CN117356794A - 一种基于三维足形与足底压力分布的定制鞋垫设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于三维足形与足底压力分布的定制鞋垫设计方法，属于医疗康复鞋垫设计技术领域，包括，获得3D足部网格模型；其重建为可编辑的NURBS曲面模型；采集被试的静态足底压力分布云图；利用参数化建模软件构建可调节尺寸参数的鞋垫模型；获得所述鞋垫模型空间内与足底压力分布呈正相关的映射点云；基于所述映射点云，结合Voronoi 3D算法与网格生成算法构建多孔结构鞋垫网格模型；基于所述多孔结构鞋垫网格模型设计定制鞋垫。通过基于三维足形与足底压力分布的定制鞋垫设计方式，建立足底压力分布与鞋垫空间结构密度分布之间的映射关系，能够实现在足部生物力学约束条件下对鞋垫空间密度分布的合理调节。
Description
技术领域
本发明属于医疗康复鞋垫设计技术领域，尤其涉及一种基于三维足形与足底压力分布的定制鞋垫设计方法。
背景技术
人体的足部具有承担支撑人体的重量与各项运动的功能，足局部软组织持续压力过载会引发力线扭曲，形成内外翻足，从而诱发肌肉骨骼疾患。随着用户对足部健康关注度的提高，功能性定制化足部相关产品的需求日益增加。
其中，鞋类产品可以通过吸收地面冲击力量承担足部在运动过程中所受到的负荷，合适的鞋底或鞋垫能够优化足底压力分布，为足部提供有效支撑。一些鞋类厂商为了优化鞋垫对足部的支撑效果，通过计算机辅助设计生成晶格结构进行鞋垫设计，应用于鞋垫的晶格结构是基于分析基本单元形的一种设计方法，可以理解为在两个作为曲面呈现的鞋面之间生成若干个立方体单元，再把这种放射状形状单元对应到立方体单元上。虽然晶格结构具备规律性和周期性的特点，但是由于足底区域受力不均，分布均匀的晶格结构难以调节局部密度，无法为足底各个部位的压力提供对应的反馈。基于此，有学者提出采用分层与分区结构设计的方法，以达到卸载跖骨高压、支撑足弓与均匀足底压力分布的目的，但是，发明人认为，分层与分区的设计与足部的适配性不佳，缺少与个体足部特性的关联度，且在不同区域的连接处几何与力学性能均不连续，进而影响鞋底的支撑与缓冲效果。为此，需要设计出一种基于三维足形与足底压力分布的定制鞋垫设计方法。
发明内容
发明人通过研究发现，现有的鞋垫设计方法与足部的适配性不佳，缺少与个体足部特性的关联度，且在不同区域的连接处几何与力学性能均不连续，进而影响鞋底的支撑与缓冲效果。
鉴于以上技术问题中的至少一项，本公开提供了一种基于三维足形与足底压力分布的定制鞋垫设计方法，具体技术方案如下：
一种基于三维足形与足底压力分布的定制鞋垫设计方法，包括如下步骤：
步骤一，利用三维足形扫描仪对被试在足弓半负重位状态下的足部三维形态扫描，获得被试的足部采集模型；
步骤二，通过逆向工程技术对所述足部采集模型进行预处理修正，获得3D足部网格模型；
步骤三，将所述3D足部网格模型重建为可编辑的NURBS曲面模型；
步骤四，使用足底压力测试装置采集被试的静态足底压力分布云图；
步骤五，利用参数化建模软件构建可调节尺寸参数的鞋垫模型；
步骤六，基于图像采样算法建立足底压力分布向鞋垫空间结构密度分布的映射关系，获得所述鞋垫模型空间内与足底压力分布呈正相关的映射点云；
步骤七，基于所述映射点云，结合Voronoi 3D算法与网格生成算法构建多孔结构鞋垫网格模型；
步骤八，基于所述多孔结构鞋垫网格模型设计定制鞋垫。
在本公开的一些实施例中，所述步骤一中，所述被试的足部无先天和/或后天足部畸形、创伤；被试在进行足部采集的过程中，足部穿着丝袜，实验人员在被试足部多处位置粘贴标记点，被试双脚站立并保持全身平衡；实验人员操作三维足形扫描仪进行扫描定位；扫描时实验人员及时排查足部采集模型表面是否出现缺失和/或重叠。
在本公开的一些实施例中，所述步骤三中，所述3D足部网格模型的重建方式是：从所述3D足部网格模型中提取数个型值点，然后通过NURBS曲面插值算法将该网格模型重建成双三次NURBS曲面，重建后的NURBS曲面模型与所述3D足部网格模型最大误差不大于0.1mm。
在本公开的一些实施例中，所述步骤四中，所述采集被试的静态足底压力分布云图的方法为：对足底压力测试装置进行受力校核后，使被试双足与所述足底压力测试装置的压力板静态接触；实验人员对被试静态足底的足趾区，跖骨头区，足弓区和足跟区这四个区域的压力进行信息采集以生成所述静态足底压力分布云图；所述静态足底压力分布云图以多种不同的视觉标识呈现不同的压力分布区域。
在本公开的一些实施例中，所述步骤五中，构建可调节尺寸参数的鞋垫模型的方法为：
第一步，根据被试的足部特征点和特征尺寸确定并提取影响鞋垫平面轮廓形状的关键特征点，并通过曲线插值算法建立鞋垫平面轮廓线；
第二步，根据所述鞋垫平面轮廓线挤出生成鞋垫边缘曲面，绘制分割曲线对生成的厚度曲面进行修剪，并分别建立鞋垫的顶部与底部曲面；
第三步，将步骤三中所得的NURBS曲面模型导入3D建模软件中，以模拟被试的足部穿着鞋垫的状态，通过布尔运算得到适配足底形状的鞋垫顶部曲面；
第四步，将鞋垫顶部曲面、边缘曲面与底部曲面进行组合，获得参数化的所述鞋垫模型。
在本公开的一些实施例中，所述步骤五中所述第一步中的关键特征点包括鞋尖点，趾半径点，第一跖骨关节突出点，内踝突出点，后跟半径点，后跟凸点，外踝突出点，第五跖骨关节突出点。
在本公开的一些实施例中，所述步骤六中，所述建立足底压力分布向鞋垫空间结构密度分布的映射关系的方法包括：
第一步，通过图像采样算法对步骤四中获取的足底压力分布云图进行分析与处理，以建立足底压力变化与几何图形之间的对应关系；
第二步，通过增大足底压力集中区域的随机点数量来调节鞋垫平面轮廓线内点云的密度分布；
第三步，将鞋垫平面轮廓线内的点云分别映射至鞋垫模型的顶部与底部表面，并通过随机点生成算法在鞋垫模型的内部空间生成数个随机点，将顶部表面、底部表面与内部空间的点云合并，从而得到基于足底压力分布的鞋垫空间点云。
在本公开的一些实施例中，所述步骤七中，所述构建多孔结构鞋垫网格模型的方法为：
第一步，计算鞋垫模型的最小包围盒作为边界条件；
第二步，基于所述步骤六得到的鞋垫空间点云，通过Voronoi 3D算法在最小包围盒内生成Voronoi空间单元；
第三步，将所述鞋垫模型与最小包围盒内的Voronoi空间单元进行布尔运算，得到适应鞋垫模型边界的Voronoi骨架线；
第四步，结合网格生成算法，并基于Voronoi骨架线构建多孔结构鞋垫的网格模型，对网格模型表面进行平滑处理。
在本公开的一些实施例中，所述步骤七的所述第四步中，所述网格生成算法是由曲线或点生成体块，结合参数设置与平滑过滤设置将体块输出为平滑网格的算法，所述网格模型的构建包括以下流程：创建一个通用参数设置组件；在所述Voronoi骨架线上设置合适数量的等分点，以每一个等分点为基点，结合通用参数设置生成球体体块；将所述球体体块转化为网格模型。
在本公开的一些实施例中，通过设置平滑强度参数对所述网格模型进行优化。
相比较现有技术而言，本发明具有以下有益效果：
通过基于三维足形与足底压力分布的定制鞋垫设计方式，建立足底压力分布与鞋垫空间结构密度分布之间的映射关系，能够实现在足部生物力学约束条件下对鞋垫空间密度分布的合理调节；
多孔结构鞋垫设计能够平衡足底压力分布，减轻足跟区与跖骨头区的局部高压，从而降低行走过程中的疲劳程度，预防足部与关节发生损伤的风险；
以足部三维模型与足底压力分布为驱动的参数化多孔结构鞋垫提高了鞋垫表面与用户足底形状的适配性，具备更好的穿着舒适度；
在参数化软件中构建完整的鞋垫建模程序，通过对鞋垫模型关键尺寸参数与空间结构密度分布的调控，有助于提高鞋垫产品的定制设计效率。
附图说明
图1为本发明的流程示意图；
图2为本发明一个实施例的步骤四中所述静态足底压力分布云图；
图3为本发明一个实施例的步骤五中所述鞋垫平面轮廓线的示意图；
图4(a)为本发明一个实施例的步骤五中模拟足部穿着鞋垫状态的示意图；
图4(b)为本发明一个实施例的步骤五中参数化鞋垫模型的示意图；
图5(a)为本发明一个实施例的步骤六中鞋垫平面轮廓线内随机点的示意图；
图5(b)为本发明一个实施例的步骤六中鞋垫平面轮廓线内与足底压力值相关点的示意图；
图5(c)为本发明一个实施例的步骤六中鞋垫平面轮廓线内表示足底压力变化的圆的示意图；
图5(d)为本发明一个实施例的步骤六中鞋垫平面轮廓线内圆的集合的示意图；
图6(a)为本发明一个实施例的步骤六中鞋垫平面轮廓线内所有圆心的示意图；
图6(b)为本发明一个实施例的步骤六中鞋垫平面轮廓线内自适应平面Voronoi图形的示意图；
图6(c)为本发明一个实施例的步骤六中鞋垫平面轮廓线内与足底压力分布呈正相关的点云的示意图；
图7为本发明一个实施例的步骤六中鞋垫空间点云的示意图；
图8为本发明一个实施例的步骤七中多孔结构鞋垫网格模型的示意图；
图9(a)为用于对比的静态足底压力测试实验中穿戴预制鞋垫的足底压力分布云图；
图9(b)为本发明一个实施例的静态足底压力测试实验中穿戴定制设计鞋垫的足底压力分布云图；
图10(a)为用于对比的动态足底压力测试实验中穿戴预制鞋垫的足底压力中心轨迹图；
图10(b)为本发明一个实施例的动态足底压力测试实验中穿戴定制设计鞋垫的足底压力中心轨迹图；
图11为本发明提供的动态足底压力测试实验中被试足部在一个步态周期内以用于对比的穿戴预制鞋垫与穿戴定制设计鞋垫两种方式的动态足底压力均值曲线图。
具体实施方式
为了更好地了解本发明的目的、结构及功能，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、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
本文中为部件所编序号本身，仅用于区分所表述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本公开中所说“连接”，如无特殊具体说明，均包括直接和间接的“连接”。在本申请的描述中，需要理解的是，方位术语“上”“下”“前”“后”“左”“右”“竖直”“水平”“顶”“底”“内”“外”“顺时针”“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所指的装置或单元必须具有特定的方位、以特定的方位构成和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
如附图部分的图1至图11所示，本实施例是公开一种基于三维足形与足底压力分布的定制鞋垫设计方法，包括如下步骤：
步骤一，利用三维足形扫描仪对被试在足弓半负重位状态下的足部三维形态扫描，获得被试的足部采集模型，本实施例中，所述三维足形扫描仪为INFOOT扫描仪，配用MEASURE2.12软件；
所述步骤一中，所述被试的足部无先天和/或后天足部畸形、创伤；被试在进行足部采集的过程中，足部穿着丝袜，本实施例可以是薄丝袜，以使得足部皮肤收紧更接近于足部日常状态，实验人员在被试足部指定位置粘贴标记点，被试双脚站立并保持全身平衡；实验人员操作三维足形扫描仪对被试的足部进行扫描定位，测量时间为2秒左右；扫描时实验人员及时排查足部采集模型表面是否出现缺失和/或重叠，尤其是严重的缺失和大面积的重叠。
步骤二，通过逆向工程技术对所述足部采集模型进行预处理修正，本实施例配用逆向工程软件Geomagic Wrap，在逆向工程软件中完成对足部采集模型的降噪、平滑、修剪等预处理工作，获得3D足部网格模型。
步骤三，在保证重建误差小的基础上将所述3D足部网格模型重建为非均匀有理B样条(Non Uniform Rational B-spline，NURBS)曲面模型，即可编辑的NURBS曲面模型；
所述步骤三中，所述3D足部网格模型的重建方式是：从所述3D足部网格模型中提取数个型值点，然后通过NURBS曲面插值算法将该网格模型重建成双三次NURBS曲面，重建后的足部模型应保留原始足部数据的特征信息，重建后的NURBS曲面模型与所述3D足部网格模型最大误差不大于0.1mm，本实施例的最大误差要求小于0.1mm。
步骤四，使用足底压力测试装置采集被试的静态足底压力分布云图；
所述步骤四中，所述采集被试的静态足底压力分布云图的方法为：对足底压力测试装置进行受力校核，以保证数据的可靠性，之后，使被试双足与所述足底压力测试装置的压力板静态接触，本实施例中，静态接触的状态可以是被试双足镜像与压力板中心线呈15°夹角，双手自然下垂；实验人员对被试静态足底的足趾区，跖骨头区，足弓区和足跟区这四个区域的压力进行信息采集以生成所述静态足底压力分布云图；所述静态足底压力分布云图以多种不同的视觉标识呈现不同的压力分布区域；
其中，如图2所示，所述足底压力分布云图以蓝绿黄红等基色组成，由于人体重心偏移与个体足形差异等因素，左右足底的压力分布不一致且不均匀，本实施例中的被试的足跟区与跖骨头区的负荷高于足趾区与足弓区，此为实施例个体的特征。
步骤五，利用参数化建模软件，本实施例参数化建模软件可以是Rhino与Grasshopper，也可以是其他的3D建模软件，用以构建可调节尺寸参数的鞋垫模型；
所述步骤五中，构建可调节尺寸参数的鞋垫模型的方法为：
第一步，根据被试的足部特征点和特征尺寸确定并提取影响鞋垫平面轮廓形状的关键特征点，并通过曲线插值算法建立鞋垫平面轮廓线；
其中，如图3所示，所述关键特征点包括鞋尖点，趾半径点，第一跖骨关节突出点，内踝突出点，后跟半径点，后跟凸点，外踝突出点，第五跖骨关节突出点；在此基础上，定义所述后跟凸点与所述第一跖骨关节突出点之间投影在中线上的距离为内长，定义所述后跟凸点与所述鞋尖点之间投影在中线上的距离为总长；定义所述后跟凸点与所述第五跖骨关节突出点之间投影在中线上的距离为外长；定义所述后跟半径点与中线之间的距离为足跟半径；定义所述内踝突出点与中线之间的距离为内偏移距离；定义所述外踝突出点与中线之间的距离为外偏移距离；定义所述第一跖骨关节突出点与中线之间的距离为内宽；定义所述趾半径点与中线之间的距离为趾半径；定义所述第五跖骨关节突出点与中线之间的距离为内宽。
第二步，根据所述鞋垫平面轮廓线挤出生成鞋垫边缘曲面，为确保鞋垫足趾区与跖骨头区较薄、足弓区与足跟区较厚，使得构建的鞋垫模型形状与市场现有鞋垫形状相吻合，绘制分割曲线对生成的厚度曲面进行修剪，并分别建立鞋垫的顶部与底部曲面；
第三步，将步骤三中所得的NURBS曲面模型导入3D建模软件中，以模拟被试的足部穿着鞋垫的状态，通过布尔运算得到适配足底形状的鞋垫顶部曲面，如图4（a）所示；
第四步，将鞋垫顶部曲面、边缘曲面与底部曲面进行组合，获得参数化的所述鞋垫模型；
至此，通过第一步至第四步完成了对参数化鞋垫模型的构建。在图4（b）所示的参数化鞋垫模型中，通过调节鞋垫的总长、内长、外长、内宽、外宽、鞋跟厚度、前趾厚度等参数，即可快速生成适配目标用户足部形状的鞋垫模型。
步骤六，基于图像采样算法建立足底压力分布向鞋垫空间结构密度分布的映射关系，获得所述鞋垫模型空间内与足底压力分布呈正相关的映射点云；
所述步骤六中，所述建立足底压力分布向鞋垫空间结构密度分布的映射关系的方法包括：
第一步，通过图像采样算法对步骤四中获取的足底压力分布云图进行分析与处理，以建立足底压力变化与几何图形之间的对应关系；
其中，具体的过程是：
步骤Ⅰ，创建一个能够覆盖鞋垫平面轮廓线的矩阵；
其中，可以采用图像采样算法建立足底压力变化与几何图形之间的对应关系，图像采样算法是一种将图像单元像素处的灰度值作为变化参数，以实现图像内容变化的算法；所述矩阵的长宽比例应与足底压力分布云图的分辨率相对应，以保证在鞋垫平面轮廓线内生成的点云区间与足底压力分布区间一致，便于图像在进行采样与映射时不发生变形。
步骤Ⅱ，通过随机点生成算法在鞋垫平面轮廓线内生成y个随机点，如图5(a)所示；
其中，所述随机点生成算法是一种在指定区域内设置填充参数以生成离散点的算法，在该算法中，输入鞋垫平面轮廓线作为生成离散点的有效范围，设置离散点数量参数为y，设置离散点随机因子参数为z，从而在鞋垫平面轮廓线内生成y个随机点。
步骤Ⅲ，导入足底压力分布云图，选择数据输出方式为灰度值，将步骤Ⅱ中的y个随机点作为输入，得到的采样结果为各随机点对应于图像位置处的灰度值(范围在0到1之间)；设定灰度值阈值为x，按照图像中的足底压力分布情况在随机点中筛选出与压力值相关的点，如图5(b)所示。
步骤Ⅳ，将足底压力分布云图单独输出为蓝、绿、红三个颜色通道，通过重映射区间算法将三个颜色通道输出的灰度值调整映射为可控的取值范围，进一步将调整后的各个点的灰度值对应到圆形的半径上，使得图像中颜色越深、压力值越大处圆越大，反之则越小，以表达图像中的足底压力变化效果，如图5(c)所示；
其中，所述调整灰度值取值范围的方法是将灰度值由原始区间重新映射到一个新的区间内，输入蓝、绿、红三个颜色通道采样得到的灰度值及其初始取值范围(区间)，将三个通道的灰度值目标映射区间设定为依次递增，蓝色通道的区间最小，其次为绿色通道，红色通道的区间最大，重新映射后的灰度值的取值范围由蓝色区域向红色区域递增；步骤Ⅳ之所以将每个通道输出的灰度值调整映射为可控的取值范围，原因是图像直接输出的灰度值范围在0到1之间，直接将其输出为几何形状呈现出的变化效果并不明显，为了区分图像中的足底压力变化效果，需要将较小的灰度值调整映射至更大的区间范围；步骤Ⅳ之所以将足底压力分布云图单独输出为蓝、绿、红三个颜色通道，原因是彩色图像输出的结果为各点处的RGB值，无法直接作为灰度值使用；同时，由于图像中蓝色区域代表低压区域，绿色区域代表重压区域，红色区域代表高压区域，对不同区域的灰度值分别进行采样，并调整至合适的取值范围，能够突出足底压力分布的变化效果。
通过上述步骤实现了通过图像采样算法建立足底压力变化与几何图形(圆)之间的对应关系
步骤Ⅴ，对于鞋垫轮廓线内与足底无接触的区域，以上述步骤Ⅲ中筛选剩余的随机点为圆心建立半径为r的圆。
步骤Ⅵ，将步骤Ⅳ与步骤Ⅴ得到的所有圆合并，从而得到鞋垫平面轮廓线内基于足底压力分布云图颜色信息的圆的集合，如图5(d)所示。
第二步，通过增大足底压力集中区域的随机点数量来调节鞋垫平面轮廓线内点云的密度分布，具体为：
①计算在步骤六的第一步中得到的所有圆的圆心，如图6(a)所示。
②以这些圆心为基准点通过Voronoi 2D算法生成由多边形单元构成的自适应平面Voronoi图形，如图6(b)所示。
③通过重映射区间算法将各Voronoi单元内的圆的半径值调整映射为较小的取值范围，并对调整后的半径值取整，具体是将半径值由原始区间重新映射到一个新的区间内，输入各Voronoi单元内的圆的半径值及其初始取值范围(区间)，将半径值目标映射区间设定为较小的可控取值范围。之所以将圆的半径值调整映射为较小的取值范围，并对调整后的半径值取整，原因是在步骤六的流程1中得到的与足底压力变化相关的所有圆的半径数值较大且为小数，因此需要将半径值调整映射至较小的取值范围，并对其进行取整，使其能够作为在Voronoi单元内生成的随机点数。
④在Voronoi各单元内按照其对应圆的半径值生成随机点(半径越大的圆对应单元内的点数越多)，以实现对鞋垫平面轮廓线内点云密度的调节，调节后足跟区与跖骨头区的点云分布更加密集，而在其他区域较为稀疏，从而得到鞋垫平面轮廓线内与足底压力分布呈正相关的点云，如图6(c)所示。
通过上述步骤实现了通过增大足底压力集中区域的随机点数量来调节鞋垫平面轮廓线内点云的密度分布
第三步，将鞋垫平面轮廓线内的点云分别映射至鞋垫模型的顶部与底部表面，并通过随机点生成算法在鞋垫模型的内部空间生成数个随机点，将顶部表面、底部表面与内部空间的点云合并，从而得到基于足底压力分布的鞋垫空间点云，如图7所示，所述点云映射方法以鞋垫平面轮廓线内的点云作为输入，映射目标为鞋垫模型的顶部与底部曲面，从而得到映射至鞋垫顶部与底部表面的点云。
步骤七，基于所述映射点云，结合Voronoi 3D算法与网格生成算法构建多孔结构鞋垫网格模型；
所述步骤七中，所述构建多孔结构鞋垫网格模型的方法为：
第一步，计算鞋垫模型的最小包围盒作为边界条件；
第二步，基于所述步骤六得到的鞋垫空间点云，通过Voronoi 3D算法在最小包围盒内生成Voronoi空间单元；
第三步，将所述鞋垫模型与最小包围盒内的Voronoi空间单元进行布尔运算，得到适应鞋垫模型边界的Voronoi骨架线；
第四步，结合网格生成算法，并基于Voronoi骨架线构建多孔结构鞋垫的网格模型，对网格模型表面进行平滑处理；
其中，所述网格生成算法是由曲线或点生成体块，结合参数设置与平滑过滤设置将体块输出为平滑网格的算法，所述网格模型的构建包括以下流程：创建一个通用参数设置组件；在所述Voronoi骨架线上设置合适数量的等分点，以每一个等分点为基点，结合通用参数设置生成球体体块；将所述球体体块转化为网格模型。其中，通过设置平滑强度参数对所述网格模型进行优化。
步骤八，基于所述多孔结构鞋垫网格模型设计定制鞋垫，本实施例可以是通过3D打印制作定制鞋垫，可以是利用热塑性聚氨酯弹性体材料对鞋垫进行3D打印。
进一步的，可以通过静态与动态足底压力测试的方法，对市场预制鞋垫及通过本实施例所述的设计方法获得的鞋垫的性能进行测试；
在所述静态足底压力测试实验中，被试以(a)穿戴预制鞋垫与(b)穿戴定制设计鞋垫两种方式，双脚平衡站立在压力测试装置上，为了减少实验误差，每种穿戴方式测量多次，保证数据准确
经测试，穿戴定制设计鞋垫与预制鞋垫时的足底压力分布情况相比，右足足跟部位的压力显著降低，左右足压力分布对称性、左右足底的接触面积均显著提升，如图9(a)(b)所示；
所述动态足底压力测试实验中，实验人员将智能芯片放置于鞋垫中部的窝槽，再将装有智能芯片的鞋垫平整放入鞋内，保持鞋垫与鞋底贴合。被试穿戴好鞋垫，然后穿上带有智能芯片的测试鞋，以(a)穿戴预制鞋垫与(b)穿戴定制设计鞋垫两种方式正常行走100m，为了减少实验误差，每种穿戴方式测量多次，保证数据准确；
所述动态足底压力测试实验中，穿戴定制设计鞋垫与预制鞋垫的足底压力中心轨迹变化情况相比，被试足部力线明显摆正，同时跖骨头区的足底压力显著降低，如图10(a)(b)所示。穿戴定制设计鞋垫后，被试足部在着地期(0%—12%)、平足期(12%—50%)及蹬升期(50%—62%)的足底压强显著降低，如图11所示。
综上，通过基于三维足形与足底压力分布的定制鞋垫设计方式，建立足底压力分布与鞋垫空间结构密度分布之间的映射关系，能够实现在足部生物力学约束条件下对鞋垫空间密度分布的合理调节；多孔结构鞋垫设计能够平衡足底压力分布，减轻足跟区与跖骨头区的局部高压，从而降低行走过程中的疲劳程度，预防足部与关节发生损伤的风险；以足部三维模型与足底压力分布为驱动的参数化多孔结构鞋垫提高了鞋垫表面与用户足底形状的适配性，具备更好的穿着舒适度；在参数化软件中构建完整的鞋垫建模程序，通过对鞋垫模型关键尺寸参数与空间结构密度分布的调控，有助于提高鞋垫产品的定制设计效率。
可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。
Claims (10)
1.一种基于三维足形与足底压力分布的定制鞋垫设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一，利用三维足形扫描仪对被试在足弓半负重位状态下的足部三维形态扫描，获得被试的足部采集模型；
步骤二，通过逆向工程技术对所述足部采集模型进行预处理修正，获得3D足部网格模型；
步骤三，将所述3D足部网格模型重建为可编辑的NURBS曲面模型；
步骤四，使用足底压力测试装置采集被试的静态足底压力分布云图；
步骤五，利用参数化建模软件构建可调节尺寸参数的鞋垫模型；
步骤六，基于图像采样算法建立足底压力分布向鞋垫空间结构密度分布的映射关系，获得所述鞋垫模型空间内与足底压力分布呈正相关的映射点云；
步骤七，基于所述映射点云，结合Voronoi 3D算法与网格生成算法构建多孔结构鞋垫网格模型；
步骤八，基于所述多孔结构鞋垫网格模型设计定制鞋垫。
2.根据权利要求1所述的基于三维足形与足底压力分布的定制鞋垫设计方法，其特征在于，所述步骤一中，所述被试的足部无先天和/或后天足部畸形、创伤；被试在进行足部采集的过程中，足部穿着丝袜，实验人员在被试足部多处位置粘贴标记点，被试双脚站立并保持全身平衡；实验人员操作三维足形扫描仪进行扫描定位；扫描时实验人员及时排查足部采集模型表面是否出现缺失和/或重叠。
3.根据权利要求1所述的基于三维足形与足底压力分布的定制鞋垫设计方法，其特征在于，所述步骤三中，所述3D足部网格模型的重建方式是：从所述3D足部网格模型中提取数个型值点，然后通过NURBS曲面插值算法将该网格模型重建成双三次NURBS曲面，重建后的NURBS曲面模型与所述3D足部网格模型最大误差不大于0.1mm。
4.根据权利要求1所述的基于三维足形与足底压力分布的定制鞋垫设计方法，其特征在于，所述步骤四中，所述采集被试的静态足底压力分布云图的方法为：对足底压力测试装置进行受力校核后，使被试双足与所述足底压力测试装置的压力板静态接触；实验人员对被试静态足底的足趾区，跖骨头区，足弓区和足跟区这四个区域的压力进行信息采集以生成所述静态足底压力分布云图；所述静态足底压力分布云图以多种不同的视觉标识呈现不同的压力分布区域。
5.根据权利要求1所述的基于三维足形与足底压力分布的定制鞋垫设计方法，其特征在于，所述步骤五中，构建可调节尺寸参数的鞋垫模型的方法为：
第一步，根据被试的足部特征点和特征尺寸确定并提取影响鞋垫平面轮廓形状的关键特征点，并通过曲线插值算法建立鞋垫平面轮廓线；
第二步，根据所述鞋垫平面轮廓线挤出生成鞋垫边缘曲面，绘制分割曲线对生成的厚度曲面进行修剪，并分别建立鞋垫的顶部与底部曲面；
第三步，将步骤三中所得的NURBS曲面模型导入3D建模软件中，以模拟被试的足部穿着鞋垫的状态，通过布尔运算得到适配足底形状的鞋垫顶部曲面；
第四步，将鞋垫顶部曲面、边缘曲面与底部曲面进行组合，获得参数化的所述鞋垫模型。
6.根据权利要求5所述的基于三维足形与足底压力分布的定制鞋垫设计方法，其特征在于，所述步骤五中所述第一步中的关键特征点包括鞋尖点，趾半径点，第一跖骨关节突出点，内踝突出点，后跟半径点，后跟凸点，外踝突出点，第五跖骨关节突出点。
7.根据权利要求1所述的基于三维足形与足底压力分布的定制鞋垫设计方法，其特征在于，所述步骤六中，所述建立足底压力分布向鞋垫空间结构密度分布的映射关系的方法包括：
第一步，通过图像采样算法对步骤四中获取的足底压力分布云图进行分析与处理，以建立足底压力变化与几何图形之间的对应关系；
第二步，通过增大足底压力集中区域的随机点数量来调节鞋垫平面轮廓线内点云的密度分布；
第三步，将鞋垫平面轮廓线内的点云分别映射至鞋垫模型的顶部与底部表面，并通过随机点生成算法在鞋垫模型的内部空间生成数个随机点，将顶部表面、底部表面与内部空间的点云合并，从而得到基于足底压力分布的鞋垫空间点云。
8.根据权利要求7所述的基于三维足形与足底压力分布的定制鞋垫设计方法，其特征在于，所述步骤七中，所述构建多孔结构鞋垫网格模型的方法为：
第一步，计算鞋垫模型的最小包围盒作为边界条件；
第二步，基于所述步骤六得到的鞋垫空间点云，通过Voronoi 3D算法在最小包围盒内生成Voronoi空间单元；
第三步，将所述鞋垫模型与最小包围盒内的Voronoi空间单元进行布尔运算，得到适应鞋垫模型边界的Voronoi骨架线；
第四步，结合网格生成算法，并基于Voronoi骨架线构建多孔结构鞋垫的网格模型，对网格模型表面进行平滑处理。
9.根据权利要求8所述的基于三维足形与足底压力分布的定制鞋垫设计方法，其特征在于，所述步骤七的所述第四步中，所述网格生成算法是由曲线或点生成体块，结合参数设置与平滑过滤设置将体块输出为平滑网格的算法，所述网格模型的构建包括以下流程：创建一个通用参数设置组件；在所述Voronoi骨架线上设置合适数量的等分点，以每一个等分点为基点，结合通用参数设置生成球体体块；将所述球体体块转化为网格模型。
10.根据权利要求9所述的基于三维足形与足底压力分布的定制鞋垫设计方法，其特征在于，通过设置平滑强度参数对所述网格模型进行优化。
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