逆向工程技术在人工下肢设计中的应用

2020-03-16李明王金星

工业设计 2020年2期

李明王金星

摘要：针对传统的人工下肢设计方法都是统一标准化设计，无法满足人们在心理情感上的需求。文章中以逆向工程技术为基础，主要介绍了逆向工程技术的相关原理和人工下肢设计中的数据采集、数据处理以及模型重建等过程。希望在今后的发展中，逆向工程技术能够在人工下肢设计这个领域发展起来，使其具有一定的现实意义和价值。

关键词：逆向工程;人工下肢;产品设计;应用

中图分类号：TP391

文献标识码：A

文章编码：1672-7053（2020）02-0074-02

每年我国因交通事故造成神经损伤或肢体受伤而不能正常行走的人数不断增加，所以作为下肢的代偿设备也就成为了他们生活中的一大需求。而现在的人工下肢虽然能满足一定的行走能力，但是却不能满足人们的正常生理需求。所以利用逆向工程技术进行人体下肢的设计一方面能够满足正常的行走能力;另一方面又能够使其感觉到人工下肢和本身具有的下肢很相似从而得到心理上的满足。目前，计算机辅助正向设计这种设计方法有时不能满足市场的需求，因此，逆向工程技术也就随之诞生了。目前，这种基于逆向工程技术在各个领域中的应用已经越来越普遍，比如陈国峰等在《逆向工程技术在飞机修理中的应用》[1]中利用逆向工程技术完成了飞机修理的工作;朱小明等在《基于逆向工程和3D打印的鞋子个性化设计制作》[2]中借助逆向工程技术完成了鞋子个性化设计;王旭等在《基于逆向工程技术的青年标准女体前臂三维模型重建》[3]中利用逆向工程技术完成了青年标准女体前臂三维模型的重建。因此，通过逆向工程技术进行产品设计的思路将成为设计领域中重要的一部分。

1逆向工程技术概述

1.1逆向工程技术的概念

逆向工程又称为反求工程，逆向工程技术就是根据现有的实物模型，通过逆向思维求出实物模型的相关设计数据的过程。但不同于正向设计的是：正向工程技术是一个“从无到有”的设计过程，是根据设计产品的功能、造型等属性而进行产品设计的一个过程，而逆向设计过程则是一个“从有到无”的过程。这里的“有”是指已经有了相关产品的实物模型，而“无”代表的是没有关于产品的三维模型数据。因此逆向工程技术是指在没有设计图纸以及相关设计数据的情况下，以现有的产品或者实物模型为基础，利用相对应的技术获得其模型的三维数据并根据三=维数据进行模型的重构，然后对其进行再优化设计。

1.2逆向工程技术的应用流程

逆向工程技术首先是利用3D扫描仪获取相关模型或实物的点云数据，然后利用Alias等相关逆向软件处理点云数据得到可用结构的三维模型并加以优化，然后导入到三维CAD中进行二_次建模，得到预期的产品模型，以达到预期的设计意图，最后利用3D打印或机械加工等技术制作模型样品，测试模型的可用性。逆向工程技术的应用基本流程如下图1所示。2逆向工程技术在人体下肢设计中的应用意义

目前现在的下肢制造厂生产出来的下肢造型呈现同一化，很难满足用户的心理需求。所以把逆向工程技术应用在人工下肢的设计上是很重要的。因此，有必要结合市场发展的需求和以人为.本的理念，从设计实践上对人工下肢利用逆向工程技术进行再设计。其主要意义有：（1）逆向工程设计与正向设计相比具有独特的优越性。在设计复杂自由表面实体、产品设计周期等方面都有着正向设计无法比拟的优越性[4];（2）患者的日常生活的自理能力是基本需求，也是至关重要的，但是对于他们来说心理需求也是不容忽视的。因此，利用逆向工程进行人工下肢设计可以提高患者的舒适性以及患者的心理需求;（3）逆向工程在人工下肢设计的应用研究具有重要的现实意义，既符合现代发展需求，也体现了“以人为本”的理念。

3逆向工程技术在人体下肢设计中的应用流程

逆向工程技术需要硬件和软件两方面的技术来支持。在硬件方面：需要通过相关设备进行测量来获取实物模型的空间三维数据;在软件方面：需要通过可以逆向设计的软件进行数据分析以及模型重建。因此，逆向工程技术在人工下肢设计中的应用主要分为三个环节：人体下肢的点云数据获取环节、下肢点云数据的处理环节、下肢模型的重建环节（如图2）。

3.1数据采集

在利用逆向工程技术进行设计时，需要从实物模型中采集三维数据信息。三维数据采集是逆向工程设计过程中的第一步，也是逆向工程设计中最基础的一步。它是通过相关设备对实物模型表面进行测量来获取其空间的三维数据。目前比较常用的数据采集方法主要有接触式测量和非接触式测量两种（如图3）：

1）接触式测量。扫描设备与实物模型表面相接触进行扫描获取零件的空间坐标数据，其测量精度高、成本低。缺点是首先在扫描过程中，存在设备和被测物体相接触从而导致被测物体发生形变进而产生一些测量误差;其次对一些窄小地区的测量也容易受到限制，同时测量速度还比较慢。因此接触式扫描适合材质硬质且形状较为简单、容易定位的物体问。接触式测量常用的设备有三维坐标测量机（CMM）和机械手。

2）非接触式测量。其方法是设备与被测物体不接触进行拉描，其优点是不会产生被测物体发生形变而带来的测量误差。非接触式测量方法主要有激光扫描、工业CT扫描和三维人体扫描等多种方法。

由于扫描的是人体下肢结构，所以需要在测量的过程中考虑人体的安全以及测量数据的准确性，所以人们需要采用三维人体扫描仪，人体三维扫描仪具有以下优势：（1）非接触式扫描，避免了设备与人体接触，从而降低了在测量时产生的测量误差;（2）安全可靠，采用普通白光光源（非激光），对人体和人眼没有任何危害;（3）测量速度快，因为在测量过程中，外界的不可控因素是无法避免的，所以这种方法能够避免在測量过程受外界因素造成的测量误差。

3.2数据处理

得到点云数据之后，这个数据是不能直接拿来应用的。需要预先对其进行数据处理，数据处理在整个逆向设计过程中起着重要的作用。如果这个阶段处理不好，将会影响后面模型的创建工作。一般来说，数据处理包括：数据精简、去除噪点、点云封装等。

1）数据精简。相比如其他的产品，人体下肢结构的表面复杂程度更高，所以经过扫描得到的点云数据更具有不规则性，而且数量会更大一些。这样的数据在模型重建时是不能作为参考数据的，因为这样产生的曲面质量无法得到保证，并且会给设计师的工作带来干扰，导致计算机的运算速度低下，甚至死机。

2）去除噪点。在采集点云数据的过程中，会产生一些偏离实际位置的跳点、错误点，一般统称为噪点。如果不去除噪点，噪点的存在则会降低模型的精度，得到的模型将会与实际模型不相符合。去除噪点的方法一般有：人工检查法、最小二乘法、弦高偏差法、滤波法。可以采用人工检查法进行降噪，如有人工无法处理的情况下可以采用其他方法来处理噪点。

3）点云封装。最后，就是对数据进行封装，点云封装是指对降噪、精简之后的点进行封装，得到多边形点云模型，可以保存为STL格式的文件，以便后面的模型构建工作。

目前可以进行逆向设计的软件有有Alias、Imageware、Geomagic Studio、Rapid Form等，其中Alias在汽车领域的逆向工程设计中得到了广泛的应用，生成曲面的速度快;Imageware涵盖了多种应用设备，能够为逆向工程设计提供有效的点云处理方法与曲面重构性能;Geomagic Studio可轻易地从扫描所得的点云数据创建出完美的多边形模型和网格，并可自动转换为NURBS曲面[6];Rapid Form提供了新一代运算模式，可实时将点云数据运算出无接缝的多边形点云。

3.3曲面重构

曲面重构是指将处理好之后的多边形点云面片通过CAD软件构造三维实体模型，也是逆向工程设计中最关键、最复杂的个环节。这是因为在一切实物模型中都是以三维模型结果为基础的，所以构建的模型质量决定着生产出来的产品质量。

由于人工下肢的表面比较复杂，因此在曲面重构时不能一次拟合成一个完整的面，需要将人工下肢的多边形点云按照一定的结构特征分割成若千个不同的曲面片。然后依次拟合每一个曲面片，每个曲面片之间通过G1连续或者G2连续进行连接即可。常用的曲面重構软件有Alias、CATIA、UG等。

4结语

利用逆向工程技术可以方便、快捷地获得实物的三维数据，利用CAD三维软件，并根据三维数据进行三维模型的构建。这为新产品的开发提供了技术支持，并且这种逆向工程技术也可以在航空，机械、医学、交通等多个领域进行应用。希望逆向工程技术为产品设计提供新的设计思路。

参考文献

[1]陈国峰，曹宏翼，齐祥，等.逆向工程技术在飞机修理中的应用[J].航空维修与工程，2019（04）：50-51.

[2]朱小明，韩伟，刘楚生，等.基于逆向工程和3D打印的鞋子个性化设计制作[J/OL].塑料科技：1-7[2019-07-04].

[3]王旭，张艳红，谢月婵，等.基于逆向工程技术的青年标准女体前臂三维模型重建[J].河南工程学院学报（自然科学版），2018，30（02）：17-21.

[4]黄梅婷.基于逆向工程的人工牙三维重建及软件开发[D].东北大学，2009.

[5]林胜，梁金玲，朱向丽，等.逆向工程技术在车门设计中的应用UJ.轻工科技，2016，32（04）：38-39.

[6]汤磊，钱建国，朱翊.基于Geomagic Studio的点云处理与三维建模研究[C].中国测绘学会学术年会，201，2012.