本发明属于康复健康设备技术领域，特别是一种基于变胞原理的自适应变形单元及多孔鞋垫及其制造方法。
背景技术：
鞋垫是日常生活中十分常见的一种缓冲垫或矫形器，其对于人体运动过程中足部生理特性的改善具有积极的意义。研究发现，通过合适的鞋垫设计不仅可以矫正足部的不良姿态，缓解压力分布，而且可以基于力生物学原理刺激和改善浅层软组织的生物学及生理学变化。由此，如何设计科学合理的鞋垫对于保证人体健康具有积极的意义。
以往的鞋垫主要分为三类：第一类利用透气性布料等材料，通过手工或机器裁剪成与脚形状相似的平面鞋垫，以避免鞋与脚的直接接触；第二类利用eva等柔性材料，采用压铸或cnc等方法加工具有凸起的三维鞋垫，以适应不同部位的受力要求；第三类在第二类的基础上，进一步设计出相关的孔结构，以满足透气性及减重需求。其中，第一类平面鞋垫制作简单，价格低廉，但缺乏对足部生理结构的考虑，仅能起到减小脚与鞋底摩擦的作用，长期使用有脚疼，足弓塌陷等风险，不利于脚的健康，且对于部分足部疾病患者，无法起到矫治、缓解的作用。第二类将足部生理结构，如足弓等考虑到鞋垫的设计中，在平面鞋垫的基础上利用不同区域的凸起变化，可以因人而异的提供相对科学合理的足部压力分布，但透气性不佳，且长期使用，在反复的压力施加与卸载疲劳过程中，容易失去回弹变形能力。第三类在第二类的基础上可以通过孔结构解决部分透气问题，但所谓的透气，其实就是设计了开放空间，透气性完全依靠鞋内部空间中空气的自然流通，效果十分有限，且孔结构在压力作用下只能被迫变形，会在往复的压力疲劳过程中，发生断裂破坏、塌陷等现象。
由此，研发一种具备主动调节气流，且能够自适应变形的防塌陷多孔鞋垫极为重要。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种基于变胞原理的自适应变形单元，其基于折纸或变胞原理，可以在压力的作用下发生自由度变化和多向自适应变形，可实现三维的变形和活动，可以横向增高或降低，也可以相对扭转，适应不同环境地面的反作用力。
本发明的另一目的是提供一种多孔鞋垫，其包含基于变胞原理的自适应变形单元，具有极佳的透气性、舒适性及抗疲劳破坏性能，能主动调节气流，防疲劳塌陷，透气干爽，重量轻，可改善足部软组织微循环环境，提高矫形矫治效果。
本发明的再一目的是提供一种多孔鞋垫的制造方法，其包含基于变胞原理的自适应变形单元，其工艺简单，生产的产品质量稳定可靠。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
一种基于变胞原理的自适应变形单元，它包括变形外框及其内部的气囊；
该变形外框具有“十”字型的顶面和底面，二者对称设置；该顶面和底面的四个末端通过竖板分别对应相连；各竖板为弹性材料，中部能够向内折弯；该顶面中心向下延伸设有上挤压部，该底面中心向上延伸设有下支撑部；
该气囊上分布有调节气流的气孔，该气囊上下两端分别与该上挤压部和下支撑部固定连接。
进一步的，所述竖板外侧设有若干折痕槽。
进一步的，所述折痕槽为水平方向的横槽，或者与水平方向呈一夹角的斜槽，或者呈“x”型的对角槽。
进一步的，所述折痕槽的截面呈半圆形。
进一步的，所述上挤压部为软质材料，所述下支撑部为硬质材料。
一种多孔鞋垫，包括垫体，该垫体内部分布有若干所述的自适应变形单元。
进一步的，所述自适应变形单元的顶面和底面分别与所述垫体的顶面和底面固定连接，相邻的自适应变形单元的顶面和底面之间对应固定连接。
一种所述的多孔鞋垫的制造方法，采用利用柔性3d打印的方法制造。
进一步的，为了保证鞋垫的整体性，在预定的自适应变形单元区域周围设计出实体再进行3d打印；或在3d打印的基础上，采用包胶的方式在预定的自适应变形单元区域外围边缘包裹出一圈实体边缘。
本发明的有益效果是：本发明受启发于折纸和变胞机构原理，利用变形单元沿折痕方向的形体变化及自由度变化，可实现多孔鞋垫形态随着人体步态周期中脚的受力变化而变化，为基于生理结构解剖的个性化自适应鞋垫设计奠定了基础。同时，利用无动力气囊的吸气和排气特性，可以主动改变鞋内不同区域空气压差，实现鞋内气流的对流，提高循环的速度，有利于温湿度的自动调节。
附图说明
图1是本发明基于变胞原理的自适应变形单元的结构示意图。
图2是本发明基于变胞原理的自适应变形单元的变形过程示意图。
图3是本发明基于变胞原理的自适应变形单元的变形原理示意图。
图4是本发明基于变胞原理的自适应变形单元的折痕槽的结构示意图。
图5是本发明基于变胞原理的自适应变形单元的折痕槽的侧视图。
图6是本发明多孔鞋垫的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步详细的描述。
如图1-图3所示，本发明提供一种基于变胞原理的自适应变形单元a，它包括变形外框1及其内部的气囊2。该变形外框1具有“十”字型的顶面11和底面12，二者对称设置。该顶面11和底面12的四个末端通过竖板13分别对应相连。各竖板13为弹性材料，中部能够向内折弯。该顶面11中心向下延伸设有上挤压部14，该底面12中心向上延伸设有下支撑部15。该气囊2上分布有调节气流的气孔21，该气囊2上下两端分别与该上挤压部14和下支撑部15固定连接。该上挤压部14为软质材料，该下支撑部15为硬质材料。该变形外框1基于折纸和变胞机构原理，可以在压力的作用下往复发生自由度变化和多方向变形。
为了使竖板13折弯顺畅，该竖板13外侧设有若干折痕槽3。本实施例仅为一横向折痕槽具体实例，还可以具有多种形式，如斜向折痕、对角折痕等。同时，根据折痕槽3规则的不同，自适应变形单元a受力时的变化方式和活动轨迹，可以横向增高或降低，也可以相对扭转，适应不同凸起地面及复杂环境下的反作用力。因此，该折痕槽3不仅可以为水平方向的横槽，或者与水平方向呈一夹角的斜槽，或者呈“x”型的对角槽。折痕槽3可以使变形单元具有收缩和伸展的功能。同时，折痕槽3的规则不同，自适应变形单元a受力时的形变方式和轨迹不同。如图4、图5所示，考虑到折叠后形体变形空间的需求，特将折痕槽3截面设计成圆润凹形，呈半圆形，形成类似于柔性铰链的结构，在加强自适应变形单元a的形变柔韧性的同时，可以减小变形应力，预留变形空间，防止疲劳塌陷等损坏。
如图6所示，本发明还提供一种多孔鞋垫4，包括垫体41，该垫体41内部分布有若干该自适应变形单元a。该自适应变形单元a的顶面和底面分别与该垫体41的顶面和底面固定连接，相邻的自适应变形单元a的顶面和底面之间对应固定连接。
上挤压部14在变形外框1被迫受压过程下，变形外框1带动气囊2逐步发生形变并通过气孔21进行排气，产生相反方向的足部支撑力，从而适应足部不同区域内的压力分布。特别强调的是受迫变形的区域可以是连续的，也可以是间断的。如在足跟附近，可以产生连续区域的自适应变形和反向支撑，而在足尖区域，可以产生间断区域的自适应变形和反向支撑。同时，整体鞋垫4每个区域的变形程度不同，气囊的排气程度不同，从而形成区域气流差和对流，更利于鞋内气流的流动及温度的调节。此外，下支撑部15在变形外框释压过程下，拉动气囊2逐步恢复形变，并通过气孔21进行吸气，从而将部分空气存入气囊2内，起到加速鞋内空气流通速度的作用。同时，也间接的将气囊2以外的空间抽成低压环境，为下一轮变形外框1的压缩与自适应变形减小了气体阻力。特别强调的是，变形外框1、气囊2的形变及气孔的吸气、排气动作都是基于人体下肢摆动期和支撑期中足部的受力情况，即鞋垫4的受压状态，而实时变化的。
由于变形外框1上分布有规则折痕槽3，基于折纸和变胞原理，可以在压力的作用下发生自由度的变化，可以自适应无破坏变形，以带动鞋垫4局部形状的自适应变化；上挤压部14在被迫受压过程下，带动气囊2逐步发生形变进行排气，产生相反的支撑力和作用力；下支撑部15在释压过程下，拉动气囊2逐步恢复形变进行吸气，加速空气流通速度；气囊2上分布有气孔21，可以配合变形外框1，根据人体下肢摆动期和支撑期中脚部的受力情况，实时调节鞋内部的气体循环和温度。所述的自适应变形单元a及鞋垫4可实现三维的变形和活动，可以横向增高或降低，也可以相对扭转，适应不同环境地面的反作用力。所述的自适应变形单元a及鞋垫4可根据足部不同区域的压力分布状态，进行连续或间隔的局部适应变形。所述的自适应变形单元a及多孔鞋垫4在人体摆动期时，气囊2处于逐渐充气状态，在人体支撑期时，受人体重力的作用，气囊2处于逐渐排气状态，从而达到适应人体行走，调节鞋内气流及温度的作用。所述的气囊2采用无动力重力适应设计，可随步态进行主动充气及排气，提供压力的施加和释放具备一定的吸气和排气功能，起到主动加快鞋内部气流循环速度的作用，使其具有极佳的透气性、舒适性及抗疲劳破坏性能。
本发明还提供一种该多孔鞋垫4的制造方法，采用利用柔性3d打印的方法制造；可以根据每个人的足部特点和需要，借助三维设计软件通过复制拼接等建模方法，设计出完整或部分孔隙的多孔鞋垫。自适应变形单元a之间可以上下、左右、前后相互连接，形成规则的孔隙拓扑网格，并最终利用变刚度柔性3d打印等方法制作出鞋垫。
特别强调的是为了保证鞋垫边缘的完整性和牢固性，在预定的自适应变形单元区域周围设计出相应的实体再进行3d打印。或在3d打印的基础上，采用包胶的方式在预定的自适应变形单元区域外围边缘包裹出一圈实体边缘。
本发明的优点是：
1、本发明的自适应变形单元及多孔鞋垫，基于折纸或变胞原理，可以在压力的作用下发生自由度变化和多向自适应变形，有利于足部不同区域压力的分散和衰减，避免应力集中等引起的局部软组织病变；
2、本发明的自适应变形单元及多孔鞋垫，变形外框上的折痕可以使变形单元及多孔鞋垫具有主动收缩和伸展的功能，改善了传统多孔鞋垫只能被迫变形的现状。
3、本发明的自适应变形单元及多孔鞋垫，折痕的规则不同，变形单元及多孔鞋垫受力时的活动方式和轨迹不同。
4、本发明的自适应变形单元及多孔鞋垫，可实现三维的变形和活动，可以横向增高或降低，也可以相对扭转，适应不同环境地面的反作用力。
5、本发明的自适应变形单元及多孔鞋垫，可根据足部不同区域的压力分布状态，进行连续或间隔的局部适应变形。
6、本发明的自适应变形单元及多孔鞋垫，气囊采用无动力重力适应设计，可以根据人体步态周期进行主动充气或排气，从而加快鞋内空气流动速度，实现温湿度主动调节。
7、本发明的自适应变形单元及多孔鞋垫，折痕呈圆润凹形，在加强变形单元及多孔鞋垫的形变柔韧性及疲劳性能的同时，可以减小变形应力，预留变形空间。
以上所述是本发明的较佳实施例及其所运用的技术原理，对于本领域的技术人员来说，在不背离本发明的精神和范围的情况下，任何基于本发明技术方案基础上的等效变换、简单替换等显而易见的改变，均属于本发明保护范围之内。