CN116205090B - 一种裸足矫形器的设计方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及裸足矫形器设计技术领域，具体涉及一种裸足矫形器的设计方法，以及使用了该设计方法的裸足矫形器设计系统。本发明基于用户的下肢模型进行裸足矫形器的设计，分别得到针对用户的个性化骨架实体和衬垫模型，个性化程度高，保证使用效果；而且设计出的裸足矫形器包括外骨架和内衬，与下肢的贴合度好，舒适度也有保障。其中，用于制作的外骨架的骨架实体经过受力仿真验证，耐用性好；内衬为镂空式，透气性佳。

Description

一种裸足矫形器的设计方法和系统

技术领域

本发明涉及裸足矫形器设计技术领域，具体涉及一种裸足矫形器的设计方法，以及使用了该设计方法的裸足矫形器设计系统。

背景技术

踝足矫形器是一种康复型医疗器械，其使用者往往为脑卒中和多发性硬化症等疾病的患者。这些疾病往往会引发严重的下肢肌功能不全。其主要表现为足下垂与足内翻，这也导致了患者的异常步态与行走不良。踝足矫形器可以有效限制这两种情况，并改善患者的行走步态，起到治疗矫正的效果。

现有的裸足矫形器设计成品大多为通用的型号，类似于衣物的S、M、L、XL码等。公知的，用户的体型不同，使用这种裸足矫形器并不能保证与用户的贴合度，从而导致使用效果打折扣。而且传统针对裸足矫形器进行建模时，数据来源一般都是采用扫描仪对用户下肢进行扫描，这就需要专业的3D扫描仪、而且对于设备操作的要求也高。

发明内容

基于此，有必要针对现有裸足矫形器不能保证与用户的贴合度而导致使用效果打折扣的问题，提供了一种裸足矫形器的设计方法和系统。

本发明采用以下技术方案实现：

第一方面，本发明公开了一种裸足矫形器的设计方法，基于用户的下肢模型设计出匹配的踝足矫形器。所述踝足矫形器包括外骨架、衬垫。所述外骨架用于对用户裸足进行半包式的硬性支撑。所述衬垫置于外骨架与用户裸足之间，用于缓冲。

所述裸足矫形器的设计方法，包括以下步骤：

步骤一，获取所述下肢模型，将下肢模型分割出基部；其中，基部包括下肢模型的脚掌、脚后跟、脚踝、及腿肚；

步骤二，将基部背离脚面的一侧构建出基础曲面，并继续向背离脚面的一侧衍生出基础实体和衬垫占用部；基础实体包含衬垫占用部，再将基础实体去除衬垫占用部后得到骨架实体；

步骤三，对骨架实体进行受力仿真测试；若受力仿真测试通过，骨架实体即用于制作踝足矫形器的外骨架；否则，则返回步骤二，调整衍生参数，得到新的骨架实体；

步骤四，对基础曲面进行均匀网格化，并继续向背离脚面的一侧衍生出镂空的衬垫模型；衬垫占用部与衬垫模型的厚度相同；衬垫模型用于制作踝足矫形器的衬垫。

该种裸足矫形器的设计方法的实现根据本公开的实施例的方法或过程。

第二方面，本发明公开了一种裸足矫形器设计系统，其使用了第一方面公开的裸足矫形器的设计方法。

裸足矫形器设计系统包括：模型获取模块、模型分割模块、实体生成模块、骨架实体测试模块、衬垫模型生成模块。

模型获取模块用于获取下肢模型。模型分割模块用于将下肢模型分割出基部。实体生成模块用于将基部背离脚面的一侧构建出基础曲面，并继续向背离脚面的一侧衍生出基础实体和衬垫占用部，将基础实体去除衬垫占用部后得到骨架实体。骨架实体测试模块用于对骨架实体进行受力仿真测试。衬垫模型生成模块用于对基础曲面进行均匀网格化，并继续向背离脚面的一侧衍生出镂空的衬垫模型。

该种裸足矫形器设计系统的实现根据本公开的实施例的方法或过程。

第三方面，本发明公开了一种可读存储介质，可读存储介质中存储有计算机程序指令，计算机程序指令被一处理器读取并运行时，执行第一方面公开的裸足矫形器的设计方法。

与现有技术相比，本发明具备如下有益效果：

1，本发明基于用户的下肢模型进行裸足矫形器的设计，分别得到针对用户的个性化骨架实体和衬垫模型，个性化程度高，保证使用效果；而且设计出的裸足矫形器包括外骨架和内衬，与下肢的贴合度好，舒适度也有保障。其中，用于制作的外骨架的骨架实体经过受力仿真验证，耐用性好；内衬为镂空式，透气性佳。

2，本发明使用的下肢模型基于对裸足多角度拍摄照片进行构建，对器材的要求低，适合在缺少专业器械和人员的情况下使用，可以在一定程度上替换传统的使用扫描仪进行扫描得到模型的方法。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例1提出的裸足矫形器的设计方法的流程图；

图2为本发明实施例1采用摄影测量法所采集的部分角度的裸足照片；

图3为本发明实施例1采用摄影测量法得到的密集点云数据图；

图4为本发明实施例1采用摄影测量法得到下肢模型图；

图5为本发明实施例1中对下肢模型置于三维坐标系中的示意图；

图6为本发明实施例1中构建自定义切割区域的示意图；

图7为本发明实施例1中将下肢模型分割出基部的示意图；

图8为本发明实施例1中将基部背离脚面的一侧构建出基础曲面的示意图；

图9为本发明实施例1中对基础曲面进行均匀网格化的示意图；

图10为本发明实施例1中对蜂窝状网格的构造线进行拓宽的示意图；

图11为本发明实施例1中得到的衬垫模型结构图；

图12为本发明实施例1中基于骨架实体打印出的外骨架实物图；

图13为本发明实施例1中基于衬垫模型打印出的镂空衬垫实物图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，当组件被称为“安装于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“固定于”另一个组件，它可以是直接固定在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“或/及”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

实施例1

本实施例1旨在提供一种裸足矫形器的设计方法，其基于用户的下肢模型设计出匹配的踝足矫形器。基于该设计方法所设计出的踝足矫形器，包括外骨架、镂空衬垫。外骨架用于对用户裸足进行半包式的硬性支撑。镂空衬垫置于外骨架与用户裸足之间，用于缓冲。

请参看图1，图1为实施例1提出的裸足矫形器的设计方法的流程图，包括以下步骤：

步骤一，获取下肢模型，将下肢模型分割出基部。

首先，本步骤要获取用户的下肢模型，从而进行个性化设计。本步骤所采用的下肢模型可以是采用扫描仪对用户下肢进行扫描得到的。若缺少扫描仪等原因不能进行扫描，下肢模型也可以采用摄影测量法构建，简单来说，就是基于目标对象的一系列图片生成目标对象的三维CAD模型，其原理是通过获取摄像机机位的位置，将图片中的点数据提取出来，构建成点云模型。

具体的，摄影测量法包括：

S1，从不同角度对用户裸足进行拍摄，得到多角度的裸足照片。其中，用户裸足在拍摄过程中要保持静止，可以让用户坐在桌子上并将腿部悬空，从而使裸足始终保持在同一位置。当然，照片要尽可能包含足够多用户裸足本身的特征信息，而且，拍摄时要确保一定的清晰度、均匀照明。其中，拍摄的背景最好为单色，或者保证与物体本身存在鲜明的对比，方便后续进行对象区分。

理论上，用户裸足的任一点应该出现在至少三张照片中。处于构建的需要，多角度的裸足照片的数量要达到100张以上。本实施例1拍摄了120张，图2展示了部分角度下的用户裸足照片（实际上为彩色照片，做了灰度处理）。

S2，基于多角度的裸足照片进行照片对齐，并得到初始点云数据。本实施例1采用了Agisoft PhotoScan Pro™ 软件进行处理，软件加载拍摄的裸足照片，通过比对不同照片之间的约束点来评估摄像头的位置，进而获得摄像头位置，并得到基本形状的初始点云数据。

当然，约束点可以后续在软件中手动选定进行处理，但是这样易出现约束点不统一的情况。因此，建议在S1中，预先对用户裸足进行点标记，这样拍摄的照片就会带有标记点，将这些标记点作为进行照片对齐的约束点，可以保证精度。

而且，若直接对裸足照片进行对齐，数据处理量较大；因此建议在进行照片对齐之前，先对裸足照片进行预处理：先删除剔除对焦模糊、光线差的裸足照片；再将剩余的裸足照片的蒙版图，并将蒙版图作为照片对齐的作用对象。前者是剔除掉质量差的裸足照片，后者是为了读出目标对象的准确位置，避免产生其余不必要的点云数据。本实施例1中，蒙版图可采用Photoshop软件进行制作。

S3，删除初始点云数据中具有高重建不确定性的点，删除初始点云数据中不需要的稀疏点。

本步骤就是对初始点云数据进行优化：前者可以采用Agisoft PhotoScan Pro软件自带的选择工具，删除掉所有具有高重建不确定性的点。后者采用Agisoft PhotoScanPro软件的套索工具或者分析工具删除掉不需要的稀疏点。

S4，创建密集点云数据，删除密集点云数据中不需要的密集点。

本步骤是为了构建出高质量的模型。其中，初始点云数据在经过S3处理后，创建出密集点云数据。但是若点云过于密集，会存在冗余的点，因此要删除不需要的密集点。

S5，构建并导出网格文件，并基于网格文件构建出下肢模型。

本步骤采用经过S4处理后的密集点云数据构建出网格。本实施例1中可以使用Agisoft PhotoScan Pro软件快速完成这一步骤，构建出如图3所示的点云图；之后以网格文件的形式导出，一般的，可以采用STL文件，或其他通用性的网格文件格式；然后将网格文件导入三维建模软件，例如SolidWorks等CAM软件，进行曲线向导生出横截面，从而构成如图4所示的实体，即作为下肢模型。

此外，处于处理负载、建模精度的平衡度考虑，还可以对下肢模型进行减量处理，降低点云数量至点云阈值。本实施例1选用Meshmixer软件来快速对下肢模型进行切割并降低网格点数，使点云数量下降到2万左右，已能满足建模所需要的精度。

在获取到用户的下肢模型后，就要将下肢模型分割出基部。基部实际上就是踝足与踝足矫形器的直接接触部分，即：基部包括下肢模型的脚掌、脚后跟、脚踝、及腿肚。

具体的，将下肢模型分割出基部的方法包括：

首先，将下肢模型与三维坐标系对齐。其中，令下肢模型的脚底所处平面为x轴、y轴所在的XY面。令下肢模型的脚后跟到脚尖的方向为y轴。令XY面上垂直于y轴的方向为x轴。令垂直于x轴、y轴的方向为z轴，并使下肢模型的小腿与z轴平行。这样，下肢模型即处于x轴、y轴、z轴所组成的三维坐标系中，如图5所示。

然后，在y轴、z轴所在的YZ面上构建自定义切割区域，并将自定义切割区域沿着x轴移动，将基部从下肢模型分割下来。

如图6所示，自定义切割区域是由多根边界线围成的区域。其中，自定义切割区域的边界线包括：横向切割线一、纵向切割线二、横向切割线三、曲线切割线四。

横向切割线一与y轴平行、并对应于腿肚位置设置。纵向切割线二对应位于腿肚背离脚面的一侧。横向切割线三对应位于脚掌背离脚面的一侧。曲线切割线四对应从腿肚边缘经过脚踝并延伸到脚面和脚掌中间。这样，如图7所示，自定义切割区域在沿x轴经过下肢模型时，就会将基部从下肢模型分割下来。

步骤二，将基部背离脚面的一侧构建出基础曲面，并继续向背离脚面的一侧衍生出基础实体和衬垫占用部；其中，基础实体包含衬垫占用部，将基础实体去除衬垫占用部后得到骨架实体。

在将基部分割下来后，基部本身也构成了一个实体，接下来就是要将基部背离脚面的一面作为基础曲面。首先就是要确定基部背离脚面的一侧的边界线，进而形成基础曲面，如图7所示。在得到基础曲面后，再基于该基础曲面继续面向背离脚面的一侧衍生出厚度为L1的基础实体、厚度为L2的衬垫占用部，L1＞L2。这样，衬垫占用部就包含在基础实体内，再将基础实体去除衬垫占用部后就可以得到骨架实体。一般的，L1选择60~80mm，L2选择25~40mm。本实施例中，L1取60mm，L2取30mm。

步骤三，对骨架实体进行受力仿真测试。

由于骨架实体后续是用于制作踝足矫形器的外骨架，并对用户裸足进行半包式的硬性支撑，也可以将骨架实体等同于踝足矫形器的外骨架。一般的，骨架实体包括用于半包脚部的骨架部一、用于半包腿肚的骨架部二。

若骨架实体的受力不过关，基于其加工出的踝足矫形器的外骨架也会不过关。因此，要先对骨架实体进行受力仿真测试。若受力仿真测试通过，骨架实体即用于制作踝足矫形器的骨架。否则，则返回步骤二，调整衍生参数，得到新的骨架实体。

其中，受力仿真测试包括：

先选定骨架实体的材料，此处与实际加工外骨架所采用材料一致，一般选用硬质材料。

然后，对骨架部一进行承重测试，对骨架部一、骨架部二的连接处进行弯折测试。

具体的，对骨架部一加载承重，并逐渐将承重值上调，并考察骨架部一是否发生断裂；对骨架部一、骨架部二加载弯折力，并逐渐将弯折力值上调，并考察骨架部一、骨架部二的连接处是否发生断裂。

若骨架部一发生断裂的承重值大于预设阈值一、且使骨架部一、骨架部二的连接处发生断裂的弯折力值大于预设阈值二，则测试通过。否则，就是测试未通过，需要返回步骤二，重新取值L1、L2，生出新的骨架实体，再进行受力仿真测试，直至受力仿真测试通过。

当然，处于结构设计优化，也可以在进行受力仿真测试前，对骨架实体进行修剪，例如将腿肚部分进行镂空处理。

步骤四，对基础曲面进行均匀网格化，并继续向背离脚面的一侧衍生出镂空的衬垫模型；衬垫模型用于制作踝足矫形器的衬垫。

衬垫是为了缓冲外骨架与用户裸足之间的作用。一般的，衬垫选择柔性材料，保证其具有一定的柔软性、延展性。而衬垫设计成镂空，可保证衬垫的透气性，避免外骨架与用户裸足过于闷热而导致用户皮肤出现问题。衬垫模型的厚度等于或略大于衬垫占用部的厚度，从而保证衬垫模型与骨架实体、用户踝足的贴合度。

步骤四具体包括：

1，先将基础曲面生成蜂窝状网格。如图9所示，蜂窝状网格分布应当是均匀的、格点大小应当是相同的，保证衬垫均匀透气。

2，拓宽蜂窝状网格的构造线，修改蜂窝状网格的格点大小，得到最佳的镂空处理网格。

镂空处理网格的大小与蜂窝状网格的格点大小是一致的。将镂空衬垫等同于衬垫模型，若衬垫模型的孔径偏小，镂空衬垫透气性并不能得到保证；若衬垫模型的孔径偏大，镂空衬垫的缓冲性能就会降低。因此需要调整合适的蜂窝状网格的格点大小。

如图10所示，蜂窝状网格的构造线越宽，蜂窝状网格的格点就相对越小。即可以通过控制蜂窝状网格的构造线宽度来调整蜂窝状网格的格点大小，调整出最佳的镂空处理网格，使透气性和缓冲性能达到平衡。

3，基于最佳的镂空处理网格向背离脚面的一侧生成实体，得到衬垫模型。如图11所示，此处生成的衬垫模型的厚度L3可以等于L2的值，也可以选择略大于L2的值。

基于上述的裸足矫形器的设计方法可以得到针对用户的、匹配的骨架实体和衬垫模型。后续可以通过3D打印技术，分别基于骨架实体打印出如图12所示的外骨架、基于衬垫模型打印出图13所示的镂空衬垫。这样装配出来的踝足矫形器，个性化程度好。当然，使用时需要将踝足矫形器与用户踝足进行固定，保证使用效果。一般采用系绳的方式，例如绕着踝足矫形器将其与用户踝足固定。也可以在外骨架上开孔，作为系绳连接端，进而将踝足矫形器与用户踝足固定。

实施例2

本实施例2公开了一种裸足矫形器设计系统，使用了实施例1的裸足矫形器的设计方法。

具体的，裸足矫形器设计系统包括：模型获取模块、模型分割模块、实体生成模块、骨架实体测试模块、衬垫模型生成模块。

其中，模型获取模块用于获取下肢模型。模型分割模块用于将下肢模型分割出基部。实体生成模块用于将基部背离脚面的一侧构建出基础曲面，并继续向背离脚面的一侧衍生出基础实体和衬垫占用部，将基础实体去除衬垫占用部后得到骨架实体。骨架实体测试模块用于对骨架实体进行受力仿真测试。衬垫模型生成模块用于对基础曲面进行均匀网格化，并继续向背离脚面的一侧衍生出镂空的衬垫模型。

本实施例2选择Rhino进行模块化设计，使用了Grasshopper可视化编程插件，通过将不同的功能图标相互连接，可以实现快速地图形化编程，构建出裸足矫形器的设计系统。

本实施例2还公开了一种可读存储介质，可读存储介质中存储有计算机程序指令，计算机程序指令被一处理器读取并运行时，执行实施例1公开的裸足矫形器的设计方法。

实施例1的方法在应用时，可以通过软件的形式进行应用，如设计成计算机可读存储介质可独立运行的程序，计算机可读存储介质可以是U盘，设计成U盾，通过U盘设计成通过外在触发启动整个方法的程序。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种裸足矫形器的设计方法，其基于用户的下肢模型设计出匹配的踝足矫形器，其特征在于，所述踝足矫形器包括外骨架、镂空衬垫；所述外骨架用于对用户裸足进行半包式的硬性支撑；所述镂空衬垫置于外骨架与用户裸足之间，用于缓冲；

所述裸足矫形器的设计方法，包括以下步骤：

步骤一，获取所述下肢模型，将所述下肢模型分割出基部；其中，所述基部包括所述下肢模型的脚掌、脚后跟、脚踝、及腿肚；

步骤一中，将所述下肢模型分割出基部的方法包括：

将所述下肢模型与三维坐标系对齐；其中，令所述下肢模型的脚底所处平面为x轴、y轴所在的XY面；令所述下肢模型的脚后跟到脚尖的方向为y轴；令XY面上垂直于y轴的方向为x轴；令垂直于x轴、y轴的方向为z轴，并使所述下肢模型的小腿与z轴平行；

在y轴、z轴所在的YZ面上构建自定义切割区域，并将自定义切割区域沿着x轴移动，将基部从下肢模型分割下来；其中，所述自定义切割区域的边界线包括：

横向切割线一，其与y轴平行、并对应于腿肚位置设置；

纵向切割线二，其对应位于所述腿肚背离脚面的一侧；

横向切割线三，其对应位于所述脚掌背离脚面的一侧；以及

曲线切割线四，其对应从腿肚边缘经过脚踝并延伸到脚面和脚掌中间；

步骤二，将所述基部背离脚面的一侧构建出基础曲面，并继续向背离脚面的一侧衍生出基础实体和衬垫占用部；所述基础实体包含衬垫占用部；再将基础实体去除衬垫占用部后得到骨架实体；

步骤二包括：

确定所述基部背离脚面的一侧的边界线，形成基础曲面；

基于基础曲面向背离脚面的一侧衍生出厚度为L1的基础实体、厚度为L2的衬垫占用部；其中，L1＞L2；

步骤三，对所述骨架实体进行受力仿真测试；若所述受力仿真测试通过，所述骨架实体即用于制作踝足矫形器的外骨架；否则，则返回步骤二，调整衍生参数，得到新的骨架实体；

步骤四，对基础曲面进行均匀网格化，并继续向背离脚面的一侧衍生出镂空的衬垫模型；所述衬垫模型用于制作踝足矫形器的镂空衬垫。

2.根据权利要求1所述的裸足矫形器的设计方法，其特征在于，所述下肢模型的构建方法包括以下步骤：

S1，从不同角度对用户裸足进行拍摄，得到多角度的裸足照片；

S2，基于多角度的所述裸足照片进行照片对齐，并得到初始点云数据；

S3，删除初始点云数据中具有高重建不确定性的点，删除初始点云数据中不需要的稀疏点；

S4，创建密集点云数据，删除密集点云数据中不需要的密集点；

S5，构建并导出网格文件，并基于网格文件构建出下肢模型。

3.根据权利要求2所述的裸足矫形器的设计方法，其特征在于，S1中，对用户裸足进行点标记，作为进行照片对齐的约束点。

4.根据权利要求2所述的裸足矫形器的设计方法，其特征在于，S2中，在进行照片对齐之前，先对所述裸足照片进行预处理；

所述预处理的方法包括：

S2.1，剔除对焦模糊、光线差的裸足照片；

S2.2，制作裸足照片的蒙版图，并将蒙版图作为照片对齐的作用对象。

5.根据权利要求2所述的裸足矫形器的设计方法，其特征在于，S5中，对下肢模型进行减量处理，降低点云数量至点云阈值。

6.根据权利要求1所述的裸足矫形器的设计方法，其特征在于，步骤三中，骨架实体包括用于半包脚部的骨架部一、用于半包腿肚的骨架部二；

所述受力仿真测试包括：

选定骨架实体的材料，对骨架部一进行承重测试，对骨架部一、骨架部二的连接处进行弯折测试；

当使骨架部一发生断裂的承重值大于预设阈值一、且使骨架部一、骨架部二的连接处发生断裂的弯折力值大于预设阈值二，则测试通过。

7.根据权利要求4所述的裸足矫形器的设计方法，其特征在于，步骤四包括：

将所述基础曲面生成蜂窝状网格；

拓宽蜂窝状网格的构造线，修改蜂窝状网格的格点大小，得到最佳的镂空处理网格；

基于最佳的镂空处理网格向背离脚面的一侧生成实体，得到衬垫模型。

8.一种裸足矫形器设计系统，其特征在于，使用了如权利要求1-7中任一项所述的裸足矫形器的设计方法；

所述裸足矫形器的设计系统包括：

模型获取模块，其用于获取下肢模型；

模型分割模块，其用于将所述下肢模型分割出基部；

实体生成模块，其用于将所述基部背离脚面的一侧构建出基础曲面，并继续向背离脚面的一侧衍生出基础实体和衬垫占用部，将所述基础实体去除衬垫占用部后得到骨架实体；

骨架实体测试模块，其用于对所述骨架实体进行受力仿真测试；

衬垫模型生成模块，其用于对基础曲面进行均匀网格化，并继续向背离脚面的一侧衍生出镂空的衬垫模型。

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