис. IV.6. Электрическая схема и общий вид стенда записи фаз ходьбы: а - электрическая схема стенда; б - схема стенда записи фаз ходьбы; 1 - металлический настил; 2 - осциллограф; 3 - стол с аппаратурой (мостами, осциллографом, метрономом, отметчиком времени); 4 - подвеска кабеля

К клеммам R_x моста подключено сопротивление R₁ = 1-3 кОм. К одной из клемм R_x присоединяют провод, соединяющий ее с металлическим настилом, к другой - провод, идущий к контактам на обуви.

При ходьбе подвижные контакты, замыкаясь с настилом, образуют вместе с сопротивлениями r₁, r₂, r₃, ..., r_n цепь, параллельную цепи сопротивления R₁. Общее сопротивление плеча R_xR_x меняется и вызывает изменение тока в измерительной диагонали, что фиксируется осциллографом. Сопротивления r₁, r₂, r₃, ..., r_n значительно превосходят сопротивление R₁ и вносят небольшой разбаланс, вызывая отклонение луча шлейфа на 5-6 мм, что позволяет ставить на обуви большое количество контактных датчиков при одном рабочем шлейфе.

Один из шлейфов осциллографа используют как отметчик нулевой линии при записи осциллограммы. После балансировки моста перед записью осциллограммы луч рабочего шлейфа и луч отметчика нулевой линии совмещают на экране осциллографа. Напряжение питания моста выбирают равным 4,5-9 В.

Значения сопротивлений r₁, r₂, r₃, ..., r_n определяются из условия

Сопротивления r₁, r₂, r₃, ..., r_n монтируют прямо на обуви согласно схемам, приведенным на рис. IV.5, а и IV.6.

Для получения осциллограммы фаз ходьбы можно использовать запись отметчиков времени как внутреннего (у осциллографа Н-700), так и внешнего. При использовании внешнего отметчика времени его подключают к одному из шлейфов осциллографа.

2. Исследование фаз движения стопы при ходьбе

Задача исследования фаз движения стопы может заключаться как в оценке продолжительности периодов отдельных этапов, так и в фиксации определенных положений стопы при движении. Выбор этапов или положений при осциллографии фаз зависит от конкретных задач исследования. Однако можно рекомендовать несколько наиболее характерных этапов и положений.

Допустим, нас интересуют перечисленные ниже параметры:

время опоры на каблук;

момент опоры на каблук и передний отдел стопы;

время опоры на передний отдел;

время опоры на стопу;

время переноса стопы;

время полного шага.

На осциллограмме должны быть зафиксированы следующие основные положения стопы, определяющие размещение датчиков:

1) момент касания каблука опорной поверхности (датчик 1). Учитывая, что у разных носчиков касание каблука может начинаться с областей, обозначенных точками А, Б и В (см. рис. IV.5, б), контакт датчика следует выполнить в виде подковы шириной 3-4 мм с длиной дуги 40-50 мм. Величина выступания контакта над поверхностью набойки 0,3-0,5 мм. Материалом контакта может служить нержавеющая сталь или латунь толщиной 1,0 мм. Контакт крепится к каблуку 4-5 гвоздями или мелкими шурупами;

2) момент полного касания опорной поверхности каблуком (датчик 2). Контакт^* для регистрации этого положения стопы нужно расположить по контуру передней грани каблука. Он должен быть выполнен в виде пластины шириной 3-4 мм, толщиной 1 мм, охватывающей как наружную, так и внутреннюю зону каблука. Конструкция, положение и способ крепления этого контакта видны из рис. IV.5, б. Материал и способ крепления контакта 2 аналогичны материалу и способу крепления контакта 1;

^* (Конструкции контактов каблучных датчиков выбирают в зависимости от конструкции каблука. Например, они могут быть выполнены в виде уголков. Крепление при этом производится к боковой и передней поверхности каблука.)

3) момент опоры на пучки (датчик 3). Размещение контактов этого датчика определяется линией пучков. Учитывая однако, что у разных носчиков начало опоры на пучки может приходиться на наружный или внутренний пучок, а также на какую-нибудь точку между ними контакты датчика 3 следует ставить в двух или трех местах (см. рис. IV.5, б). Если нет необходимости отдельно регистрировать моменты опоры на наружный и внутренний пучки, эти контакты соединяют одним проводником;

4) момент касания опоры носком (датчик 4). Контакт этого датчика по конструкции аналогичен контактам датчика 3. Крепится он в области носочного закругления ходовой поверхности подошвы. Проводники, идущие от контактов, припаивают к ним со стороны подошвы и укладывают в каналы, вырезанные на ходовой стороне подошвы или набойки.

Затем проводники переводят на боковую сторону обуви и прикрепляют нитками к верху обуви на расстоянии 10-12 мм от подошвы. К каждому из проводников припаивают заранее подобранные малогабаритные резисторы УЛМ или МЛТ (сопротивления r₁, r₂, r₃, ..., r_n). Все свободные лепестки припаянных сопротивлений соединяют проводниками; они соединяются общим проводом (через разъем) с кабелем подвески, идущим к мосту.

3. Фазовые осциллограммы и их расшифровка

На рис. IV.7, а изображена осциллограмма фаз движения одной стопы при ходьбе. Рассмотрим, какова структура осциллограммы, как связываются положения стопы с линиями осциллограммы.

Рис. IV.7. Осциллограмма фаз движения одной стопы при ходьбе: а - запись фаз ходьбы; б - запись отметчика времени; Т - время полного шага; Т_о.п - время опорного периода; Т_п.п - время периода переноса

При опоре на каблук (позиция А) через контакт датчика 1 (см. рис. IV.5, б) замыкается сопротивление r₁, что дает на осциллограмме линию 0-1. Затем набойка прикасается к опоре (позиция Б), контакт датчика 2 касается металлического настила, замыкая цепь через сопротивление r₂ (точка 2 на осциллограмме). Линия 1-2 соответствует моменту переката стопы через каблук. При дальнейшем движении (линия 3-4) стопа касается опоры пучками (позиция В) и контакт датчика 3 замыкает цепь через сопротивление r₃ (линия 4-5). Линия 4-5 соответствует опоре стопы только на каблук.

Принято считать, что каблук точкой 2 и пучки точкой 3 одновременно касаются поверхности. Однако исследования, проведенные на кафедре технологии изделий из кожи МТИЛП, показали, что это не всегда так. На некоторых видах обуви в момент переката через каблук происходит некоторое отгибание каблука назад, что вызывает запаздывание касания опоры точкой пучков.

Потом от опорной поверхности отрывается пятка (позиция Г), и цепи сопротивлений r₁ и r₂ через контакты датчиков 1 я 2 размыкаются (линия 6-7). Линия 5-6 соответствует опоре стопы на каблук и пучки.

При дальнейшем движении (позиция Д) замыкается контакт датчика 4 (линия 8-9) и включается цепь сопротивления r₄. При отрыве пучков (позиция Е) контакты датчика 3 размыкаются (линия 10-11) и остается включенным в цепь лишь сопротивление r₄ датчика 4. Линия 7-8 соответствует моменту переката стопы с пучков на носок, линия 9-10 - опоре на пучки и носок. Опоре только на носочный участок соответствует линия 11-12. При отрыве носка от опоры (позиция Ж, точка 12) луч шлейфа возвращается в исходное положение (точка 0). При новом шаге (позиция А') весь цикл повторяется, и началом нового цикла является 0'. Длина отрезка 0-0' эквивалентна продолжительности участия стопы в опоре, длина отрезка 0₁-0' - времени переноса стопы, а длина отрезка 0-0' соответствует времени одного полного шага Т.

После расшифровки осциллограммы приступают к ее обработке и расчету продолжительности отдельных этапов. Сначала определяют тарировочный коэффициент временной развертки К_τ. При записи осциллограммы частота f отметки времени известна.

Допустим, f = 100 Гц, что соответствует интервалу времени между двумя соседними пиками осциллограммы отметчика времени (рис. IV.7, б)

На осциллограмме отметчика времени отсчитывают 10-50 периодов (в зависимости от частоты f отметки времени и скорости протягивания бумаги или пленки при записи осциллограммы). За длину периода l_τ на осциллограмме принимается среднее расстояние между двумя соседними пиками. При определении К_τ общее число периодов, взятое для расчета, берется равным не менее 10, а длина измеряемого участка L_T на осциллограмме отметчика времени - не менее 50 мм.

Измерив длину L_T записи выбранного числа m периодов, определяют тарировочный коэффициент К_τ по формуле

Допустим, что m = 25 и L_T = 50 мм. Тогда

После определения тарировочного коэффициента временной развертки переходят к анализу фазовой осциллограммы. Все характерные точки осциллограммы соответствуют фазам движения и нумеруются в соответствии с рис. IV.7, а. Схематически обозначаются позиции (положения стопы), выделяются периоды опоры, переката, полного шага и т. д. Затем переходят к расчетам. Замеряя длину участков осциллограммы фаз ходьбы, соответствующих интересующим нас этапам, определяем продолжительность различных фаз по формуле

Например, общая продолжительность опоры на каблук (линии 1-2 + 3-4) может быть рассчитана по формуле l_{общ. оп. каб} = l_1-2 + l_3-4. Пусть l_1-2 = 20 мм и l_3-4 = 20 мм. Тогда l_{общ. оп. каб} = 40 мм, а t_{общ. оп. каб} = 40⋅0,005 = 0,2 с.

Все данные анализа осциллограммы заносятся в таблицу по форме, приведенной в табл. IV.3.

Таблица IV.3. Продолжительность фаз движения стопы

4. Исследование соотношения фаз опоры и переноса стопы

Для этого исследования используется изображенный на рис. IV.6 стенд с добавлением канала для второй стопы. Обувь оснащается только двумя датчиками: пяточным и носочным, которые фиксируют лишь моменты касания каблука и отрыва носка. При этом желательно сопротивления датчиков сделать разными r_пят ≈ 2r_нос, чтобы яснее отличались друг от друга начало и конец шага. Однако можно применить и обувь, использованную в предыдущем исследовании. Характер осциллограммы внутри участка опоры в данном случае значения не имеет.

В принципе возможны два типа осциллограмм движения обеих стоп.

Осциллограммы, приведенные на рис. IV.8, отличаются друг от друга соотношением и продолжительностью периодов опоры и переноса стоп. При малой скорости ходьбы время опоры на стопу больше времени переноса (см. рис. IV.8, а), при большей - наоборот (см. рис. IV.8, б). С помощью этих осциллограмм можно сделать вывод, что соотношение продолжительности периода опоры Т_оп и периода переноса T_пер служит характеристикой процесса движения. Назовем такое соотношение коэффициентом перекрытия K_пкр, тогда

Рис. IV.8. Совмещенная осциллограмма фаз для обеих стоп

Из осциллограмм видно, что с увеличением скорости перемещения коэффициент перекрытия будет уменьшаться.

По описанной выше методике собирают схемы исследования фаз для правой и левой полупар обуви. Каждую из схем подключают к одному шлейфу осциллографа Н-700 и получают отдельный канал. Для большего удобства записи, расшифровки и наглядности осциллограмм настройку осциллографа выполняют следующим образом. На середину экрана выводят отметчик нулевой линии. Затем совмещают с ним луч шлейфа правой полупары. Направление отклонения луча шлейфа правой полупары при замыкании контактов датчика также принимают правым. Этого добиваются, меняя полярность включения шлейфа в измерительную диагональ моста.

Затем совмещают с лучом отметчика нулевой линии луч шлейфа левой полупары. Отклонение шлейфа левой полупары при работе должно быть противоположно отклонению шлейфа правой полупары. Тогда при записи получится осциллограмма, примерный характер которой представлен на рис. IV.8.

После настройки обоих каналов переходят к съемке осциллограммы. С помощью метронома задают четыре-пять различных темпов перемещения от очень медленной ходьбы до очень быстрой или, если позволяют условия стенда, до бега. При всех этих скоростях перемещения производится синхронная запись фаз опоры и переноса обеих стоп.

После записи и обработки осциллограмм их расшифровывают и выделяют периоды опоры и переноса, а также определяют тарировочный коэффициент временной развертки и заполняют таблицы, форма которых приведена ниже (табл. IV.4 и IV.5).

Таблица IV.4. Результаты расшифровки осциллограмм и фаз движения при различных скоростях

Таблица IV.5. Зависимость коэффициента перекрытия от скорости движения

По материалам работы делают выводы о влиянии скорости перемещения на коэффициент перекрытия.

5. Исследование влияния высоты каблука на фазовые характеристики работы стопы

Исследование проводят с четырьмя образцами женской обуви, имеющими высоту каблука 5, 20, 40, 60 мм. Для удобства монтажа датчиков на каблуке размеры набоечной поверхности при высоком и среднем каблуках должны быть не менее 20×20 мм. Датчики монтируют на одной из полупар каждого вида обуви.

Методика эксперимента и расшифровки осциллограмм для каждой полупары полностью соответствует методике, приведенной в пп. 2, 3. После определения тарировочного коэффициента временной развертки для каждого из вариантов исследования производят сопоставление фаз и коэффициентов перекрытия. Результаты сопоставления заносят в таблицу, форма которой приведена ниже (табл. IV.6), по данным таблицы делают заключение о влиянии высоты каблука на фазовые характеристики процесса движения, увеличения или уменьшения продолжительности различных этапов, периодов и переноса, времени шага и т. д.

Таблицa IV.6. Влияние . . . . . . . . . . . . . . . . . .  на продолжительность фаз при ходьбе 
                    (высоты каблука, жесткости при изгибе)

6. Исследование влияния жесткости обуви при изгибе на фазовые характеристики работы стопы

Большой интерес представляет анализ влияния жесткости обуви при изгибе на продолжительность отдельных этапов при ходьбе.

Заранее готовят три-четыре пары обуви с различной жесткостью при изгибе. На каждой из трех-четырех полупар монтируют контактные датчики и проводят исследование фазовых характеристик по описанной в пп. 2, 3 методике. Жесткость при изгибе определяют для каждой полупары и в качестве итогового показателя берут среднее значение из жесткости двух полупар каждого варианта обуви. Результаты исследования по каждому варианту заносят в таблицу по форме, приведенной выше (табл. IV.6), где вместо высоты каблука Н_к нужно будет написать значение жесткости при изгибе D_изг. Анализ результатов дают с позиции оценки влияния жесткости обуви при изгибе на фазовые характеристики работы стопы.