CN100368763C - 捕获和支撑3d轮廓的方法和系统 - Google Patents

捕获和支撑3d轮廓的方法和系统 Download PDF

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Abstract

一种三维(3D)捕获方法和系统，具有：3D轮廓捕获装置(5)，用于捕获对象的表面轮廓；具有特定轮廓的支撑装置(20)，用于放置在所述表面和为所述表面的至少一部分提供附加支撑的所述3D轮廓捕获装置之间，其中根据设置在所述表面和所述3D轮廓捕获装置之间的所述具有特定轮廓的支撑装置捕获的第二轮廓来改善所述3D轮廓捕获装置捕获的第一轮廓(25)，以提供合成的3D轮廓。

Description

捕获和支撑3D轮廓的方法和系统
技术领域
本发明涉及一种3D(三维)轮廓捕获方法和系统，本发明尤其涉及一种在捕获的轮廓的选定区域中提供改善的支撑的方法和系统。
背景技术
存在用于捕获对象目标的3D轮廓的多种方法和系统。对象目标可以是各种物体，包括无生命的目标和身体局部。关于身体局部，可以是脚的3D轮廓，从而为鞋和/或者脚的矫正器提供定制。
脚的3D轮廓测量方法可以包括利用机械的(例如具有石膏、砂、泡沫等的压印模具)、电子的、机电的、光电的和其结合的装置来进行脚底面的取样。在美国专利NO.4,876,758和NO.5,640,779中披露了其中一种用于捕获脚的底侧或者脚底面的轮廓的方法，这两份专利都已转让给本专利申请的受让人，并在此引入其全文作为参考。NO.4,876,758和NO.5,640,779专利披露了脚的压印单元(例如量针数字转换器)，它具有量针元件阵列；用于压迫量针使之与人脚的底面相接触的控制机构，用以形成脚的底面的压痕；锁定机构，用于可脱开地将量针锁定在适当位置，以保持该压痕；以及传感机构，用于扫描测量元件，以产生用于指示测量元件位置的数字信号。
量针数字转换器的量针测量放置于其上的脚相对于基准面的位置。对所获得的测量结果进行处理以产生脚底面的精确的、优选是数字的模型。量针数字转换器可以通过量针精确地偏转向上推压脚底面的量针所遇到的脚的软组织。量针数字转换器所产生的这个数据组提供了支撑和对应于脚底面上的软组织区域的3D轮廓。量针数字转换器提供了放置在其上的人脚的精确轮廓。然后精确捕获的3D轮廓可以用于形成和/或定制矫正器、鞋等。
需要指出，量针通常是向上压的，它采用了将所有的量针利用共同的作用力、速度等向上推压的常见方法。因此通常不会对不同的量针提供可选择的差别。
但是有这样一种需求，要求比精确复制脚的底面做的更多。这种需求可能是与人脚有关的问题引起的。一些与脚和/或身体对准有关的问题可能需要在脚底面的一定区域中提供比其他区域更大的支撑。例如，在脚的足弓区域可能需要或者希望额外支撑，以矫正或者解决与其有关的疾病。
可能需要另外的(也就是额外的)支撑，以改善脚矫正器中的支撑、稳定性和舒适度。提供附加支撑的困难在于，迄今为止难以确定脚可以忍受多大的额外支撑以及脚的哪些区域可以/应当接收额外支撑。因此，确定要以多大的量和在哪里对脚提供额外的支撑就通常需要脚的专家或者一个脚支撑装置制造领域中的高级技术人员的经验。
因此，需要在3D轮廓获取过程中在脚底面的选定区域中准确地提供额外支撑。
发明内容
本发明提供一种三维(3D)捕获系统，其具有：3D轮廓捕获装置，用于捕获对象的表面轮廓；具有特定轮廓的支撑装置，用于放置在表面和为该表面的至少一部分提供附加支撑的3D轮廓捕获装置之间，其中根据设置在表面和3D轮廓捕获装置之间的具有特定轮廓的支撑装置所捕获的第二轮廓来改善3D轮廓捕获装置所捕获的第一轮廓，以提供合成的3D轮廓。
本发明的教导还提供一种用于捕获3D轮廓的方法，包括：将目标放置在3D轮廓捕获装置上；获取目标表面的第一轮廓；将具有特定轮廓的支撑装置放置在该表面和3D轮廓捕获装置之间；在具有特定轮廓的支撑装置上支撑至少部分该表面，该具有特定轮廓的支撑装置对至少部分该表面提供额外的支撑；利用放置在该表面和3D轮廓捕获装置之间的具有特定轮廓的支撑装置来获取目标表面的第二轮廓；以及基于改进第一轮廓的第二轮廓来提供该表面的合成3D轮廓。
通过结合详细描述、权利要求和附图进行阅读，可以进一步理解本发明的这些和其他方面。
附图说明
图1为根据在这里的教导的示例性量针数字转换器的俯视透视图，它包括用于捕获对象底面的量针；
图2为根据在这里的教导的图1的量针数字转换器的俯视透视图，其中在其上设有具有特定轮廓的支撑装置；
图3为根据在这里的教导的图2的量针数字转换器的俯视透视图，其中显示出设在具有特定轮廓的支撑装置上的对象目标的所捕获的轮廓；
图4为根据在这里的教导的图2的量针数字转换器的俯视透视图，其中其上设有第二构造的具有特定轮廓的支撑装置；
图5为根据在这里的教导的图4的量针数字转换器的俯视透视图，其中显示出设在其第二具有特定轮廓的支撑装置上的对象目标的所捕获的轮廓；
图6为根据在这里教导的示例性的具有特定轮廓的支撑装置的俯视详细透视图；
图7为根据在这里教导的图6中示例性的具有特定轮廓的支撑装置处于弯曲状态的俯视透视图；
图8为根据在这里的教导的其上安放有脚的示例性量针数字转换器的剖视图；
图9为根据在这里的教导的图8的示例性量针数字转换器的剖视图，其中，将脚放置在示例性的具有特定轮廓的支撑装置上；
图10为根据在这里的教导的示例性3D轮廓复制装置的剖视图；
图11为根据在这里的教导的图10的示例性3D轮廓复制装置的剖视图，该装置被操纵用于在坯料中复制所捕获的轮廓；
图12是示例性的具有特定轮廓的脚后跟支撑装置的俯视透视图。
具体实施方式
本发明披露了一种具有特定轮廓的支撑装置，用于对其轮廓已经被3D轮廓捕获装置捕获的目标的表面提供支撑，优选是额外支撑。具有特定轮廓的支撑装置与3D轮廓捕获装置相配合，以便于获取对象目标的3D轮廓。图1显示了示例性的3D轮廓捕获装置，通常由附图标记5表示。在图1中首次示出的3D轮廓捕获装置5是一个量针数字转换器类型的3D轮廓捕获装置。量针10被向上推压，穿过孔15，与其表面已经被捕获的目标的表面相接触。
将目标设置在表面17上，将量针10向上推压，穿过表面17中的孔15。当量针10与表面17上放置的目标的表面相接触时，量针10的向上运动被停止。当量针10不能克服放置在表面17的目标表面向下施加在表面17和量针10上的法向力时，量针10的向上运动停止。
对象目标可以是各种事物，包括无生命的结构和身体局部。尽管本发明主要是在获取人脚的3D轮廓的背景中讨论的，但是很明显该对象目标不限于脚。
图1还显示了示例性的捕获轮廓25。通过将脚(未显示)放置在表面17上，将量针10向上推压穿过孔15，直到量针10接触脚的底面，然后将量针10锁定或者保持在因为与脚相接触而导致的停止位置处，从而获取捕获轮廓25。以这种方式，获得所捕获的轮廓25。
需要指出，量针10通常是向上推压的，它采用了将所有的量针10利用共同的作用力、速度等向上推压的普通方法。因此通常不会对不同的量针10提供可选择的差别。
图2显示了示例性的具有特定轮廓的支撑装置20。具有特定轮廓的支撑装置20为其轮廓已经被3D轮廓捕获装置5捕获的目标(例如脚)的表面提供支撑，优选是额外的支撑。在一个方面，具有特定轮廓的支撑装置20是弹性柔软材料的壳。用于构成具有特定轮廓的支撑装置20的具体材料可以是各种各样的。具有特定轮廓的支撑装置优选地具有弹性和柔性。
对具有特定轮廓的支撑装置20的具体形状进行设计，以便为对象目标的表面的选定区域提供额外支撑。例如，具有特定轮廓的支撑装置20可以具有特定的形状和尺寸，从而为脚的底面提供支撑。图2的具有特定轮廓的支撑装置例如在捕获的轮廓25所占据的空间的一部分上延伸。也就是，具有特定轮廓的支撑装置在该实施例中不会在脚的表面将会接触的表面17的整个上延伸。在这种情况下，具有特定轮廓的支撑装置20仅在脚将会接触的区域的特定部分上延伸。
图3显示了通过捕获放置在具有特定轮廓的支撑装置20上并由其支撑的脚的底侧的3D轮廓而获取的捕获轮廓28。利用图2中的具有特定轮廓的支撑装置获得捕获的轮廓28。
根据用途、所需要的结果、所需要的支撑区域、和/或应用，可以将具有特定轮廓的支撑装置20按照各种构造来设定形状和尺寸。
图4显示了其形状和尺寸与图2中所示的具有特定轮廓的支撑装置不同的具有特定轮廓的支撑装置32。图5显示了利用图4中的具有特定轮廓的支撑装置32捕获的示例性3D轮廓37。
在一个方面，在放置在对象脚(或其他目标)下面的时候，具有特定轮廓的支撑装置20、32用作弹簧。也就是，由于具有特定轮廓的支撑装置20、32的优选的弹性特征，具有特定轮廓的支撑装置20、32至少一部分是柔软的。具有特定轮廓的支撑装置20、32可以响应在其上施加的作用力而弯曲。具有特定轮廓的支撑装置20优选响应大于最低阈值的作用力而弯曲(例如偏转)。当所施加的作用力超过了最低阈值的时候，具有特定轮廓的支撑装置20、32作出响应，基本上沿着图6和7中的箭头30所示的方向进行偏转。
最低阈值作用力优选在每平方英寸1.5-3.0磅(psi)的范围内，最好的范围是2.0-2.5psi。
图6显示了处于未弯曲位置中的示例性的具有特定轮廓的支撑装置20的俯视透视图。也就是，详细显示了具有特定轮廓的支撑装置20的上接触表面的凸出的拱顶形状。
在一个方面中，具有特定轮廓的支撑装置20用作弹簧，具有经过选择而使得具有特定轮廓的支撑装置20能偏转软组织(例如肉体皮肤和肌肉)并同时支撑其下面的骨头结构的弹簧刚度(也就是弹簧常数)。具有特定轮廓的支撑装置20偏转软组织、支撑骨结构、并在达到所需(最优)的支撑水平时塌陷(也就是响应于脚所施加的作用力而弯曲离开脚)。
图7显示了示例性的具有特定轮廓的支撑装置20在弯曲状态或者位置时的俯视透视图。在图7中显示了向下弯曲或者偏转的具有特定轮廓的支撑装置20的上接触表面的凸出的拱顶状形状。
通过具有特定轮廓的支撑装置20、32的可选择结构和构造可以实现优选的弹簧刚度。这种构成方法和过程可以包括对具有特定轮廓的支撑装置20、32的减薄和其他强度减弱/增强技术。
在另一个方面，量针10的向上压迫是可以动态或预定地调整的，从而调节量针10提供的支撑量。
如图2、4和6所示，使具有特定轮廓的支撑装置20、32穿孔以与3D轮廓装置5配合，从而不再阻碍、而是优选更加方便轮廓的获取。将具有特定轮廓的支撑装置20、32的穿孔图案构成为允许量针10穿过具有特定轮廓的支撑装置自由运动。
通过可操作地设置量针数字转换器5，具有特定轮廓的支撑装置20、32提供了一种结构和方法，以准确地捕获脚的底面，并对脚的选定区域提供额外的有利支撑。
在放置具有特定轮廓的支撑装置20、32之前，利用所捕获的轮廓(例如捕获的轮廓25)作为导向件，可以将所选的具有特定轮廓的支撑装置，例如具有特定轮廓的支撑装置20、32放置在量针数字转换器5上。也就是，不使用具有特定轮廓的支撑装置20、32而首先捕获的轮廓25可以作为具有特定轮廓的支撑装置20、32正确定位的参照。首先捕获的轮廓25提供脚的底侧的准确3D轮廓绘制。可以利用首先捕获的轮廓25作为导向件将选定了形状、尺寸和弹性的具有特定轮廓的支撑装置20，32放置在正确的位置中。
在将具有特定轮廓的支撑装置20、32正确放置在表面17上的情况下，将脚放置在3D轮廓捕获装置5上。由于由此提供的附加的向上作用力，脚的底面在存在具有特定轮廓的支撑装置20、32的区域中处于较高位置上。释放3D轮廓捕获装置5的锁定装置，将量针10再次向上推压。量针进一步升高以捕获在具有特定轮廓的支撑装置20、32的区域中新受到支撑的脚的底面。如图3和5所示，利用具有特定轮廓的支撑装置20和32所获得的轮廓在由具有特定轮廓的支撑装置20、32所支撑的区域中更高。
可以在人的全部负载或者重量或者部分重量(也就是半重量)施加在脚上的情况下提取据此获取的脚的3D轮廓。全重量或者力倾向于使得脚的底侧变平。本发明的具有特定轮廓的支撑装置20、32对具有特定轮廓的支撑装置所支撑的脚的区域提供支撑和恢复支撑。可以使得具有特定轮廓的支撑装置的定位和尺寸能对脚的足弓区域提供支撑。
将量针10再次锁定，并确定每个量针10的高度。可以利用机械、机电、光学或者多种技术和过程来确定量针10的位置。
应当指出，为了讨论和比较的一致性，本说明书的所有图使用同一个对象脚，从而清楚地显示利用具有特定轮廓的支撑装置20、32的直接比较效果。
图8显示了放置在示例性量针数字转换器5上的脚的示意性侧视图。所示的轮廓显示了量针数字转换器5的量针10所提供的支撑的示意性说明，但是没有加入具有特定轮廓的支撑装置。
图9显示了放置在示例性量针数字转换器5上的脚的示意性侧视图，其中示出了由量针10和具有特定轮廓的支撑装置20所提供的支撑。
用于捕获3D轮廓的方法可以被总结为包括将目标放置在3D轮廓捕获装置上以及获取目标表面的第一轮廓。该方法还包括将具有特定轮廓的支撑装置(例如具有特定轮廓的支撑装置20和32)放置在脚的底面和3D轮廓捕获装置5之间并支撑在其上的具有特定轮廓的支撑装置上至少部分表面。具有特定轮廓的支撑装置对脚的底面的至少一部分选择性地提供额外的支撑。利用设置在脚底面和3D轮廓捕获装置5之间的具有特定轮廓的支撑装置20、32获得脚底面的第二轮廓。然后根据改进第一轮廓的第二轮廓确定脚底面的合成3D轮廓。
利用3D轮廓捕获装置和具有特定轮廓的支撑装置20、32获得的改进的支撑特征，合成的3D捕获的轮廓和/或代表它们的数据可以用于指导自动加工系统来生产定制的脚矫正器、鞋等。
在一个方面，例如在转让给本专利申请的受让人的美国专利NO.4,454,618中所披露的那些各种制造技术可以用于和可以适合于此处内容的教导。美国专利NO.4,454,618的3D轮廓制造过程利用了图10和11所示的3D痕量跟踪机械50(tracerouting machine)，以获取脚底侧的3D轮廓。痕量跟踪机械50利用具有锁定机构的量针组件。作为在本情形中利用量针数字转换器5将量针55的相对位置数字化的一种代替，痕量跟踪机械50利用量针55作为图案或者模板。在一块材料60(也就是坯料)中复制该图案或者模板，以制造例如脚的矫正器。
在一个方面，具有特定轮廓的支撑装置是柔软的材料，它可以通过辅助的支撑装置65在量针之上被进一步的支撑，如图9所示。辅助的支撑装置65可以选择性的使周，例如在具有特定轮廓的支撑装置20的一定区域中需要额外的支撑的情况下，其超过了单独由具有特定轮廓的支撑装置所能提供的支撑。辅助的支撑装置65可以具有多个实施方案。例如螺旋弹簧(未显示)、适当尺寸或者穿孔的泡沫块、片簧和其他具有类似弹簧特征的装置可以放置在具有特定轮廓的支撑装置20、32之下以选择性的增强由其提供的支撑。
结合使用辅助支撑装置65和具有特定轮廓的支撑装置20的优点在于在所得到的轮廓捕获中避免捕获具有扁平的点或区域的轮廓。以这种方式，为了提供高度定制和个人的矫正器，具有特定轮廓的支撑装置可以进一步设计成适用于特定应用和环境，以避免在所得到的脚的轮廓中捕获具有扁平的点或者区域的轮廓。辅助支撑装置65可以由多块塑料材料构成，并可选择地放置在具有特定轮廓的支撑装置20的所需位置处，尤其是在脚后跟的区域中。
在本发明的一个方面，具有特定轮廓的支撑装置被构成为对脚的脚后跟区域提供支撑。参考图12，用于支撑脚后跟的具有特定轮廓的支撑装置(称为具有特定轮廓的脚后跟支撑装置70)定位在轮廓捕获装置5上的处于和脚后跟碰撞区域(strike area)相一致的位置处。如图所示，具有特定轮廓的脚后跟支撑装置70置于与脚后跟定位装置75非常接近的位置处。
具有特定轮廓的脚后跟支撑装置70优选地具有弹性的中部。该弹性中部可以是凹陷的。具有特定轮廓的脚后跟支撑装置70的周边侧优选地沿着脚后跟的侧面和内侧提供比脚后跟的中间区域更大的支撑。用于沿着其侧面和内侧对脚后跟提供更大的支撑的一种方法是通过提供侧面比具有特定轮廓的脚后跟支撑装置70的中部更厚的具有特定轮廓的脚后跟支撑装置70，如图12所示。其他的沿着侧面和内侧对脚后跟提供支撑的方法包括在具有特定轮廓的脚后跟支撑装置70的周边侧提供支撑块和/或其他支撑结构(未示出)，以防止或者至少限制具有特定轮廓的脚后跟支撑装置70在脚的轮廓捕获过程中在脚的侧面和内侧处完全变平。优选的，具有特定轮廓的脚后跟支撑装置70在该具有特定轮廓的脚后跟支撑装置70的中部下面处于最低点，并随着具有特定轮廓的脚后跟支撑装置70将脚后跟成圆角至其内侧和侧面，升高至较高的高度。具有特定轮廓的脚后跟支撑装置沿着其内侧和侧面被可选择的升高或者支撑至更高的程度，用于沿着脚的内侧和侧面为脚提供更大的支撑。
在本发明的一个方面，将轮廓捕获装置5所捕获的3D轮廓数字化。捕获轮廓的数字化表达可以被保存至存储位置、在显示屏上显示以用于观看、提供给打印机进行打印以及进一步的处理。
在一个方面，根据本发明的方法，不使用具有特定轮廓的支撑装置而首先捕获的3D轮廓的数字化表达可以被存储至存储器，具有特定轮廓的支撑装置(例如20，32，70)被放置在被捕获的目标(例如脚)的表面和轮廓捕获装置5之间，在具有特定轮廓的支撑装置定位于目标和轮廓捕获装置5之间的情况下对目标表面的3D轮廓进行捕获、并进行数字化和存储在存储器中。首先捕获的和第二次捕获的3D轮廓可以在同一个显示器上用例如分屏、分“窗口”、彼此叠加等方式显示，以比较第一次和第二此捕获的3D轮廓。
此处也考虑对象目标例如脚的压痕可以包括对象目标的完整压痕或者其一部分的压痕(例如脚压痕的部分长度的压痕)。
所附的权利要求补充和进一步披露了本发明的教导。应当根据本申请的范围、目的和说明来考虑本申请的全部内容。

Claims (20)

1.一种三维即3D捕获系统，其包括：
3D轮廓捕获装置，用于捕获目标的表面轮廓；
具有特定轮廓的支撑装置，用于放置在所述表面和为所述表面的至少一部分提供附加支撑的所述3D轮廓捕获装置之间，其中，根据设置在所述表面和所述3D轮廓捕获装置之间的所述具有特定轮廓的支撑装置捕获的第二轮廓，来改善由所述3D轮廓捕获装置捕获的第一轮廓，以提供合成的3D轮廓。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述3D轮廓捕获装置选自由量针数字转换器、光学数字转换器以及机械式痕量复制器组成的组。
3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述具有特定轮廓的支撑装置包括用于和所述目标的所述表面相接触的凸出表面。
4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述具有特定轮廓的支撑装置具有用于支撑所述目标的所述表面的弹性表面。
5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述具有特定轮廓的支撑装置与所述3D轮廓捕获装置相匹配地接合。
6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述具有特定轮廓的支撑装置便于所述第二轮廓捕获的获取。
7.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述具有特定轮廓的支撑装置支撑放置在其上的所述表面，所述表面被施加预定的已知范围的作用力，以使所述具有特定轮廓的支撑装置在一个第一支撑位置偏转。
8.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述具有特定轮廓的支撑装置支撑放置在其上的所述表面，所述表面被施加大于所述预定的已知范围的作用力的作用力，以使所述具有特定轮廓的支撑装置在一个第二支撑位置偏转。
9.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述具有特定轮廓的支撑装置可以改变尺寸，以适合具有多个表面尺寸的多个目标。
10.如权利要求1所述的系统，还包括辅助支撑装置，用于在由所述具有特定轮廓的支撑装置提供的附加支撑之外再提供支撑。
11.一种用于捕获三维即3D轮廓的方法，其包括：
将目标放置在3D轮廓捕获装置上；
获取所述目标表面的第一轮廓；
将具有特定轮廓的支撑装置放置在所述表面和所述3D轮廓捕获装置之间；
在所述具有特定轮廓的支撑装置上支撑至少部分所述表面，所述具有特定轮廓的支撑装置对所述至少部分所述表面提供附加的支撑；
利用放置在所述表面和所述3D轮廓捕获装置之间的所述具有特定轮廓的支撑装置来获取所述目标的所述表面的第二轮廓；以及
基于用于改进所述第一轮廓的所述第二轮廓来提供所述表面的合成3D轮廓。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述3D轮廓捕获装置选自由量针数字转换器、光学数字转换器以及机械式痕量复制器组成的组。
13.如权利要求11所述的方法，还包括利用机械装置、存储器装置或者其结合将所述第一轮廓保存起来，以用于改进。
14.如权利要求11所述的方法，还包括选择具有所需形状、尺寸和弹性的所述具有特定轮廓的支撑装置。
15.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述具有特定轮廓的支撑装置包括用于和所述目标的所述表面相接触的凸出表面。
16.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述具有特定轮廓的支撑装置具有用于支撑所述目标的所述表面的弹性表面。
17.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述具有特定轮廓的支撑装置支撑放置在其上的所述表面，所述表面被施加预定的已知范围的作用力，以使所述具有特定轮廓的支撑装置在一个第一支撑位置偏转。
18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述具有特定轮廓的支撑装置支撑放置在其上的所述表面，所述表面被施加大于所述预定的已知范围的作用力的作用力，以使所述具有特定轮廓的支撑装置在一个第二支撑位置偏转。
19.如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述第一轮廓、所述第二轮廓、所述合成3D轮廓被保存至存储装置，所述存储装置选自由机械的、机电的和电子的存储装置组成的组。
20.如权利要求11所述的方法，还包括将辅助支撑装置设置在所述具有特定轮廓的支撑装置和所述3D轮廓捕获装置之间，所述辅助支撑装置用于在所述具有特定轮廓的支撑装置提供的附加支撑之外提供支撑。
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