基于逆向工程的矯形鞋墊工藝研究

游云飛 張俊梅 張宇 郭團(tuán)輝 李胤 李妙璇

摘 要：國(guó)內(nèi)研究方面已經(jīng)意識(shí)到了矯形鞋、矯形鞋墊對(duì)于偏癱、下肢疾病的重要意義，其可在不進(jìn)行手術(shù)的情況下對(duì)病癥進(jìn)行治療，現(xiàn)已被廣泛運(yùn)用，但大多數(shù)醫(yī)療機(jī)構(gòu)還是使用手工制作石膏腳模，之后根據(jù)模型制作矯形鞋墊的方法，存在著誤差較大，制作周期較長(zhǎng)的缺點(diǎn)。本文簡(jiǎn)單介紹了定制矯形鞋墊的概念與功能，主要敘述了一種新型的基于逆向工程的定制型矯形鞋墊的制造流程與主要運(yùn)用技術(shù)，包括各設(shè)備簡(jiǎn)介及在制作過程中使用的逆向工程軟件簡(jiǎn)介，分析了目前該流程中存在的不足并提出了相應(yīng)的可行解決方案。

關(guān)鍵詞：矯形鞋墊；定制生產(chǎn)；三維掃描；逆向工程

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.11.169

大多數(shù)人每天都會(huì)花費(fèi)大量時(shí)間在行走或體育鍛煉上，作為支撐全身重量的足部承受著相當(dāng)大的負(fù)擔(dān)，有些人甚至由于過度或不當(dāng)?shù)南轮\(yùn)動(dòng)而導(dǎo)致患上足部或膝蓋等部位的疾病，于是近些年來，人們對(duì)于各類穿戴裝備的要求日益提高，希望借此來避免或修復(fù)各類運(yùn)動(dòng)損傷，而矯形鞋墊就是其中的一種。

矯形鞋墊即通過根據(jù)個(gè)人情況對(duì)鞋墊形狀進(jìn)行調(diào)整，以達(dá)到緩解腳底壓力、改善腳部受力狀況等效果的定制化鞋墊，能夠?qū)Ω黝愊轮膊〖澳X部疾病起到一定的治療作用，因此，對(duì)于矯形鞋墊的調(diào)整設(shè)計(jì)及制作流程的制定有著重要的研究意義。其根據(jù)不同的制作方式可大致分為三類：預(yù)制型、定制型、定制-模制型[1]，其中，定制型矯形鞋墊一般包括一個(gè)預(yù)制的基礎(chǔ)構(gòu)件，然后根據(jù)患者的需要對(duì)預(yù)制矯形鞋墊進(jìn)行不同程度的改造[2]。

71 設(shè)備簡(jiǎn)介

1.1 矯正鞋墊加工裝置

鞋墊加工部分使用一種自主研制的矯正鞋墊加工裝置，刀具可從四個(gè)維度對(duì)毛坯材料進(jìn)行加工，提高了矯正鞋墊的加工精度，實(shí)現(xiàn)了加工流程無人化。加工雕刻材料選擇為EVA固定板料，裝置樣式如圖1，在機(jī)床上加裝第四軸，設(shè)計(jì)專門的夾具固定鞋墊板材。

1.2 三維掃描儀

在定制鞋墊的生產(chǎn)工程中，使用三維掃描儀用以采集腳部點(diǎn)云數(shù)據(jù)。使用時(shí)，將三維掃描儀平放固定于地面，擱置一個(gè)透明的定制外殼于其上，之后將腳掌擱于外殼之上，掃描后即可獲得腳掌三維掃描圖像。設(shè)定三維掃描儀的測(cè)量距離為0.5m，掃描精度為0.5mm。

2 加工流程

鞋墊的定制加工流程如圖2所示。

首先，利用三維掃描儀掃描出足底點(diǎn)云數(shù)據(jù)，保存成STL文件，利用Geomagic studio軟件打開STL文件，對(duì)其進(jìn)行修剪，除去特征以外的數(shù)據(jù)，在最后存有的特征曲面上繪制關(guān)鍵曲線，并刪除其余曲面部分，保存成.igs格式。在Imageware中對(duì)特征曲線進(jìn)行曲面重建，并進(jìn)行修復(fù)，設(shè)計(jì)出足弓特種鞋墊表面。接下來在Solidworks中打開曲面文件，進(jìn)行鞋墊立體造型，設(shè)計(jì)出符合要求的矯正鞋墊。

之后在JDpaint中打開Solidworks設(shè)計(jì)好的鞋墊整體曲面文件，將其上下表面進(jìn)行分離，并放在固定板料模型中。設(shè)定基點(diǎn)，即加工對(duì)刀點(diǎn)，如圖2中，上表面定義為A點(diǎn)，對(duì)應(yīng)下表面為B點(diǎn)，分別對(duì)上下表面定義刀具路徑，在加工裝置上對(duì)EVA固定板料的上下表面分別進(jìn)行加工。最后，加工完成后將鞋墊部分切下，并用小型磨具進(jìn)行打磨處理。

3 結(jié)論

本文通過逆向工程手段研究了矯正鞋墊制作工藝，但也存在一定的問題：a）目前使用的掃描儀掃描精度為0.5mm，整體掃描效果不算理想，為之后逆向工程的重建過程增添了很大的工作量；b）目前掃描高度需要距掃描儀1米距離，設(shè)備體積較大，操作不方便。

參考文獻(xiàn)：

[1]Nigg B M，Nurse M A，Stefanyshyn D J.Shoe inserts and orthotics for sport and physical applications[J].Medicine and Science in sports and Exercise，1999（07）：421-428.

[2]湯運(yùn)啟，王幽幽，秦蕾，劉麗.矯形鞋墊的設(shè)計(jì)與制作[J].中國(guó)皮革，2015，44（16）：39-43.