辅具的设计方法及设计辅具的电子系统与流程

本发明涉及一种产品设计与制作技术，且特别是涉及一种辅具的设计方法及设计辅具的电子系统。

背景技术：

人员在四肢受伤的时候便会影响到行动，此时通常采用一些设备(如，石膏、拐杖、护具、义肢…等)来进行辅助，此种设备称为是辅具(assistivedevice)。依据功能性区分的话，辅具可包括行动辅具(如，轮椅、矫正鞋、助行器、拐杖)、协助肢体功能的辅具(如，手部或腿部义肢、握笔器、特制汤匙)、生活辅具(安全警铃、爬梯器)、治疗用或固定用辅具(石膏、背架、护腰、护膝、颈圈、护枕)…等。较为常见也常为消费者使用的护具通常是与肢体活动相关的辅具，例如肢体的护具、助行器、义肢、石膏等。

一般来说，用于固定肢体的辅具通常是由有经验的医生或医疗人员以石膏、模具或相关物件制成，但此种以石膏制成的护具将导致十分差的用户体验。例如，因石膏在冷却后即硬化，导致使用者的皮肤在接触石膏时将十分不舒服；在制作以石膏为主体的护具时将产生高温；无法改变材质或结构来实现客制化…等。另一方面，也可采取固定尺寸的方式生产辅具，但这种辅具无法对使用者的肢体提供完美的支撑性、造型弹性及舒适性。此外，统一生产的辅具的材质与其结构无法针对使用者的需求进行调整或变更。

技术实现要素：

本发明提供一种辅具的设计方法及设计辅具的电子系统，可快速地建立用于实现辅具的立体肢体数字模型，让辅具的结构更为轻便兼顾的同时还能实现辅具的客制化生产，缩短辅具的生产周期。

本发明实施例的辅具的设计方法适用于包括处理器的电子装置。所述设计方法包括：获得肢体部位的点云数据；依据所述点云数据而设定多个参考截面，其中每一所述参考截面分别依据所述点云数据中的多个骨头突起特征点来定义，其中所述多个骨头突起特征点分别对应于所述肢体部位的多个骨头突起处；依据所述多个参考截面建立辅具的初始数字模型；以及，依据所述初始数字模型以及设计限制进行结构模拟分析，从而获得所述辅具的成品数字模型。

本发明实施例所述的设计辅具的电子系统包括立体扫描机台以及电子装置。立体扫描机台扫描肢体部位产生点云数据。电子装置包括处理器，且所述电子装置耦接所述立体扫描机台。处理器通过所述立体扫描机台获得所述肢体部位的所述点云数据。所述处理器依据所述点云数据设定多个参考截面，其中每一所述参考截面分别依据所述点云数据中的多个骨头突起特征点来定义，其中所述多个骨头突起特征点分别对应于所述肢体部位的多个骨头突起处。所述处理器依据所述参考截面建立辅具的初始数字模型，且依据所述初始数字模型以及设计限制进行结构模拟分析，从而获得所述辅具的成品数字模型。

本发明实施例所述的辅具的设计方法适用于包括处理器以及显示器的电子装置。所述设计方法包括：通过所述处理器以获得肢体部位的点云数据，并通过所述显示器呈现所述点云数据；通过由所述处理器执行的使用者界面以依据所述点云数据设定多个参考截面，其中每一所述多个参考截面分别依据所述点云数据中的多个骨头突起特征点来定义，其中所述多个骨头突起特征点分别对应于所述肢体部位的多个骨头突起处；通过所述处理器以依据所述多个参考截面建立辅具的初始数字模型；以及，通过所述处理器以依据所述初始数字模型以及设计限制进行结构模拟分析，从而获得所述辅具的成品数字模型。

基于上述，本发明实施例的辅具的设计方法及设计辅具的电子系统在获得肢体部位的点云数据后，通过点云数据中的骨头突起处作为参考点的选取规则以从点云信息中选取特定的多个骨头突起特征点，并通过这些骨头突起特征点定义出具代表性的参考截面以及护具参考点，并利用这些参考截面与护具参考点建立护具的初始数字模型。由此，便可利用点云数据快速地建立用于实现辅具的立体肢体数字模型。此外，本发明实施例来通过电脑辅助工程工具以对初始数字模型进行结构模拟分析，从而让辅具的结构更为轻便兼顾的同时还能实现辅具的客制化生产，缩短辅具的生产周期。

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附的附图作详细说明如下。

附图说明

图1是本发明实施例的一种设计辅具的电子系统的方块图；

图2是本发明实施例的一种辅具的设计方法的流程图；

图3为手部部位的点云数据及参考截面的示意图；

图4a～图4b为右手手部部位的点云数据以及参考截面的示意图；

图5a～图5b为右手手部部位的点云数据以及参考截面的示意图；

图6为右手手部部位的点云数据以及参考截面的示意图；

图7为右手手部部位的点云数据以及辅具的示意图。

符号说明

100：设计辅具的电子系统

110：立体扫描机台

120：电子装置

122：处理器

124：显示器

130：立体打印机台

s210～s270：步骤

300：点云数据

700：辅具

g1：第一参考截面

g2：第二参考截面

g3：第三参考截面

g4：第四参考截面

a1～a4、b1～b4、c1～c4、d1～d4：护具参考点

x：x轴方向

y：y轴方向

z：z轴方向

da：手臂方向/手部轴线方向

pl1：第一平面

pl2：第二平面

pl3：第三平面

pl4：第四平面

pl5：第五平面

eg1、eg2：边线

pb1、pa1、pa2、pa3、pa4：骨头突起特征点

pb1’、pa1’、pa2’、pa3’、pa4’：骨头突起处

l1：第一截面线段

l2：第二截面线段

le1：第一边线线段

ll2：第二边线线段

le2：第三边线线段

pc：虎口交点

pc1：第二点

dd1：第一偏移距离

dd2：第二偏移距离

dd3：第三偏移距离

da1：大拇指的指向方向

具体实施方式

图1是依照本发明实施例的一种设计辅具的电子系统100的方块图。如图1所示，电子系统100主要包括立体扫描机台110以及电子装置120。电子装置120主要包括处理器122以及显示器124。立体扫描机台110用以扫描使用者的肢体部位而产生肢体部位的点云数据。例如，使用者可将手部部位或脚部部位置入立体扫描机台110的扫描区域中，让立体扫描机台110得以通过立体扫描技术来获得点云数据。

处理器122例如是中央处理单元(centralprocessingunit；cpu)、可编程的微处理器(microprocessor)、嵌入式控制芯片、数字信号处理器(digitalsignalprocessor，dsp)、特殊应用集成电路(applicationspecificintegratedcircuits，asic)或其他类似装置。显示器124可用来显示电子装置120所接收到的点云数据以及由处理器122所执行的使用者界面。本实施例的『使用者界面』可通过视窗方式呈现，每个视窗呈现不同的信息(如，呈现从不同视角观看的点云信息、辅具的数字模型…等)。处理器122可利用本发明实施例所述的设计方法来通过使用者界面迅速地从点云信息中挑选出骨头突起特征点，并利用这些骨头突起特征点来建立护具的初始数字模型。然后，处理器122利用初始数字模型进行结构模拟分析以获得辅具的成品数字模型，从而让护具的成品数字模型能够避开肢体部位的骨头突起处，并在护具获得较佳的支撑力的同时也可具备舒适度。

立体打印机台130耦接电子装置122。立体打印机台130依据辅具的成品数字模型来产生辅具。由于经由结构模拟分析后的成品数字模型的结构将可能不同于以往的辅具结构，因此本发明实施例建议可采用立体打印技术来实现辅具的生产。另外，立体打印技术可迅速地将辅具从成品数字模型呈现为实体产品，能够为缩短客制化辅具的生产周期。

图2是依照本发明实施例的一种辅具的设计方法的流程图。请同时参照图1及图2，本实施例的辅具的设计方法适用于包括处理器122的电子装置120。在步骤s210中，处理器122获得肢体部位的点云数据。点云数据是从立体扫描机台110通过扫描使用者的肢体部位所产生。本实施例以手部部位作为本发明实施例的『肢体部位』的范例。

在步骤s220中，处理器122依据点云数据而设定多个参考截面。每一所述多个参考截面分别依据点云数据中的多个骨头突起特征点来定义，而这些骨头突起特征点分别对应于肢体部位的多个骨头突起处(例如，手部中各个手指根部的骨头突起处、手部中手腕背面的骨头凸起处、脚部脚腕的骨头突起处…等)。这些骨头突起特征点位于点云数据当中。图3为手部部位的点云数据300及参考截面g1～g4的示意图。请参照图3，若要以客制化方式制作手部部位的辅具的话，本实施例会在点云数据300中挑选多个骨头突起特征点，并利用这些骨头突起特征点来定义对于辅具的参考截面(如，图3所示的4个参考截面g1～g4)。图3还具备x轴、y轴及x轴的方向指示，用于表明点云数据300的方向。以骨头突起处作为护具参考点的话，则可提升使用者在穿戴辅具时的舒适度，避免骨头受到护具的挤压。下述实施例中将会说明如何以骨头突起特征点来定义辅具的参考截面g1～g4。

回到图2，在步骤s230中，处理器122依据这些参考截面g1～g4来建立辅具的初始数字模型。基于辅具需要将肢体置入的需求，初始数字模型中的各个边界可由曲线呈现，也就是说，初始数字模型为以曲线呈现的参考模型。在步骤s240中，处理器122可获得辅具所需的公差数据(如，本实施例的公差数据为1毫米(mm))。上述公差数据可从外部输入(如，使用者输入、通过具经验的辅具设计师来设定)，也可为电子装置120当中的预设参数。在步骤s250中，处理器122可获得辅具所需的设计限制。本发明实施例所述的『设计限制』可以是辅具的结构强度、重量、材质…等参数中的至少其中之一或其组合。换句话说，『设计限制』也可以称作是设计规范，应用本实施例者可依据使用者的需求来将与辅具相关的参数输入，从而更易于进行后续以电子装置进行运算及执行的『结构模拟分析』。

在步骤s260中，处理器122依据初始数字模型以及设计限制进行结构模拟分析，从而获得辅具的成品数字模型。详细来说，在步骤s261中，处理器122通过电脑辅助工程(cae)工具以依据初始数字模型以及步骤s240与步骤s250输入的设计限制进行所述结构模拟分析，以产生参数化辅具数字模型。参数化辅具数字模型也可称为是有限元件方法(finiteelementmethod；fem)模型。本发明实施例利用结构演算法来对护具进行结构的强度进行模拟分析，用于产生具备足够支撑力的护具数字模型。本发明实施例利用切割网格的方式来形成fem模型。

在步骤s262中，处理器122判断参数化辅具数字模型是否确实符合步骤s250中的设计限制。当参数化辅具数字模型不符合设计限制时，便从步骤s262进入步骤s263，处理器122修正参数化辅具数字模型。上述的『修正』可以是应用本实施例者通过手动方式或通过处理器122查表的自动方式、通过医师或具经验的辅具设计师的经验法则来适度地调整与建构辅具中的部分结构及参数，例如，调整结构强度的相关系数、调整所采用的材质…等。当经过步骤s263的『修正』后，处理器122便从步骤s263回到步骤s261以通过电脑辅助工程工具进行结构模拟分析，以产生修正参数化辅具数字模型。

另一方面，当步骤s261所产生的参数化辅具数字模型或修正参数化辅具数字模型符合所述设计限制时，便从步骤s262进入步骤s264，处理器122将符合设计限制的参数化辅具数字模型或上述的修正参数化辅具数字模型作为辅具的成品数字模型。如此一来，从步骤s210至步骤s260的流程中即可利用肢体部位的骨头突起处来实现『快速地建立客制化辅具的立体肢体数字模型』。在步骤s270中，立体打印机台130便依据所述成品数字模型来产生辅具，且对辅具表面进行处理(如，抛光)，从而迅速地将辅具产品化以及实现自动化生产。本发明实施例通过点云数据以及结构演算法进行建模，因辅具的结构经结构演算法计算后通常会呈现出特殊的型态，因此本发明实施例较常以立体打印技术作为输出主要技术，从而获得较佳的支撑力且同时具备舒适度。

在此将会说明如何以骨头突起特征点来定义辅具的参考截面g1～g4以及护具参考点a1～a4、b1～b4、c1～c4及d1～d4。『护具参考点』的用意在于在护具的初始数字模型中标定出相对应的参考截面。本实施例中每个参考截面皆有相对应的4个护具参考点。图4a～图4b为右手手部部位的点云数据300以及参考截面g1、g2的示意图。图4a绘示出点云数据300，图4b绘示出右手手部部位的参考图。参考截面g1是由以下流程而定义形成。首先，从点云数据300中挑选出手部部位(图4a～图4b中为右手部位)中位于手腕背面的骨头突起处pb1’所对应的参考点作为第一骨头突起特征点pb1。为方便说明，图4b绘示右手手部部位中骨头突起处pb1’的位置。然后，从通过第一骨头突起特征点pb1的第一平面pl1与右手手部部位的点云数据300相交处(如，第一参考截面g1)挑选出多个第一护具参考点a1、a2、a3及a4。第一平面pl1对应于手部部位的剖面。这些第一护具参考点a1～a4可用以表示第一参考截面g1。本实施例挑选位于截面g1(第一参考截面g1)最左边的点a1、最右边的点a2、位于手背的最上方的点a3以及位于手腕的最下方的点a4来作为这些第一护具参考点。第一平面pl1将垂直于手臂方向da。本实施例所述的手臂方向da(或称，手部轴线方向)可由手臂的两个边线(如，边线eg1、eg2)来判定。手臂方向也可由上述两个边线eg1、eg2的中间线来判定。

参考截面g2是由以下流程而定义形成。本实施例依据医生的指示、建议或经验法则以将第一平面pl1沿着手部部位的手臂方向da的相反方向平移第一偏移距离dd1以获得第二平面pl2。然后，从第二平面pl2与手部部位的点云数据300相交处(如，第二参考截面g2)中挑选出多个第二护具参考点b1～b4。这些第二护具参考点b1～b4用以代表第二参考截面g2。判断第二参考截面g2的用意在于，此辅具的保护部位是否包含手腕及手臂。若于此辅具需要保护到手臂，则第一偏移距离dd1的数值则会较大；若于此辅具不需要保护到手臂而仅在手腕部分，则第一偏移距离dd1的数值则会较小。

图5a～图5b为右手手部部位的点云数据300以及参考截面g3的示意图。图5a绘示出点云数据300，图5b绘示出右手手部部位的参考图。首先，从点云数据300中挑选出多个第三骨头突起特征点pa1～pa4，这些第三骨头突起特征点分别对应于食指、中指、无名指及小指关节的骨头突起处pa1’、pa2’、pa3’及pa4’(骨头突起处pa1’、pa2’、pa3’及pa4’的实际位置如图5b中手部部分标记点所示)。处理器将依据这些第三骨头突起特征点pa1～pa4计算第一截面线段l1，使得此第一截面线段l1与每个第三骨头突起特征点pa1～pa4之间的最短距离的和为最小。然后，依据医生的指示、建议或经验法则以将第一截面线段l1平移第二偏移距离dd2以形成第二截面线段l2。然后，以第二截面线段l2形成第三平面pl3，此第三平面pl3对应于手部部位的剖面。并且，在第三平面pl3与点云模型300相交处(第三参考截面g3)挑选出多个第三护具参考点c1～c4。这些第三护具参考点c1～c4用以代表第三参考截面g3。第二偏移距离dd2可由医师或具经验的设计师来调整其数值，以增加使用者的舒适度或特别强化部分区域的固定程度。

图6为右手手部部位的点云数据300以及参考截面g4的示意图。首先，将第一边线线段le1与第二边线线段ll2延伸以获得交点pc。第一边线线段le1对应于手部部位的大拇指邻食指侧的轮廓。第二边线线段l2对应于食指邻大拇指侧的轮廓。交点pc对应于手部部位的虎口处。然后，将交点pc投影至第三边缘线段le2上以形成第一点pc1。第三边线线段le2对应于手部部位的大拇指、不邻食指侧的轮廓，且第三边线线段le2经过大拇指处的骨头突起处所形成的第二骨头突起特征点。然后，获得通过交点pc及第一点pc1的第四平面pl4，且将第四平面pl4朝向大拇指的指向方向da1抬升第三偏移距离dd3以获得第五平面pl5。最后，从第五平面pl5与手部部位的点云模型300相交处(第四参考截面g4)中挑选出多个第四护具参考点d1～d4。这些第四护具参考点d1～d4用以代表第四参考截面g4。

由此，本发明实施例便可在图2的步骤s230中利用多个第一护具参考点a1～a4、多个第二护具参考点b1～b4、多个第三护具参考点c1～c4、及多个第四护具参考点d1～d4来建立初始数字模型，进而续行后续步骤s240至步骤s270。

图7为右手手部部位的点云数据300以及辅具700的示意图。经本发明实施例设计出的辅具700将会有效地闪躲或强化骨头突起处与辅具之间的距离，让骨头突起处不易与辅具接触或摩擦而导致不舒适。

综上所述，本发明实施例的辅具的设计方法及设计辅具的电子系统在获得肢体部位的点云数据后，通过点云数据中的骨头突起处作为参考点的选取规则以从点云信息中选取特定的多个骨头突起特征点，并通过这些骨头突起特征点定义出具代表性的参考截面以及护具参考点，并利用这些参考截面与护具参考点建立护具的初始数字模型。由此，便可利用点云数据快速地建立用于实现辅具的立体肢体数字模型。此外，本发明实施例来通过电脑辅助工程工具以对初始数字模型进行结构模拟分析，从而让辅具的结构更为轻便兼顾的同时还能实现辅具的客制化生产，缩短辅具的生产周期。

虽然结合以上实施例公开了本发明，然而其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围应当以附上的权利要求所界定的为准。