基于制鞋DIY互聯(lián)網(wǎng)定制的3D腳型數(shù)據(jù)采集

陳華蘊(yùn) 李西兵 岳鑫 徐晨 楊杰 張巧芬

（1.福建農(nóng)林大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，福建福州350002；2.廣東瑞州科技有限公司，廣東佛山528251）

人腳的生理構(gòu)造雖然是大同小異，但是每個人的腳型尺寸卻是千差萬別的。因此作為對于定制鞋行業(yè)以及制鞋研究人員必須充分了解腳型的特點以及其變化規(guī)律。通過腳型數(shù)據(jù)分析可以找到適合腳型規(guī)律以及穿著舒適的鞋楦尺寸，進(jìn)而設(shè)計出適合不同人穿著的鞋靴。

上世紀(jì)60年代我國曾經(jīng)開展過兩次全國性的腳型調(diào)查，采用人工測量方法測量和分析了25萬人的腳型，為我國鞋楦設(shè)計、鞋號制定奠定了十分重要的基礎(chǔ)。雖然人工測量技術(shù)投資少、方便靈活，但是存在效率低、誤差高、重復(fù)再現(xiàn)性差等缺點。三維腳型測量技術(shù)具有高效、準(zhǔn)確、重復(fù)性好的特點，因此，隨著三維腳型測量技術(shù)的發(fā)展，人工測量將逐漸被取代。

目前三維腳型測量技術(shù)基本包含相機(jī)掃描腳型測量技術(shù)以及激光掃描腳型測量技術(shù)，這兩種掃描技術(shù)均具有一下優(yōu)點：掃描速度快、測量腳型尺寸便捷。通過掃描可以獲得樣本腳型的基本數(shù)據(jù)，

同時可以獲得腳型的投影圖，這些尺寸為腳型規(guī)律分析和研究提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。但是相機(jī)掃描腳型測量技術(shù)具有精度不高的不足，相機(jī)掃描得到的數(shù)據(jù)不夠精確，致使制作出來的鞋靴會有不舒適的情況出現(xiàn)。

廣東瑞州科技有限公司不僅開發(fā)了腳型統(tǒng)計軟件，同時還對腳型統(tǒng)計相關(guān)硬件進(jìn)行研制，瑞洲科技有限公司設(shè)計研制的3d腳型掃描系統(tǒng)是利用激光掃描技術(shù)對腳型進(jìn)行數(shù)據(jù)測量和統(tǒng)計，具有一般激光掃描腳型測量技術(shù)的優(yōu)點，同時還在硬件方面有以下優(yōu)點：全光路閉合系統(tǒng)，8視角全方位掃描、對腳（光腳或穿襪）、楦、石膏模型均能進(jìn)行掃描測量、智能化一鍵式觸控操作：系統(tǒng)操作簡易，一鍵式掃描，無需人工干預(yù)，文件自動保存，非接觸式激光掃描，對人體及眼睛無任何傷害，是目前行業(yè)內(nèi)體積最小、質(zhì)量最輕的一款設(shè)備，方便運(yùn)輸與攜帶；在軟件方面具有支持微信公眾號接入、客戶信息云端管理、可對腳型內(nèi)外翻和足弓變形進(jìn)行評測、直接生成STL三角網(wǎng)格數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)可直接用于3D打?。簰呙钄?shù)據(jù)可以導(dǎo)入3D打印機(jī)，直接打印樣品、支持SQL數(shù)據(jù)庫、云端自動選鞋及定制化服務(wù)功能、滿足女性高跟鞋定制需求：可增高腳后跟后進(jìn)行腳部掃描，采集足部形變后參數(shù)，用于高跟鞋的選購及定制等優(yōu)點。

1 腳型測量技術(shù)及方法

1.1 人工腳型測量

圖1 3D腳型掃描儀

圖2 三維腳型掃描

圖3 各種腳型圖

表1 3D腳型掃描系統(tǒng)

人工腳型測量的工具主要包括：布帶尺、鋼卷尺、劃筆、量高儀、踏腳印器和量腳卡尺。從測量方法上又分為直接法和間接法。直接發(fā)比較簡單，首先用筆在腳的特征部位上標(biāo)出有關(guān)測量點，利用布帶尺、量高儀等工具可以直接測量出腳的各個有關(guān)數(shù)據(jù)。間接法利用腳印器踏出腳印并繪制出腳的輪廓線，然后進(jìn)行測量分析，這種方法較直接法復(fù)雜，但是可以獲得更多的研究分析腳型特點和變化規(guī)律的科學(xué)依據(jù)。

人工腳型測量優(yōu)點是設(shè)備投資少、操作步驟簡單、靈活性強(qiáng)、方便攜帶，缺點是工作效率低、勞動強(qiáng)度大、測量者之間誤差大、同時難以獲得腳部整體的數(shù)據(jù)信息，也不能對腳的截面形態(tài)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，無法進(jìn)行更深層次的研究。

1.2 3D相機(jī)腳型掃描系統(tǒng)測量

3d相機(jī)腳型掃描系統(tǒng)主要是通過相機(jī)拍攝，利用計算機(jī)輔助分析后得到腳型的截面和投影圖，并得到腳型數(shù)據(jù)。

3d相機(jī)腳型掃描系統(tǒng)測量優(yōu)點是掃描速度較人工測量快，測量腳型數(shù)據(jù)誤差較人工測量小、工作效率高，缺點是掃描精度不足、會產(chǎn)生空間重疊等問題。

1.3 3D激光腳型掃描系統(tǒng)測量

在計算機(jī)、光學(xué)等學(xué)科發(fā)展的帶動下，3D激光腳型掃描測量作為近年來興起的一門測量技術(shù)受到越來越多的重視。3d激光腳型掃描測量基于激光掃描，在三維坐標(biāo)系中，根據(jù)測量精度的需要，使用可移動激光發(fā)生裝置，按一定頻率從一個或多個激光源發(fā)射激光線，通過光傳感器和距離傳感器獲取腳部尺寸并傳輸至計算機(jī)中。3D激光腳型掃描系統(tǒng)測量具有快速、高效、準(zhǔn)確、重復(fù)性好、采集的數(shù)據(jù)全面等特點。

廣東瑞州科技有限公司自主研發(fā)的3d腳型掃描系統(tǒng)，軟件和硬件均有瑞州科技有限公司自主設(shè)計研制，其型號以及相關(guān)數(shù)據(jù)如表1所示。

由瑞州科技有限公司研發(fā)的LSF-350型號3D腳型測量儀器相較于現(xiàn)有的其他3D腳型測量儀器具有重量輕、可對腳型內(nèi)外翻和足弓變形進(jìn)行評測、可以連接微信發(fā)送報表、直接生成STL三角網(wǎng)格數(shù)據(jù)等多處優(yōu)點，具有了其他3D腳型測量儀器所不可比擬的優(yōu)勢。

2 3D腳型數(shù)據(jù)掃描

2.1 3D腳型掃描儀結(jié)構(gòu)原理

3D腳型掃描儀外觀如圖1所示，在掃描儀的底部裝有兩個激光束發(fā)射器組成一個穩(wěn)定可靠的光路系統(tǒng)，在掃描儀的兩側(cè)裝有光傳感器以及距離傳感器，在掃描儀中間有一個有機(jī)玻璃支架供受測者站立，通過一個步進(jìn)電機(jī)、導(dǎo)螺桿和350 mm行程的滑行片，從腳尖到腳跟進(jìn)行掃描，同時還配有一個供校準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)圓柱。

2.2 掃描方法

首先，把掃描儀放在一個沒有強(qiáng)光直射的屋子里，通過調(diào)整掃描儀底部的4個螺絲使其水平。接通電源，然后利用標(biāo)準(zhǔn)圓柱校準(zhǔn)掃描儀，測量時，受測腳站立在掃描儀內(nèi)的有機(jī)玻璃上，另一只腳站立在掃描儀旁的支架上，使得與受測腳水平，此儀器采用站立測量。

2.3 掃描數(shù)據(jù)分析

受測腳站在有機(jī)玻璃支撐班上，在數(shù)秒鐘內(nèi)即可獲取三維腳型掃描界面圖，掃描情況如圖2所示，基本包括整個腳型的有關(guān)數(shù)據(jù)。

2.3.1 腳型基本數(shù)據(jù)分析

掃描完畢后可以直接讀取包括腳長、拓圍、腳腕維度等在內(nèi)的35個腳型數(shù)據(jù)，精度高達(dá)0.1 mm。

下面對幾個基本腳型數(shù)據(jù)作補(bǔ)充說明。

（1）腳的長度：腳長在我國定義上是取腳前后最突出點的直線距離。腳長是確定鞋尺碼的主要依據(jù)。

（2）拓趾圍長：我國拓趾圍長定義為圍繞拓趾關(guān)節(jié)突出點測量出來的圍長，又稱拓圍。拓圍位于腳的最寬處，因此是決定腳肥瘦的主要標(biāo)志，也是鞋楦設(shè)計最重要的尺寸之一。

（3）前跗骨圍長：圍繞腳的前跗骨突出點的圍長，簡稱跗圍。若跗圍不合適，會造成壓腳、不跟腳等現(xiàn)象產(chǎn)生。

2.3.2 腳型截面分析

腳的形狀是不規(guī)則的幾何體，僅僅靠各個特征部位的圍長來確定鞋楦各部位的肉體安排是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。比如相同尺寸的拓趾圍長，其拓趾處橫截面形狀相差很大，有的寬而扁，有的窄而厚，因此腳型橫截面是鞋靴設(shè)計的一個重要參數(shù)。利用3D腳型掃描儀獲得的腳型截面數(shù)據(jù)以便于在設(shè)計鞋靴時要控制好鞋楦拓趾部位的高度和寬度，這些都會影響到鞋靴穿著的舒適性。

2.3.3 腳型投影圖分析

通過3D腳型掃描儀可以采集到樣本的腳型投影圖，每個人的腳型投影圖都有其特點，但歸納起來有以下幾種情況，如圖3所示。

正常腳的腳型投影特點是前掌部分比腳跟部稍大，整個投影圖比較正常，拓趾部位的關(guān)節(jié)沒有突出也沒有多余的肉體。正常腳型是鞋楦底設(shè)計的主要參考數(shù)據(jù)，但非正常腳存在一定的比例，約占17%左右，因此完全按照正常腳型尺寸設(shè)計鞋靴必然會引起部分人穿著不舒服。這就要求研究人員和設(shè)計人員加強(qiáng)對腳型規(guī)律的研究分析，從鞋楦設(shè)計、制鞋工藝上多考慮非正常腳型的規(guī)律和要求，盡可能的滿足更多人的穿著需要，提高鞋靴的適腳率。

3 結(jié)論與應(yīng)用前景

從本文論述的人體腳型的測量方法及特點可以看出，瑞州科技有限公司開發(fā)的3D腳型掃描技術(shù)具有可靠、精確、全面等優(yōu)點，同時也具有重量輕、可以連接微信發(fā)送報表等特點，通過對比人工測量和一般3D腳型掃描技術(shù)，例如3d相機(jī)掃描技術(shù)，3D腳型掃描技術(shù)具有突出的優(yōu)勢，可以獲取腳型全方位數(shù)據(jù)、腳型投影圖等在內(nèi)的腳型數(shù)據(jù)，利用此技術(shù)可以加快和完善腳型平面、三維數(shù)據(jù)庫建設(shè)。通過建立腳型數(shù)據(jù)庫可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，利用網(wǎng)絡(luò)可以實現(xiàn)鞋靴研究單位及制鞋企業(yè)之間的互聯(lián)互通，為鞋靴研究工作提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，為企業(yè)生產(chǎn)提供理論支持。

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