基于制鞋DIY互聯網定制的3D腳型數據采集

陳華蘊 李西兵 岳鑫 徐晨 楊杰 張巧芬

（1.福建農林大學機電工程學院，福建福州350002；2.廣東瑞州科技有限公司，廣東佛山528251）

人腳的生理構造雖然是大同小異，但是每個人的腳型尺寸卻是千差萬別的。因此作為對于定制鞋行業以及制鞋研究人員必須充分了解腳型的特點以及其變化規律。通過腳型數據分析可以找到適合腳型規律以及穿著舒適的鞋楦尺寸，進而設計出適合不同人穿著的鞋靴。

上世紀60年代我國曾經開展過兩次全國性的腳型調查，采用人工測量方法測量和分析了25萬人的腳型，為我國鞋楦設計、鞋號制定奠定了十分重要的基礎。雖然人工測量技術投資少、方便靈活，但是存在效率低、誤差高、重復再現性差等缺點。三維腳型測量技術具有高效、準確、重復性好的特點，因此，隨著三維腳型測量技術的發展，人工測量將逐漸被取代。

目前三維腳型測量技術基本包含相機掃描腳型測量技術以及激光掃描腳型測量技術，這兩種掃描技術均具有一下優點：掃描速度快、測量腳型尺寸便捷。通過掃描可以獲得樣本腳型的基本數據，

同時可以獲得腳型的投影圖，這些尺寸為腳型規律分析和研究提供了數據基礎。但是相機掃描腳型測量技術具有精度不高的不足，相機掃描得到的數據不夠精確，致使制作出來的鞋靴會有不舒適的情況出現。

廣東瑞州科技有限公司不僅開發了腳型統計軟件，同時還對腳型統計相關硬件進行研制，瑞洲科技有限公司設計研制的3d腳型掃描系統是利用激光掃描技術對腳型進行數據測量和統計，具有一般激光掃描腳型測量技術的優點，同時還在硬件方面有以下優點：全光路閉合系統，8視角全方位掃描、對腳（光腳或穿襪）、楦、石膏模型均能進行掃描測量、智能化一鍵式觸控操作：系統操作簡易，一鍵式掃描，無需人工干預，文件自動保存，非接觸式激光掃描，對人體及眼睛無任何傷害，是目前行業內體積最小、質量最輕的一款設備，方便運輸與攜帶；在軟件方面具有支持微信公眾號接入、客戶信息云端管理、可對腳型內外翻和足弓變形進行評測、直接生成STL三角網格數據、數據可直接用于3D打印：掃描數據可以導入3D打印機，直接打印樣品、支持SQL數據庫、云端自動選鞋及定制化服務功能、滿足女性高跟鞋定制需求：可增高腳后跟后進行腳部掃描，采集足部形變后參數，用于高跟鞋的選購及定制等優點。

1 腳型測量技術及方法

1.1 人工腳型測量

圖1 3D腳型掃描儀

圖2 三維腳型掃描

圖3 各種腳型圖

表1 3D腳型掃描系統

人工腳型測量的工具主要包括：布帶尺、鋼卷尺、劃筆、量高儀、踏腳印器和量腳卡尺。從測量方法上又分為直接法和間接法。直接發比較簡單，首先用筆在腳的特征部位上標出有關測量點，利用布帶尺、量高儀等工具可以直接測量出腳的各個有關數據。間接法利用腳印器踏出腳印并繪制出腳的輪廓線，然后進行測量分析，這種方法較直接法復雜，但是可以獲得更多的研究分析腳型特點和變化規律的科學依據。

人工腳型測量優點是設備投資少、操作步驟簡單、靈活性強、方便攜帶，缺點是工作效率低、勞動強度大、測量者之間誤差大、同時難以獲得腳部整體的數據信息，也不能對腳的截面形態進行數據采集，無法進行更深層次的研究。

1.2 3D相機腳型掃描系統測量

3d相機腳型掃描系統主要是通過相機拍攝，利用計算機輔助分析后得到腳型的截面和投影圖，并得到腳型數據。

3d相機腳型掃描系統測量優點是掃描速度較人工測量快，測量腳型數據誤差較人工測量小、工作效率高，缺點是掃描精度不足、會產生空間重疊等問題。

1.3 3D激光腳型掃描系統測量

在計算機、光學等學科發展的帶動下，3D激光腳型掃描測量作為近年來興起的一門測量技術受到越來越多的重視。3d激光腳型掃描測量基于激光掃描，在三維坐標系中，根據測量精度的需要，使用可移動激光發生裝置，按一定頻率從一個或多個激光源發射激光線，通過光傳感器和距離傳感器獲取腳部尺寸并傳輸至計算機中。3D激光腳型掃描系統測量具有快速、高效、準確、重復性好、采集的數據全面等特點。

廣東瑞州科技有限公司自主研發的3d腳型掃描系統，軟件和硬件均有瑞州科技有限公司自主設計研制，其型號以及相關數據如表1所示。

由瑞州科技有限公司研發的LSF-350型號3D腳型測量儀器相較于現有的其他3D腳型測量儀器具有重量輕、可對腳型內外翻和足弓變形進行評測、可以連接微信發送報表、直接生成STL三角網格數據等多處優點，具有了其他3D腳型測量儀器所不可比擬的優勢。

2 3D腳型數據掃描

2.1 3D腳型掃描儀結構原理

3D腳型掃描儀外觀如圖1所示，在掃描儀的底部裝有兩個激光束發射器組成一個穩定可靠的光路系統，在掃描儀的兩側裝有光傳感器以及距離傳感器，在掃描儀中間有一個有機玻璃支架供受測者站立，通過一個步進電機、導螺桿和350 mm行程的滑行片，從腳尖到腳跟進行掃描，同時還配有一個供校準的標準圓柱。

2.2 掃描方法

首先，把掃描儀放在一個沒有強光直射的屋子里，通過調整掃描儀底部的4個螺絲使其水平。接通電源，然后利用標準圓柱校準掃描儀，測量時，受測腳站立在掃描儀內的有機玻璃上，另一只腳站立在掃描儀旁的支架上，使得與受測腳水平，此儀器采用站立測量。

2.3 掃描數據分析

受測腳站在有機玻璃支撐班上，在數秒鐘內即可獲取三維腳型掃描界面圖，掃描情況如圖2所示，基本包括整個腳型的有關數據。

2.3.1 腳型基本數據分析

掃描完畢后可以直接讀取包括腳長、拓圍、腳腕維度等在內的35個腳型數據，精度高達0.1 mm。

下面對幾個基本腳型數據作補充說明。

（1）腳的長度：腳長在我國定義上是取腳前后最突出點的直線距離。腳長是確定鞋尺碼的主要依據。

（2）拓趾圍長：我國拓趾圍長定義為圍繞拓趾關節突出點測量出來的圍長，又稱拓圍。拓圍位于腳的最寬處，因此是決定腳肥瘦的主要標志，也是鞋楦設計最重要的尺寸之一。

（3）前跗骨圍長：圍繞腳的前跗骨突出點的圍長，簡稱跗圍。若跗圍不合適，會造成壓腳、不跟腳等現象產生。

2.3.2 腳型截面分析

腳的形狀是不規則的幾何體，僅僅靠各個特征部位的圍長來確定鞋楦各部位的肉體安排是遠遠不夠的。比如相同尺寸的拓趾圍長，其拓趾處橫截面形狀相差很大，有的寬而扁，有的窄而厚，因此腳型橫截面是鞋靴設計的一個重要參數。利用3D腳型掃描儀獲得的腳型截面數據以便于在設計鞋靴時要控制好鞋楦拓趾部位的高度和寬度，這些都會影響到鞋靴穿著的舒適性。

2.3.3 腳型投影圖分析

通過3D腳型掃描儀可以采集到樣本的腳型投影圖，每個人的腳型投影圖都有其特點，但歸納起來有以下幾種情況，如圖3所示。

正常腳的腳型投影特點是前掌部分比腳跟部稍大，整個投影圖比較正常，拓趾部位的關節沒有突出也沒有多余的肉體。正常腳型是鞋楦底設計的主要參考數據，但非正常腳存在一定的比例，約占17%左右，因此完全按照正常腳型尺寸設計鞋靴必然會引起部分人穿著不舒服。這就要求研究人員和設計人員加強對腳型規律的研究分析，從鞋楦設計、制鞋工藝上多考慮非正常腳型的規律和要求，盡可能的滿足更多人的穿著需要，提高鞋靴的適腳率。

3 結論與應用前景

從本文論述的人體腳型的測量方法及特點可以看出，瑞州科技有限公司開發的3D腳型掃描技術具有可靠、精確、全面等優點，同時也具有重量輕、可以連接微信發送報表等特點，通過對比人工測量和一般3D腳型掃描技術，例如3d相機掃描技術，3D腳型掃描技術具有突出的優勢，可以獲取腳型全方位數據、腳型投影圖等在內的腳型數據，利用此技術可以加快和完善腳型平面、三維數據庫建設。通過建立腳型數據庫可以實現數據共享，利用網絡可以實現鞋靴研究單位及制鞋企業之間的互聯互通，為鞋靴研究工作提供數據基礎，為企業生產提供理論支持。

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