專利名稱：對足部進行三維測量來選擇最適合的足部用品的系統(tǒng)和方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種通過對足部進行三維形狀測量來選擇最適合的足部用品的系統(tǒng)和方法，尤其涉及一種對足部進行光學三維形狀測量來獲取足部三維形狀信息，并利用該信息從多種預先生產好的，具有不同材質和三維形狀的足部用品中挑選出最合適的一款足部用品的系統(tǒng)和方法。
背景技術：
人類的足是一個由26塊骨頭構成的非常復雜的生物力學結構。除了負載人的體重外，足還要適應行走、跑跳、跨越等動作。為了能正常行走，人類的足必須具有如下特點:
(I)可以適應地面的高低不平；(2)能夠形成一個剛性的杠桿來推動身體前行；(3)能夠轉化由胯關節(jié)產生的轉動力；(4)能夠減輕和吸收地面對人體產生的沖擊力。人類為了保護自己的雙足，同時也為了能提高足部的舒適度在數(shù)千年前就開始在足部使用各種用品，例如鞋等。足分為3部分:后部為腳后跟，中部有足弓，前部為腳掌。在足的長度方向(縱向)有兩個足弓:內側足弓和外側足弓。另外在前腳掌的下方腳的寬度方向上還有一個橫足弓。足的形狀是由與其對應的骨骼、關節(jié)、韌帶和肌肉來維持的。人類是唯一有足弓的脊椎動物。足弓的存在使得腳能夠有彈性并有向前推進作用，也使得在行走和跑步時效率最高、并能最大限度地節(jié)約能量。由于先天原因有些人的足沒有正常發(fā)育成形，另外隨著正常衰老帶來的足部肌肉松弛會導致足部變形。例如足弓塌陷或扁平足，足內翻，足外翻等等。足部的這些不正常會導致足底筋膜炎、前足部疼痛、跟骨骨刺、膝蓋疼痛、跨關節(jié)疼痛、下背部疼痛等一系列病癥，也使得足部的承重能力和平衡穩(wěn)定能力較差，在站立和行走時更容易疲勞和腳部疼痛。為了矯正和預防足部的病變，也為了能更好地支撐足部，確保足部處于最佳形態(tài)，提高足部的功能，可以使用一些用于足部的輔助用品，例如特制鞋，足墊和足后跟墊
坐寸ο這些足部用品，包括各種鞋類和足墊等多是按有限的規(guī)格進行大規(guī)模生產而來，其接觸足底部分的形狀都是預先確定好的不可以選擇。另一方面每個人的腳的大小和足底三維形狀都是不同的，有時同一個人的左右腳在大小，足弓長度，足弓高低等特性上也還有區(qū)別。顧客在購買足部用品時往往要從眾多的候選商品中挑選出適合自己的產品。這個挑選和判斷的過程有很多猜測的成分。即使有試穿機會，顧客可能還是不能完全確定哪種產品對足部的支撐最合適，因為足底三維形狀并不容易簡單地來確定和描述。這種不確定性往往會造成顧客購買多雙足部用品，從中最終只能挑選出來一雙最合適的。為了克服上述問題，本發(fā)明的目的在于提供一個光學三維形狀測量單元，用于測量足部特別是足底的三維形狀從而得到足部三維數(shù)字模型，并進一步獲取足長，足寬，足后跟寬度，足弓高度，足弓長度等尺寸，最終使用測量得到的足部尺寸和顧客的其它信息(如體重和運動類型等等)從預先大規(guī)模生產好的各種足部用品中選擇出最適合某個特定個人的產品。經過這種方法選擇出來的足部用品能保持正確足形，使得身體的重量能更好的由足底的各個部分來承擔，最終能讓使用者在站立、行走和跑動時足部更舒適，并提高足部的生物力學功能，效率和穩(wěn)定性。

發(fā)明內容
上述目的是通過下列技術方案實現(xiàn)的:根據(jù)本發(fā)明提供的一種通過對足部進行三維形狀測量來選擇最適合的足部用品的系統(tǒng)和方法，其核心是一個能獲取足部三維形狀數(shù)據(jù)的光學三維形狀測量單元。優(yōu)選地，所述測量單元包括至少一個光學圖案投影器和至少一個圖像采集器。光學圖案投影器用于把預先確定好的、有規(guī)則的單條直線，多條平行線或其他幾何圖案投射到足表面上。由于足表面是一個三維形狀，投射到上面的原來有規(guī)則的圖案就會出現(xiàn)變化，例如直線變成了斜線、曲線、另外線和線之間的距離也會發(fā)生變化等等。這些變化只是由足表面的三維形狀特性來決定的，相同的圖案投射到不同的三維曲面上而得到的圖像是不同的。通過特殊的計算機圖像處理技術就能得出代表該曲面三維形狀的數(shù)字模型。其具體表現(xiàn)可以為已知空間X，Y和Z三坐標數(shù)值的三維空間點。這些點的集合，也稱做點云數(shù)據(jù)。測量結果也可能是其他能準確描述三維物體表面形狀的數(shù)據(jù)格式，例如以多邊形構成的曲面數(shù)據(jù)格式等。獲得了足部的三維數(shù)字模型后通過足部尺寸計算單元作進一步計算就可得到足長，足寬，足后跟寬度，足弓高度，足弓長度等足部尺寸。利用通過測量得到的足部尺寸外加經輸入模塊得到的使用者體重，生活和運動習慣，需要調整的角度、高度等信息后，最佳足部用品選擇模塊就能從大量預先生產好的不同材質和三維形狀的足部用品中自動挑選出一款最適合的產品。這個挑選過程是由選擇模塊自動來完成的，但是可以通過試用來最終檢驗其有效性。


圖1為足部三維形狀測量單元的總體圖；圖2為利用足部三維形狀系統(tǒng)來選擇最佳足部用品的流程圖；圖3為足部三維形狀測量單元部分測量頭的內部結構圖；圖4為足部三維形狀測量單元的測量結果例-足部三維點云數(shù)據(jù)圖；圖5為通過足部尺寸計算單元對足部三維點云數(shù)據(jù)計算得到的足部尺寸示意圖；圖6為本發(fā)明使用的足部用品的一個實例-人體工程學足墊斜視圖；圖7為本發(fā)明使用的足部用品的一個實例-人體工程學足墊三視圖；圖8人體工程學足墊大規(guī)模生產的一個規(guī)格表；圖9為本發(fā)明使用的足墊和人體足部結構形狀吻合的示意圖；圖10為使用本發(fā)明提供的足墊能確保最佳足形的一個示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖對發(fā)明做進一步說明。本發(fā)明提供一種通過對足部進行光學三維形狀測量來選擇最適合的足部用品的系統(tǒng)和方法。圖1為本發(fā)明的一個優(yōu)選的實施例(10)，在可移動小推車(12)的最上面分別是一臺電腦(30)，電腦顯示器(40)和鍵盤鼠標(50)。在電腦的下面是固定在小推車立柱
(16)上的光學三維形狀測量單元(20)。通過一個圖中未標出的調節(jié)桿可以調整小推車臺面(18)的高度，同時也可以調整光學三維形狀測量單元(20)的高度。在光學三維形狀測量單元上面有2個開孔分別用于圖案的投影和圖像的采集。需要測量的足(90)放置在一個支撐小腿的支架(14)上。測量時用于投影的圖案從光學三維形狀測量單元中投射到足的底面上，通過圖像采集把變形了的圖案拍攝下來。經過計算就可得出足部三維形狀。優(yōu)選地，小推車(12)上還可以配有一個用于存放足部用品的樣品容器和用于給整個裝置供電的電池(圖中未示出)。三維形狀測量單元(20)使用的計算機軟件預先安裝于電腦(30)中。在測量時按照圖2所示步驟進行。步驟(100)通過由鍵盤和鼠標構成的輸入單元來輸入顧客的基本信息，例如姓名，性別，年齡，體重，鞋的種類和用途等。在步驟(110)中對顧客的左右足分別進行測量從而得到與其對應的足部三維數(shù)字模型。通過步驟(120)對測量得到的左右足的三維數(shù)字模型做進一步計算來得到左右足的各種尺寸，并在電腦顯示屏
(40)上顯示出來。步驟(130)是選擇單元通過計算自動在庫存的預先生產好的足部用品中挑選出最佳的產品，并把挑選的結果顯示在以電腦顯示屏為主的顯示單元上。步驟(140)是給顧客提供一個試用機會，顧客通過試用后最終決定由此方法挑選得出的足部用品是否合適。圖3所示為足部三維形狀測量裝置的測量單元(20)的一個優(yōu)選的實施例。需要測量的足(90)位于測量單元的前方，在測量單元的內部有一個光學圖案投影器(24)用于把預先設置好的圖案投影到足(90)上。投影圖案可以是單條直線，多條平行線或其他幾何圖案。足表面的三維形狀會使投射上來的圖案發(fā)生特定的變化，例如直線變成了斜線、曲線、另外線和線之間的距離也會發(fā)生變化等等。這些變化只是由足表面的三維形狀特性引起的，相同的圖案投射到不同的三維曲面上而得到的圖像是不同的。光學圖案投影器使用的光源可以是波長范圍在400-700納米的激光光源或任何顏色的普通光源，例如白色光源。另外投影圖案可以由光學透鏡產生，也可以預先制作在感光膠片或玻璃上。優(yōu)選地，投影圖案是由計算機生成并通過微顯裝置等數(shù)字投影技術投射的圖案。在測量單元的內部還有一個圖像采集器(22)，用于把投射到足表面上的圖案采集成數(shù)字圖像。通過計算機對采集得到的數(shù)字圖像進行特定處理就可以獲得足表面的三維形狀。如圖4所示，測量的直接結果可以是足的點云數(shù)據(jù)。圖4中的每一個小黑點就代表一個已知X，Y和Z三坐標數(shù)值的三維空間點。每次測量可以得到30萬個以上這樣的點，這些點的集合就叫做點云數(shù)據(jù)，它能精確地表述被測曲面的三維形狀。這個基于點云數(shù)據(jù)或其他能準確描述三維物體表面形狀的數(shù)據(jù)就可以存貯起來。所述足部三維形狀測量裝置的計算機(30)的內部還安裝有一個計算單元，用于從足部三維數(shù)字模型中自動計算出如圖5所示的足部各種尺寸:足長(61)，內側足弓長度(62)，外側足弓長度(63)，足弓最高點位置(64)，足后跟寬度(65)，足長一半處的足寬(66)，足的寬度(67)等。這些尺寸的單位可以是毫米、英寸等長度單位。也可以足部三維數(shù)字模型中計算出足后跟升高角度、足后跟部平面和前腳掌部平面的交角等角度數(shù)值。圖6為本發(fā)明使用的足部用品的一個具體實施例-人體工程學足墊(75)。區(qū)別于常見的呈二維平面形狀，由柔軟材料制成的鞋墊，人體工程學足墊的形狀和使用者足底三維形狀吻合，而且足墊本身具有一定剛性能夠支撐人體的體重。圖7為人體工程學足墊的三視圖，從足墊(左足)的正視圖(75A)中可以看出人體工程學足墊有一個用于支撐內側足弓的突起部，這個足弓支撐部在足墊的側視圖(75C)中也能看到。俯視圖(75B)描述了足墊的整體形狀。人體工程學足墊能最大限度地確保使用者的足后跟垂直于地面，使足弓部保持一定高度并處于微微向前的運動狀態(tài)，同時也能使得前腳掌部分和地面保持平行，讓身體的重量能更好的由足底的各個部分來承擔，提高足部的生物力學功能，效率和穩(wěn)定性，讓使用者在站立、行走和跑動時足部更舒適。相反完全由柔軟材料制成的鞋墊只能被動地接納和容忍足的不正常變形，其功效只是給足底提供一定緩沖作用。人體工程學足墊由于具有一定硬度所以能保持正確足形，防止足弓塌陷。另外對生物力學功效低下的足也能提供一定矯正作用。優(yōu)選地，人體工程學足墊是一個由不同材料組成、并膠接在一起的多層結構體。其中包括一個硬質材料殼體，其材料可以是熱塑性塑料或碳纖維復合材料。優(yōu)選地，熱塑性塑料是聚丙烯(polypropylene)、聚氯乙烯(polyvinylchloride)、聚酯合成纖維(polyethylene terephthalete)等類材料。對足弓的支撐主要是依靠這個硬質材料殼體來實現(xiàn)。在所述硬質材料殼體的上面可以有一層由柔軟多微孔發(fā)泡材料制成的厚度為1-3毫米的緩沖減震層。優(yōu)選地，所述緩沖減震層為乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(Ethylene-vinylAcetate)。本發(fā)明提供的人體工程學足墊是按照一定規(guī)格預先大規(guī)模生產出來的。由于每個人的體重，足的大小和足弓的高低都是不同的。為了能更好的吻合每個人的特定情況，圖8提供了一個人體工程學足墊大規(guī)模生產的規(guī)格表。如圖8所示，最合適的人體工程學足墊是根據(jù)使用者的體重和足弓的高低，以及足的其他尺寸來確定的。例如對于一個體重在65-75公斤之間，足弓高度在25-35毫米范圍內的使用者來說，最適合的人體工程學足墊就是260號足墊。選擇最適合足墊的過程是根據(jù)計算得到的足部尺寸和在步驟(100)輸入的顧客信息由選擇單元自動計算完成的。如圖9所示，通過本發(fā)明提供的這種方法選擇出來的最佳足墊(75)的形狀(84)完全吻合足(90)的骨骼結構(82)。使用后就能最大限度地確保足部的正確形狀，如圖10所示。圖1表述的實施例(10)只使用了一臺光學三維形狀測量模塊，主要用于足底面的測量。本發(fā)明的另外一種實施例可以使用多臺光學三維形狀測量模塊從不同角度同時測量足的表面，從而獲得包括足部更多表面的三維數(shù)字模型。綜上所述，以上僅為本發(fā)明的優(yōu)選的實施例，對于本領域的技術人員應該理解，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以進行任何等同替換、修改或改進。
權利要求
1.一種通過對足部進行三維形狀測量來從預先生產好的足部用品中選擇最適合的一款足部用品的系統(tǒng)，其特征在于，包括:測量單元、計算單元、輸入單元、選擇單元和顯示單元; 所述測量單元用于足部的光學三維形狀測量，其測量結果為能準確代表足的三維形狀的足部三維數(shù)字模型，并將測量結果傳輸給所述計算單元； 所述計算單元用于從足部三維數(shù)字模型來計算出用于描述足部三維形狀細節(jié)的足部尺寸； 所述輸入單元為計算機鍵盤、計算機鼠標或觸摸屏等裝置用于輸入姓名、性別、年齡、體重、鞋的種類和用途等顧客信息； 所述選擇單元用于依據(jù)測量得到的足部尺寸和輸入的顧客信息從各種預先加工好的足部用品中選擇出最合適的一款產品； 所述顯示單元為計算機屏幕或電視屏幕用于顯示足部三維數(shù)字模型、測量得到的足部尺寸和最適合足部用品等信息。
2.根據(jù)權利要求1所述的對足部進行三維形狀測量來從預先生產好的足部用品中選擇最適合的一款足部用品的系統(tǒng)，其特征在于，所述測量單元使用至少一個光學圖案投影器和至少一個圖像采集器，用于拍攝由所述光學圖案投影器投射到足部表面的圖像的。
3.根據(jù)權利要求2所述的光學圖案投影器，其特征在于，使用波長范圍在400-700納米的激光或任何顏色的普通光來投影。
4.根據(jù)權利要求2所述的光學圖案投影器，其特征在于，所投影的圖案可以是一條或多條由光學透鏡產生的直線圖案，或預先在玻璃或感光膠片上成形的圖案，或由計算機生成并通過微顯裝置 等數(shù)字投影技術生成的任何形態(tài)的數(shù)碼圖案。
5.根據(jù)權利要求1所述的對足部進行三維形狀測量來從預先生產好的足部用品中選擇最適合的一款足部用品的系統(tǒng)，其特征在于，由所述測量單元輸出的足部三維數(shù)字模型可以是能準確地代表足部三維形狀并已知X，Y和Z三坐標數(shù)值的三維空間點云數(shù)據(jù)，也可以是其他能準確描述三維物體表面形狀的數(shù)據(jù)格式。
6.根據(jù)權利要求1所述的對足部進行三維形狀測量來從預先生產好的足部用品中選擇最適合的一款足部用品的系統(tǒng)，其特征在于，所述計算單元得出的足部尺寸為足長、足寬、足弓長度，足弓高度等可量化的、用于描述足部每個三維形狀細節(jié)的距離和角度的數(shù)值，其單位可以是毫米、英寸等長度或角度單位。
7.根據(jù)權利要求1所述的對足部進行三維形狀測量來從預先生產好的足部用品中選擇最適合的一款足部用品的系統(tǒng)，其特征在于，所述足部用品為預先加工好的、和足底接觸的表面呈三維形狀的足墊和鞋類。
8.一種從預先生產好的足部用品中挑選最適合足部用品的方法，其特征在于，包括如下步驟: (a)對足部進行光學三維形狀測量，來獲取足部三維數(shù)字模型； (b)對測量得到的足部三維數(shù)字模型進行計算來獲取用于描述足部三維形狀細節(jié)的足部尺寸； (C)通過計算機鍵盤、計算機鼠標或觸摸屏幕等輸入手段來輸入姓名、性別、年齡、體重、鞋的種類、用途等顧客信息；(d)結合步驟(b)得到的足部尺寸和步驟(C)輸入的顧客信息，來自動選擇最適合某個特定個人的足部用品； (e)由計算機屏幕或電視屏幕等顯示手段來顯示足部三維數(shù)字模型、足部尺寸、顧客信息和最佳足部用品編號等 目息。
9.根據(jù)權利要求8所述的挑選最適合足部用品的方法，其特征在于，測量得到的足部三維數(shù)字模型可以是能準確地代表足部的三維形狀并已知X，Y和Z三坐標數(shù)值的三維空間點云數(shù)據(jù)，也可以是其他能準確描述三維物體表面形狀的數(shù)據(jù)格式。
10.根據(jù)權利要求8所述的挑選最適合足部用品的方法，其特征在于，計算得出的足部尺寸為足長、足寬、足弓長度，足弓高度等可量化的、用于描述足部每個三維形狀細節(jié)的距離和角度的數(shù)值，其單位可以是毫米、英寸等長度或角度單位。
11.根據(jù)權利要求8所述的挑選最適合足部用品的方法，其特征在于，所述足部用品為預先加工好的、和足底接觸 的表面呈三維形狀的足墊和鞋類。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種通過對足部進行三維形狀測量來選擇最適合的足部用品的系統(tǒng)和方法，其目的是通過對足部進行光學三維形狀測量來獲取足部的三維數(shù)字模型，并進而得到足部的各種尺寸。利用測量得到的足部尺寸和顧客輸入的其它信息從預先生產好的足部用品中挑選出最適合該顧客的一款產品。通過本發(fā)明提出的系統(tǒng)和方法來選擇得到的足部用品能最大限度地保持正確的足形，使得身體的重量能更好的由足底的各個部分來承擔，防止和矯正足弓塌陷，最終在提高足部的生物力學功能，效率和穩(wěn)定性的同時也能讓使用者在站立、行走和跑動時足部更舒適。
文檔編號A43D1/00GK103099389SQ20121018752
公開日2013年5月15日 申請日期2012年6月8日 優(yōu)先權日2011年11月9日
發(fā)明者李勇, 王可非, 趙寅鴻 申請人:李勇, 王可非, 趙寅鴻