挑战杯大学生课外学术科技作品省一等奖三维足部测量仪的研制.docx

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挑战杯大学生课外学术科技作品省一等奖三维足部测量仪的研制

第12届挑战杯大学生课外学术科技作品竞赛参赛作品

三维足部测量仪的研制

选送单位：

济宁职业技术学院机电工程系

省级一等奖

摘要：

个性化鞋楦设计是社会发展的必然趋势，三维足部测量仪的研制有重要研究意义和应用价值。

论文在分析脚型测量特点的基础上，制订了详细的三维足部测量仪实施方案，设计了机械系统、光路系统、控制电路等硬件系统，开发了相关控制程序和数据采集软件。

通过对足部进行三维扫描实验表明，该三维测量仪能快速对人体足部进行扫描，获取三维点云数据，通过曲面重建获取足部轮廓，产品重量轻，体积小，精度高，为进行个性化鞋类产品制造提供初始数据来源。

关键词：

激光扫描法；足部三维测量；个性化鞋楦；三维重建

第1章前言

在这个飞速发展的时代，伴随人们生活水平的提高，产生了个体消费者对量体裁衣、量脚制鞋的需求。

但目前，鞋型鞋号是依据大量统计、分析、归纳出的标准鞋型系列来设计的，这使得有相当一部分正常脚型者，他们应穿的鞋型鞋号处于标准鞋型鞋号的中间值上，但也只能穿用近似鞋型鞋号。

而大部分畸形脚型者，则根本就没有适合的鞋型鞋号。

因此根据不同的足部设计出更合适的鞋，并实现其过程的自动化，使穿鞋由“大众系列化”向“个体适合”的转变一直是制鞋业追求的目标之一，而足部三维自动测量则是其中的关键难点。

随着CAD/CAM（计算机辅助设计/制造）技术的日益成熟，目前在国外一些发达国家已经形成了关于制鞋CAD/CAM技术（计算机辅助设计/制造鞋产品技术）研究与应用的新产业，通过三维足部测量仪获取足部数据并把数据传输到数控刻楦机中，自动生成个性化鞋楦，从而极大改善产品的整个生产效率与质量。

国内外都有一定的机构在从事足部测量系统的开发，并逐渐将自己的产品投入生产实用。

国外比较成功的测量系统主要有以下几种：

1.法国克雷奥

法国克雷奥电子公司的足部测量仪：

该仪器已在法国皮鞋店使用，顾客只需将脚放在箱子的厚玻璃上，这时上下4个激光二极管对脚进行扫描，8台摄像机从不同的方位进行拍摄，计算机处理好的三维数据可以直接送到制鞋厂。

很快顾客便可穿上称心如意的新皮鞋。

但是该仪器重达100多公斤，并且适合于欧美国家人的足部特点。

2.加拿大CANFIT-PLUS

Vorum公司提供，包含设计软件、足部扫描器和CNC成型机。

其中足部扫描器采用激光片光作为投影光，当脚放在载物台上时，平移系统带动激光器平动，使激光片光扫描脚形表面，摄像机同时进行拍摄图像。

经计算机处理三维成形后的数据可进一步用于设计师进行鞋样设计，然后将数据转换成光电信号，进行数控加工。

使用这一系统，一个零售商可以迅速有效地测量一个客户的脚型，安排制鞋商进行加工。

因其广泛的使用范围和较好的精度，在同类产品市场上表现不俗，但售价很高。

国内主要有以下研究机构：

1.重庆大学

由重庆大学光机系和四川工业学院机械系联合开发的“足部测量仪”采用光切法测量原理，利用四个半导体激光器，三个CCD相机从不同方位进行投影和拍摄。

投影系统和摄像系统固定于测量装置上，计算机通过步进电机驱动系统控制步进电机，带动测量装置在导轨上运动。

步进电机、导轨和置放足部的玻璃板固定在仪器底座上，在整个测量系统中静止，从而形成摄像光切面的相对运动。

图像采集卡分别采集三个CCD相机在各光切面摄取的信息，从而实现对足部完整轮廓的测量。

2.四川大学

四川大学光电科学技术系研制的三维传感足部测量系统基于光切法测量原理，可以在40秒的时间内完成一只足部的全方位测量。

3.清华大学

清华大学王伯雄教授等研制的三维足部测量系统附有多个压力传感器，实时测量足部载荷，能实时根据足部变形情况调整足部测量数据，取得较好的动态三维检测效果。

但该仪器尚处于实验室研制阶段，且在脚部轮廓重建上存在数据丢失现象。

虽然有很多高校及科研单位都在研究CAD/CAM在制鞋业中的应用。

但是，这些研究局限于理论方面的居多，具有实用化价值的系统较少，主要问题包括以下几个方面：

1.激光器和摄像机的个数选取和摆放不合理，测量出现大量盲区，后续数据处理非常困难。

2.测量速度慢、精度低。

3.体积大、携带不方便。

4.成本高。

为解决上述缺点，我们科技创新小组拟开发一款三维足部测量仪，通过合理安排激光器的空间位置，让激光器发出的激光组成封闭光环，通过电机-滑轨装置移动激光装置，从而移动封闭光环，实现对足部的全局扫描；开发数据采集与处理软件，根据扫描获取的离散数据进行足部三维模型重建，解决数据丢失问题，提高测量精度；最后制作出样机，通过实验验证设计本方案的可行性。

第2章三维足部测量仪整体方案设计

2.1测量仪工作原理

基于激光扫描法原理研制三维足部测量仪，如图2.1所示：

用户将脚置于平板玻璃上。

利用多个激光器，适当调整激光器位置，使激光线相交围绕成一个近似圆的封闭区域，该封闭光环投射到足部轮廓。

激光器安装在平台上，通过步进电机驱动丝杠，带动滑轨使测量平台前后移动，平台移动的过程就是激光扫描的过程。

脚部扫描完毕后通过CCD相机获取足部的离散点云数据，再把数据进行拼合和降噪等处理，获取足部轮廓数据。

最后通过相关软件将点云转换为连续曲面，并进一步转换为三维模型，为个性化制鞋提供数据来源。

图2.1三维足部测量仪

2.2测量仪工作流程

整个测量仪工作流程如图2.2所示：

首先启动测量系统，将拍摄系统初始化，主机通过串口通讯与步进电机取得联系，取得控制权，发送控制命令，使电机复位。

测量者调整好足部姿势后，步进电机驱动平台移动。

同时，步进电机根据当前位置和移动量向主机发送脉冲信号，主机根据这个脉冲信号和相关状态完成光路选择、图像拍摄以及数据存储。

测量时，测试者需要适当调节站位，以调整物距，拍摄时脚部须保持静止，整个获取脚部数据的过程持续约10s。

测量结束后，将测量数据经可视化处理、统一坐标系显示后，获取足部的离散点云数据，之后再把数据进行拼合和降噪等预处理、数据修补、拟合，获取足部轮廓数据。

最后通过相关软件将点云转换为连续曲面，进行三维脚型重构，可应用于后续的数控加工过程，制作鞋楦。

图2.2三维足部测量仪工作流程图

2.3设计要求

目前一般市面上的3D激光扫描仪均为固定式，且有相当的重量（约100kg），而本研究为使足部扫描工作达到客制化的目的，必须朝着轻便且易于搬运（重量减轻）、易于携带（体积缩小）、量测精度高、噪声低的方向设计。

方案设计时需综合考虑以下因素：

脚是柔性体，姿态易变化，且会轻微晃动，不宜长时间保持，所以整体测量时间必须短；足部整体测量需要多个拍摄系统组合；脚部整体范围大，且易自遮挡，要选择合适的拍摄角度，有效避免拍摄盲点；测量系统操作简单，自动化、智能化程度高，所获取的数据易于处理；测量仪简便可靠、体积小、重量轻、便于运输、拆卸，且成本适中。

2.4整体方案设计

如图2.3所示，本测量仪包括硬件系统和软件系统两部分。

硬件系统主要包括机械系统、光路系统和控制电路，完成的主要功能是搭建测量平台和光路系统，并制作单片机控制电路。

软件可以分为两部分：

一是单片机控制程序，负责控制平台移动，控制CCD相机拍摄，完成数据采集功能，并将采集的图像送给三维建模软件进行处理；二是三维建模软件，本方案采用美国雨滴公司的GeomagicStudio软件,把离散的点云数据转换为连续曲面，包括数据可视化处理、数据统一（拼合）、数据预处理、脚部重建、特征点提取和生成鞋楦三维模型。

图2.3三维足部测量仪整体方案设计

第3章硬件系统设计

本三维测量仪硬件系统由三部分组成：

机械系统、光路系统和控制电路，该系统结构简图如图3.1所示。

图3.1硬件系统结构图

机械系统通过测量平台的移动，带动激光器和CCD相机相对足部前后移动，从而实现全程扫描。

激光器和CCD相机搭建出正确的光路系统，以实现CCD相机的全方位和无盲点扫描，保证测量数据的有效性。

控制电路实现测量平台驱动电机与激光器、CCD相机的同步协调工作，并将采集的图像通过串口电路传输给计算机。

3.1机械系统设计

机械系统主要零件有：

底座板1个、钢化玻璃1个、固定支架1个、滑轨1付、步进电机1个、激光器固定支座4个、CCD相机固定支座4个。

滑轨由步进电机驱动，带动测量平台前后移动，从而使安装在测量平台上的激光器和CCD相机相对足部前后移动，实现全程扫描。

步进电机选用北京和利时公司生产的两相混合式步进电机28BYG250C，步距角为1.8度，静力矩为0.02N.M,两相绕组四根引出线。

3.2光路系统设计

光路系统包括激光器和CCD相机。

人体足部作全周轮廓测量，有别于一般斜率变化较小的一般自由曲面测量。

对于一般自由曲面的测量可以只使用单个CCD相机做单线轮廓扫描，但是当被测物表面斜率变化较大或有阶梯状的不连续表面时，就必须使用多个CCD相机做多线全周轮廓扫描。

用光学扫描法对物体表面进行测量的一个必要条件是该点必须能被光源照射，并同时为摄像机所见且清晰成像。

由于光路结构、曲率遮挡、形状遮挡、顶部或底部凹陷遮挡等原因造成某些拍摄不到的点，称为盲区。

盲区的存在与激光器、CCD相机个数选取、摆放位置是否合理密切相关，直接影响扫描结果的准确性及精度。

本测量仪采用4个CCD相机搭配4个激光器，如图3.2所示。

脚的着力面为由支架固定的钢化玻璃，设定该坐标面为XOZ面，脚的轴向为Z轴。

4个激光器从原点出发，沿着Z轴正方向，以一定时间间隔和步长同步移动，并发射激光线，左上、右上激光器投射激光线至脚的上部，左下、右下激光器投射光线至反射镜，反射至足部。

4条激光线汇聚于脚部形成一个近似圆的封闭曲线。

左右CCD相机镜头与XOZ面成450角放置，左下、右下CCD相机视野中心轴与XOZ面同样成450角放置，4个CCD相机同步拍摄每一条曲线的部分图像。

图3.2激光器和CCD相机空间布置图

3.3控制电路设计

3.3.1控制电路整体设计

控制电路用以实现测量平台驱动电机与激光器、CCD相机的同步协调工作，并将采集的图像通过串口电路传输给计算机。

控制电路原理图如图3.3所示，以8位单片机STC89C51为控制中心，负责步进电机的运行控制、测量平台限位保护、激光器的打开与关闭、CCD相机的图像采集，以及通过RS-232接口与计算机通信。

图3.3控制系统原理图

最终制成的控制电路板实物如图3.4所示：

图3.4单片机控制电路板实物图

3.3.2步进电机驱动模块设计

测量平台的移动是通过步进电机驱动滑轨实现的，所以步进电机驱动电路模块设计是本测量仪的关键。

通过对现有各种驱动芯片的比较，选用美国Allegro公司生产的A3972驱动芯片。

如图3.5所示，驱动芯片A3972的OUT1A和OUT1B接步进电机第一个绕组01A和O1B两个端子，OUT2A和OUT2B接步进电机第二个绕组02A和O2B两个端子，芯片产生的脉宽调制（PWM）信号可对步进电机的步距角实现细分控制，从而实现平台的微量移动。

图3.5A3972步进电机驱动模块

3.3.3激光器驱动模块设计

根据各种激光器的特点，我们选用西安思拓公司的红光一字线激光器，利用其投射条纹细的特点提升整个系统的精确性。

激光器的打开和关闭直接由单片机引脚驱动，如图3.6所示。

图3.6激光器驱动模块

3.3.4CCD相机控制模块设计

4个CCD相机的开关和拍摄过程必须与平台的移动相匹配，这也是通过单片机进行控制的。

CCD相机采用北京微视新纪元科技有限公司生产的MVC2000相机，有效像素：

1600X1200，帧率为11fps,支持USB接口通信。

3.3.5数据通讯模块设计

数据通讯模块采用RS-232串口电路，选用了ADI公司的MAX232E作为RS-232收发器，如图3.7所示。

RS-232通过完成单片机TTL电平与计算机CMOS电平的转换，实