专利名称：对足部进行三维测量来选择最适合的足部用品的系统和方法
技术领域：
本发明涉及一种通过对足部进行三维形状测量来选择最适合的足部用品的系统和方法，尤其涉及一种对足部进行光学三维形状测量来获取足部三维形状信息，并利用该信息从多种预先生产好的，具有不同材质和三维形状的足部用品中挑选出最合适的一款足部用品的系统和方法。
背景技术：
人类的足是一个由26块骨头构成的非常复杂的生物力学结构。除了负载人的体重外，足还要适应行走、跑跳、跨越等动作。为了能正常行走，人类的足必须具有如下特点:
(I)可以适应地面的高低不平；(2)能够形成一个刚性的杠杆来推动身体前行；(3)能够转化由胯关节产生的转动力；(4)能够减轻和吸收地面对人体产生的冲击力。人类为了保护自己的双足，同时也为了能提高足部的舒适度在数千年前就开始在足部使用各种用品，例如鞋等。足分为3部分:后部为脚后跟，中部有足弓，前部为脚掌。在足的长度方向(纵向)有两个足弓:内侧足弓和外侧足弓。另外在前脚掌的下方脚的宽度方向上还有一个横足弓。足的形状是由与其对应的骨骼、关节、韧带和肌肉来维持的。人类是唯一有足弓的脊椎动物。足弓的存在使得脚能够有弹性并有向前推进作用，也使得在行走和跑步时效率最高、并能最大限度地节约能量。由于先天原因有些人的足没有正常发育成形，另外随着正常衰老带来的足部肌肉松弛会导致足部变形。例如足弓塌陷或扁平足，足内翻，足外翻等等。足部的这些不正常会导致足底筋膜炎、前足部疼痛、跟骨骨刺、膝盖疼痛、跨关节疼痛、下背部疼痛等一系列病症，也使得足部的承重能力和平衡稳定能力较差，在站立和行走时更容易疲劳和脚部疼痛。为了矫正和预防足部的病变，也为了能更好地支撑足部，确保足部处于最佳形态，提高足部的功能，可以使用一些用于足部的辅助用品，例如特制鞋，足垫和足后跟垫
坐寸ο这些足部用品，包括各种鞋类和足垫等多是按有限的规格进行大规模生产而来，其接触足底部分的形状都是预先确定好的不可以选择。另一方面每个人的脚的大小和足底三维形状都是不同的，有时同一个人的左右脚在大小，足弓长度，足弓高低等特性上也还有区别。顾客在购买足部用品时往往要从众多的候选商品中挑选出适合自己的产品。这个挑选和判断的过程有很多猜测的成分。即使有试穿机会，顾客可能还是不能完全确定哪种产品对足部的支撑最合适，因为足底三维形状并不容易简单地来确定和描述。这种不确定性往往会造成顾客购买多双足部用品，从中最终只能挑选出来一双最合适的。为了克服上述问题，本发明的目的在于提供一个光学三维形状测量单元，用于测量足部特别是足底的三维形状从而得到足部三维数字模型，并进一步获取足长，足宽，足后跟宽度，足弓高度，足弓长度等尺寸，最终使用测量得到的足部尺寸和顾客的其它信息(如体重和运动类型等等)从预先大规模生产好的各种足部用品中选择出最适合某个特定个人的产品。经过这种方法选择出来的足部用品能保持正确足形，使得身体的重量能更好的由足底的各个部分来承担，最终能让使用者在站立、行走和跑动时足部更舒适，并提高足部的生物力学功能，效率和稳定性。
发明内容
上述目的是通过下列技术方案实现的:根据本发明提供的一种通过对足部进行三维形状测量来选择最适合的足部用品的系统和方法，其核心是一个能获取足部三维形状数据的光学三维形状测量单元。优选地，所述测量单元包括至少一个光学图案投影器和至少一个图像采集器。光学图案投影器用于把预先确定好的、有规则的单条直线，多条平行线或其他几何图案投射到足表面上。由于足表面是一个三维形状，投射到上面的原来有规则的图案就会出现变化，例如直线变成了斜线、曲线、另外线和线之间的距离也会发生变化等等。这些变化只是由足表面的三维形状特性来决定的，相同的图案投射到不同的三维曲面上而得到的图像是不同的。通过特殊的计算机图像处理技术就能得出代表该曲面三维形状的数字模型。其具体表现可以为已知空间X，Y和Z三坐标数值的三维空间点。这些点的集合，也称做点云数据。测量结果也可能是其他能准确描述三维物体表面形状的数据格式，例如以多边形构成的曲面数据格式等。获得了足部的三维数字模型后通过足部尺寸计算单元作进一步计算就可得到足长，足宽，足后跟宽度，足弓高度，足弓长度等足部尺寸。利用通过测量得到的足部尺寸外加经输入模块得到的使用者体重，生活和运动习惯，需要调整的角度、高度等信息后，最佳足部用品选择模块就能从大量预先生产好的不同材质和三维形状的足部用品中自动挑选出一款最适合的产品。这个挑选过程是由选择模块自动来完成的，但是可以通过试用来最终检验其有效性。
图1为足部三维形状测量单元的总体图；图2为利用足部三维形状系统来选择最佳足部用品的流程图；图3为足部三维形状测量单元部分测量头的内部结构图；图4为足部三维形状测量单元的测量结果例-足部三维点云数据图；图5为通过足部尺寸计算单元对足部三维点云数据计算得到的足部尺寸示意图；图6为本发明使用的足部用品的一个实例-人体工程学足垫斜视图；图7为本发明使用的足部用品的一个实例-人体工程学足垫三视图；图8人体工程学足垫大规模生产的一个规格表；图9为本发明使用的足垫和人体足部结构形状吻合的示意图；图10为使用本发明提供的足垫能确保最佳足形的一个示意图。
具体实施例方式下面结合附图对发明做进一步说明。本发明提供一种通过对足部进行光学三维形状测量来选择最适合的足部用品的系统和方法。图1为本发明的一个优选的实施例(10)，在可移动小推车(12)的最上面分别是一台电脑(30)，电脑显示器(40)和键盘鼠标(50)。在电脑的下面是固定在小推车立柱
(16)上的光学三维形状测量单元(20)。通过一个图中未标出的调节杆可以调整小推车台面(18)的高度，同时也可以调整光学三维形状测量单元(20)的高度。在光学三维形状测量单元上面有2个开孔分别用于图案的投影和图像的采集。需要测量的足(90)放置在一个支撑小腿的支架(14)上。测量时用于投影的图案从光学三维形状测量单元中投射到足的底面上，通过图像采集把变形了的图案拍摄下来。经过计算就可得出足部三维形状。优选地，小推车(12)上还可以配有一个用于存放足部用品的样品容器和用于给整个装置供电的电池(图中未示出)。三维形状测量单元(20)使用的计算机软件预先安装于电脑(30)中。在测量时按照图2所示步骤进行。步骤(100)通过由键盘和鼠标构成的输入单元来输入顾客的基本信息，例如姓名，性别，年龄，体重，鞋的种类和用途等。在步骤(110)中对顾客的左右足分别进行测量从而得到与其对应的足部三维数字模型。通过步骤(120)对测量得到的左右足的三维数字模型做进一步计算来得到左右足的各种尺寸，并在电脑显示屏
(40)上显示出来。步骤(130)是选择单元通过计算自动在库存的预先生产好的足部用品中挑选出最佳的产品，并把挑选的结果显示在以电脑显示屏为主的显示单元上。步骤(140)是给顾客提供一个试用机会，顾客通过试用后最终决定由此方法挑选得出的足部用品是否合适。图3所示为足部三维形状测量装置的测量单元(20)的一个优选的实施例。需要测量的足(90)位于测量单元的前方，在测量单元的内部有一个光学图案投影器(24)用于把预先设置好的图案投影到足(90)上。投影图案可以是单条直线，多条平行线或其他几何图案。足表面的三维形状会使投射上来的图案发生特定的变化，例如直线变成了斜线、曲线、另外线和线之间的距离也会发生变化等等。这些变化只是由足表面的三维形状特性引起的，相同的图案投射到不同的三维曲面上而得到的图像是不同的。光学图案投影器使用的光源可以是波长范围在400-700纳米的激光光源或任何颜色的普通光源，例如白色光源。另外投影图案可以由光学透镜产生，也可以预先制作在感光胶片或玻璃上。优选地，投影图案是由计算机生成并通过微显装置等数字投影技术投射的图案。在测量单元的内部还有一个图像采集器(22)，用于把投射到足表面上的图案采集成数字图像。通过计算机对采集得到的数字图像进行特定处理就可以获得足表面的三维形状。如图4所示，测量的直接结果可以是足的点云数据。图4中的每一个小黑点就代表一个已知X，Y和Z三坐标数值的三维空间点。每次测量可以得到30万个以上这样的点，这些点的集合就叫做点云数据，它能精确地表述被测曲面的三维形状。这个基于点云数据或其他能准确描述三维物体表面形状的数据就可以存贮起来。所述足部三维形状测量装置的计算机(30)的内部还安装有一个计算单元，用于从足部三维数字模型中自动计算出如图5所示的足部各种尺寸:足长(61)，内侧足弓长度(62)，外侧足弓长度(63)，足弓最高点位置(64)，足后跟宽度(65)，足长一半处的足宽(66)，足的宽度(67)等。这些尺寸的单位可以是毫米、英寸等长度单位。也可以足部三维数字模型中计算出足后跟升高角度、足后跟部平面和前脚掌部平面的交角等角度数值。图6为本发明使用的足部用品的一个具体实施例-人体工程学足垫(75)。区别于常见的呈二维平面形状，由柔软材料制成的鞋垫，人体工程学足垫的形状和使用者足底三维形状吻合，而且足垫本身具有一定刚性能够支撑人体的体重。图7为人体工程学足垫的三视图，从足垫(左足)的正视图(75A)中可以看出人体工程学足垫有一个用于支撑内侧足弓的突起部，这个足弓支撑部在足垫的侧视图(75C)中也能看到。俯视图(75B)描述了足垫的整体形状。人体工程学足垫能最大限度地确保使用者的足后跟垂直于地面，使足弓部保持一定高度并处于微微向前的运动状态，同时也能使得前脚掌部分和地面保持平行，让身体的重量能更好的由足底的各个部分来承担，提高足部的生物力学功能，效率和稳定性，让使用者在站立、行走和跑动时足部更舒适。相反完全由柔软材料制成的鞋垫只能被动地接纳和容忍足的不正常变形，其功效只是给足底提供一定缓冲作用。人体工程学足垫由于具有一定硬度所以能保持正确足形，防止足弓塌陷。另外对生物力学功效低下的足也能提供一定矫正作用。优选地，人体工程学足垫是一个由不同材料组成、并胶接在一起的多层结构体。其中包括一个硬质材料壳体，其材料可以是热塑性塑料或碳纤维复合材料。优选地，热塑性塑料是聚丙烯(polypropylene)、聚氯乙烯(polyvinylchloride)、聚酯合成纤维(polyethylene terephthalete)等类材料。对足弓的支撑主要是依靠这个硬质材料壳体来实现。在所述硬质材料壳体的上面可以有一层由柔软多微孔发泡材料制成的厚度为1-3毫米的缓冲减震层。优选地，所述缓冲减震层为乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(Ethylene-vinylAcetate)。本发明提供的人体工程学足垫是按照一定规格预先大规模生产出来的。由于每个人的体重，足的大小和足弓的高低都是不同的。为了能更好的吻合每个人的特定情况，图8提供了一个人体工程学足垫大规模生产的规格表。如图8所示，最合适的人体工程学足垫是根据使用者的体重和足弓的高低，以及足的其他尺寸来确定的。例如对于一个体重在65-75公斤之间，足弓高度在25-35毫米范围内的使用者来说，最适合的人体工程学足垫就是260号足垫。选择最适合足垫的过程是根据计算得到的足部尺寸和在步骤(100)输入的顾客信息由选择单元自动计算完成的。如图9所示，通过本发明提供的这种方法选择出来的最佳足垫(75)的形状(84)完全吻合足(90)的骨骼结构(82)。使用后就能最大限度地确保足部的正确形状，如图10所示。图1表述的实施例(10)只使用了一台光学三维形状测量模块，主要用于足底面的测量。本发明的另外一种实施例可以使用多台光学三维形状测量模块从不同角度同时测量足的表面，从而获得包括足部更多表面的三维数字模型。综上所述，以上仅为本发明的优选的实施例，对于本领域的技术人员应该理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以进行任何等同替换、修改或改进。
权利要求
1.一种通过对足部进行三维形状测量来从预先生产好的足部用品中选择最适合的一款足部用品的系统，其特征在于，包括:测量单元、计算单元、输入单元、选择单元和显示单元; 所述测量单元用于足部的光学三维形状测量，其测量结果为能准确代表足的三维形状的足部三维数字模型，并将测量结果传输给所述计算单元； 所述计算单元用于从足部三维数字模型来计算出用于描述足部三维形状细节的足部尺寸； 所述输入单元为计算机键盘、计算机鼠标或触摸屏等装置用于输入姓名、性别、年龄、体重、鞋的种类和用途等顾客信息； 所述选择单元用于依据测量得到的足部尺寸和输入的顾客信息从各种预先加工好的足部用品中选择出最合适的一款产品； 所述显示单元为计算机屏幕或电视屏幕用于显示足部三维数字模型、测量得到的足部尺寸和最适合足部用品等信息。
2.根据权利要求1所述的对足部进行三维形状测量来从预先生产好的足部用品中选择最适合的一款足部用品的系统，其特征在于，所述测量单元使用至少一个光学图案投影器和至少一个图像采集器，用于拍摄由所述光学图案投影器投射到足部表面的图像的。
3.根据权利要求2所述的光学图案投影器，其特征在于，使用波长范围在400-700纳米的激光或任何颜色的普通光来投影。
4.根据权利要求2所述的光学图案投影器，其特征在于，所投影的图案可以是一条或多条由光学透镜产生的直线图案，或预先在玻璃或感光胶片上成形的图案，或由计算机生成并通过微显装置 等数字投影技术生成的任何形态的数码图案。
5.根据权利要求1所述的对足部进行三维形状测量来从预先生产好的足部用品中选择最适合的一款足部用品的系统，其特征在于，由所述测量单元输出的足部三维数字模型可以是能准确地代表足部三维形状并已知X，Y和Z三坐标数值的三维空间点云数据，也可以是其他能准确描述三维物体表面形状的数据格式。
6.根据权利要求1所述的对足部进行三维形状测量来从预先生产好的足部用品中选择最适合的一款足部用品的系统，其特征在于，所述计算单元得出的足部尺寸为足长、足宽、足弓长度，足弓高度等可量化的、用于描述足部每个三维形状细节的距离和角度的数值，其单位可以是毫米、英寸等长度或角度单位。
7.根据权利要求1所述的对足部进行三维形状测量来从预先生产好的足部用品中选择最适合的一款足部用品的系统，其特征在于，所述足部用品为预先加工好的、和足底接触的表面呈三维形状的足垫和鞋类。
8.一种从预先生产好的足部用品中挑选最适合足部用品的方法，其特征在于，包括如下步骤: (a)对足部进行光学三维形状测量，来获取足部三维数字模型； (b)对测量得到的足部三维数字模型进行计算来获取用于描述足部三维形状细节的足部尺寸； (C)通过计算机键盘、计算机鼠标或触摸屏幕等输入手段来输入姓名、性别、年龄、体重、鞋的种类、用途等顾客信息；(d)结合步骤(b)得到的足部尺寸和步骤(C)输入的顾客信息，来自动选择最适合某个特定个人的足部用品； (e)由计算机屏幕或电视屏幕等显示手段来显示足部三维数字模型、足部尺寸、顾客信息和最佳足部用品编号等 目息。
9.根据权利要求8所述的挑选最适合足部用品的方法，其特征在于，测量得到的足部三维数字模型可以是能准确地代表足部的三维形状并已知X，Y和Z三坐标数值的三维空间点云数据，也可以是其他能准确描述三维物体表面形状的数据格式。
10.根据权利要求8所述的挑选最适合足部用品的方法，其特征在于，计算得出的足部尺寸为足长、足宽、足弓长度，足弓高度等可量化的、用于描述足部每个三维形状细节的距离和角度的数值，其单位可以是毫米、英寸等长度或角度单位。
11.根据权利要求8所述的挑选最适合足部用品的方法，其特征在于，所述足部用品为预先加工好的、和足底接触 的表面呈三维形状的足垫和鞋类。
全文摘要
本发明公开了一种通过对足部进行三维形状测量来选择最适合的足部用品的系统和方法，其目的是通过对足部进行光学三维形状测量来获取足部的三维数字模型，并进而得到足部的各种尺寸。利用测量得到的足部尺寸和顾客输入的其它信息从预先生产好的足部用品中挑选出最适合该顾客的一款产品。通过本发明提出的系统和方法来选择得到的足部用品能最大限度地保持正确的足形，使得身体的重量能更好的由足底的各个部分来承担，防止和矫正足弓塌陷，最终在提高足部的生物力学功能，效率和稳定性的同时也能让使用者在站立、行走和跑动时足部更舒适。
文档编号A43D1/00GK103099389SQ20121018752
公开日2013年5月15日 申请日期2012年6月8日 优先权日2011年11月9日
发明者李勇, 王可非, 赵寅鸿 申请人:李勇, 王可非, 赵寅鸿