一种旋转式三维脚型与足底压力扫描仪及其工作方法与流程

本发明涉及足部数字化自动测量领域，特别涉及一种旋转式三维脚型与足底压力扫描仪及其工作方法。

背景技术：

三维脚型测量技术是制鞋业、足疾诊疗康复以及足部生物力学分析研究等领域的基础技术。早期往往采用人工测量，存在劳动强度大、效率低、精确差等缺陷，且缺乏对足部形态的整体特征信息的描述。随着测量技术的发展，出现了利用扫描技术、拍照合成技术、倒模技术等技术手段，提高了测量效率和精度；足底压力分布测量技术是运用压力测量仪器对人体在静止或者动态过程中足底压力的力学、几何学以及时间参数值进行测定，对不同状态下的运动生物力学特性进行分析研究，用以揭示不同的足底压力分布特征和模式和运动护理装备(包括鞋产品)对足部生物力学特征的影响，改善装备设计、分析足部受损成因、衍变以及功能评定。三维脚型数据和足底压力分布数据的同步获取和分析，是鞋履产品真正做到生物力学适应性的必要条件，也是当前鞋业企业转型柔性生产和个性化定制的必备基础。

在现有技术中，利用光电扫描的非接触式三维脚型测量仪较为常见，大多都是在封闭空间内进行测量，且没有足底压力分布测量功能，设备输出数据较为单一。

经检索，授权公告号为cn206933528u公开的中国实用新型专利“一种脚型三维扫描系统”，能够围绕双脚旋转获取两只脚面的三维数据，包括上扫描仪、左下扫描仪、右下扫描仪、反射镜组、转台和玻璃支撑板，扫描系统工作时，人站在玻璃支撑板上，上扫描仪跟随转台转动扫描双脚脚面的三维数据，左下扫描仪和右下扫描仪通过反射镜组反射扫描脚底部的三维数据。优点是能够在开放环境下工作，用户只需站立在扫描仪上即可测量出三维脚型数据，缺点是不能进行足底压力分布测量，输出数据单一，而且使用了三个扫描仪组合完成扫描任务，成本高，也没有公开扫描仪的光学扫描原理和具体实施方案。

技术实现要素：

为解决现有技术中使用三个或以上光学扫描仪成本高，而且没有足底压力分布测量功能、设备输出数据较为单一的问题、实施方式不具体等问题，本发明提供一种旋转式三维脚型与足底压力扫描仪及其工作方法，解决三维脚型与足底压力分布一体式快速扫描测量的技术问题。

本发明采用的技术方案为：一种旋转式三维脚型与足底压力扫描仪，包括立式操控台架、脚型扫描柱、圆环导轨、电机、压力测量板、测量控制板卡、交互处理终端、保护垫、网络接口、usb接口、开关按钮和外接电源线；

所述立式操控台架是的结构本体部分，包括台架底座、侧立柱和操控台；

所述脚型扫描柱用于获取待扫对象的三维图像数据，包括上部3d实感摄像头模组、下部3d实感摄像头模组和支撑调控机构；

所述圆环导轨与电机连接，为脚型扫描柱的旋转运动提供圆环形轨道；

所述电机在测量控制板卡控制下带动圆环导轨按设定速度和方向旋转，进而带动脚型扫描柱旋转运动；

所述压力测量板安装在台架底座的中央，用于获取待扫对象的足底压力分布数据；

所述测量控制板卡安装在台架底座的内部，与电机、脚型扫描柱、压力测量板、交互处理终端、网络接口、usb接口、开关按钮和外接电源线分别电连接，负责控制脚型扫描柱和压力测量板采集数据并向交互处理终端传输数据；

所述交互处理终端为具备计算和输入输出功能的处理设备，通过安装在其上的测试分析软件与测量控制板卡进行指令交互，控制三维脚型和足底压力扫描过程，同时处理从测量控制板卡发送来的数据，提供三维脚型和足底压力数据的可视化展示和应用输出；

所述保护垫覆盖在压力测量板的上表面，以提高用户站立测量时的舒适性；

所述网络接口为扫描仪连接网络提供网线接插口；

所述usb接口为扫描仪连接外部usb设备提供usb形式的接口；

所述开关按钮是用于控制扫描仪开或关的按钮，安装在立式操控台架的侧立柱的正面上部；

所述外接电源线是带三芯插头的接地电源线，为扫描仪连接外部220v市电。

较佳的，所述脚型扫描柱安装在台架底座的外侧面，与圆环导轨通过螺杆固定连接，随着圆环导轨在电机带动下围绕台架底座外侧面做圆周运动以扫描待扫对象的三维图像数据，所述三维图像数据包括rgb图像和点云数据。

较佳的，所述脚型扫描柱通过两个3d实感摄像头模组协同工作扫描三维图像数据，其中所述上部3d实感摄像头模组和所述下部3d实感摄像头模组均与测量控制板卡电连接，均由一个rgb摄像头、一个红外发射器和一个红外传感器平行排布组成；所述上部3d实感摄像头模组安装在所述支撑调控机构的上部，安装后其成像平面与重锤面顺时针成a角；下部3d实感摄像头模组安装在所述支撑调控机构的下部，安装后其成像平面中心线与防护垫上表面平齐；通过两个摄像头模组的组合以及安装位置和角度的调控，确保扫描到足部全部的三维图像数据。

较佳的，所述圆环导轨与所述电机通过齿轮齿条机械连接，齿轮安装在所述电机转轴上，齿条安装固定在所述圆环导轨的内环壁，所述圆环导轨安装在台架底座的侧壁圆环槽内，所述电机安装固定在台架底座的内侧壁，电机在所述测量控制板卡控制下带动齿轮按设定速度和方向转动，齿轮带动圆环导轨内环壁上的齿条移动，从而使得圆环导轨按设定速度和方向旋转，进而带动与圆环导轨固定连接的脚型扫描柱做圆周旋转运动。

较佳的，所述压力测量板内嵌安装在台架底座的正中央，其上表面突出台架底座上表面3mm，压力测量板采用接插式模块化设计，压力测量板的上表面安装有点阵式柔性压力传感器，检测待扫对象的足底压力分布数据，可以根据客户要求选择4点/平方厘米及以上的柔性压力传感器，柔性压力传感器通过印刷成型的银导线带连接到所述测量控制板卡以实现足底压力分布数据的采集传输。

较佳的，所述测量控制板卡包括fpc连接器、数据采集模块、高速数据传输模块、缓存模块、中央处理器、电源管理模块和内置数据线，其中，fpc连接器将压力测量板上的银导线带卡在测量控制板卡上，从而将压力测量板上的传感信号传输到测量控制板卡中，电源管理模块将220v电压转换成扫描仪的工作电压，数据采集模块分别控制2个3d实感摄像头模组采集三维图像数据、控制压力测量板采集足底压力分布数据并进行模数转换；缓存模块缓存模数转换后的三维图像数据和足底压力分布数据；中央处理器对三维图像数据和足底压力分布数据进行去噪、编码等预处理；高速数据传输模块将预处理后的三维图像数据和足底压力分布数据通过内置数据线传输给交互处理终端。

较佳的，所述保护垫采用1mm厚黑色硅胶垫，覆盖在压力测量板的上表面，其上表面印刷站立位置标识以提示用户站立将脚踩在此位置进行测量。

较佳的，所述支撑调控机构上安装两个角度连接件，上部3d实感摄像头模组和下部3d实感摄像头模组分别通过角度连接件安装固定在支撑调控机构上，安装时通过调整角度连接件的固定角度来实现a角或平齐固定。

较佳的，所述交互处理终端通过接插方式安装在所述立式操控台架的操控台上面，可以是笔记本电脑、平板电脑或工控机。

本发明还提供了旋转式三维脚型与足底压力扫描仪的工作方法，包括以下步骤：

步骤101：外接电源线插上电，按下扫描仪上的开关按钮，扫描仪上电并自检；

步骤102：打开安装在交互处理终端上的测试分析软件，选择自校准按钮，扫描仪进入自校准模式，扫描仪上的脚型扫描柱围绕台架底座外侧面匀速圆周转动以扫描保护垫，上部3d实感摄像头模组获取保护垫的图像数据，自校准程序计算保护垫的中心坐标和面积，再对照初始中心坐标和面积来校准上部和下部3d实感摄像头模组的焦距、原点坐标、畸变参数和标定物世界坐标等内外参数；

步骤103：进入用户登陆界面，新用户首先注册，在交互处理终端上输入用户名、性别、出生年月、身高、体重等基本信息并保存，再进入扫描模式，已有用户选择用户名登陆后进入扫描模式；

步骤104：进入扫描模式后，用户脱下鞋袜，撸起裤脚，双脚自然分开站立在扫描仪台架底座保护垫的站立位置标识处，开始测量，扫描仪上的脚型扫描柱围绕台架底座外侧面匀速转动一周，转动时脚型扫描柱的上部和下部3d实感摄像头模组协同工作获取用户双足的三维图像数据，安装在台架底座正中央的压力测量板同步获取用户的足底压力分布数据；

步骤105：测量控制板卡中的数据采集模块采集三维图像数据和足底压力分布数据并进行模数转换，缓存模块缓存模数转换后的三维图像数据和足底压力分布数据，中央处理器对数据进行去噪和编码等预处理，高速数据传输模块将预处理后的数据通过内置数据线传输给交互处理终端；

步骤106：交互处理终端接收数据后由测试分析软件对数据进行存储、编辑、计算等处理，通过融合上部和下部3d实感摄像头模组获取的足背、侧面和缝隙处的三维图像数据重构出用户的三维脚型，提取关键的足部三维和足底压力特征参数；

步骤107：交互处理终端可视化展示三维脚型和提取的关键特征参数，存储结果，也可以通过网络接口或usb接口对外共享结果。

本发明具有以下有益效果：

(1)旋转式三维脚型与足底压力扫描仪既具有三维脚型扫描和脚型参数测量功能，又具有足底压力分布测量功能，全面获取足部形态学和动力学参数，综合分析足部形态和生物力学特征，构建足部特征参数集，面向制鞋业、助老助残行业以及运动生物力学研究等领域建立开放性共享数据库，能够为促进制鞋业产业升级、推动助老助残行业发展、提高运动生物力学研究水平等提供必需的技术和平台支持。

(2)采用旋转式扫描结构设计，由安装有3d实感摄像头模组的脚型扫描柱在电机带动下沿着圆环导轨围绕台架底座外侧面匀速转动一周，转动时脚型扫描柱的上部和下部3d实感摄像头模组协同工作获取用户双足的三维图像数据，安装在台架底座正中央的压力测量板同步获取用户的足底压力分布数据，使得用户只需脱掉鞋袜自然站立在扫描仪上，不需转身或做任何调整动作即可在30秒内测量出足部三维和足底压力特征参数，并得出三维可视化的脚型和压力分布图，开放式旋转结构和集成测试分析设计使得整个过程高效便捷。而且，旋转式扫描结构和工作方法设计使得只需要使用2个摄像头模组就可以完成精准高效的三维扫描和测量，与现已公开技术用3个或更多个摄像头模组的技术方案相比，大大降低了仪器设备的成本，更有利于推广应用。

(3)扫描仪的脚型扫描柱上互成角度地安装上部和下部3d实感摄像头模组，均由一个rgb摄像头、一个红外发射器和一个红外传感器平行排布组成，因此可以获取到包括rgb图像和点云数据的三维图像数据，能够实现更准确的三维测量。上部3d实感摄像头模组安装后其成像平面与重锤面顺时针成a角，这样确保上部3d实感摄像头模组可以完整地俯拍到足背的三维图像数据，还可以拍到侧面和缝隙处的三维图像数据；下部3d实感摄像头模组安装后其成像平面中心线与防护垫上表面平齐，这样确保下部3d实感摄像头模组可以完整地拍到足部侧面和缝隙处的三维图像数据，尤其可以清晰地拍到足部侧面与接触面之间缝隙处的三维图像数据；通过两个摄像头模组上下位置以及拍摄角度的互补，确保扫描到足部全部的三维图像数据，实现更加精细准确的三维脚型扫描和测量。

(4)为了提高扫描精度，还设计了自校准方法，每次开机扫描前扫描仪先按程序进行自校准，自校准时扫描仪上的脚型扫描柱围绕台架底座外侧面匀速圆周转动以扫描保护垫，上部3d实感摄像头模组获取保护垫的图像数据，自校准程序计算保护垫的中心坐标和面积，再对照初始中心坐标和面积来校准上部和下部3d实感摄像头模组的焦距、原点坐标、畸变参数和标定物世界坐标等内外参数，然后再进行三维扫描和测量，提高测量精度。

(5)采用高密度的点阵式柔性压力传感器作为压力测量板的传感检测元件，能够获取到更精细的足底压力分布信息，采用一体化印刷成型的传感器制作工艺，确保了压力测量板的稳定性，从足底压力分布信息中可以获取丰富的足底力学、几何形态参数及时间参数，还采用fpc连接器将柔性压力传感器与测量控制板卡连接，直接拔插卡扣就可以完成安装或更换，提高了安装可靠性和便利性，使得更换传感器更方便。

(6)自制的测量控制板卡安装在扫描仪台架底座内，包括fpc连接器、数据采集模块、高速数据传输模块、缓存模块、中央处理器、电源管理模块和内置数据线，其中，fpc连接器将压力测量板上的银导线带卡在测量控制板卡上，从而将压力测量板上的传感信号传输到测量控制板卡中，电源管理模块将220v电压转换成扫描仪的工作电压，数据采集模块分别控制2个3d实感摄像头模组采集三维图像数据、控制压力测量板采集足底压力分布数据并进行模数转换，缓存模块缓存模数转换后的三维图像数据和足底压力分布数据，中央处理器对三维图像数据和足底压力分布数据进行去噪、编码等预处理，高速数据传输模块将预处理后的三维图像数据和足底压力分布数据通过内置数据线传输给交互处理终端。这种集成电路设计简化了安装，维修更方便。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述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发明的一些实施例，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为本发明实施例提供的旋转式三维脚型与足底压力扫描仪的组成结构示意图；

图2为本发明实施例提供的旋转式三维脚型与足底压力扫描仪的主要模块通信连接示意图；

图3为本发明实施例提供的旋转式三维脚型与足底压力扫描仪的工作步骤流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，旋转式三维脚型与足底压力扫描仪包括立式操控台架1、脚型扫描柱2、圆环导轨3、电机4、压力测量板5、测量控制板卡6、交互处理终端7、保护垫8、网络接口9、usb接口10、开关按钮11和外接电源线12；立式操控台架1包括台架底座101、侧立柱102和操控台103；脚型扫描柱包括上部3d实感摄像头模组201、下部3d实感摄像头模组202和支撑调控机构203。

脚型扫描柱2安装在台架底座101的外侧面，与圆环导轨3通过螺杆固定连接，随着圆环导轨3在电机4带动下围绕台架底座101外侧面做圆周运动以扫描待扫对象的三维图像数据。脚型扫描柱2通过两个3d实感摄像头模组协同工作扫描三维图像数据，其中，上部3d实感摄像头模组201和下部3d实感摄像头模组202均与测量控制板卡6电连接，均由一个rgb摄像头、一个红外发射器和一个红外传感器平行排布组成；上部3d实感摄像头模组201安装在支撑调控机构203的上部，安装后其成像平面与重锤面顺时针成a角；下部3d实感摄像头模组202安装在支撑调控机构203的下部，安装后其成像平面中心线与防护垫上表面平齐；通过两个摄像头模组的组合以及安装位置和角度的调控，确保扫描到足部全部的三维图像数据。支撑调控机构203上安装两个角度连接件，上部3d实感摄像头模组201和下部3d实感摄像头模组202分别通过角度连接件安装固定在支撑调控机构203上，安装时通过调整角度连接件的固定角度来实现a角或平齐固定。

圆环导轨3与电机4通过齿轮齿条机械连接，齿轮安装在电机4的转轴上，齿条安装固定在圆环导轨3的内环壁，圆环导轨3安装在台架底座101的侧壁圆环槽内，电机4安装固定在台架底座101的内侧壁，电机4在测量控制板卡6控制下带动齿轮按设定速度和方向转动，齿轮带动圆环导轨3内环壁上的齿条移动，从而使得圆环导轨3按设定速度和方向旋转，进而带动与圆环导轨3固定连接的脚型扫描柱2做圆周旋转运动。

电机4在测量控制板卡6控制下带动圆环导轨3按设定速度和方向旋转，进而带动脚型扫描柱2旋转运动。

压力测量板5内嵌安装在台架底座101的正中央，其上表面突出台架底座101上表面3mm，压力测量板5采用接插式模块化设计，压力测量板5的上表面安装有点阵式柔性压力传感器，检测待扫对象的足底压力分布数据，可以根据客户要求选择4点/平方厘米及以上的柔性压力传感器，柔性压力传感器通过印刷成型的银导线带连接到测量控制板卡6以实现足底压力分布数据的采集传输。

如图2所示，测量控制板卡6包括fpc连接器61、数据采集模块62、高速数据传输模块63、缓存模块64、中央处理器65、电源管理模块66和内置数据线67，其中，fpc连接器61将压力测量板5上的银导线带卡在测量控制板卡6上，从而将压力测量板5上的传感信号传输到测量控制板卡6中，电源管理模块66将220v电压转换成扫描仪的工作电压，数据采集模块62分别控制2个3d实感摄像头模组采集三维图像数据、控制压力测量板5采集足底压力分布数据并进行模数转换；缓存模块64缓存模数转换后的三维图像数据和足底压力分布数据；中央处理器65对三维图像数据和足底压力分布数据进行去噪、编码等预处理；高速数据传输模块63将预处理后的三维图像数据和足底压力分布数据通过内置数据线67传输给交互处理终端7。保护垫8采用1mm厚黑色硅胶垫，覆盖在压力测量板5的上表面，其上表面印刷站立位置标识以提示用户站立将脚踩在此位置进行测量。交互处理终端7通过接插方式安装在立式操控台架1的操控台103上面，可以是笔记本电脑、平板电脑或工控机。

如图3所示，本发明提供了旋转式三维脚型与足底压力扫描仪的工作方法，其工作方法包括以下步骤：

步骤101：外接电源线插上电，按下扫描仪上的开关按钮11，扫描仪上电并自检；

步骤102：打开安装在交互处理终端7上的测试分析软件，选择自校准按钮，扫描仪进入自校准模式，扫描仪上的脚型扫描柱2围绕台架底座101外侧面匀速圆周转动以扫描保护垫8，上部3d实感摄像头模组201获取保护垫8的图像数据，自校准程序计算保护垫8的中心坐标和面积，再对照初始中心坐标和面积来校准上部和下部3d实感摄像头模组的焦距、原点坐标、畸变参数和标定物世界坐标等内外参数；

步骤103：进入用户登陆界面，新用户首先注册，在交互处理终端7上输入用户名、性别、出生年月、身高、体重等基本信息并保存，再进入扫描模式，已有用户选择用户名登陆后进入扫描模式；

步骤104：进入扫描模式后，用户脱下鞋袜，撸起裤脚，双脚自然分开站立在扫描仪台架底座101保护垫8的站立位置标识处，开始测量，扫描仪上的脚型扫描柱2围绕台架底座101外侧面匀速转动一周，转动时脚型扫描柱2的上部和下部3d实感摄像头模组协同工作获取用户双足的三维图像数据，安装在台架底座101正中央的压力测量板5同步获取用户的足底压力分布数据；

步骤105：测量控制板卡6中的数据采集模块62采集三维图像数据和足底压力分布数据并进行模数转换，缓存模块64缓存模数转换后的三维图像数据和足底压力分布数据，中央处理器65对数据进行去噪和编码等预处理，高速数据传输模块63将预处理后的数据通过内置数据线67传输给交互处理终端7；

步骤106：交互处理终端7接收数据后由测试分析软件对数据进行存储、编辑、计算等处理，通过融合上部和下部3d实感摄像头模组获取的足背、侧面和缝隙处的三维图像数据重构出用户的三维脚型，提取关键的足部三维和足底压力特征参数；

步骤107：交互处理终端7可视化展示三维脚型和提取的关键特征参数，存储结果，也可以通过网络接口9或usb接口10对外共享结果。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。