三维足部激光扫描仪的制作方法

本实用新型涉及足部扫描仪技术领域，特别是指一种三维足部激光扫描仪。

背景技术：

鞋，是人们日常生活无法缺少的一个重要“工具”，而制鞋业是一个传统的劳动密集型行业，长久以来，鞋的设计和制作都是靠手工和经验，缺乏精确的计算。但是随着科学技术的飞速发展，尤其是计算机辅助设计和机械自动化的快速发展，使得制鞋业由传统的手工业向现代化的计算机辅助及机械化自动制鞋方向变革。鞋样设计软件、鞋楦设计软件、三维激光扫描仪及自动鞋楦机等软件和机器现已经广泛使用。

在整个鞋类自动化设计制造流程中，使用足部扫描仪获取人的足部三维信息是至关重要的一环。只有准确而快速地获取到足部的三维数据，才能准确地得到足部的各项特征及参数，其后的鞋楦设计及制造等工序才能顺利完成，而制作出来的鞋也会更加适合使用者。尤其是近年来，客户定制成为制鞋业新的发展方向，于是制造一台精确、实用和便宜的三维足部扫描仪就显得尤为重要。

虽然现在的激光和红外光源的非接触技术相对成熟，且已经有不少包括国内外的公司推出了基于激光的三维足部扫描仪。但是传统的激光的三维扫描仪需要来回移动扫描脚部，耗时且影响精度；同时传统激光扫描仪的造价相对较高，一台三维激光足部扫描仪的价格通常在几十万人民币。这样高价的足部扫描仪无疑大大增加了为客户度身定制鞋子的成本，制约了制鞋业的发展。此外，现有足部扫描仪，集成度低，体积较大，不便于携带和移动，灵活性低。

技术实现要素：

针对上述背景技术中的不足，本实用新型提出一种三维足部激光扫描仪，解决了现有技术中足部扫描仪耗时且测量精度低、集成度和灵活性低，工作效率不高的问题。

本实用新型的技术方案是这样实现的：一种三维足部激光扫描仪，包括相互连接的机电系统、光学系统和数据处理系统；所述机电系统包括底座和与底座相配合的壳体，底座上设有与第一电机相连接的支撑座，支撑座的左侧设有左光机模组，支撑座的右侧设有右光机模组，支撑座的中部设有下光机模组，左光机模组和右光机模组对称设置在支撑座上；壳体的前侧面与后侧面之间设有玻璃平台，玻璃平台位于左光机模组和右光机模组之间且位于下光机模组的正上方，玻璃平台的上方设有与光学系统和数据处理系统相连接的液晶显示屏；所述光学系统包括与数据处理系统相连接的光路组件，光路组件分别安装在左光机模组、右光机模组和下光机模组上，所述光路组件包括激光器、CCD摄像机和反射镜。

所述数据处理系统包括分别安装在底座上的主控计算机、驱动器、图像识别模块、畸变差更正模块和三维建模模块；主控计算机分别与驱动器、图像识别模块、畸变差更正模块和三维建模模块、液晶显示屏相连接，驱动器的输出端与第一电机相连接，数据处理系统与安装在底座上的电源相连接。

所述左光机模组和右光机模组均包括上支撑板和下支撑板，上支撑板和下支撑板分别通过摄像头支架、激光器支架和连接板相连接，摄像头支架上安装有CCD摄像机，激光器支架上安装有激光器。

所述上支撑板上设有四个上固定台，下支撑板上设有四个下固定台，上固定台与下固定台一一对应；上固定台与下固定台上均活动设有用于固定反射镜的第一固定块，反射镜的上端通过第一固定块与上固定台相连接，反射镜的下端通过第一固定块与下固定台相连接。

所述上固定台包括第一上固定台、第二上固定台、第三上固定台和第四上固定台，下支撑板上的四个下固定台分别与第一上固定台、第二上固定台、第三上固定台、第四上固定台相对应；第一上固定台位于上支撑板的前端，第三上固定台位于上支撑板的外侧，第二上固定台和第四上固定台均位于上支撑板的内侧，且第二上固定台位于第四上固定台的前方；第三上固定台上的反光镜与安装在激光器支架上的激光器相对应，第一上固定台的反光镜和第二上固定台的反光镜均与安装在摄像头支架上的CCD摄像机相对应，第四上固定台上的反光镜与第二上固定台的反光镜相对应。

所述下光机模组包括左支撑板和右支撑板，左支撑板和右支撑板分别通过下底板和上底板相连接，下底板上安装有CCD摄像机，上底板上安装有激光器。

所述左支撑板上设有五个左固定台，右支撑板上设有五个右固定台，左固定台与右固定台一一对应，左固定台与右固定台上均活动设有用于固定反射镜的第二固定块，反射镜的左端通过第二固定块与左固定台相连接，反射镜的右端通过第二固定块与右固定台相连接。

所述左固定台包括第一左固定台、第二左固定台、第三左固定台、第四左固定台和第五左固定台，右支撑板上的五个右固定台分别与第一左固定台、第二左固定台、第三左固定台、第四左固定台、第五左固定台相对应；第一左固定台和第三左固定台位于左支撑板的上部，且第三左固定台位于第一左固定台的前端，第二左固定台位于左支撑板的下部，第四左固定台和第五左固定台位于左支撑板的前端，且第五左固定台位于第四左固定台的下方；第一左固定台上的反光镜与安装在下底板上的CCD摄像机相对应，第二左固定台上的反光镜与第一左固定台上的反光镜相对应，第四左固定台上的反光镜和第五左固定台的反光镜分别与与安装在下底板上的CCD摄像机相对应，第三左固定台上的反光镜与第四左固定台上的反光镜相对应。

所述底座上对称设有滑轨，滑轨与支撑座底部的滑块相配合，支撑座的上部对称设有支撑臂，左光机模组和右光机模组分别通过支撑臂与支撑座相连接；第一电机的输出端与滚珠丝杆的一端相连接，滚珠丝杆的另一端与支撑座相连接，第一电机通过滚珠丝杆带动支撑座移动。

本实用新型采用3个激光器和3个CCD摄像机，利用激光三角法原理实现人体三维足部激光扫描；采用仿生人眼立体视觉技术，形成计算机的双目立体视觉。 通过“空间后方交会法”，获取每个相机在成像瞬间的外方位元素。通过“立体像对（分别代表左眼、右眼）”的“前方交会法”，得到被测物体表面的基于物方空间的三维坐标，达到形成空间三维立体模型的目的；实现对被测物的精准测量，提高了工作效率。本实用新型改进了棋盘格靶标角点的检测算法，利用张正友方法对CCD摄像机进行了标定，得到了CCD摄像机的内部参数和畸变系数。在此基础上，设计并制作了用于全局标定的细丝标定靶，进而实现人脚的三维数字化测量。本实用新型极大化地利用仪器内部空间；利用三维足部扫描仪的内部空间，把电路元件做了合理的布局，使之在能够满足其功能且不互相干扰的前提下，尽可能的缩小仪器整体尺寸，集成度高，方便携带和移动。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型内部结构示意图。

图2为本实用新型左视示意图。

图3为本实用新型左光机模组结构示意图。

图4为本实用新型下光机模组结构示意图。

图5为本实用新型下光机模组左视示意图。

图6为本实用新型左光机模组光路示意图。

图7为本实用新型下光机模组光路示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

实施例1，如图1-2所示，一种三维足部激光扫描仪，包括相互连接的机电系统、光学系统和数据处理系统；本实用新型光学系统采用三个方向的激光照射到被测物体表面，同时用与之对应的三个摄像头来获取图像，根据我们设计的光路图进行相应的机械设计，可以使得每一个摄像头能够得到两张互不干扰的图像，再利用数据处理系统的计算机程序处理，采用仿生人眼立体视觉技术和前方交会法、后方交会法形成空间三维立体模型，得出被测物体的三维空间数据， 进而制作精确的、合适的鞋楦。其中，机电系统包括底座1和与底座1相配合的壳体2，底座1上设有与第一电机3相连接的支撑座4，第一电机3采用两相步进电机，支撑座在第一电机的带动下实现前后移动，支撑座4的左侧设有左光机模组5，用于对被测物左上部的扫描，支撑座4的右侧设有右光机模组6，用于对被测物右上部的扫描，支撑座4的中部设有下光机模组7，用于对被测物下部的扫描。左光机模组5和右光机模组6对称设置在支撑座4上，左光机模组5和右光机模组6的结构设置基本相同；所述底座1上对称设有滑轨16，滑轨16与支撑座4底部的滑块17相配合，支撑座通过滑块实现沿滑轨的移动，支撑座4的上部对称设有支撑臂19，左光机模组5和右光机模组6分别通过支撑臂19与支撑座4相连接，通过支撑臂可调节左光机模组5和右光机模组6的高度和角度；第一电机3的输出端与滚珠丝杆18的一端相连接，滚珠丝杆18的另一端与支撑座4相连接，第一电机3通过滚珠丝杆18带动支撑座4移动。壳体2的前侧面与后侧面之间设有玻璃平台8，玻璃平台为凹字形，玻璃平台8位于左光机模组5和右光机模组6之间且位于下光机模组7的正上方，便于左光机模组5、右光机模组6和下光机模组7对放置在玻璃平台8上的被测物进行扫描，玻璃平台8的上方设有与光学系统和数据处理系统相连接的液晶显示屏9，便于显示被测物被扫描的状态和建模状态；所述光学系统包括与数据处理系统相连接的光路组件，光路组件分别安装在左光机模组5、右光机模组6和下光机模组7上，组成激光三角法测量，所述光路组件包括激光器10、CCD摄像机11和反射镜12。激光三角法以三角测量为基础，通过激光器向被测物体表面投射激光，物体表面三维轮廓的变化对光束产生空间调制，改变了成像光束的角度，也就改变了光带在CCD摄像机成像面上的位置。通过对光学系统的几何结构参数和CCD摄像机上光带像点位置的确定，就能计算出物体表面的高度变化，附加扫描机构即可对物体的完整轮廓进行测量。

进一步，所述数据处理系统包括分别安装在底座1上的主控计算机13、驱动器14、图像识别模块、畸变差更正模块和三维建模模块；主控计算机13分别与驱动器14、图像识别模块、畸变差更正模块和三维建模模块、液晶显示屏9相连接，驱动器14的输出端与第一电机3相连接，主控计算机13通过驱动器控制第一电机的转动，实现对支撑座的控制，实现对被测物的精确扫描，数据处理系统与安装在底座1上的电源15相连接，用于对装置的供电。驱动器采用数字式步进电机驱动器。本实用新型通过主控计算机控制平移扫描，通过图像识别模块采集图像，并将信息传递给畸变差更正模块，采用黑白棋盘格标定靶和张正友算法，标定图像中心坐标，畸变系数等摄像机内部参数，研制适于足部激光扫描系统标定的细丝标定靶，并在摄像机标定的基础上，采用直接线性变换方法，得到像素坐标与世界坐标的映射关系矩阵，进而通过高斯滤波等除去杂点，最后建模，完成三维足部激光扫描系统的数据处理。

工作时，1、机械调整。需要调整玻璃平台与滑轨面平行，即与扫描方向平行；调整两个支撑臂平面与滑轨平行，且等高、等间距。2、传感器调试。需要保证脚底面与玻璃平面相交的位置不会超出 CCD摄像机的视场并留有一定余量，保证数据的完整性。可以通过调整 CCD摄像机安装座的俯仰角度实现。图像亮度、对比度的设置，如果太低，会使光带的亮度降低，不易于黑暗的背景区分；如果设置太高，会使得噪声点亮度增加，产生误差和多余点云。3、运动控制调试。利用程序对运动系统和图像采集系统进行测试，保证 CCD摄像机在第一电机匀速运动阶段采集图像。在玻璃平台运动过程中，若人为碰触近端的零位开关和远端的限位开关，电机将立即停止运动，这就保证了系统的安全。4、激光平面调试。通过调整激光器安装座的俯仰、平移，将三个激光平面调整到完全重合且与扫描方向垂直的状态。通过点云真实地还原脚模的外形轮廓变化，多个角度视图清晰。通过高斯滤波滤除杂点，进而得到更为完善的模型。

实施例2，如图3和6所示，一种三维足部激光扫描仪，所述左光机模组5和右光机模组6均包括上支撑板51和下支撑板52，上支撑板51和下支撑板52分别通过摄像头支架53、激光器支架54和连接板55相连接，摄像头支架53上安装有CCD摄像机11，激光器支架54上安装有激光器10。所述上支撑板51上设有四个上固定台56，下支撑板52上设有四个下固定台57，上固定台56与下固定台57一一对应；上固定台56与下固定台57上均活动设有用于固定反射镜12的第一固定块58，反射镜12的上端通过第一固定块58与上固定台56相连接，反射镜12的下端通过第一固定块58与下固定台57相连接。激光器、CCD摄像机和4个反射镜的角度可调，激光器发出的激光，经反射镜反射后进入CCD摄像机。

进一步，所述上固定台56包括第一上固定台561、第二上固定台562、第三上固定台563和第四上固定台564，下支撑板52上的四个下固定台57分别与第一上固定台561、第二上固定台562、第三上固定台563、第四上固定台564相对应；第一上固定台561位于上支撑板51的前端，第三上固定台563位于上支撑板51的外侧，第二上固定台562和第四上固定台564均位于上支撑板51的内侧，且第二上固定台562位于第四上固定台564的前方；第三上固定台563上的反光镜与安装在激光器支架54上的激光器10相对应，第一上固定台561的反光镜和第二上固定台562的反光镜均与安装在摄像头支架53上的CCD摄像机11相对应，第四上固定台564上的反光镜与第二上固定台562的反光镜相对应。激光器发出的激光经第三上固定台563上的反光镜反射在被测物点，被测物点反射出两条光线，一条光线经第一上固定台561的反光镜反射回CCD摄像机11，另一条光线经第四上固定台564上的反光镜反射到第二上固定台562的反光镜，再经第二上固定台562的反光镜反射回CCD摄像机11，这样设计的优点是，将激光器、CCD摄像机和反射镜结合在一起，既不影响CCD摄像机的信息采集，保证仪器的正常工作，又能极大的减小仪器的整体尺寸。

左光机模组和右光机模组均采用上述设计的光路图。

其他结构与实施例1相同。

实施例3，如图4、5、7所示，一种三维足部激光扫描仪，所述下光机模组7包括左支撑板71和右支撑板72，左支撑板71和右支撑板72分别通过下底板73和上底板74相连接，下底板73上安装有CCD摄像机11，上底板74上安装有激光器10。所述左支撑板71上设有五个左固定台75，右支撑板72上设有五个右固定台76，左固定台75与右固定台76一一对应，左固定台75与右固定台76上均活动设有用于固定反射镜12的第二固定块77，反射镜12的左端通过第二固定块77与左固定台75相连接，反射镜12的右端通过第二固定块77与右固定台76相连接。激光器、CCD摄像机和4个反射镜的角度可调，激光器发出的激光，经反射镜反射后进入CCD摄像机。

进一步，所述左固定台75包括第一左固定台751、第二左固定台752、第三左固定台753、第四左固定台754和第五左固定台755，右支撑板72上的五个右固定台76分别与第一左固定台751、第二左固定台752、第三左固定台753、第四左固定台754、第五左固定台755相对应。第四左固定台竖直设置，其他4个左固定台倾斜设置；第一左固定台751和第三左固定台753位于左支撑板71的上部，且第三左固定台753位于第一左固定台751的前端，第二左固定台752位于左支撑板71的下部，第四左固定台754和第五左固定台755位于左支撑板71的前端，且第五左固定台755位于第四左固定台754的下方；第一左固定台751上的反光镜与安装在下底板73上的CCD摄像机11相对应，第二左固定台752上的反光镜与第一左固定台751上的反光镜相对应，第四左固定台754上的反光镜和第五左固定台755的反光镜分别与安装在下底板73上的CCD摄像机11相对应，第三左固定台753上的反光镜与第四左固定台754上的反光镜相对应。激光器发出的激光经第一左固定台751上的反光镜反射到第二左固定台752上的反光镜上，再经第二左固定台752上的反光镜反射在被测物点，被测物点反射出两条光线，一条光线经第五左固定台755的反光镜反射回CCD摄像机，另一条光线经第三左固定台753上的反光镜反射到第四左固定台754上的反光镜上，再经第四左固定台754上的反光镜反射回CCD摄像机，这样设计的优点是，将激光器、CCD摄像机和反射镜结合在一起，既不影响CCD摄像机的信息采集，保证仪器的正常工作，又能极大的减小仪器的整体尺寸。

其他结构与实施例2相同。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。