专利名称：足底激光三维扫描系统及方法
技术领域：
本发明涉及一种扫描系统及方法，特别涉及一种利用激光对人的 足底进行非接触式扫描并进行测量的足底激光三维扫描系统及方法。
背景技术：
在很多情况下，需要对人的足底形状进行比较精确的测量，比如 定制鞋子、为特定的病人制作用以治疗的足部模具等等。为了省却手 工式测量的繁瑣，以及减少接触式测量的误差，需要使用专用的足底 扫描仪器对足底进行扫描和测量。
现有的足底测量扫描仪器中，公告号为CN2349989Y的实用新型申 请文件中公开了一种非接触式足部扫描器，其包括有垂直机架、扫描 组件和电脑，该扫描组件可以在沿着该机架上的滑槽进行移动的过程 中，对正对着该扫描组件的足底进行扫描。该技术方案中，机架设计 为推车的形状，体积比较大，使用时人需要躺在床上或坐在椅子上， 占用的空间比较大，并且不方便携带；另外，该仪器扫描一次的时间 为20秒，在扫描过程中需要被测者的足底没有移动，难度比较大。
另外，公开号为CN1344907A的发明申请文件中公开了一种足部测 量系统和方法，其包括用于产生足部形状数据的足部数据产生装置以 及用于通过分析所述数据以产生足部图像的图像处理装置。该技术方 案中，为了增加扫描面积，采用了环形滑轨，从而使得制造成本非常 高，并且环形滑轨扫描速度慢，难以实现实时地跟踪扫描器的位置，
会影响测量精度。另外，所述足部数据产生装置采用玻璃等硬质材料， 使得足底受压迫而稍许变形，导致测量精度下降。
发明内容
为解决上述现有技术中存在的不足，本发明的一个目的在于提出 一种足底激光三维扫描系统，包括计算机、激光三维扫描仪。所述激
光三维扫描仪包括安装于所述激光三位扫描仪上表面的扫描窗；用 于对足底扫描并造像的扫描头；用于引导扫描头的行进的线性滑轨； 用于驱动扫描头沿着线性滑轨移动的直流电机；用于控制直流电机的 启动以及用于与计算机之间进行数据交互传送的运动控制器；用于将 直流电机的旋转信息反馈到运动控制器的角度传感器；以及用于封装 扫描窗、扫描头、运动控制器、直流电机、角度传感器以及线性滑轨 的才几架。
该系统还包括足底支撑部件，所述足底支撑部件具有柔性表面， 用于为待测的足底提供紧密贴合的柔性支撑。所述柔性足底支撑部件 为由浅色或无色透明橡胶薄膜和支撑框架组成的空气室。
所述扫描头包括激光器和成像装置。
所述扫描头还包括滤光装置。
所述运动控制器包括辨向和细分电路，用于对所述角度传感器输 出的信号进行辨向和倍频细分，得到扫描头的运动方向信息以及位置信息。
所述运动控制器包括扫描同步电路，用于接收所述扫描头发出的 同步信号，从而运动控制器将所述扫描头的位置信息发送到计算机。
所述运动控制器包括光强控制电路，用于控制扫描头发射的激光 的强度。
所述运动控制器包括限位开关，用于当扫描头移动到线性滑轨末 端时停止扫描头的行进。
本发明的另一个目的在于，提出一种足底激光三维扫描方法，包
括以下步骤使用直流电机带动扫描头在线性滑轨上移动；使用扫描 头对足底进行扫描并得到图像信息；扫描器将所述图像信息发送到计 算机，同时向运动控制器发送同步信号；通过角度传感器将得到的直 流电机旋转信息发送到运动控制器；运动控制器将根据所述同步信号 和直流电机旋转信息确定的所述图像的位置信息发送到计算机；重复 上述步骤，最后计算机得到完整的足底图像。
所述方法还包括使用柔性支撑部件支撑足部的步骤。
所述方法还包括使用连续曝光和均值滤波对所述图像信号进行噪 声过滤的步骤。
所述方法还包括自动光强控制算法，用于自动控制扫描头发射的
激光的强度。
所述方法还包括自动补偿由扫描窗引入的测量误差。
所述方法还包括对所述直流电机旋转信息进行辨向和倍频细分的步骤。
所述方法还包括当扫描头移动到线性滑轨末端时，控制扫描头停 止移动并返回起点的步骤。
本发明的足底激光三维扫描系统结构简单、体积小，制造成本低， 扫描时间极短，降低了保持足底稳定不动的难度。本发明的系统和方 法实现了足底轮廓的实时快捷扫描成像，为制造个性化、舒适化鞋垫 和矫形治疗等提供了准确的数据和简捷的方式。
图1为本发明的足底激光三维扫描系统的组成图2为图1中的激光三维扫描仪的组成结构示意图3为图2中的激光三位扫描仪结合柔性支撑部件使用的示意图4为图3中柔性足底支撑部件的结构示意图5为图1中的激光三维扫描系统的电路结构图6为图2中的扫描头的结构示意图7为图2中的运动控制器的电路结构以及与其它部件的连接示 意图8为图7中辨向和细分电路结构示意图9为本发明的扫描系统的工作过程示意图10为本发明的扫描系统的计算机软件工作流程图11为图10中自动调整激光强度工作过程示意图12为图10中足部三维坐标z方向误差补偿算法示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的足底激光三维扫描系统的实施例进行说明。
图1是本发明的足底激光三维扫描系统的实施例的系统组成图。
如图所示，系统由计算机ll、激光三维扫描仪12组成。
图2是图1中的激光三维扫描仪的组成结构示意图。如图所示， 该激光三维扫描仪包括用于支撑足部的扫描窗25，扫描头21、运动控 制器22、直流电机23、角度传感器24、线性滑轨26和机架27。
扫描窗25、线性滑轨26、直流电机23和运动控制器22固定安装 在机架27上。角度传感器24与线性滑轨26的丝杠同轴联接，直流电 机23和线性滑轨26的丝杠通过同步带连接，扫描头21固定在线性滑 轨26的滑块上。当直流电机23转动时，会带动线性滑轨26上的丝杠 转动，从而扫描头21就沿着线性滑轨26移动。
图3为图1中的激光三维扫描仪结合柔性支撑部件使用的示意图。 如图所示，柔性支撑部件3放置于激光三维扫描仪12上，并覆盖于扫 描窗25上，用于为被测者的足部提供柔性贴合的支撑。
图4为图3中柔性足底支撑部件的结构示意图。如图所示，柔性 支撑部件3由浅色或无色透明的橡胶薄膜31和支撑橡胶薄膜的树脂框 架32构成。柔性支撑部件3根据人脚形状特殊设计的树脂框架使橡胶 薄膜形成一个曲面，保证足底与橡胶膜紧密均匀贴合。
本发明的足底激光三维扫描系统在使用时有三种方式。 一种方式 是被测量者直接将足部踏在扫描窗25上进行扫描，这时足底的形状由 于体重而略有变形；第二种方式是被测量者足底不接触扫描窗25，足 底在扫描窗25的正上方自然下垂，此时足底不存在变形；第三种方式
是被测量者将脚踏在柔性足底支撑部件3上，该柔性足底支撑部件3 可以提供柔性支撑，并紧密贴合在足底的皮肤上，使得足底在扫描过 程中变形极少，这样既保证了对足底自然状态的准确测量，又提供了 舒适的支撑，并易于保持足部的稳定。
图5为图1中的激光三维扫描系统的电路结构图。如图所示，激
光三维扫描仪由计算机启动并进行控制。使用时，被测量者将脚踏在 扫描窗或柔性足底支撑部件上，由计算机向运动控制器发送命令，运 动控制器则启动扫描头内的激光器，同时控制直流电机转动，带动扫 描头进行移动，同时运动控制器通过角度传感器测量扫描头的当前位置。
扫描头在进行移动的同时，成像装置开始采集图像，同时通过发 送同步信号通知运动控制器将角度传感器测量到的位置信息返回给计算机。
滤光装置为可选硬件，用于对环境噪声进行过滤，并用于对成像 装置的成像时间和激光器发射激光的时间进行同步，从而控制扫描头 能够在很短的时间内得到两幅图像。
图6为图2中的扫描头的结构示意图。如图所示，扫描头包括激 光器62、照相机63、镜头61、壳体65和滤光片64，其中，照相机63 和镜头61组成成像装置。
激光器62发射特定波长的可见光，经过被测物体的漫反射，在经 过镜头61的聚焦后在照相机63内形成经物体形状调整的激光线图像。 滤光片64的中心波长与激光器62发射的光的波长相同，作用是滤除 影响测量的其他波长的环境光。
;敫光器62的光轴与4竟头61的光轴形成夹角B,该夹角构成测量的 一个基本参数。从图中可见，激光器62与镜头61的光轴交点与激光 器62的距离即为扫描头的工作距离。
图7为图2中的运动控制器的电路结构以及与其它部件的连接示 意图。运动控制器的电路由单片机负责控制功能，USB数据通道用于单 片机与计算机之间的数据交互，如计算机发送启动、移动速度等控 制命令，单片机则反馈扫描头的当前位置以及状态信息等。
单片机通过电机驱动电路发送驱动信号给直流驱动器，控制直流 电机的运动，从而带动扫描头移动。扫描头移动的位置信息通过角度 传感器反馈到运动控制器。
行辨向，确定运动方向，并进行细分运算，以提高位置信息的精度。
在线性滑轨上安装有限位开关。在扫描头的移动过程中，如果扫 描头到达了线性滑轨的末端位置，该限位开关依靠橡胶緩沖保护扫描 头，同时向单片机发出开关信号，通知单片机停止直流电机的运动。
单片机同时负责激光输出使能以及激光的光强调节，接收扫描头 传来的同步信号，并将该时刻的扫描头位置信息传送回计算机。
图8为图7中的辨向和细分电路结构示意图。如图所示，直流电 机的旋转信息由角度传感器进行采集，并转换成两路相位相差90度的 方波信号。该方波信号经过RC滤波电路和整形电路后，通过辨向电路 进行辨向以及通过4倍细分电路进行4倍频细分，得到可以用于计数 器计数的方向信号和脉冲信号。
其中辨向电路为时序电路，用于判断角度传感器的旋转方向，以 便控制计数器的计数方向。4倍细分电路将角度传感器的信号细分，可
以将系统对扫描头位置信息的测量精度提高4倍。
图9为本发明的扫描系统的工作过程示意图。如图所示，计算机 通过USB数据通道通知运动控制器中的单片机扫描开始。单片机发出 驱动信号驱动直流电机运动，带动扫描头在线性滑轨上移动，这样扫 描头就可以沿着平行于足底的方向移动。
被足底调制的光信号被反射到扫描头中的成像装置。当该成像装 置接收到计算机发出的采集图像指令后，开始采集图像，同时发送采 集同步信号给运动控制器中的扫描同步电路。
成像装置将光信号转换成电信号，并转换变为数字信号，通过USB 数据通道发送到计算机。这样计算机就得到了 一幅足底信息的图像。
扫描同步电路接收到采集同步信号以后，向单片机发出同步中断 信号。单片机根据角度传感器输出的信息计算出扫描头的位置信息并 发送给计算机。这样计算机就得到了足底的一条线的数据和位置，通 过多次釆集就得到了整个足底形状的数据。
图10为本发明的扫描系统的计算机软件工作流程图。
如图所示，计算机向运动控制器发送指令作为开始；程序调用激 光强度自动调节模块SO;然后是驱动电机、使扫描头在线性滑轨上连 续移动的步骤Sl;扫描头在线性滑轨上移动的同时打开激光光源，向 足底表面发射光，并用照相机拍摄一幅足底反射光的图像的步骤S2; 关闭激光器后，照相机将反射光的图像传递给计算机的步骤S3。
步骤S4的1毫秒延迟、作为步骤S2和步骤S3的重复的步骤S5 和S6这三个步骤为可选步骤，可以有效滤除随机出现的环境光噪声， 仅在环境光噪声较.高的情况下采用，并且增加该三个步骤会增加图像 的处理时间和^硬件成本。
步骤S7为将扫描头在线性滑轨上的位置传送给计算机，步骤S8 为对反射光图像进行均值滤波和优先级滤波等滤波处理，步骤S9为将 经过滤波的图像转化为足底三维数据。步骤S10为将步骤S9得到的足 底三维数据依据后文所示的计算公式进行误差补偿后得到精确的足底
三维数据。
步骤Sll为通过运动控制器检测线性滑轨是否运行到终点，如果 线性滑轨没有运行到终点，重复s2-sl0的步骤；如果线性滑轨已经运 动到终点，则步骤S12为控制线性滑轨返回起点，步骤S13中将经由 步骤Sl0得到的足底三维数据组合在一起构建出足底三维模型。
图11为图10中自动调整激光强度工作过程示意图，在扫描时被 扫描物体的反射率不同，造成照相机接收到的反射光强度不同，进而 影响到扫描效果和精度。自动调整激光强度功能可以在每次扫描之前 调整激光器的输出激光强度，使照相机接收的图像保持在最佳状态。 它的工作过程是步骤S14为驱动扫描头运动到扫描窗中央，保证激 光线能够照射到足底；步骤S15为向足底表面发射激光，并通过成像 装置检测反射光的图像；步骤S16为关闭激光器，将反射光的图像传 输到计算机；步骤S17为分析激光线宽度；步骤S18为判断激光线宽 度是否等于标准宽度，如果结果为"否"，调节激光强度，重复步骤S15 -18,如果结果为"是"，则表示已经得到合适的激光强度，退出该模 块。 图12为图10中足部三维坐标Z方向误差补偿算法示意图，激光 线的传播方向由箭头表示，扫描头所发射的激光穿过扫描窗，经被测 物体表面反射后，再次穿过扫描窗进入扫描头内的照相机。由子激光 第一穿过扫描窗是垂直入射，所以不会产生光线的偏移。第二次穿越 扫描窗，入射角大于零度，由于玻璃的折射作用，光线在进入扫描组
件的照相机前发生了偏移。造成了 Z方向上cL的测量误差。dz的数值 可以由下文的计算公式给出，该公式中的n为扫描窗玻璃对激光的折 射率，H为扫描窗玻璃厚度，P为照相机入射光线与扫描窗玻璃法向的 夹角。
测量误差dz的计算公式为2 ，1/2><上。
<formula>formula see original document page 14</formula>
以上为本发明的足底激光三维扫描系统的优选实施例，但是本发 明不局限于上述特定实施例子，在不背离本发明精神及其实质情况下， 熟悉本领域技术人员可根据本发明作出各种相应改变和变形，但这些 相应改变和变形都应属于本发明所附权利要求保护范围之内。
权利要求
1、一种足底激光三维扫描系统，包括计算机、激光三维扫描仪，其特征在于，所述激光三维扫描仪包括扫描窗，其安装于所述激光三位扫描仪的上表面；扫描头，用于对足底扫描并成像；线性滑轨，用于引导扫描头的行进；直流电机，用于驱动扫描头沿着所述线性滑轨移动；运动控制器，用于控制直流电机的启动以及用于与计算机之间进行数据交互传送；角度传感器，用于将直流电机的旋转信息反馈到运动控制器；机架，用于封装扫描窗、扫描头、运动控制器、直流电机、角度传感器以及线性滑轨。
2、 如权利要求1所述的足底激光三维扫描系统，其特征在于，该系统还包括足底支撑部件，所述足底支撑部件具有柔性表面，用于为待测的足底提供紧密贴合的柔性支撑。
3、 如权利要求1所述的足底激光三维扫描系统，其特征在于，所述柔性足底支撑部件为由浅色或无色透明橡胶薄膜和支撑框架组成的空气室。
4、 如权利要求1所述的足底激光三维扫描系统，其特征在于，所述扫描头包括激光器和成像装置。
5、 如权利要求4所述的足底激光三维扫描系统，其特征在于，所 述扫描头还包括滤波装置。
6、 如权利要求1所述的足底激光三维扫描系统，其特征在于，所 述运动控制器包括辨向和细分电路，用于对所述角度传感器输出的信 号进行辨向和倍频细分，得到扫描头的运动方向信息以及位置信息。
7、 如权利要求6所述的足底激光三维扫描系统，其特征在于，所 述运动控制器包括扫描同步电路，用于接收所述扫描头发出的同步信 号，从而运动控制器将所述扫描头的位置信息发送到计算机。
8、 如权利要求1所述的足底激光三维扫描系统，其特征在于，所 述运动控制器包括光强控制电路，用于控制扫描头发射的激光的强度。
9、 如权利要求1所述的足底激光三维扫描系统，其特征在于，所 述运动控制器包括限位开关，用于当扫描头移动到线性滑轨末端时停 止扫描头的行进。
10、 一种足底激光三维扫描方法，包括以下步骤使用直流电机带动扫描头在线性滑轨上移动；使用扫描头对足底进行扫描并得到图像信息；扫描器将所述图像信息发送到计算机，同时向运动控制器发送同 步信号；通过角度传感器将得到的直流电机旋转信息发送到运动控制器；运动控制器将根据所述同步信号和直流电机旋转信息确定的所述 图像的位置信息发送到计算机；重复上述步骤，最后计算机得到完整的足底图像。
11、 如权利要求10所述的足底激光三维扫描方法，其特征在于， 还包括使用柔性支撑部件支撑足部的步骤。
12、 如权利要求10所述的足底激光三维扫描方法，其特征在于， 还包括使用连续曝光和均值滤波对所述图像信号进行噪声过滤的步骤。
13、 如权利要求10所述的足底激光三维扫描方法，其特征在于， 还包括对所述直流电机旋转信息进行辨向和倍频细分的步骤。
14、 如权利要求10所述的足底激光三维扫描方法，其特征在于， 还包括当扫描头移动到线性滑轨末端时，控制扫描头停止移动并返回 起点的步骤。
15、 如权利要求10所述的足底激光三维扫描方法，其特征在于， 还包括自动光强控制算法，用于自动控制扫描头发射的激光的强度。
16、 如权利要求10所述的足底激光三维扫描方法，其特征在于， 系统软件自动补偿由扫描窗引入的测量误差。
全文摘要
本发明公开一种足底激光三维扫描系统及方法。该系统包括计算机、激光三维扫描仪，该激光三维扫描仪包括扫描窗、用于对足底扫描并成像的扫描头、引导扫描头的行进的线性滑轨、用于驱动扫描头沿着线性滑轨移动的直流电机、用于控制直流电机的启动以及用于与计算机之间进行数据交互传送的运动控制器、用于将直流电机的旋转信息反馈到运动控制器的角度传感器、以及用于封装扫描窗、扫描头、运动控制器、直流电机、角度传感器以及线性滑轨的机架。本发明的系统和方法实现了足底轮廓的实时快捷扫描成像，为制造个性化、舒适化鞋垫和矫形治疗等提供了准确的数据和简捷的方式。
文档编号G02B26/10GK101174025SQ20061011415
公开日2008年5月7日 申请日期2006年10月31日 优先权日2006年10月31日
发明者亮 代, 侯晓萍, 宋晓斌, 青 汤, 甘中学 申请人:廊坊智通机器人系统有限公司