辅具建模方法与肢体导板机构

技术领域

本发明关于一种建模方法，特别是关于一种辅具建模方法与肢体导板机构。

背景技术

人员在四肢受伤的时候便会影响到行动，此时通常采用一些设备(如，石膏、拐杖、护具、义肢等)来进行辅助，此种设备称为辅具(assistive device)。依据功能性区分的话，辅具可以包括行动辅具(如，轮椅、矫正鞋、助行器、拐杖)、协助机体功能的辅具(如，手部或腿部义肢、握笔器、特制汤匙)、生活辅具(如，安全警铃、趴踢器)、治疗用或固定用辅具(如，石膏、背架、护腰、护膝、颈圈、护枕)等。较为常见也常为消费者使用的护具通常是与肢体活动相关的辅具，例如肢体的护具、助行器、义肢、石膏等。

一般来说，用于固定肢体的辅具通常是由有经验的医生或医疗人员以石膏、模具或相关对象制成，但此种以石膏制成的护具将导致十分差的用户体验。例如，因石膏在冷却后即硬化，导致用户的皮肤在接触石膏时将十分不舒服；在制作以石膏为主体的护具时产生高温；无法改变材质或结构来实现客制化等。另一方面，也可采取固定尺寸的方式生产辅具，但这种辅具无法对使用的肢体提供完美的支撑性、造型弹性及舒适性。此外，统一生产的辅具的材质与其结构无法针对用户的需求进行调整或变更。

因此，如何快速地建立穿戴式辅具的辅具数字模型，并提升辅具设计质量且缩短客制化辅具的生产周期将成为一重要议题。

发明内容

本发明提供一种辅具建模方法与肢体导板机构，藉以快速地建立穿戴式辅具的辅具数字模型，并提升辅具设计质量且缩短客制化辅具的生产周期。

本发明提供一种辅具建模方法，包括下列步骤。取得对应肢体的肢体表面点云信息。依据肢体表面点云信息，产生多个学习数据。通过类神经网络，对学习数据进行处理，以产生辅具数字模型。

本发明另提供一种辅具建模方法，包括下列步骤。提供肢体导板机构，其中肢体导板机构设置有至少三个定位孔。通过肢体导板机构，于肢体上产生对应至少三个定位孔的至少三个定位标记。对肢体进行扫描，取得肢体表面点云信息，且肢体表面点云信息包括至少三个定位标记。于数据库取得多个预设辅具数字模型。依据肢体表面点云信息的至少三个定位标记，将肢体表面点云信息与预设辅具数字模型进行叠合。选择与肢体表面点云信息匹配的预设辅具数字模型。依据肢体表面点云信息与匹配的预设辅具数字模型，产生辅具数字模型。

本发明另提供一种肢体导板机构，包括本体与至少三个定位孔。上述定位孔设置于本体上，且上述定位孔的位置彼此不同，且至少三个定位孔的两个定位孔之间的联机长度设定为小于或等于预设距离。

本发明所公开的辅具建模方法与肢体导板机构，通过依据肢体表面点云信息，产生多个学习数据，并通过类神经网络，对学习数据进行处理，以产生辅具数字模型。另外，本发明实施例可通过提供设置有至少三个定位孔的肢体导板机构，并通过肢体导板机构于肢体上产生对应至少三个定位孔的至少三个定位标记。接着，对肢体进行扫描，取得包括至少三个定位标记的肢体表面点云信息，并依据肢体表面点云信息的至少三个定位标记，将肢体表面点云信息与于数据库取得的多个预设辅具数字模型进行叠合，选择与肢体表面点云信息匹配的预设辅具数字模型，再依据肢体表面点云信息与匹配的预设辅具数字模型，产生辅具数字模型。如此一来，可以有效且快速地建立穿戴式辅具的辅具数字模型，并提升辅具设计质量且缩短客制化辅具的生产周期。

附图说明

为了对本发明上述及其他方面有更佳的了解，下文特举实施例，并配合所附图式详细说明如下：

图1为依据本发明一实施例的辅具建模的电子系统的示意图。

图2为依据本发明一实施例的辅具建模方法的流程图。

图3为依据本发明一实施例的依据肢体表面点云信息产生多个学习数据的示意图。

图4为依据本发明一实施例的辅具建模的电子系统的示意图。

图5为依据本发明一实施例的肢体导板机构的定位孔与肢体上的定位标记的对应关系示意图。

图6为依据本发明另一实施例的辅具建模方法的流程图。

图7为依据本发明另一实施例的辅具建模方法的流程图。

图8为依据本发明的肢体表面点云信息、预设辅具数字模型与叠合模型的对应关系示意图。

图9为图7的步骤S714的详细流程图。

图10为依据本发明的将匹配的预设辅具数字模型的外观形状分割成多层截面的示意图。

图11为依据本发明另一实施例的辅具建模方法的流程图。

附图标记列表

100、400：辅具建模的电子系统

110：三维扫描装置

120：处理装置

130：三维打印装置

310、810：肢体表面点云信息

320：旋转方向

410：肢体导板机构

411：本体

412、413、414：定位孔

420：手部

511、512、513：定位标记

820：预设辅具数字模型

830：叠合模型

S202～S208、S602～S612、S702～S716、S902～S906、S1102～S1104：步骤

具体实施方式

本说明书的技术用语参照本技术领域的习惯用语，如本说明书对部分用语有加以说明或定义，该部分用语的解释以本说明书的说明或定义为准。本公开的各个实施例分别具有一或多个技术特征。在可能实施的前提下，本技术领域具有通常知识者可选择性地实施任一实施例中部分或全部的技术特征，或者选择性地将这些实施例中部分或全部的技术特征加以组合。

在以下所列举的各实施例中，将以相同的标号代表相同或相似的组件或组件。

图1为依据本发明一实施例的辅具建模的电子系统的示意图。请参考图1，辅具建模的电子系统100包括三维扫描装置110、处理装置120与三维打印装置130。

三维扫描装置110用于扫描用户的肢体，以产生对应肢体的肢体表面点云信息。例如，用户可以将手部或脚部置于三维扫描装置110的扫描区域进行扫描，以产生对应肢体(即用户的手部或脚部)的肢体表面点云信息。

处理装置120耦接三维扫描装置110，以接收三维扫描装置110所产生的肢体表面点云信息，并依据肢体表面点云信息，产生合适的辅具数字模型。

在本实施例中，处理装置120可以包括处理器与数据库。处理器例如为中央处理单元(Central Processing Unit,CPU)、微处理器(Microprocessor)、微控制器、数字信号处理器(Digital Signal Processor,DSP)、特殊应用集成电路(Application SpecificIntegrated Circuit,ASIC)或其他类似装置。数据库例如为内存、硬盘、固态硬盘等，用于储存相关信息。

三维打印装置130耦接处理装置120，并依据处理装置120所产生的辅具数字模型，以产生适合用户使用的辅具。如此一来，辅具建模的电子系统100可以快速地建立穿戴式辅具的辅具数字模型，并提升辅具设计质量且缩短客制化辅具的生产周期。

图2为依据本发明一实施例的辅具建模方法的流程图。请同时参考图1及图2。在步骤S202中，处理装置120取得对应肢体的肢体表面点云信息，如图3所示的标号310。上述肢体表面点云信息是通过三维扫描装置110扫描用户的肢体所产生。本实施例是以用户的手部作为本发明实施例的肢体的范例。

在步骤S204中，处理装置120依据肢体表面点云信息，产生多个学习数据。进一步来说，处理装置120例如将肢体表面点云信息旋转至多个不同角度及进行等比例缩放，以依序产生多个学习数据。举例来说，处理装置120可以通过如图3所示的旋转方向310，将肢体表面点云信息旋转至多个不同角度，以产生对应原始比例的多个学习数据。接着，处理装置120可以将肢体表面点云信息进行等比例缩放，并通过如图3所示的旋转方向310，将上述等比例缩放后的肢体表面点云信息旋转至多个不同角度，以产生对应不同比例缩放后及其不同角度的多个学习数据。

在步骤S206中，处理装置120通过类神经网络，对学习数据进行处理，以产生辅具数字模型。也就是说，处理装置120例如通过卷积式类神经网络，对上述学习数据进行处理，以产生对应的一肢体模型，并依据肢体模型，绘制出对应肢体模型的辅具数字模型，以产生辅具数字模型。

在步骤S208中，通过三维打印装置130，并依据辅具数字模型产生辅具。如此一来，可以快速地建立穿戴式辅具的辅具数字模型，并提升辅具设计质量且缩短客制化辅具的生产周期。

图4为依据本发明一实施例的辅具建模的电子系统的示意图。请参考图4，辅具建模的电子系统400包括三维扫描装置110、处理装置120、三维打印装置130与肢体导板机构410。在本实施例中，三维扫描装置110、处理装置120、三维打印装置130与图1的三维扫描装置110、处理装置120、三维打印装置130相同或相似，可参考图1的实施例的说明，故在此不再赘述。

在本实施例中，肢体导板机构410包括本体411与三个定位孔412、413、414。定位孔412、413、414配置于本体411上。本实施例的肢体导板机构410用于浮贴于用户的手部420上，可以固定用户的手部420的姿势，并于用户的手部420上产生对应定位孔412、413、414的定位标记511、512、513，如图5所示。接着，三维扫描装置110所取得的肢体表面点云信息也会包括定位标记511、512、513，如此处理装置120便可依据定位标记511、512、513的信息进行后续的操作。如此，可以避免用户的手部晃动而使得三维扫描装置110取到错误信息的情况发生。

在本实施例中，定位孔412、413、414的位置彼此不同，且定位孔412、413、414的两个定位孔(例如定位孔412与413或定位孔413与414)的联机长度小于或等于预设距离。也就是说，定位孔412与413的联机及定位孔413与414的联机分别小于或等于预设距离。另外，上述预设距离例如为7公分(cm)，但本发明实施例不限于此。用户可视其需求自行整预设距离的长度。

在一些实施例中，定位孔412、413、414中的至少一个可以对应肢体的关节点。假设以用户的手部作为本发明实施例的肢体的范例。举例来说，定位孔412例如对应用户的大拇指邻近手掌虎口的关节点，定位孔413例如对应用户的手腕的关节点，定位孔414例如对应用户的手轴的关节点。另外，定位孔412与413的联机和定位孔413与414的联机可形成一夹角。其中，上述夹角的角度可视需求进行调整，例如依据医生建议等。

此外，用户亦可进一步确认定位孔412、413、414的两个定位孔(例如定位孔412与413或定位孔413与414)的联机长度是否小于或等于预设距离，以确认是否调整定位孔的位置。举例来说，当定位孔412与413的联机长度小于或等于预设距离时，则定位孔412与413的位置维持分别对应肢体的关节点，亦即定位孔412仍对应用户的大拇指邻近手掌虎口的关节点，而定位孔413仍对应用户的手腕的关节点。当定位孔413与414的联机长度未小于或等于预设距离时，亦即定位孔413与414的联机长度大于预设距离，则依据预设距离，调整定位孔413与414其中之一的位置。举例来说，调整定位孔414的位置，亦即将定位孔414的位置调整至用户的手腕与手轴之间的部位上，而调整后的定位孔414的位置可以为如图5所示的肢体导板机构410的定位孔414的位置。

另外，肢体导板机构410的定位孔的数量是以三个为例，但不用于限制本发明实施例。肢体导板机构410的定位孔的数量可以为四个或四个以上，且四个或四个以上的定位孔的位置也彼此不同，仍可达到相同的技术效果。四个或四个以上的定位孔的设定方式也可如上实施例进行设定及调整，故在此不再赘述。

此外，假设本实施例是以用户的手部作为本发明实施例的肢体的范例，辅具建模的电子系统400进一步包括一指环(图未示)。此指环例如用于套设于用户的手部的大拇指上，使得三维扫描装置110所取得的肢体表面点云信息也会包括指环所对应的信息。接着，处理装置120便可将指环所对应的已知信息作为对所选择的预设辅具数字模型进行修改及调整的依据。如此，更能增加穿戴式辅具生成的精确度及质量。

图6为依据本发明另一实施例的辅具建模方法的流程图。请同时参考图3～6，本实施例是以用户的手部作为本发明实施例的肢体的范例。在步骤S602中，通过肢体导板机构410，于肢体上产生对应肢体导板机构410上的至少三个定位孔412、413、414的至少三个定位标记511、512、513。在步骤S604中，处理装置120取得对应肢体的肢体表面点云信息，如图3所示。上述肢体表面点云信息是通过三维扫描装置110扫描用户的肢体所产生，且肢体表面点云信息包括三个定位标记511、512、513。

在步骤S606中，处理装置120依据至少三个定位标记511、512、513，将肢体表面点云信息转向至预设位置，例如对应如图3所示标号310的位置。也就是说，当三维扫描装置110所产生的肢体表面点云信息的位置与图3的位置不同时，处理装置120可以通过上述定位标记511、512、513所定义的坐标系，将肢体表面点云信息迅速地转向至如图3所示标号310的位置，例如用户的手部的掌面暴露出来的位置。如此一来，可以加快肢体表面点云信息的定位。上述预设位置为本发明的一种实施范例，不用于限制本发明实施例。用户亦可视其需求调整预设位置的形式，例如用户的手部的掌背暴露出来的位置等，都可达到相同的效果。

在步骤S608中，处理装置120依据肢体表面点云信息，产生多个学习数据。进一步来说，处理装置120例如将肢体表面点云信息旋转至多个不同角度及进行等比例缩放，以依序多个学习资料。并且，步骤S608的产生多个学习数据的方式与图2的步骤S204相同，可参考图2的步骤S204的说明，故在此不再赘述。

在步骤S610中，处理装置120通过类神网络，对学习数据进行处理，以产生辅具数字模型。也就是说，处理装置120例如通过卷积式类神经网络，对上述学习数据进行处理，以产生对应的一肢体数字模型，并依据肢体数字模型，绘制出对应肢体数字模型的辅具数字模型，以产生辅具数字模型。

在步骤S612中，通过三维打印装置130，并依据辅具数字模型产生辅具。如此一来，可以快速地建立穿戴式辅具，并提升辅具设计质量且缩短客制化辅具的生产周期。

图7为依据本发明另一实施例的辅具建模方法的流程图。请同时参考图3～5及7，本实施例是以用户的手部作为本发明实施例的肢体的范例。在步骤S702中，提供肢体导板机构410，其中肢体导板机构410设置有至少三个定位孔412、413、414，如图4、5所示。在步骤S704中，通过肢体导板机构410，于肢体上产生对应至少三个定位孔412、413、414的至少三个定位标记511、512、513，如图5所示。

在步骤S706中，对肢体进行扫描，取得肢体表面点云信息，且肢体表面点云信息包括至少三个定位标记511、512、513。上述肢体表面点云信息是通过三维扫描装置110扫描用户的肢体所产生，且肢体表面点云信息包括三个定位标记511、512、513。

在步骤S708中，处理装置120于数据库取得多个预设辅具数字模型。也就是说，处理装置120可以于数据库中取得所有预设辅具数字模型，以便于将预设辅具数字模型与肢体表面点云信息进行比对，进而确认是否有对应于肢体表面点云信息的预设辅具数字模型。

在步骤S710中，处理装置120依据肢体表面点云信息的至少三个定位标记511、512、513，将肢体表面点云信息与预设辅具数字模型进行叠合。举例来说，处理装置120可以依据定位标记511、512、513所定义的坐标系以及预设辅具数字模型所定义的预设坐标系，将肢体表面点云信息与预设辅具数字模型进行定位及对齐，如图8所示。

在图8中，肢体表面点云信息810与预设辅具数字模型820已调整至对应相同的坐标系的位置。接着，处理装置120将肢体表面点云信息810与预设辅具数字模型820，以形成如图8所示的叠合模型830。如此一来，可以加快肢体表面点云信息与预设辅具数字模型的叠合速度。

在步骤S712中，选择与肢体表面点云信息匹配的预设辅具数字模型。也就是说，在处理装置120将肢体表面点云信息与预设辅具数字模型进行叠合后，处理装置120可以得到多个如上所述的叠合模型，并从上述叠合模型中，选择与肢体表面点云信息匹配的预设辅具数字模型。

在步骤S714中，处理装置120依据肢体表面点云信息与匹配的预设辅具数字模型，产生辅具数字模型。也就是说，处理装置120可以依据肢体表面点云信息，对匹配的预设辅具数字模型的外观形状进行调整，使得预设辅具数字模型的外观形状可以符合肢体表面点云信息的尺寸，并将调整后的预设辅具数字模型作为与辅具数字模型。

在步骤S716中，通过三维打印装置130，依据辅具数字模型产生辅具。如此一来，可以快速地建立穿戴式辅具的辅具数字模型，并提升辅具设计质量且缩短客制化辅具的生产周期。

图9为图7的步骤S714的详细流程图。请同时参考图3～5及7～9。在步骤S902中，处理装置120确认肢体表面点云信息所对应的第一形状与匹配的预设辅具数字模型所对应的第二形状的对应关系。也就是说，处理装置120确认肢体表面点云信息与匹配的预设辅具数字模型之外观形状的对应关系，以作为对预设辅具数字模型进行调整的依据。

。在步骤S904中，当确认对应关为第二形状大于第一形状时，处理装置120通过第一算法，调整预设辅具数字模型的第二形状至符合第一形状，以产生辅具数字模型。在本实施例中，第一算法例如为布尔运算相减法。也就是说，当匹配的预设辅具数字模型之外观形状的尺寸大于肢体表面点云信息之外观形状的尺寸，处理装置120例如通过布尔运算相减法计算出外观形状之尺寸之间的差距，并依据所计算之差距，将预设辅具数字模型的第二形状调整至符合第一形状，以便产生辅具数字模型。

在步骤S906中，当确认对应关为第二形状之一部分大于第一形状且第二形状之另一部分小于第一形状，或是对应关为第二形状小于第一形状时，处理装置120通过第二算法，调整预设辅具数字模型的第二形状至符合第一形状，以产生辅具数字模型。在本实施例中，第二算法例如为多层轮廓线法。

也就是说，当匹配的预设辅具数字模型之外观形状的尺寸部分或全部小于肢体表面点云信息之外观形状的尺寸时，处理装置120例如通过多层轮廓线法，将匹配的预设辅具数字模型之外观形状分割成多层截面，以取得对应多层截面的轮廓线，如图10所示。接着，处理装置120依据肢体表面点云信息，将上述多层截面的轮廓线进行调整，使得预设辅具数字模型的第二形状调整至符合第一形状，以便产生辅具数字模型。如此一来，可以快速地建立穿戴式辅具的辅具数字模型，并提升辅具设计质量且缩短客制化辅具的生产周期。

图11为依据本发明另一实施例的辅具建模方法的流程图。请同时参考图3～5及7～11。在本实施例中，步骤S702～716与图7的步骤S702～716相同或相似，可参考图7的实施例的说明，故在此不再赘述。

承接步骤S710，在步骤S1102中，处理装置120确认肢体表面点云信息是否与预设辅具数字模型中的至少一个匹配。也就是说，处理装置120会确认数据库内是否有合适的预设辅具数字模型。

当确认肢体表面点云信息与预设辅具数字模型中的至少一个匹配时，表示肢体表面点云信息与预设辅具数字模型的差异较小，数据库内有合适的预设辅具数字模型可以使用。接着，进入步骤S712，选择与肢体表面点云信息匹配的预设辅具数字模型，以及执行步骤S714～S716，以产生合适的辅具。

当确认肢体表面点云信息未与预设辅具数字模型匹配时，表示肢体表面点云信息与预设辅具数字模型的差异较大，数据库中没有合适的预设辅具数字模型可以使用。接着，进入步骤S1104，处理装置120可以将肢体表面点云信息通过类神经网络进行处理，以产生辅具数字模型。也就是说，处理装置120可以通过如图6的步骤S604～S610，产生合适的辅具数字模型，亦即本实施例的步骤S1104可以包括图6的步骤S604～S610。

在前述实施例中，当上述步骤S1102确认肢体表面点云信息与预设辅具数字模型中的至少一个匹配时，可以通过布尔运算相减法或多层轮廓线法调整预设辅具数字模型的形状，以产生辅具数字模型。此实施例仅为本发明实施例的一种实施范例，但本发明实施例不限于此。在未来的辅具建模应用上，处理装置120可利用上述类神经网络学习的方式取代布尔运算相减法或多层轮廓线法，来产生辅具数字模型，亦可达成相似的辅具建模的效果。

综上所述，本发明实施例所公开的辅具建模方法与肢体导板机构，通过依据肢体表面点云信息，产生多个学习数据，并通过类神经网络，对学习数据进行处理，以产生辅具数字模型。另外，本发明实施例也可通过提供设置有至少三个定位孔的肢体导板机构，并通过肢体导板机构于肢体上产生对应至少三个定位孔的至少三个定位标记。接着，对肢体进行扫描，取得包括至少三个定位标记的肢体表面点云信息，并依据肢体表面点云信息的至少三个定位标记，将肢体表面点云信息与于数据库取得的多个预设辅具数字模型进行叠合，选择与肢体表面点云信息匹配的预设辅具数字模型，再依据肢体表面点云信息与匹配的预设辅具数字模型，产生辅具数字模型。如此一来，可以有效且快速地建立穿戴式辅具的辅具数字模型，并提升辅具设计质量且缩短客制化辅具的生产周期。

本发明虽以实施例公开如上，然其并非用以限定本发明的范围，任何技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可做些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围应以权利要求所限定的范围为准。