一种基于三维足形与足底压力分布的定制鞋垫设计方法

本发明属于医疗康复鞋垫设计，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：

1、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。

2、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。

技术实现思路

1、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。

2、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：

3、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：

4、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；

5、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；

6、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；

7、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；

8、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；

9、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；

10、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；

11、步骤八，基于所述多孔结构鞋垫网格模型设计定制鞋垫。

12、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。

13、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。

14、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。

15、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：

16、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；

17、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；

18、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；

19、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。

20、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。

21、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：

22、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；

23、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；

24、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。

25、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：

26、第一步，计算鞋垫模型的最小包围盒作为边界条件；

27、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；

28、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；

29、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。

30、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。

31、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。

32、相比较现有技术而言，本发明具有以下有益效果：

33、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；

34、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；

35、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；

36、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。