基于制鞋DIY互联网定制的3D脚型数据采集

陈华蕴 李西兵 岳鑫 徐晨 杨杰 张巧芬

（1.福建农林大学机电工程学院，福建福州350002；2.广东瑞州科技有限公司，广东佛山528251）

人脚的生理构造虽然是大同小异，但是每个人的脚型尺寸却是千差万别的。因此作为对于定制鞋行业以及制鞋研究人员必须充分了解脚型的特点以及其变化规律。通过脚型数据分析可以找到适合脚型规律以及穿着舒适的鞋楦尺寸，进而设计出适合不同人穿着的鞋靴。

上世纪60年代我国曾经开展过两次全国性的脚型调查，采用人工测量方法测量和分析了25万人的脚型，为我国鞋楦设计、鞋号制定奠定了十分重要的基础。虽然人工测量技术投资少、方便灵活，但是存在效率低、误差高、重复再现性差等缺点。三维脚型测量技术具有高效、准确、重复性好的特点，因此，随着三维脚型测量技术的发展，人工测量将逐渐被取代。

目前三维脚型测量技术基本包含相机扫描脚型测量技术以及激光扫描脚型测量技术，这两种扫描技术均具有一下优点：扫描速度快、测量脚型尺寸便捷。通过扫描可以获得样本脚型的基本数据，

同时可以获得脚型的投影图，这些尺寸为脚型规律分析和研究提供了数据基础。但是相机扫描脚型测量技术具有精度不高的不足，相机扫描得到的数据不够精确，致使制作出来的鞋靴会有不舒适的情况出现。

广东瑞州科技有限公司不仅开发了脚型统计软件，同时还对脚型统计相关硬件进行研制，瑞洲科技有限公司设计研制的3d脚型扫描系统是利用激光扫描技术对脚型进行数据测量和统计，具有一般激光扫描脚型测量技术的优点，同时还在硬件方面有以下优点：全光路闭合系统，8视角全方位扫描、对脚（光脚或穿袜）、楦、石膏模型均能进行扫描测量、智能化一键式触控操作：系统操作简易，一键式扫描，无需人工干预，文件自动保存，非接触式激光扫描，对人体及眼睛无任何伤害，是目前行业内体积最小、质量最轻的一款设备，方便运输与携带；在软件方面具有支持微信公众号接入、客户信息云端管理、可对脚型内外翻和足弓变形进行评测、直接生成STL三角网格数据、数据可直接用于3D打印：扫描数据可以导入3D打印机，直接打印样品、支持SQL数据库、云端自动选鞋及定制化服务功能、满足女性高跟鞋定制需求：可增高脚后跟后进行脚部扫描，采集足部形变后参数，用于高跟鞋的选购及定制等优点。

1 脚型测量技术及方法

1.1 人工脚型测量

图1 3D脚型扫描仪

图2 三维脚型扫描

图3 各种脚型图

表1 3D脚型扫描系统

人工脚型测量的工具主要包括：布带尺、钢卷尺、划笔、量高仪、踏脚印器和量脚卡尺。从测量方法上又分为直接法和间接法。直接发比较简单，首先用笔在脚的特征部位上标出有关测量点，利用布带尺、量高仪等工具可以直接测量出脚的各个有关数据。间接法利用脚印器踏出脚印并绘制出脚的轮廓线，然后进行测量分析，这种方法较直接法复杂，但是可以获得更多的研究分析脚型特点和变化规律的科学依据。

人工脚型测量优点是设备投资少、操作步骤简单、灵活性强、方便携带，缺点是工作效率低、劳动强度大、测量者之间误差大、同时难以获得脚部整体的数据信息，也不能对脚的截面形态进行数据采集，无法进行更深层次的研究。

1.2 3D相机脚型扫描系统测量

3d相机脚型扫描系统主要是通过相机拍摄，利用计算机辅助分析后得到脚型的截面和投影图，并得到脚型数据。

3d相机脚型扫描系统测量优点是扫描速度较人工测量快，测量脚型数据误差较人工测量小、工作效率高，缺点是扫描精度不足、会产生空间重叠等问题。

1.3 3D激光脚型扫描系统测量

在计算机、光学等学科发展的带动下，3D激光脚型扫描测量作为近年来兴起的一门测量技术受到越来越多的重视。3d激光脚型扫描测量基于激光扫描，在三维坐标系中，根据测量精度的需要，使用可移动激光发生装置，按一定频率从一个或多个激光源发射激光线，通过光传感器和距离传感器获取脚部尺寸并传输至计算机中。3D激光脚型扫描系统测量具有快速、高效、准确、重复性好、采集的数据全面等特点。

广东瑞州科技有限公司自主研发的3d脚型扫描系统，软件和硬件均有瑞州科技有限公司自主设计研制，其型号以及相关数据如表1所示。

由瑞州科技有限公司研发的LSF-350型号3D脚型测量仪器相较于现有的其他3D脚型测量仪器具有重量轻、可对脚型内外翻和足弓变形进行评测、可以连接微信发送报表、直接生成STL三角网格数据等多处优点，具有了其他3D脚型测量仪器所不可比拟的优势。

2 3D脚型数据扫描

2.1 3D脚型扫描仪结构原理

3D脚型扫描仪外观如图1所示，在扫描仪的底部装有两个激光束发射器组成一个稳定可靠的光路系统，在扫描仪的两侧装有光传感器以及距离传感器，在扫描仪中间有一个有机玻璃支架供受测者站立，通过一个步进电机、导螺杆和350 mm行程的滑行片，从脚尖到脚跟进行扫描，同时还配有一个供校准的标准圆柱。

2.2 扫描方法

首先，把扫描仪放在一个没有强光直射的屋子里，通过调整扫描仪底部的4个螺丝使其水平。接通电源，然后利用标准圆柱校准扫描仪，测量时，受测脚站立在扫描仪内的有机玻璃上，另一只脚站立在扫描仪旁的支架上，使得与受测脚水平，此仪器采用站立测量。

2.3 扫描数据分析

受测脚站在有机玻璃支撑班上，在数秒钟内即可获取三维脚型扫描界面图，扫描情况如图2所示，基本包括整个脚型的有关数据。

2.3.1 脚型基本数据分析

扫描完毕后可以直接读取包括脚长、拓围、脚腕维度等在内的35个脚型数据，精度高达0.1 mm。

下面对几个基本脚型数据作补充说明。

（1）脚的长度：脚长在我国定义上是取脚前后最突出点的直线距离。脚长是确定鞋尺码的主要依据。

（2）拓趾围长：我国拓趾围长定义为围绕拓趾关节突出点测量出来的围长，又称拓围。拓围位于脚的最宽处，因此是决定脚肥瘦的主要标志，也是鞋楦设计最重要的尺寸之一。

（3）前跗骨围长：围绕脚的前跗骨突出点的围长，简称跗围。若跗围不合适，会造成压脚、不跟脚等现象产生。

2.3.2 脚型截面分析

脚的形状是不规则的几何体，仅仅靠各个特征部位的围长来确定鞋楦各部位的肉体安排是远远不够的。比如相同尺寸的拓趾围长，其拓趾处横截面形状相差很大，有的宽而扁，有的窄而厚，因此脚型横截面是鞋靴设计的一个重要参数。利用3D脚型扫描仪获得的脚型截面数据以便于在设计鞋靴时要控制好鞋楦拓趾部位的高度和宽度，这些都会影响到鞋靴穿着的舒适性。

2.3.3 脚型投影图分析

通过3D脚型扫描仪可以采集到样本的脚型投影图，每个人的脚型投影图都有其特点，但归纳起来有以下几种情况，如图3所示。

正常脚的脚型投影特点是前掌部分比脚跟部稍大，整个投影图比较正常，拓趾部位的关节没有突出也没有多余的肉体。正常脚型是鞋楦底设计的主要参考数据，但非正常脚存在一定的比例，约占17%左右，因此完全按照正常脚型尺寸设计鞋靴必然会引起部分人穿着不舒服。这就要求研究人员和设计人员加强对脚型规律的研究分析，从鞋楦设计、制鞋工艺上多考虑非正常脚型的规律和要求，尽可能的满足更多人的穿着需要，提高鞋靴的适脚率。

3 结论与应用前景

从本文论述的人体脚型的测量方法及特点可以看出，瑞州科技有限公司开发的3D脚型扫描技术具有可靠、精确、全面等优点，同时也具有重量轻、可以连接微信发送报表等特点，通过对比人工测量和一般3D脚型扫描技术，例如3d相机扫描技术，3D脚型扫描技术具有突出的优势，可以获取脚型全方位数据、脚型投影图等在内的脚型数据，利用此技术可以加快和完善脚型平面、三维数据库建设。通过建立脚型数据库可以实现数据共享，利用网络可以实现鞋靴研究单位及制鞋企业之间的互联互通，为鞋靴研究工作提供数据基础，为企业生产提供理论支持。

[1]《中国鞋业大会》编委会.中国鞋业大全-下[M].北京化学工业出版社,2000.

[2]郝玉明,张赛珠.鞋楦涉及基础知识[M].北京,1982.

[3]陆国栋,陈建,王进.基于CAd/CAM 集成的鞋楦快速逆向成型技术研[J].计算机技术,2006.

[4]轻工业部制鞋工业科学研究所.中国鞋号及鞋楦设计[M].北京，轻工业出版社,1984.

[5]居琰,汪同庆,刘健胜等.基于光切法的三维脚型测量仪原理及系统设计[J].传感器技术,2002.

[6]张芸,李俊.[TC]～2非接触式三维测体系统的应用研究[J].东华大学学报(自然科学版),2004(03).

[7]胡安铎,苏显渝,向立群,刘成林.脚型三维测量与特征参数自动提取[J].四川大学学报(自然科学版),2009(06).

[8]王玉秀,李晓久.人体足部非接触测量系统的研究[J].天津工业大学学报,2004(05).

[9]李慧,张欣,李毅.基于量脚制鞋的足部三维特征指标研究[J].西安工程科技学院学报,2004(03).

[10]肖汉婴.三维脚型模型驱动的动态脚型测量的技术及系统实现[D].浙江大学,2007.