基于标准化足部仿真机构的动态压力测试方法及装置

本发明涉及机械自动化压力采集领域，具体涉及一种基于标准化足部仿真机构的动态压力测试方法及装置。

背景技术：

1、目前用于测试足底压力分布的设备主要分为穿戴式压力传感器鞋垫、压力分布测试平板、足底压力跑台等三类。

2、针对穿戴式压力传感器鞋垫，市面上主流的几款产品，例如以美国为代表的tekscan等企业所用即为f-scan鞋垫测力系统，技术更为先进的德国novel则采用的是emed测力板与pedar鞋垫作为测力系统。当前多数系统都能够实现无线实时传输数据，使用起来非常便捷，不受硬件测试范围的约束，可以测量测试人员连续多步的压力数据。然而，这种测试方式往往受传感器数量过少的影响，精度有限，且压力传感器容易随使用频率增加而缩短使用寿命。

3、压力分布测试平板相较穿戴式压力传感器鞋垫系统主要优势是其传感器密集程度高、测试精度高、使用寿命长，但其劣势也较为明显。具体而言，大部分压力分布测试平板都有固定的规格，一般制鞋企业或研究机构使用的测试平板精度很高，在测试过程中测试人员可以同时测双脚，测试步道也可以检测运动过程的压力变化，但由于测试人员身体控制能力有限，往往很难自然地踩中测试平板的中间位置，这也造成了压力分布不均，数据不精准。

4、足底压力跑台集成了一套压力分布测量系统，能够测量和分析站立、跑步和步行时的动态压力分布情况，并且可以自由调节跑台的角度，实现不同速度与坡度下的步态检测。而唯一的不足是测试人员可能受限于跑台的速度不能真实地反映步态。因此，为尽量降低这种影响，需要测试人员者提前进行适应性训练学习。

5、目前制鞋企业基于足底压力分布测量大多采用单一类型的设备，受环境的影响，应用范围有限，在一定程度上很难准确表征测试人员足底压力数据信息。足部在不同运动姿势下各部位的受力和施力是不一致的，并且现有设备只能对足底压力分布进行测量，无法全面地掌握足面、足跟等三维空间的具体受力情形。在鞋企针对样鞋进行试穿评估的过程中，由于人体真实足部复杂的运动行为，不同的试穿员无法形成一套统一标准的样鞋试穿舒适度评价体系，且由于试穿员个体足部生理结构的不同，自身足部特征及对于样鞋试穿的感知舒适度也存在差异性。在大多数情况下，试穿员都是根据个人主观感受或以往经验去指导样鞋的鞋面及内容腔修改，其足部压力的强度也根据个体主观的感受调整施力，且由于试穿足部本身并不标准，难以将试穿员通过个体感知提出的鞋楦修改建议作为市场目标用户针对鞋子试穿舒适度的真实反馈，导致真人试穿员做样鞋评估的效果无法达到最佳。

6、因此，如何构建一种三维空间压力分布采集、无需真人试穿员的基于标准化足部仿真机构的动态压力测试方法及装置具有较高的研究意义。

技术实现思路

1、针对上述提到的技术问题。本技术的实施例的目的在于提出了一种基于标准化足部仿真机构的动态压力测试方法及装置，来解决以上背景技术部分提到的技术问题。

2、第一方面，本发明提供了一种基于标准化足部仿真机构的动态压力测试方法，包括以下步骤：

3、建立三维变换模型并训练，得到经训练的三维变换模型；

4、获取参考足部点云数据和n个目标足部点云数据，将参考足部点云数据作为源点云r＝{r1,...,rm}，目标足部点云数据作为目标点云sn＝{s1n,...,smn}，其中m表示点云中点的数量，源点云中点的数量与目标点云中点的数量相等，sn表示第n个目标点云，n＝1,...,n；将源点云r＝{r1,...,rm}输入经训练的三维变换模型，与目标点云sn＝{s1n,...,smn}进行配准，得到配准后点云

5、根据n个配准后点云计算得到标准化足部点云p＝{p1,...,pm}，对标准化足部点云p＝{p1,...,pm}进行重构网格得到标准化足部网格模型；

6、获取足部解剖结构数据和足部硬度分区数据，根据标准化足部网格模型、足部解剖结构数据和足部硬度分区数据进行浇筑得到标准化足部仿真机构；

7、获取在不同的运动状态下标准化足部仿真机构的压力数据，根据压力数据和参考足部点云数据生成三维压力分布图。

8、作为优选，建立三维变换模型并训练，得到经训练的三维变换模型，具体包括：

9、建立三维变换模型：

10、

11、其中，vi(ri)表示点ri变换后在目标点云sn＝{s1n,...,smn}上的坐标，ri＝(x,y,z)表示点ri在源点云r＝{r1,...,rm}上的坐标，a1i、a2i、a3i、a4i表示线性项系数，wj表示非线性项系数，j表示非线性项索引，u(rij)表示关于点ri到sin之间的距离rij的基函数；

12、建立损失函数，损失函数e的公式如下：

13、

14、其中，表示正则化项，γ表示正则化参数；

15、基于损失函数对三维变换模型进行训练，得到经训练的三维变换模型。

16、作为优选，根据n个配准后点云计算得到标准化足部点云p＝{p1,...,pm}，对标准化足部点云p＝{p1,...,pm}进行重构网格得到标准化足部网格模型，具体包括：

17、表示第n个配准后点云上第i个点的坐标，计算坐标总和：

18、

19、

20、

21、计算平均坐标：

22、

23、

24、

25、得到标准化足部点云p＝{p1,...,pm}上第i个点pi的坐标为

26、将点作为重构网格的顶点，计算沃罗诺伊图，并根据沃罗诺伊图结构构造出标准化足部三维点云p＝{p1,...,pm}中点pi之间的连接关系，得到标准化足部网格模型。

27、作为优选，获取足部解剖结构数据和足部硬度分区数据，具体包括：

28、获取足部的dicom二维切片数据；

29、根据dicom二维切片数据进行三维重建，得到足部解剖结构三维模型；

30、根据足部解剖结构三维模型对足部的骨骼区域和肌肉区域进行简化建模，得到足部解剖结构数据；

31、根据足部解剖结构数据对足部的肌肉区域进行划分得到若干子区域，并测量各子区域的硬度，得到足部硬度分区数据。

32、作为优选，标准化足部仿真机构的材质包括合金和硬度可调的硅胶。

33、作为优选，不同的运动状态包括慢走、快走、跳跃和跑步。

34、作为优选，标准化足部仿真机构的压力数据包括标准化足部仿真机构的脚趾、脚侧、脚背和脚底的压力数据。

35、第二方面，本发明提供了一种基于标准化足部仿真机构的动态压力测试装置，包括：

36、变换模型构建模块，被配置为建立三维变换模型并训练，得到经训练的三维变换模型；

37、点云配准模块，被配置为获取参考足部点云数据和n个目标足部点云数据，将参考足部点云数据作为源点云r＝{r1,...,rm}，目标足部点云数据作为目标点云sn＝{s1n,...,smn}，其中m表示点云中点的数量，源点云中点的数量与目标点云中点的数量相等，sn表示第n个目标点云，n＝1,...,n；将源点云r＝{r1,...,rm}输入经训练的三维变换模型，与目标点云sn＝{s1n,...,smn}进行配准，得到配准后点云

38、足部模型构建模块，被配置为根据n个配准后点云计算得到标准化足部点云p＝{p1,...,pm}，对标准化足部点云p＝{p1,...,pm}进行重构网格得到标准化足部网格模型；

39、实体构建模块，被配置为获取足部解剖结构数据和足部硬度分区数据，根据标准化足部网格模型、足部解剖结构数据和足部硬度分区数据进行浇筑得到标准化足部仿真机构；

40、压力数据采集模块，被配置为获取在不同的运动状态下标准化足部仿真机构的压力数据，根据压力数据和参考足部点云数据生成三维压力分布图。

41、第三方面，本发明提供了一种电子设备，包括一个或多个处理器；存储装置，用于存储一个或多个程序，当一个或多个程序被一个或多个处理器执行，使得一个或多个处理器实现如第一方面中任一实现方式描述的方法。

42、第四方面，本发明提供了一种基于标准化足部仿真机构的动态压力测试设备，包括标准化足部仿真机构、压力传感信号采集器、机械腿、跑步机、显示单元、电容式柔性薄膜压力传感器、控制单元、一个或多个处理器、存储器以及一个或多个程序，电容式柔性薄膜压力传感器贴合于标准化足部仿真机构，并与压力传感信号采集器连接，电容式柔性薄膜压力传感器用于采集标准化足部仿真机构上的压力传感信号并传输给压力传感信号采集器；压力传感信号采集器与处理器和/或存储器连接，压力传感信号采集器用于将压力数据传输到与处理器和/或存储器；标准化足部仿真机构与机械腿的一端连接，机械腿的另一端固定在跑步机上；机械腿、跑步机和显示单元分别与控制单元连接，控制单元用于控制机械腿带动标准化足部仿真机构在跑步机上进行运动、控制跑步机的速度，其中，一个或多个程序被存储在存储器中，并且被配置为由一个或多个处理器执行，一个或多个程序用于执行如第一方面中任一项的方法生成在不同运动状态下所对应的三维压力分布图并将其传输到显示单元，显示单元用于显示三维压力分布图。

43、第五方面，本发明提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如第一方面中任一实现方式描述的方法。

44、相比于现有技术，本发明具有以下有益效果：

45、(1)本发明提出的基于标准化足部仿真机构的动态压力测试方法所采用的标准化足部仿真机构是基于标准化足部网格模型、足部解剖结构数据和足部硬度分区数据构建的，不仅与市场目标用户的足部具有更好的适配性，而且避免了样鞋真人试穿员的主观感受、足部形态多样性造成的测试误差问题，提高足部压力测试数据的精确性、有效性，为足部压力测试数据和样鞋试穿评价实现标准化提供可行方案，为制鞋企业在样鞋试穿过程中制定具有针对性的鞋楦修改方案提供可靠的数据支持，解决了足部压力数据不精准、压力分布不均、测试装置需提前适应、真人试穿员的主观感受对测试结果产生的差异化评价的问题。

46、(2)本发明提出的基于标准化足部仿真机构的动态压力测试方法采用电容式柔性薄膜压力传感器贴在标准化足部仿真机构上，采集标准化足部仿真机构的全足的测量点的压力传感信号，包括脚趾、脚侧、脚背和脚底的多个测量点的压力数据，可以精准地反馈足部不同区域的压力数据，克服了足部压力数据采集中仅采集足底压力的数据采集局限性，完善了足部压力数据的结构。

47、(3)本发明提出的基于标准化足部仿真机构的动态压力测试方法无需真人试穿员，通过机械腿带动标准化足部仿真机构进行运动，模拟人的足部运动，采集不同的运动状态下标准化足部仿真机构的压力传感信号，提高足部压力测试数据的精确性，便于制鞋企业制造符合市场目标用户健康需求、穿着更为舒适的鞋。