陳華蘊(yùn) 李西兵 岳鑫 徐晨 楊杰 張巧芬

（1.福建農(nóng)林大學(xué)機(jī)電工程學(xué)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(gòu)造雖然是大同小異，但是每個(gè)人的腳型尺寸卻是千差萬(wàn)別的。因此作為對(duì)于定制鞋行業(yè)以及制鞋研究人員必須充分了解腳型的特點(diǎn)以及其變化規(guī)律。通過(guò)腳型數(shù)據(jù)分析可以找到適合腳型規(guī)律以及穿著舒適的鞋楦尺寸，進(jìn)而設(shè)計(jì)出適合不同人穿著的鞋靴。

上世紀(jì)60年代我國(guó)曾經(jīng)開(kāi)展過(guò)兩次全國(guó)性的腳型調(diào)查，采用人工測(cè)量方法測(cè)量和分析了25萬(wàn)人的腳型，為我國(guó)鞋楦設(shè)計(jì)、鞋號(hào)制定奠定了十分重要的基礎(chǔ)。雖然人工測(cè)量技術(shù)投資少、方便靈活，但是存在效率低、誤差高、重復(fù)再現(xiàn)性差等缺點(diǎn)。三維腳型測(cè)量技術(shù)具有高效、準(zhǔn)確、重復(fù)性好的特點(diǎn)，因此，隨著三維腳型測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，人工測(cè)量將逐漸被取代。

目前三維腳型測(cè)量技術(shù)基本包含相機(jī)掃描腳型測(cè)量技術(shù)以及激光掃描腳型測(cè)量技術(shù)，這兩種掃描技術(shù)均具有一下優(yōu)點(diǎn)：掃描速度快、測(cè)量腳型尺寸便捷。通過(guò)掃描可以獲得樣本腳型的基本數(shù)據(jù)，

同時(shí)可以獲得腳型的投影圖，這些尺寸為腳型規(guī)律分析和研究提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。但是相機(jī)掃描腳型測(cè)量技術(shù)具有精度不高的不足，相機(jī)掃描得到的數(shù)據(jù)不夠精確，致使制作出來(lái)的鞋靴會(huì)有不舒適的情況出現(xiàn)。

廣東瑞州科技有限公司不僅開(kāi)發(fā)了腳型統(tǒng)計(jì)軟件，同時(shí)還對(duì)腳型統(tǒng)計(jì)相關(guān)硬件進(jìn)行研制，瑞洲科技有限公司設(shè)計(jì)研制的3d腳型掃描系統(tǒng)是利用激光掃描技術(shù)對(duì)腳型進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量和統(tǒng)計(jì)，具有一般激光掃描腳型測(cè)量技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)還在硬件方面有以下優(yōu)點(diǎn)：全光路閉合系統(tǒng)，8視角全方位掃描、對(duì)腳（光腳或穿襪）、楦、石膏模型均能進(jìn)行掃描測(cè)量、智能化一鍵式觸控操作：系統(tǒng)操作簡(jiǎn)易，一鍵式掃描，無(wú)需人工干預(yù)，文件自動(dòng)保存，非接觸式激光掃描，對(duì)人體及眼睛無(wú)任何傷害，是目前行業(yè)內(nèi)體積最小、質(zhì)量最輕的一款設(shè)備，方便運(yùn)輸與攜帶；在軟件方面具有支持微信公眾號(hào)接入、客戶信息云端管理、可對(duì)腳型內(nèi)外翻和足弓變形進(jìn)行評(píng)測(cè)、直接生成STL三角網(wǎng)格數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)可直接用于3D打?。簰呙钄?shù)據(jù)可以導(dǎo)入3D打印機(jī)，直接打印樣品、支持SQL數(shù)據(jù)庫(kù)、云端自動(dòng)選鞋及定制化服務(wù)功能、滿足女性高跟鞋定制需求：可增高腳后跟后進(jìn)行腳部掃描，采集足部形變后參數(shù)，用于高跟鞋的選購(gòu)及定制等優(yōu)點(diǎn)。

1 腳型測(cè)量技術(shù)及方法

1.1 人工腳型測(cè)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(tǒng)

人工腳型測(cè)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(cè)量方法上又分為直接法和間接法。直接發(fā)比較簡(jiǎn)單，首先用筆在腳的特征部位上標(biāo)出有關(guān)測(cè)量點(diǎn)，利用布帶尺、量高儀等工具可以直接測(cè)量出腳的各個(gè)有關(guān)數(shù)據(jù)。間接法利用腳印器踏出腳印并繪制出腳的輪廓線，然后進(jìn)行測(cè)量分析，這種方法較直接法復(fù)雜，但是可以獲得更多的研究分析腳型特點(diǎn)和變化規(guī)律的科學(xué)依據(jù)。

人工腳型測(cè)量?jī)?yōu)點(diǎn)是設(shè)備投資少、操作步驟簡(jiǎn)單、靈活性強(qiáng)、方便攜帶，缺點(diǎn)是工作效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、測(cè)量者之間誤差大、同時(shí)難以獲得腳部整體的數(shù)據(jù)信息，也不能對(duì)腳的截面形態(tài)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，無(wú)法進(jìn)行更深層次的研究。

1.2 3D相機(jī)腳型掃描系統(tǒng)測(cè)量

3d相機(jī)腳型掃描系統(tǒng)主要是通過(guò)相機(jī)拍攝，利用計(jì)算機(jī)輔助分析后得到腳型的截面和投影圖，并得到腳型數(shù)據(jù)。

3d相機(jī)腳型掃描系統(tǒng)測(cè)量?jī)?yōu)點(diǎn)是掃描速度較人工測(cè)量快，測(cè)量腳型數(shù)據(jù)誤差較人工測(cè)量小、工作效率高，缺點(diǎn)是掃描精度不足、會(huì)產(chǎn)生空間重疊等問(wèn)題。

1.3 3D激光腳型掃描系統(tǒng)測(cè)量

在計(jì)算機(jī)、光學(xué)等學(xué)科發(fā)展的帶動(dòng)下，3D激光腳型掃描測(cè)量作為近年來(lái)興起的一門測(cè)量技術(shù)受到越來(lái)越多的重視。3d激光腳型掃描測(cè)量基于激光掃描，在三維坐標(biāo)系中，根據(jù)測(cè)量精度的需要，使用可移動(dòng)激光發(fā)生裝置，按一定頻率從一個(gè)或多個(gè)激光源發(fā)射激光線，通過(guò)光傳感器和距離傳感器獲取腳部尺寸并傳輸至計(jì)算機(jī)中。3D激光腳型掃描系統(tǒng)測(cè)量具有快速、高效、準(zhǔn)確、重復(fù)性好、采集的數(shù)據(jù)全面等特點(diǎn)。

廣東瑞州科技有限公司自主研發(fā)的3d腳型掃描系統(tǒng)，軟件和硬件均有瑞州科技有限公司自主設(shè)計(jì)研制，其型號(hào)以及相關(guān)數(shù)據(jù)如表1所示。

由瑞州科技有限公司研發(fā)的LSF-350型號(hào)3D腳型測(cè)量?jī)x器相較于現(xiàn)有的其他3D腳型測(cè)量?jī)x器具有重量輕、可對(duì)腳型內(nèi)外翻和足弓變形進(jìn)行評(píng)測(cè)、可以連接微信發(fā)送報(bào)表、直接生成STL三角網(wǎng)格數(shù)據(jù)等多處優(yōu)點(diǎn)，具有了其他3D腳型測(cè)量?jī)x器所不可比擬的優(yōu)勢(shì)。

2 3D腳型數(shù)據(jù)掃描

2.1 3D腳型掃描儀結(jié)構(gòu)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(gè)激光束發(fā)射器組成一個(gè)穩(wěn)定可靠的光路系統(tǒng)，在掃描儀的兩側(cè)裝有光傳感器以及距離傳感器，在掃描儀中間有一個(gè)有機(jī)玻璃支架供受測(cè)者站立，通過(guò)一個(gè)步進(jìn)電機(jī)、導(dǎo)螺桿和350 mm行程的滑行片，從腳尖到腳跟進(jìn)行掃描，同時(shí)還配有一個(gè)供校準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)圓柱。

2.2 掃描方法

首先，把掃描儀放在一個(gè)沒(méi)有強(qiáng)光直射的屋子里，通過(guò)調(diào)整掃描儀底部的4個(gè)螺絲使其水平。接通電源，然后利用標(biāo)準(zhǔn)圓柱校準(zhǔn)掃描儀，測(cè)量時(shí)，受測(cè)腳站立在掃描儀內(nèi)的有機(jī)玻璃上，另一只腳站立在掃描儀旁的支架上，使得與受測(cè)腳水平，此儀器采用站立測(cè)量。

2.3 掃描數(shù)據(jù)分析

受測(cè)腳站在有機(jī)玻璃支撐班上，在數(shù)秒鐘內(nèi)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(gè)腳型的有關(guān)數(shù)據(jù)。

2.3.1 腳型基本數(shù)據(jù)分析

掃描完畢后可以直接讀取包括腳長(zhǎng)、拓圍、腳腕維度等在內(nèi)的35個(gè)腳型數(shù)據(jù)，精度高達(dá)0.1 mm。

下面對(duì)幾個(gè)基本腳型數(shù)據(jù)作補(bǔ)充說(shuō)明。

（1）腳的長(zhǎng)度：腳長(zhǎng)在我國(guó)定義上是取腳前后最突出點(diǎn)的直線距離。腳長(zhǎng)是確定鞋尺碼的主要依據(jù)。

（2）拓趾圍長(zhǎng)：我國(guó)拓趾圍長(zhǎng)定義為圍繞拓趾關(guān)節(jié)突出點(diǎn)測(cè)量出來(lái)的圍長(zhǎng)，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(biāo)志，也是鞋楦設(shè)計(jì)最重要的尺寸之一。

（3）前跗骨圍長(zhǎng)：圍繞腳的前跗骨突出點(diǎn)的圍長(zhǎng)，簡(jiǎn)稱跗圍。若跗圍不合適，會(huì)造成壓腳、不跟腳等現(xiàn)象產(chǎn)生。

2.3.2 腳型截面分析

腳的形狀是不規(guī)則的幾何體，僅僅靠各個(gè)特征部位的圍長(zhǎng)來(lái)確定鞋楦各部位的肉體安排是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。比如相同尺寸的拓趾圍長(zhǎng)，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(shè)計(jì)的一個(gè)重要參數(shù)。利用3D腳型掃描儀獲得的腳型截面數(shù)據(jù)以便于在設(shè)計(jì)鞋靴時(shí)要控制好鞋楦拓趾部位的高度和寬度，這些都會(huì)影響到鞋靴穿著的舒適性。

2.3.3 腳型投影圖分析

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

正常腳的腳型投影特點(diǎn)是前掌部分比腳跟部稍大，整個(gè)投影圖比較正常，拓趾部位的關(guān)節(jié)沒(méi)有突出也沒(méi)有多余的肉體。正常腳型是鞋楦底設(shè)計(jì)的主要參考數(shù)據(jù)，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(shè)計(jì)鞋靴必然會(huì)引起部分人穿著不舒服。這就要求研究人員和設(shè)計(jì)人員加強(qiáng)對(duì)腳型規(guī)律的研究分析，從鞋楦設(shè)計(jì)、制鞋工藝上多考慮非正常腳型的規(guī)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(jié)論與應(yīng)用前景

從本文論述的人體腳型的測(cè)量方法及特點(diǎn)可以看出，瑞州科技有限公司開(kāi)發(fā)的3D腳型掃描技術(shù)具有可靠、精確、全面等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也具有重量輕、可以連接微信發(fā)送報(bào)表等特點(diǎn)，通過(guò)對(duì)比人工測(cè)量和一般3D腳型掃描技術(shù)，例如3d相機(jī)掃描技術(shù)，3D腳型掃描技術(shù)具有突出的優(yōu)勢(shì)，可以獲取腳型全方位數(shù)據(jù)、腳型投影圖等在內(nèi)的腳型數(shù)據(jù)，利用此技術(shù)可以加快和完善腳型平面、三維數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)。通過(guò)建立腳型數(shù)據(jù)庫(kù)可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，利用網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)鞋靴研究單位及制鞋企業(yè)之間的互聯(lián)互通，為鞋靴研究工作提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，為企業(yè)生產(chǎn)提供理論支持。

[1]《中國(guó)鞋業(yè)大會(huì)》編委會(huì).中國(guó)鞋業(yè)大全-下[M].北京化學(xué)工業(yè)出版社,2000.

[2]郝玉明,張賽珠.鞋楦涉及基礎(chǔ)知識(shí)[M].北京,1982.

[3]陸國(guó)棟,陳建,王進(jìn).基于CAd/CAM 集成的鞋楦快速逆向成型技術(shù)研[J].計(jì)算機(jī)技術(shù),2006.

[4]輕工業(yè)部制鞋工業(yè)科學(xué)研究所.中國(guó)鞋號(hào)及鞋楦設(shè)計(jì)[M].北京，輕工業(yè)出版社,1984.

[5]居琰,汪同慶,劉健勝等.基于光切法的三維腳型測(cè)量?jī)x原理及系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].傳感器技術(shù),2002.

[6]張蕓,李俊.[TC]～2非接觸式三維測(cè)體系統(tǒng)的應(yīng)用研究[J].東華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2004(03).

[7]胡安鐸,蘇顯渝,向立群,劉成林.腳型三維測(cè)量與特征參數(shù)自動(dòng)提取[J].四川大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2009(06).

[8]王玉秀,李曉久.人體足部非接觸測(cè)量系統(tǒng)的研究[J].天津工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2004(05).

[9]李慧,張欣,李毅.基于量腳制鞋的足部三維特征指標(biāo)研究[J].西安工程科技學(xué)院學(xué)報(bào),2004(03).

[10]肖漢嬰.三維腳型模型驅(qū)動(dòng)的動(dòng)態(tài)腳型測(cè)量的技術(shù)及系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)[D].浙江大學(xué),2007.