畢業(yè)論文（科學(xué)研究報(bào)告）：輕便式掃描儀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及模擬加工

畢 業(yè) 論 文（科學(xué)研究報(bào)告）

題 目 輕便式掃描儀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及模擬加工
院(系)別 機(jī)電及自動(dòng)化學(xué)院
專 業(yè) 機(jī)械工程及自動(dòng)化
級(jí) 別 2008

摘 要
個(gè)性化鞋楦設(shè)計(jì)已是社會(huì)發(fā)展的必然要求，因此足部三維激光掃描儀的研制有著重要的研究意義和價(jià)值。本研究基于激光掃描的三維測(cè)量原理，結(jié)合現(xiàn)有三維掃描儀及課題要求，制定了一套較為詳細(xì)的方案，設(shè)計(jì)了硬件系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及機(jī)械系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)快速掃描。以三個(gè)CCD攝像機(jī)搭配四個(gè)激光筆配合步進(jìn)電機(jī)，驅(qū)動(dòng)絲桿，用線性滑軌使平臺(tái)前后移動(dòng)，快速進(jìn)行足部掃描，實(shí)現(xiàn)三個(gè)CCD同步取像。
本研究實(shí)現(xiàn)了以單片機(jī)為核心的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，包括步進(jìn)電機(jī)、滑軌絲桿、CCD、激光器、電源等。完成了硬件系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，包括光機(jī)盒子、光機(jī)底板、量測(cè)物支撐板、移動(dòng)平臺(tái)、激光筆固定座、CCD固定座等。
由于市場(chǎng)上已有相對(duì)成熟的三維掃描儀，本研究突出如何減輕重量，減小體積以及方便攜帶等特色。在選材上采用質(zhì)量較輕的鋁材，簡(jiǎn)化機(jī)械結(jié)構(gòu)，使用三個(gè)CCD攝像機(jī)，縮短光程使整個(gè)光機(jī)結(jié)構(gòu)體積縮小，與市場(chǎng)上的足部掃描儀比較，本系統(tǒng)重量減輕了大約30kg。對(duì)提高我國(guó)個(gè)性化足部掃描儀的設(shè)計(jì)起到了一定的促進(jìn)作用。


關(guān)鍵詞：足部掃描儀，激光掃描，鞋楦，輕便式

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
……（新文秘網(wǎng)http://120pk.cn省略1209字，正式會(huì)員可完整閱讀）……　
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 錄
第一章 緒論 1
1.1 前言 1
1.2 研究的動(dòng)機(jī) 1
1.3 國(guó)內(nèi)外研究動(dòng)態(tài) 2
第二章 三維量測(cè)原理 5
2.1 三維足部測(cè)量方法 5
2.1.1結(jié)構(gòu)光測(cè)距 5
2.1.2立體視覺(jué)測(cè)距 6
2.1.3激光測(cè)距 6
2.1.4方案比較 7
2.2 三維測(cè)量原理與方法 7
第三章 傳動(dòng)系統(tǒng)的選擇和計(jì)算 9
3.1 絲桿的選擇與計(jì)算 9
3.2 步進(jìn)電機(jī)的選擇與計(jì)算 10
第四章 量測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 11
4.1 硬件系統(tǒng) 11
4.2 控制系統(tǒng) 11
4.3 機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng) 13
4.3.1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則 18
第五章 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 19
5.1 光程設(shè)計(jì) 19
5.2 激光筆固定機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 19
5.2.1激光筆套 20
5.2.2激光筆固定套 20
5.2.3激光筆固定底座 21
5.3 光機(jī)盒子的設(shè)計(jì) 21
5.3.1光機(jī)盒子寬度的決定 21
5.3.2光機(jī)盒子長(zhǎng)度的決定 22
5.3.3光機(jī)盒子高度的決定 22
5.3.4下激光筆位置的決定 22
5.3.5光機(jī)盒子整體結(jié)構(gòu) 23
5.4 移動(dòng)平臺(tái)的設(shè)計(jì) 23
5.5 CCD攝像頭固定座設(shè)計(jì) 25
5.6 量測(cè)物支撐板的設(shè)計(jì) 26
5.7 光機(jī)底板的設(shè)計(jì) 28
5.8 外殼底板及外殼的設(shè)計(jì) 28
第六章 結(jié)束語(yǔ) 30
致 謝 31
參 考 文 獻(xiàn) 32


第一章 緒論
1.1 前言
隨著社會(huì)現(xiàn)代化程度和物質(zhì)生活水平的不斷提高，人們對(duì)自己所穿的鞋子的舒適性和個(gè)性化的需求日益增強(qiáng)，尤其是從事特定職業(yè)的人員（如運(yùn)動(dòng)員、舞蹈演員、軍人等）對(duì)個(gè)性化鞋子的需求更加迫切。以往人們?cè)谶x購(gòu)鞋子時(shí)，往往是迫使自己的雙腳去適應(yīng)已經(jīng)成型的鞋子，很難根據(jù)自己雙腳的實(shí)際情況選購(gòu)到非常合腳的鞋子（除非到鞋廠定制，但是這樣的價(jià)格是非常昂貴的，一般的人根本無(wú)法承受）。由于世界上不存在兩個(gè)人的腳形完全相同的情況，即使對(duì)于穿同一鞋號(hào)的兩個(gè)人來(lái)說(shuō)，由于他們（或她們的腳的長(zhǎng)短不同、胖瘦不同、足弓高度不同，甚至走路的姿勢(shì)都不同等，因此，傳統(tǒng)的基于標(biāo)準(zhǔn)鞋楦生產(chǎn)的鞋子在很大程度上無(wú)法滿足客戶對(duì)鞋子個(gè)性化和人性化需求。 鞋楦造型個(gè)性化設(shè)計(jì)方法就是針對(duì)這種需求而提出的。個(gè)性化皮鞋CAD軟件系統(tǒng)中最核心的問(wèn)題是，如何根據(jù)特定的人腳設(shè)計(jì)和制造出符合個(gè)性化要求的鞋楦。 因?yàn)樵谥菩袠I(yè)中，人們將鞋楦稱為皮鞋的“靈魂”，由此可知鞋楦在皮鞋設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中的地位和作用。只有在鞋楦滿足個(gè)性化需求的前提下，才有可能設(shè)計(jì)和生產(chǎn)出對(duì)某個(gè)人而言是最合腳、最舒適的皮鞋。而如何快速建立3D_曲面模型，就成鞋楦設(shè)計(jì)制作及鞋底模具制作的重要課題之一。
因?yàn)槿S激光掃描儀能夠直接獲取景物的深度信息，方便快捷，同時(shí)，基于激光掃描技術(shù)的三維建模能夠有效恢復(fù)出具有準(zhǔn)確幾何信息和照片真實(shí)感的三維模型，符合高精度的要求。因此，近年來(lái)基于激光掃描技術(shù)的三維建模技術(shù)成為了研究熱點(diǎn)。
1.2 研究的動(dòng)機(jī)
隨著3D數(shù)字化掃描技術(shù)的逐漸發(fā)展成熟，3D模型使用快速成長(zhǎng)與模具制作對(duì)時(shí)間、造型與精度要求的日益嚴(yán)格，傳統(tǒng)鞋業(yè)之生產(chǎn)技術(shù)已無(wú)法因應(yīng)現(xiàn)今鞋業(yè)市場(chǎng)之大量供應(yīng)需求，論是個(gè)人或是國(guó)內(nèi)外各大名牌公司都希望依照個(gè)人所需來(lái)開發(fā)創(chuàng)造理想的鞋楦，若是單純利用人工手動(dòng)量測(cè)，除了所獲得之?dāng)?shù)據(jù)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度不高，相對(duì)的所花費(fèi)的時(shí)間也必定增加許多，有依靠機(jī)器來(lái) 輔助量測(cè)才能提高鞋楦尺寸之正確性以及完整性，并且有效節(jié)省人力 資源，降低生產(chǎn)制造所需時(shí)數(shù)。
也由于近年來(lái)逆向工程(Reverse engineering)[1]處理技術(shù)逐漸成熟，因此透過(guò)逆向工程之運(yùn)用，可使得鞋品的開發(fā)時(shí)程縮短，并且增加制鞋精度,因此各類模具廠皆積極導(dǎo)入逆向工程之技術(shù)。然而傳統(tǒng)的逆向工程作法不僅所需花費(fèi)較多的時(shí)間,亦無(wú)法針對(duì)真實(shí)人體足步進(jìn)行掃描，唯有開發(fā)一套光學(xué)快速掃描技術(shù)及量測(cè)設(shè)備，可配合鞋楦設(shè)計(jì)尺寸時(shí)擷取必要的量測(cè)項(xiàng)目，提高鞋楦尺寸之正確性以及完整性，有效節(jié)省人力資源，降低生產(chǎn)制造所需時(shí)數(shù)，更可對(duì)實(shí)際足部進(jìn)行掃描，量身打造個(gè)人化產(chǎn)品，制作出更為舒適及合腳的鞋子。
目前對(duì)于幫助制鞋業(yè)者提升制鞋技術(shù)所需要的三次元量測(cè)設(shè)備需求，主要是使用光學(xué)快速掃描技術(shù)開發(fā)研制相關(guān)量測(cè)設(shè)備，針對(duì)鞋楦或?qū)嶋H足部進(jìn)行掃描，將掃描得到的數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)，利用自行研發(fā)的軟件轉(zhuǎn)化成 CAD/CAM可以使用的格式。目前國(guó)外公司已有此類的掃描設(shè)備，本地現(xiàn)有的均為國(guó)外進(jìn)口，目前仍以醫(yī)工應(yīng)用為主，如提供肢障病患以及需要設(shè)計(jì)特殊鞋子的用戶，糖尿病足的病患，但此類設(shè)備購(gòu)置價(jià)格均在新臺(tái)幣數(shù)佰萬(wàn)元以上，計(jì)算機(jī)設(shè)備皆為專用，若設(shè)備發(fā)生異常狀況，則須請(qǐng)工程人員千里迢迢從國(guó)外到本地進(jìn)行維護(hù)，而無(wú)法因應(yīng)未來(lái)市場(chǎng)的需求，因此本系統(tǒng)之開發(fā)可有效地輔助相關(guān)產(chǎn)業(yè)之生產(chǎn)以及研究。
本研究所使用的量測(cè)技術(shù)是以常見(jiàn)的線激光束掃描量測(cè)[2]為基礎(chǔ)，以三組攝影機(jī)搭配四組激光束，配合線性馬達(dá)高速掃描設(shè)計(jì)，結(jié)合以對(duì)映函數(shù)法[3]為基礎(chǔ)的三維輪廓影像視覺(jué)掃描量測(cè)技術(shù)；在要求精度下，達(dá)到高速量測(cè)及低成本與攜帶方便等目標(biāo)。目前坊間現(xiàn)有的足部掃描系統(tǒng)中，所面臨到的是機(jī)構(gòu)本身的體積過(guò)大以及重量過(guò)重的問(wèn)題，由于此系統(tǒng)所要量測(cè)的是人體的足部，因此在機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)上，必須能有效的支撐人體部分的重量，因此大多數(shù)國(guó)外所開發(fā)的系統(tǒng)，重量超過(guò)一百公斤，體積也過(guò)于龐大，導(dǎo)致攜帶不便搬運(yùn)困難而只能于定點(diǎn)使用,除此之外，產(chǎn)品的售價(jià)也因而相對(duì)的提高。基于上述等理由，本研究開發(fā)一套改良式的足部掃描系統(tǒng)，已經(jīng)過(guò)多次的實(shí)驗(yàn)以及計(jì)算，推論出系統(tǒng)內(nèi)部CCD架設(shè)方式、數(shù)量及雷射線投射位置及數(shù)量，研發(fā)出待測(cè)物體三維坐標(biāo)擷取新的架構(gòu)設(shè)計(jì)與系統(tǒng) ……（未完，全文共18875字，當(dāng)前僅顯示3395字，請(qǐng)閱讀下面提示信息。收藏《畢業(yè)論文（科學(xué)研究報(bào)告）：輕便式掃描儀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及模擬加工》）