逆向工程技術(shù)在人工下肢設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

李明 王金星

摘要：針對(duì)傳統(tǒng)的人工下肢設(shè)計(jì)方法都是統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，無(wú)法滿足人們?cè)谛睦砬楦猩系男枨?。文章中以逆向工程技術(shù)為基礎(chǔ)，主要介紹了逆向工程技術(shù)的相關(guān)原理和人工下肢設(shè)計(jì)中的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理以及模型重建等過(guò)程。希望在今后的發(fā)展中，逆向工程技術(shù)能夠在人工下肢設(shè)計(jì)這個(gè)領(lǐng)域發(fā)展起來(lái)，使其具有一定的現(xiàn)實(shí)意義和價(jià)值。

關(guān)鍵詞：逆向工程;人工下肢;產(chǎn)品設(shè)計(jì);應(yīng)用

中圖分類號(hào)：TP391

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編碼：1672-7053（2020）02-0074-02

每年我國(guó)因交通事故造成神經(jīng)損傷或肢體受傷而不能正常行走的人數(shù)不斷增加，所以作為下肢的代償設(shè)備也就成為了他們生活中的一大需求。而現(xiàn)在的人工下肢雖然能滿足一定的行走能力，但是卻不能滿足人們的正常生理需求。所以利用逆向工程技術(shù)進(jìn)行人體下肢的設(shè)計(jì)一方面能夠滿足正常的行走能力;另一方面又能夠使其感覺到人工下肢和本身具有的下肢很相似從而得到心理上的滿足。目前，計(jì)算機(jī)輔助正向設(shè)計(jì)這種設(shè)計(jì)方法有時(shí)不能滿足市場(chǎng)的需求，因此，逆向工程技術(shù)也就隨之誕生了。目前，這種基于逆向工程技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域中的應(yīng)用已經(jīng)越來(lái)越普遍，比如陳國(guó)峰等在《逆向工程技術(shù)在飛機(jī)修理中的應(yīng)用》[1]中利用逆向工程技術(shù)完成了飛機(jī)修理的工作;朱小明等在《基于逆向工程和3D打印的鞋子個(gè)性化設(shè)計(jì)制作》[2]中借助逆向工程技術(shù)完成了鞋子個(gè)性化設(shè)計(jì);王旭等在《基于逆向工程技術(shù)的青年標(biāo)準(zhǔn)女體前臂三維模型重建》[3]中利用逆向工程技術(shù)完成了青年標(biāo)準(zhǔn)女體前臂三維模型的重建。因此，通過(guò)逆向工程技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)的思路將成為設(shè)計(jì)領(lǐng)域中重要的一部分。

1逆向工程技術(shù)概述

1.1逆向工程技術(shù)的概念

逆向工程又稱為反求工程，逆向工程技術(shù)就是根據(jù)現(xiàn)有的實(shí)物模型，通過(guò)逆向思維求出實(shí)物模型的相關(guān)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的過(guò)程。但不同于正向設(shè)計(jì)的是：正向工程技術(shù)是一個(gè)“從無(wú)到有”的設(shè)計(jì)過(guò)程，是根據(jù)設(shè)計(jì)產(chǎn)品的功能、造型等屬性而進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)的一個(gè)過(guò)程，而逆向設(shè)計(jì)過(guò)程則是一個(gè)“從有到無(wú)”的過(guò)程。這里的“有”是指已經(jīng)有了相關(guān)產(chǎn)品的實(shí)物模型，而“無(wú)”代表的是沒有關(guān)于產(chǎn)品的三維模型數(shù)據(jù)。因此逆向工程技術(shù)是指在沒有設(shè)計(jì)圖紙以及相關(guān)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的情況下，以現(xiàn)有的產(chǎn)品或者實(shí)物模型為基礎(chǔ)，利用相對(duì)應(yīng)的技術(shù)獲得其模型的三維數(shù)據(jù)并根據(jù)三=維數(shù)據(jù)進(jìn)行模型的重構(gòu)，然后對(duì)其進(jìn)行再優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1.2逆向工程技術(shù)的應(yīng)用流程

逆向工程技術(shù)首先是利用3D掃描儀獲取相關(guān)模型或?qū)嵨锏狞c(diǎn)云數(shù)據(jù)，然后利用Alias等相關(guān)逆向軟件處理點(diǎn)云數(shù)據(jù)得到可用結(jié)構(gòu)的三維模型并加以優(yōu)化，然后導(dǎo)入到三維CAD中進(jìn)行二_次建模，得到預(yù)期的產(chǎn)品模型，以達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)意圖，最后利用3D打印或機(jī)械加工等技術(shù)制作模型樣品，測(cè)試模型的可用性。逆向工程技術(shù)的應(yīng)用基本流程如下圖1所示。2逆向工程技術(shù)在人體下肢設(shè)計(jì)中的應(yīng)用意義

目前現(xiàn)在的下肢制造廠生產(chǎn)出來(lái)的下肢造型呈現(xiàn)同一化，很難滿足用戶的心理需求。所以把逆向工程技術(shù)應(yīng)用在人工下肢的設(shè)計(jì)上是很重要的。因此，有必要結(jié)合市場(chǎng)發(fā)展的需求和以人為.本的理念，從設(shè)計(jì)實(shí)踐上對(duì)人工下肢利用逆向工程技術(shù)進(jìn)行再設(shè)計(jì)。其主要意義有：（1）逆向工程設(shè)計(jì)與正向設(shè)計(jì)相比具有獨(dú)特的優(yōu)越性。在設(shè)計(jì)復(fù)雜自由表面實(shí)體、產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期等方面都有著正向設(shè)計(jì)無(wú)法比擬的優(yōu)越性[4];（2）患者的日常生活的自理能力是基本需求，也是至關(guān)重要的，但是對(duì)于他們來(lái)說(shuō)心理需求也是不容忽視的。因此，利用逆向工程進(jìn)行人工下肢設(shè)計(jì)可以提高患者的舒適性以及患者的心理需求;（3）逆向工程在人工下肢設(shè)計(jì)的應(yīng)用研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，既符合現(xiàn)代發(fā)展需求，也體現(xiàn)了“以人為本”的理念。

3逆向工程技術(shù)在人體下肢設(shè)計(jì)中的應(yīng)用流程

逆向工程技術(shù)需要硬件和軟件兩方面的技術(shù)來(lái)支持。在硬件方面：需要通過(guò)相關(guān)設(shè)備進(jìn)行測(cè)量來(lái)獲取實(shí)物模型的空間三維數(shù)據(jù);在軟件方面：需要通過(guò)可以逆向設(shè)計(jì)的軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析以及模型重建。因此，逆向工程技術(shù)在人工下肢設(shè)計(jì)中的應(yīng)用主要分為三個(gè)環(huán)節(jié)：人體下肢的點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取環(huán)節(jié)、下肢點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理環(huán)節(jié)、下肢模型的重建環(huán)節(jié)（如圖2）。

3.1數(shù)據(jù)采集

在利用逆向工程技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需要從實(shí)物模型中采集三維數(shù)據(jù)信息。三維數(shù)據(jù)采集是逆向工程設(shè)計(jì)過(guò)程中的第一步，也是逆向工程設(shè)計(jì)中最基礎(chǔ)的一步。它是通過(guò)相關(guān)設(shè)備對(duì)實(shí)物模型表面進(jìn)行測(cè)量來(lái)獲取其空間的三維數(shù)據(jù)。目前比較常用的數(shù)據(jù)采集方法主要有接觸式測(cè)量和非接觸式測(cè)量?jī)煞N（如圖3）：

1）接觸式測(cè)量。掃描設(shè)備與實(shí)物模型表面相接觸進(jìn)行掃描獲取零件的空間坐標(biāo)數(shù)據(jù)，其測(cè)量精度高、成本低。缺點(diǎn)是首先在掃描過(guò)程中，存在設(shè)備和被測(cè)物體相接觸從而導(dǎo)致被測(cè)物體發(fā)生形變進(jìn)而產(chǎn)生一些測(cè)量誤差;其次對(duì)一些窄小地區(qū)的測(cè)量也容易受到限制，同時(shí)測(cè)量速度還比較慢。因此接觸式掃描適合材質(zhì)硬質(zhì)且形狀較為簡(jiǎn)單、容易定位的物體問。接觸式測(cè)量常用的設(shè)備有三維坐標(biāo)測(cè)量機(jī)（CMM）和機(jī)械手。

2）非接觸式測(cè)量。其方法是設(shè)備與被測(cè)物體不接觸進(jìn)行拉描，其優(yōu)點(diǎn)是不會(huì)產(chǎn)生被測(cè)物體發(fā)生形變而帶來(lái)的測(cè)量誤差。非接觸式測(cè)量方法主要有激光掃描、工業(yè)CT掃描和三維人體掃描等多種方法。

由于掃描的是人體下肢結(jié)構(gòu)，所以需要在測(cè)量的過(guò)程中考慮人體的安全以及測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，所以人們需要采用三維人體掃描儀，人體三維掃描儀具有以下優(yōu)勢(shì)：（1）非接觸式掃描，避免了設(shè)備與人體接觸，從而降低了在測(cè)量時(shí)產(chǎn)生的測(cè)量誤差;（2）安全可靠，采用普通白光光源（非激光），對(duì)人體和人眼沒有任何危害;（3）測(cè)量速度快，因?yàn)樵跍y(cè)量過(guò)程中，外界的不可控因素是無(wú)法避免的，所以這種方法能夠避免在測(cè)量過(guò)程受外界因素造成的測(cè)量誤差。

3.2數(shù)據(jù)處理

得到點(diǎn)云數(shù)據(jù)之后，這個(gè)數(shù)據(jù)是不能直接拿來(lái)應(yīng)用的。需要預(yù)先對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)處理在整個(gè)逆向設(shè)計(jì)過(guò)程中起著重要的作用。如果這個(gè)階段處理不好，將會(huì)影響后面模型的創(chuàng)建工作。一般來(lái)說(shuō)，數(shù)據(jù)處理包括：數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)、去除噪點(diǎn)、點(diǎn)云封裝等。

1）數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)。相比如其他的產(chǎn)品，人體下肢結(jié)構(gòu)的表面復(fù)雜程度更高，所以經(jīng)過(guò)掃描得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)更具有不規(guī)則性，而且數(shù)量會(huì)更大一些。這樣的數(shù)據(jù)在模型重建時(shí)是不能作為參考數(shù)據(jù)的，因?yàn)檫@樣產(chǎn)生的曲面質(zhì)量無(wú)法得到保證，并且會(huì)給設(shè)計(jì)師的工作帶來(lái)干擾，導(dǎo)致計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度低下，甚至死機(jī)。

2）去除噪點(diǎn)。在采集點(diǎn)云數(shù)據(jù)的過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生一些偏離實(shí)際位置的跳點(diǎn)、錯(cuò)誤點(diǎn)，一般統(tǒng)稱為噪點(diǎn)。如果不去除噪點(diǎn)，噪點(diǎn)的存在則會(huì)降低模型的精度，得到的模型將會(huì)與實(shí)際模型不相符合。去除噪點(diǎn)的方法一般有：人工檢查法、最小二乘法、弦高偏差法、濾波法。可以采用人工檢查法進(jìn)行降噪，如有人工無(wú)法處理的情況下可以采用其他方法來(lái)處理噪點(diǎn)。

3）點(diǎn)云封裝。最后，就是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝，點(diǎn)云封裝是指對(duì)降噪、精簡(jiǎn)之后的點(diǎn)進(jìn)行封裝，得到多邊形點(diǎn)云模型，可以保存為STL格式的文件，以便后面的模型構(gòu)建工作。

目前可以進(jìn)行逆向設(shè)計(jì)的軟件有有Alias、Imageware、Geomagic?Studio、Rapid?Form等，其中Alias在汽車領(lǐng)域的逆向工程設(shè)計(jì)中得到了廣泛的應(yīng)用，生成曲面的速度快;Imageware涵蓋了多種應(yīng)用設(shè)備，能夠?yàn)槟嫦蚬こ淘O(shè)計(jì)提供有效的點(diǎn)云處理方法與曲面重構(gòu)性能;Geomagic?Studio可輕易地從掃描所得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)創(chuàng)建出完美的多邊形模型和網(wǎng)格，并可自動(dòng)轉(zhuǎn)換為NURBS曲面[6];Rapid?Form提供了新一代運(yùn)算模式，可實(shí)時(shí)將點(diǎn)云數(shù)據(jù)運(yùn)算出無(wú)接縫的多邊形點(diǎn)云。

3.3曲面重構(gòu)

曲面重構(gòu)是指將處理好之后的多邊形點(diǎn)云面片通過(guò)CAD軟件構(gòu)造三維實(shí)體模型，也是逆向工程設(shè)計(jì)中最關(guān)鍵、最復(fù)雜的個(gè)環(huán)節(jié)。這是因?yàn)樵谝磺袑?shí)物模型中都是以三維模型結(jié)果為基礎(chǔ)的，所以構(gòu)建的模型質(zhì)量決定著生產(chǎn)出來(lái)的產(chǎn)品質(zhì)量。

由于人工下肢的表面比較復(fù)雜，因此在曲面重構(gòu)時(shí)不能一次擬合成一個(gè)完整的面，需要將人工下肢的多邊形點(diǎn)云按照一定的結(jié)構(gòu)特征分割成若千個(gè)不同的曲面片。然后依次擬合每一個(gè)曲面片，每個(gè)曲面片之間通過(guò)G1連續(xù)或者G2連續(xù)進(jìn)行連接即可。常用的曲面重構(gòu)軟件有Alias、CATIA、UG等。

4結(jié)語(yǔ)

利用逆向工程技術(shù)可以方便、快捷地獲得實(shí)物的三維數(shù)據(jù)，利用CAD三維軟件，并根據(jù)三維數(shù)據(jù)進(jìn)行三維模型的構(gòu)建。這為新產(chǎn)品的開發(fā)提供了技術(shù)支持，并且這種逆向工程技術(shù)也可以在航空，機(jī)械、醫(yī)學(xué)、交通等多個(gè)領(lǐng)域進(jìn)行應(yīng)用。希望逆向工程技術(shù)為產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供新的設(shè)計(jì)思路。

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