毕业论文（科学研究报告）：轻便式扫描仪结构设计及模拟加工

毕 业 论 文（科学研究报告）

题 目 轻便式扫描仪结构设计及模拟加工
院(系)别 机电及自动化学院
专 业 机械工程及自动化
级 别 2008

摘 要
个性化鞋楦设计已是社会发展的必然要求，因此足部三维激光扫描仪的研制有着重要的研究意义和价值。本研究基于激光扫描的三维测量原理，结合现有三维扫描仪及课题要求，制定了一套较为详细的方案，设计了硬件系统、控制系统及机械系统来实现快速扫描。以三个CCD摄像机搭配四个激光笔配合步进电机，驱动丝杆，用线性滑轨使平台前后移动，快速进行足部扫描，实现三个CCD同步取像。
本研究实现了以单片机为核心的控制系统设计，包括步进电机、滑轨丝杆、CCD、激光器、电源等。完成了硬件系统的机械结构设计，包括光机盒子、光机底板、量测物支撑板、移动平台、激光笔固定座、CCD固定座等。
由于市场上已有相对成熟的三维扫描仪，本研究突出如何减轻重量，减小体积以及方便携带等特色。在选材上采用质量较轻的铝材，简化机械结构，使用三个CCD摄像机，缩短光程使整个光机结构体积缩小，与市场上的足部扫描仪比较，本系统重量减轻了大约30kg。对提高我国个性化足部扫描仪的设计起到了一定的促进作用。


关键词：足部扫描仪，激光扫描，鞋楦，轻便式

ABSTRACT
Personalized shoe last design is an inevitable requirement for social development, foot three-dimensional laser scanner developed important research significance and value. This study is based
……（新文秘网https://www.wm114.cn省略1209字，正式会员可完整阅读）……　
this system reduce the weight of about 30kg. Played a certain role in improving the design of personalized foot scanner.


Keywords：foot scanner，laser scanning，shoe last，lightweight portable

目 录
第一章 绪论 1
1.1 前言 1
1.2 研究的动机 1
1.3 国内外研究动态 2
第二章 三维量测原理 5
2.1 三维足部测量方法 5
2.1.1结构光测距 5
2.1.2立体视觉测距 6
2.1.3激光测距 6
2.1.4方案比较 7
2.2 三维测量原理与方法 7
第三章 传动系统的选择和计算 9
3.1 丝杆的选择与计算 9
3.2 步进电机的选择与计算 10
第四章 量测系统设计 11
4.1 硬件系统 11
4.2 控制系统 11
4.3 机械结构系统 13
4.3.1结构设计原则 18
第五章 机械结构设计 19
5.1 光程设计 19
5.2 激光笔固定机构设计 19
5.2.1激光笔套 20
5.2.2激光笔固定套 20
5.2.3激光笔固定底座 21
5.3 光机盒子的设计 21
5.3.1光机盒子宽度的决定 21
5.3.2光机盒子长度的决定 22
5.3.3光机盒子高度的决定 22
5.3.4下激光笔位置的决定 22
5.3.5光机盒子整体结构 23
5.4 移动平台的设计 23
5.5 CCD摄像头固定座设计 25
5.6 量测物支撑板的设计 26
5.7 光机底板的设计 28
5.8 外壳底板及外壳的设计 28
第六章 结束语 30
致 谢 31
参 考 文 献 32


第一章 绪论
1.1 前言
随着社会现代化程度和物质生活水平的不断提高，人们对自己所穿的鞋子的舒适性和个性化的需求日益增强，尤其是从事特定职业的人员（如运动员、舞蹈演员、军人等）对个性化鞋子的需求更加迫切。以往人们在选购鞋子时，往往是迫使自己的双脚去适应已经成型的鞋子，很难根据自己双脚的实际情况选购到非常合脚的鞋子（除非到鞋厂定制，但是这样的价格是非常昂贵的，一般的人根本无法承受）。由于世界上不存在两个人的脚形完全相同的情况，即使对于穿同一鞋号的两个人来说，由于他们（或她们的脚的长短不同、胖瘦不同、足弓高度不同，甚至走路的姿势都不同等，因此，传统的基于标准鞋楦生产的鞋子在很大程度上无法满足客户对鞋子个性化和人性化需求。 鞋楦造型个性化设计方法就是针对这种需求而提出的。个性化皮鞋CAD软件系统中最核心的问题是，如何根据特定的人脚设计和制造出符合个性化要求的鞋楦。 因为在制鞋行业中，人们将鞋楦称为皮鞋的“灵魂”，由此可知鞋楦在皮鞋设计和制造过程中的地位和作用。只有在鞋楦满足个性化需求的前提下，才有可能设计和生产出对某个人而言是最合脚、最舒适的皮鞋。而如何快速建立3D_曲面模型，就成鞋楦设计制作及鞋底模具制作的重要课题之一。
因为三维激光扫描仪能够直接获取景物的深度信息，方便快捷，同时，基于激光扫描技术的三维建模能够有效恢复出具有准确几何信息和照片真实感的三维模型，符合高精度的要求。因此，近年来基于激光扫描技术的三维建模技术成为了研究热点。
1.2 研究的动机
随着3D数字化扫描技术的逐渐发展成熟，3D模型使用快速成长与模具制作对时间、造型与精度要求的日益严格，传统鞋业之生产技术已无法因应现今鞋业市场之大量供应需求，论是个人或是国内外各大名牌公司都希望依照个人所需来开发创造理想的鞋楦，若是单纯利用人工手动量测，除了所获得之数据数据准确度不高，相对的所花费的时间也必定增加许多，有依靠机器来 辅助量测才能提高鞋楦尺寸之正确性以及完整性，并且有效节省人力 资源，降低生产制造所需时数。
也由于近年来逆向工程(Reverse engineering)[1]处理技术逐渐成熟，因此透过逆向工程之运用，可使得鞋品的开发时程缩短，并且增加制鞋精度,因此各类模具厂皆积极导入逆向工程之技术。然而传统的逆向工程作法不仅所需花费较多的时间,亦无法针对真实人体足步进行扫描，唯有开发一套光学快速扫描技术及量测设备，可配合鞋楦设计尺寸时撷取必要的量测项目，提高鞋楦尺寸之正确性以及完整性，有效节省人力资源，降低生产制造所需时数，更可对实际足部进行扫描，量身打造个人化产品，制作出更为舒适及合脚的鞋子。
目前对于帮助制鞋业者提升制鞋技术所需要的三次元量测设备需求，主要是使用光学快速扫描技术开发研制相关量测设备，针对鞋楦或实际足部进行扫描，将扫描得到的数据数据，利用自行研发的软件转化成 CAD/CAM可以使用的格式。目前国外公司已有此类的扫描设备，本地现有的均为国外进口，目前仍以医工应用为主，如提供肢障病患以及需要设计特殊鞋子的用户，糖尿病足的病患，但此类设备购置价格均在新台币数佰万元以上，计算机设备皆为专用，若设备发生异常状况，则须请工程人员千里迢迢从国外到本地进行维护，而无法因应未来市场的需求，因此本系统之开发可有效地辅助相关产业之生产以及研究。
本研究所使用的量测技术是以常见的线激光束扫描量测[2]为基础，以三组摄影机搭配四组激光束，配合线性马达高速扫描设计，结合以对映函数法[3]为基础的三维轮廓影像视觉扫描量测技术；在要求精度下，达到高速量测及低成本与携带方便等目标。目前坊间现有的足部扫描系统中，所面临到的是机构本身的体积过大以及重量过重的问题，由于此系统所要量测的是人体的足部，因此在机构设计上，必须能有效的支撑人体部分的重量，因此大多数国外所开发的系统，重量超过一百公斤，体积也过于庞大，导致携带不便搬运困难而只能于定点使用,除此之外，产品的售价也因而相对的提高。基于上述等理由，本研究开发一套改良式的足部扫描系统，已经过多次的实验以及计算，推论出系统内部CCD架设方式、数量及雷射线投射位置及数量，研发出待测物体三维坐标撷取新的架构设计与系统 ……（未完，全文共18875字，当前仅显示3395字，请阅读下面提示信息。收藏《毕业论文（科学研究报告）：轻便式扫描仪结构设计及模拟加工》）