CN102159135A - 用于获得脚底图像并对所获得鞋垫双面加工的方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种使用具有用于固定和收紧弹性膜片的机构的装置来获得脚底图像，并对获得的鞋垫双面加工的方法，所述装置采用两个可调横向杆的形式，被放置在一个扫描仪或多个摄像机和一个抗反射透镜之上，其中膜片被放置在所述横向杆之间并且使用T形杆固定；使用把手来调整膜片的压力；脚部放置在膜片上；拍摄图像；根据以STL格式提供的表面图像，借助于能够使镜片被旋转到180度的固定装置对鞋垫进行双面加工。所使用的装置包括多个具有两个可调横向杆的支撑杆，其中利用T形杆和把手，弹性膜片被调整和收紧。

Description

用于获得脚底图像并对所获得鞋垫双面加工的方法和装置

使用用于固定和收紧弹性膜片的装置来获得脚底图像，并对所获得鞋垫进行双面加工的方法和装置。

发明目的

本发明描述了使用用于固定和收紧弹性膜片的装置来获得脚底图像，并对所得鞋垫进行双面加工的方法和装置。可以在整个脚底的范围内平均分配压力的合适工具已经得到发展，其可以当脚底放置在扫描仪的玻璃上时，防止脚跟区域和跖骨区域过度的变形(变平)。

背景技术

当脚放置在扫描仪的玻璃上时，脚跟区域和跖骨区域会变形(变平)，这会导致产生不适于制造鞋垫或矫形器(orthoses)的扫描图像，该鞋垫或矫形器可以完美地与整个脚底相适应以便在行走期间分散负载。

为了解决这一问题，设计了一种装备，可以在整个脚底的范围内平均地分配压力，类似于在沙子上行走。为了这一目的，弹性网格悬挂在两个高宽可调的杆上，从而通过使用把手可以增加或减少压力。该系统允许改变橡胶的压力，因为其包括两个滚轮，可以通过它们的转动增加或减少膜片的压力，从而使其适应患者的重量。此外，利用由扫描仪拍摄的脚部图像和膜片，可以根据拍摄的图像使用车床和开发的软件来实现自动双面加工，从而可以获得带有或不带有用于透气的通孔的鞋垫。

该系统能够利用用于获得图像的多个摄像机，使该系统可用于从任何的身体部分，包括全身获得图像，以用于开发假体。

目前，对于用于获得脚底图像的系统，使用前面提到的弹性网孔，市场上的扫描仪都不能提供这里所描述的功能。双面加工鞋垫确实存在，但都是手工的，几乎是手工艺的方法。

影象测量设备通常在其中构造有构成了三角测量探头本身的具有激光发生器的摄像机。激光发生器在其端部固定有镜片，可以在形成平面几何形状的光束范围内转换激光点束，并且激光点束具有预选的固定张角，用于覆盖物体宽度。由平面投射到片或待测目标上的激光产生了从那里反射的亮纹条，其将被摄像机所拍摄，期望的是其仅呈现采集位置处的上述光源，以免在测量处获得激光平面之外的虚点。另外，在这种类型的配置中，探头和待测量的目标之间存在相对运动。通过使用在运动期间测量的目标，可以获得允许立体重构与激光平面的连续剪切相对应的拍摄线条的所有点的同步位置和图像序列。

作为测量的在前阶段，需要使用具有已知几何形状的目标图案，完成用于调整摄像机激光探针并且描述其相应的运动轴的步骤。这些系统被称作扫描激光三角测量系统，并且通常用于数字化脚底数据。摄像机光轴和激光平面之间的固定的以及相对的配置，以及在扫描期间它们相对表面的相对位置，可以获得摄像机所拍摄的线条的细长度的增加或减少，这导致了设备精度的损失，或者由于没有获得某些点而造成的一定区域的几何信息损失。运动控制及其与摄像机的同步性同样会有关联错误。

此外，在这些设备中单个摄像机的加入会产生问题，该问题是在对具有不同程度的明显凹凸的自由表面，如人类的脚底，进行扫描期间产生隐藏线。为了避免这一问题，一种变型方案是包括将激光垂直于两个摄像机的表面的布置，从而使该线路总是出现在两个图像的一个图像中。但是这些设备也会引起许多问题：

-集成易受磨损、不准确的电源以及可靠性问题的机械构件。相对精度定位器(滚珠螺钉或具有标尺或线性编码器的皮带传动装置)显著地增加了设备的价格。

-激光二极管被用作光发生器和校正测量元件，其存在使用年限的问题，并且需要维护人员至少在其使用年限的末期进行调节和再校正。

-为了获得图像和位置序列，患者必须长时间的将脚部保持尽可能的静止状态。任何轻微的运动都可能形成不被注意的几何形状误差。

-摄像机和激光沿着脚部纵轴的对准配置并没有提供最佳的透视以将其侧边数字化到某一高度，因为脚部侧面某些区域内的陡峭曲线(sharpcurve)。

发明内容

脚底扫描仪是3D扫描仪，一般地具有非接触式激光束，尽管如此该系统可以被改进，使用多个摄像机和抗反射晶体来代替扫描仪(例2)，为了获得脚底表面的多边形网格而特别设计。当脚被放置在扫描仪的玻璃之上时，脚在脚跟区域和前方区域(跖骨区域)会明显的变形(变平)。

在这种情况下，用于对脚底表面进行扫描的方法可以获得脚底支撑或鞋垫，允许整个脚面接触鞋垫，保持鞋垫和与足弓相应区域内的底部之间的空隙。鞋垫材料是特定的并且其厚度根据患者重量和动作进行选择，以便其能够保持足够的弹性以便将脚放在期望的位置，但是根据需要，其也应当具有一定程度的柔韧性以便足弓可以伸展，以便继续起到身体减震装置的作用。所述鞋垫可以作为放入患者鞋或运动鞋内的独立的治疗工具。

类似地，其同样可被嵌入鞋底本身，以免占用脚部间隔并且保持在鞋垫的足弓区域和底部之间的空隙。在这种情况下，其不是可拆卸的鞋垫，然而其将形成为鞋本身的有效且不可分的一部分。

重要的是，为了使鞋垫可以作为有效的治疗工具，鞋垫表面必须精确地与对象的脚底表面相一致，脚部被放置在正确的位置，同样控制踝部，膝部和臀部的位置。对于承载的患者可以获得这样的效果，那就是说，人站立并且双脚自然地支撑他/她的重量，医师调整脚部和踝部的位置以便获得需要的校正。

使用这种方法，其必须最有可能提供一种具有预定的治疗效果的鞋垫，存在这样的缺点，即脚部表面在下方放置扫描仪的晶体上变平，特别是脚跟区域和跖骨区域。随后，足弓的软组织没有被采集到，从而使最终的鞋垫并未完全准确的采集到脚部。在这种情况下扫描方法的结果是，几乎是具有很少缓解功能的起伏很少的平面多边形的网格，即其并没有反映脚部被加载的对象的实际足弓，且特别地在提到的足弓中，其必须是精确的，因为它最能影响获得对象脚部预定的校正。

在这里本发明提供一种通用的解决方法，用以放置在任意脚底扫描仪之上，并且包括用于固定弹性膜片的装置以便在扫描期间使脚部表面保持平滑，并且留出所需的间隔以使医师能够正确地放置患者的脚部和踝部，同时，一旦图像已经被处理，通过使用附加的固定和定位装置可以实现鞋垫的自动双面加工，而对鞋垫的加工到目前为止只有手工地并且几乎是手工艺的制造。

在一方面，本发明同样能够生产脚底矫形器(orthoses)，其具有比现有工艺水平所使用的方法获得的更高水平的功能精度。它在治疗脚底与压力产生有关的病理学，例如脚底筋膜炎，脚跟刺痛(heel spurs)，跟腱和腓肌过载等等的治疗结果上实现了明显的改善。

在另一方面，其同样使用具有网状或构造标记的求积法(stereometry)原理，需要在第一情况下使用特定的核面几何(epipolar geometry)技术。通过利用这一技术，在当前问题的范围内需要特定而高效的治疗算法的发展和实施，从而能够改善目前状态下的现有技术。冗余技术(redundancy techniques)将被用于提高测量精度。

本发明的另一个优点是不使用用于移动衍射激光网络和投影仪的机械构件，借此减少设备复杂性和测量期间的误差源。通过使摄像机成为这些设备中便宜的元件以及除去最贵的光学元件，就可以增加它们的数目而不会显著地增加最终成本，提供了冗余(redundancies)以及更高的有效分辩率。

此外，显著地增加了可靠性；降低了与维护和生产有关的成本，并且增加了它们的产量和收益率。同时，实现了更低的采集时间，其能够提供目前并未提供特征的接近实时的视频测定，以及可以被用于将来其他的测量需要。

为了使弹性膜片完美地与患者脚部的典型表面相适合，考虑到其必须支撑患者站立的重量，必须利用装置在扫描期间稳固地固定该膜片。

预定的装置具有两个用于固定膜片的横向杆，其距离地面的高度以及它们之间的距离都是可调的。随后，通过使用两个滚轮，它们同样可以绕本身旋转以用于调整膜片应力。高度调节能够使其适合于不同的扫描仪，杆之间的自由距离的变化对于在其间预留合适的用于定位脚部的空间是必要的，同时能够使医生可以插入他/她的手以将双脚定位在膜片之上和之下。另外，其必须能够使得该医生根据他/她的需要进行调整。

一旦横向杆的高度以及它们之间的距离已经按照医生的意思被调整，它们将被固定以随后供扫描仪使用，因为它们除非特殊情况外不需要逐个人都进行变化。然而，需要具有用于收紧膜片并且调整压力以适应每个目标的特征，重量以及他/她脚部的人体测量尺寸的机构。不同于上面所述，这一调节必须可以方便且快速的操作，因为膜片应力在每种情况下都必须被调整。

使用天然橡胶和硅酮来作为膜片材料可以提供令人满意的效果，然而可以使用具有类似的机械性能的任意材料。除了必要的弹性和阻力特征之外，重要的是膜片材料不具有暗色，因为对大多数扫描仪而言其将是可见的。因此推荐浅色，优选为白色，甚至同样能够采集脚部的天然色的半透明的颜色。

在使用弹性膜片扫描脚部之后获得的图像中，可以得到定制鞋垫的几何形状。所获得的鞋垫是双面加工的。这种类型鞋垫在市场上已经出现，但都是手工的方法，几乎是手工艺的方法制造。在这种情况下，利用由扫描仪和膜片拍摄的脚部图像，使用用于固定和旋转的装置和开发的软件来根据所拍摄的图像实现自动双面加工，从而获得可以带有或不带有能够排汗的通孔的鞋垫。

在本发明中，在柔性膜片和暴露以便观察的一侧之上，即通过膜片的底部，可以永久地具有线或其他几何元素。这些线或其他几何元素被标记为通常用于工业摄影测量的“目标”，其中在待测量的表面上放置有粘接剂点或标记。所述标记可以通过使用例如印刷技术(利用柔性并且粘附的油墨的丝网印刷，专门用于橡胶或其他)或能量激光标记技术、及其它已知技术来完成。

另外，该系统可能改变用于获得脚底图像的装置，例如扫描仪，而只具有与显示相关的元件，如多个摄像机，以及它们相应的光学装置和低价的常规商业照明，这些被集成在壳体或箱子中，所述壳体或箱子的几何形状被设计成能实现对到达包围患者脚底的膜片的光线状态的合适控制，并且所述光线会返回到摄像机。壳体中的这些照明元件装置可以防止直射光传播至目标并且在摄像机中实现了清晰而且均匀地光图像的形成，根据脚部几何形状而变形的“目标”的亮度和均匀分布，防止不需要的光线反射和倾斜。

因此，设备实现了对整个脚底几何形状的测量，通过使用不具有结构光(几何学顺序)的摄影测量学调整了膜片应力，快速并且从医学观点的视角上有利的状态，由于前面提到的，在现有扫描仪的情况下，无论是当脚站在晶体上并对其施加压力时，还是脚在空中或没有支撑在任何表面而完全离开时没有测量到脚部的几何形状。

附图说明

为了使说明书变得完整并且为了有助于更透彻地理解本发明的特征，根据本发明实施方式的两个实例，附加一组附图作为说明书的组成部分，其中是以示意性的而非限定的方式，下面所表示的是：

图1所示的是本发明装置的透视图，不具有可移动的横向杆。

图2所示的是该装置的透视图形，其中一个横向杆是可移动的，其包括铆钉用于防止不必要的运动。

图3所示的是本发明装置的视图，其中代替激光的是具有防护晶体(14)，在其下面的是多个摄像机(10，11，12，13)，用于拍摄已经放置的图像。

图4所示的是本发明膜片(2)的底部视图，其中示出了中心区域的线路(21)的可能配置、以及比其余所示线路更粗的线路(22)。区域(23，23′)是用于固定横向杆(3，4)，以在拍摄图像时将膜片收紧并且固定。

具体实施方式

在随后的两个例子中，描述了本发明的两个优选实施例，其中的一个例子不构成对另一个的限制。

例1

本实例包括使用具有用于固定和收紧弹性膜片的机构的装置来获得脚底图像，并对获得的鞋垫双面加工的方法，包括以下步骤：

(a)将用于固定和收紧的机构放置在扫描仪之上，所述机构采用两个可调横向杆的形式，

(b)在高度和两个可调横向杆之间的距离上调整所述横向杆，

(c)将膜片放置在固定机构上；

(d)使用附着于横向杆上的T形(T-flat)杆将膜片固定；

(e)使用位于一个横向杆的侧面上的把手调整膜片应力；

(f)将脚放置在膜片上并且拍摄图像；

(g)根据表面的图像借助于用于固定和旋转机器中心的棱镜片的装置对鞋垫进行双面加工，所述图像以STL的格式提供。

为了改变膜片应力，需要将脚从装置移开，然而滚轮可在患者位于其上时被收紧。

用于完成获得脚底图像的方法的装置包括，由多个支撑杆(7)形成的结构，从一边到另一边穿过扫描仪(1)的两个横向杆(3-3′)被放置在该结构上，由于延伸的支撑杆(7)，这些横向杆在高度上和二者的相间距离上都是可调的。弹性膜片(2)位于横向杆(3-3′)上，被设置在横向杆(3-3′)中的T形杆(6)所调节，而且被把手(5)收紧。

横向杆(3-3′)可被配置成可旋转，例如在另一个优选实施例中，至少一个所述横向杆是圆形的，从而可以使用把手(5)进行旋转。这些杆在图2中使用数字(4)表示。

因此，为了在扫描期间避免不必要的旋转，横向杆(4)在其一个端部具有棘轮机构(8)。

该方法中使用的膜片(2)可以用具有与天然橡胶和硅酮类似的弹性和强度特征的任意材料制成，并且是任意浅色以使扫描仪能够检验脚部。

一旦获得脚底图像，采用界面模型STL进行加工，使用用于固定和旋转棱镜片的系统使所述片被旋转到180°的角度，为了这一目的需要遵循以下步骤：

-获得鞋垫轮廓；方法极为重要，因为用于计算加工轨迹和用于去除其中加工的鞋垫预型件的最后剪切的进一步展开都立基于其上；

-获得加工轨迹；

-将轨迹点投影在表面上；获得的用于2D轨迹的点被投影在3D表面之上，用于获得表面上点的坐标；

-计算端部轨迹；最大允许顶点高度和铣刀的直径将确定节点(pitch)之间的间隔和最小节点数，因此，顶点越低完成得越好，节点越多加工时间越长；

-钻通气孔；在鞋垫的特定区域(脚背或离地面更远)，标记了一个区域并且在该区域中钻一些通孔；

-剪切鞋垫，利用工具按照轮廓完成，其中工具中心与所述轮廓保持的距离等于其半径。

例2

本实例改进了用于获得图像的系统，该改进改变了用于获得图像的装置，主要是在扫描仪(1)中，从而使多个获得实时图像的摄像机(10，11，12，13)替代扫描仪(1)；优选地，该设计增加了抗反射和防护晶体(14)。大体上，该方法是动态的，因为通过收紧膜片(2)，可以观察到图像是怎样演进(evolve)的。

摄像机(10，11，12，13)的配置可以开启整个测量区，识别临界的不稳定性(critical imbalance)。在这种情况下，如图3所示，优选地设置有四个摄像机，然而所述数字可以变化。

对第一实例所提出的其他改进用于影响膜片(2)。本方法中使用的膜片(2)可以用弹性和强度特征与天然橡胶，硅酮，乳胶或织物类似的任意材料制成，并且其同样可以是任意颜色而不用必须是浅色。其弹性允许其与等待测量的几何形状相适应，并且由于其用线条或其他类型几何元素的标记，允许摄像机(10，11，12，13)进行显示。膜片(2)的新颖设计在于其底部的配置，其中带有标记或任意其他类型几何元素的线(21)被提供在任意方向上，作为“目标”，其可以进一步具有不同粗度的一条或几条线(22)，这些线被程度不同地标记，以完成有效的脚部测量。区域(23，23′)是用于固定横向杆(3，4)，以将膜片(2)收紧并且固定。

膜片绘图中线(21)的方向可以被计算，以使用于识别拍摄图像线条之内的相应点的方法可以最大限度地减少带有核线(epipolar line)的线条的立体交叉。这在进行三角测量之前简化了线路以内相关计算算法，然而并非是绝对必需的，因为该问题同样可以使用减慢了测量的更复杂算法得到解决。

如前所述，可选择地，设置在膜片中的任意线路可具有更大或更小的粗度，以简化线条之间的相关计算。这是图4中所观察到的线(22)的情况。

重要地是，应当提及的是该装置能够使该方法以动态的方式进行，从而通过收紧膜片(2)图像是怎样演进的可以被实时的观察到。

一旦获得脚底图像，采用界面模型STL进行加工，使用用于固定和旋转棱镜片的系统能够使所述片被旋转到180°，该方法已在例1中描述。

Claims (14)

1.一种使用具有用于固定和收紧弹性膜片的机构的装置获得脚底图像，并且对获得的鞋垫双面加工的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(a)将用于固定和收紧的机构放置在扫描仪之上，所述机构采用两个可调横向杆的形式，

(b)在高度和两个可调横向杆之间的距离上调整所述横向杆，

(c)将膜片放置在固定机构上；

(d)使用连接在横向杆上的T形杆将膜片固定；

(e)使用位于一个横向杆的侧面上的把手调整膜片应力；

(f)将脚放置在膜片上并且拍摄图像；

(g)根据以STL格式提供的表面图像对鞋垫进行双面加工。

2.如权利要求1所述的使用具有用于固定和收紧弹性膜片的机构的装置获得脚底图像，并且对获得的鞋垫双面加工的方法，其特征在于，通过将脚从该装置移开能够改变膜片应力。

3.一种使用具有用于固定和收紧弹性膜片的机构来获得脚底图像的装置，其特征在于，包括：由多个支撑杆(7)形成的结构，从一边到另一边穿过扫描仪(1)的两个横向杆(3-3′)被放置在该结构上，由于延伸的支撑杆(7)这些横向杆在高度上和二者的相间距离上都是可调的，其中弹性膜片(2)位于横向杆(3-3′)上，其被设置在横向杆(3-3′)上的T形杆(6)所调节，并且可根据需要通过把手(5)旋转一个横向杆而被收紧。

4.如权利要求3所述的使用具有用于固定和收紧弹性膜片的机构来获得脚底图像的装置，其特征在于，扫描仪(1)中使用的弹性膜片(2)使用弹性和强度特性与天然橡胶，硅酮，乳胶或任意织物类似的任意材料制成，而且可以是任意的浅颜色。

5.如权利要求3所述的使用具有用于固定和收紧弹性膜片的机构来获得脚底图像的装置，其中，可以使用多个摄像机(10，11，12，13)和抗反射晶体(14)来代替扫描仪(1)，通过横向杆(3-3′)从一边交叉到另一边。

6.如权利要求3所述的使用具有用于固定和收紧弹性膜片的机构来获得脚底图像的装置，其特征在于，至少一个横向杆(4)能够旋转。

7.如权利要求3和5所述的使用具有用于固定和收紧弹性膜片的机构来获得脚底图像的装置，以及由此获得的鞋垫，其特征在于，为了防止不必要的旋转，能够旋转的横向杆(4)在其端部具有棘轮机构(8)。

8.如权利要求3和5所述的使用具有用于固定和收紧弹性膜片的机构来获得脚底图像的装置，其特征在于，当系统具有多个摄像机(10，11，12，13)和晶体(14)时，所使用弹性膜片(2)可由弹性和强度特性与天然橡胶，硅酮，乳胶或任意织物类似的任意材料制成，并且不考虑其颜色。

9.如权利要求8所述的使用具有用于固定和收紧弹性膜片的机构来获得脚底图像的装置，其特征在于，膜片(2)的底部的构造中，带有标记或任意其他类型几何元素的线(21)被提供在任意方向上，作为“目标”，其可以进一步具有粗度不同的一条或几条线(22)。

10.如权利要求9所述的使用具有用于固定和收紧弹性膜片的机构来获得脚底图像的装置，其特征在于，通过摄像机(10，11，12，13)显示的设置在膜片(2)底部的几何元素，是在计算方向上的一些线(21)以将带有核线的那些线条的最大立体交叉减小到最低。

11.如权利要求10所述的使用具有用于固定和收紧弹性膜片的机构来获得脚底图像的装置，其特征在于，膜片(2)具有粗度和其它线的粗度不同的至少一个线(22)，用于简化线条之间的相关计算，以便进行有效的脚部测量。

12.如权利要求1所述的使用具有用于固定和收紧弹性膜片的机构的装置获得脚底图像，并且对获得的鞋垫双面加工的方法，其特征在于，所述方法的加工步骤(g)以下操作阶段：

-获得鞋垫轮廓

-获得加工轨迹

-将轨迹点投影在表面上

-计算端部轨迹

-利用工具按照轮廓剪切鞋垫，其中工具中心与所述轮廓保持的距离等于其半径。

13.如权利要求12所述的使用具有用于固定和收紧弹性膜片的机构的装置来获得脚底图像，并对获得的鞋垫双面加工的方法，其特征在于，在轨迹计算之前以及在剪切鞋垫之后，在鞋垫的某一区域，例如脚背或更远离地面的区域制造通气孔。

14.如权利要求12所述的使用具有用于固定和收紧弹性膜片的机构的装置来获得脚底图像，并对获得的鞋垫双面加工的方法，其特征在于，鞋垫加工步骤(g)通过使用用于固定并且旋转棱镜片的系统可以自动地进行，所述系统能使所述棱镜片被旋转到180度。

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