逆向工程技術在人工下肢設計中的應用

李明 王金星

摘要：針對傳統的人工下肢設計方法都是統一標準化設計，無法滿足人們在心理情感上的需求。文章中以逆向工程技術為基礎，主要介紹了逆向工程技術的相關原理和人工下肢設計中的數據采集、數據處理以及模型重建等過程。希望在今后的發展中，逆向工程技術能夠在人工下肢設計這個領域發展起來，使其具有一定的現實意義和價值。

關鍵詞：逆向工程;人工下肢;產品設計;應用

中圖分類號：TP391

文獻標識碼：A

文章編碼：1672-7053（2020）02-0074-02

每年我國因交通事故造成神經損傷或肢體受傷而不能正常行走的人數不斷增加，所以作為下肢的代償設備也就成為了他們生活中的一大需求。而現在的人工下肢雖然能滿足一定的行走能力，但是卻不能滿足人們的正常生理需求。所以利用逆向工程技術進行人體下肢的設計一方面能夠滿足正常的行走能力;另一方面又能夠使其感覺到人工下肢和本身具有的下肢很相似從而得到心理上的滿足。目前，計算機輔助正向設計這種設計方法有時不能滿足市場的需求，因此，逆向工程技術也就隨之誕生了。目前，這種基于逆向工程技術在各個領域中的應用已經越來越普遍，比如陳國峰等在《逆向工程技術在飛機修理中的應用》[1]中利用逆向工程技術完成了飛機修理的工作;朱小明等在《基于逆向工程和3D打印的鞋子個性化設計制作》[2]中借助逆向工程技術完成了鞋子個性化設計;王旭等在《基于逆向工程技術的青年標準女體前臂三維模型重建》[3]中利用逆向工程技術完成了青年標準女體前臂三維模型的重建。因此，通過逆向工程技術進行產品設計的思路將成為設計領域中重要的一部分。

1逆向工程技術概述

1.1逆向工程技術的概念

逆向工程又稱為反求工程，逆向工程技術就是根據現有的實物模型，通過逆向思維求出實物模型的相關設計數據的過程。但不同于正向設計的是：正向工程技術是一個“從無到有”的設計過程，是根據設計產品的功能、造型等屬性而進行產品設計的一個過程，而逆向設計過程則是一個“從有到無”的過程。這里的“有”是指已經有了相關產品的實物模型，而“無”代表的是沒有關于產品的三維模型數據。因此逆向工程技術是指在沒有設計圖紙以及相關設計數據的情況下，以現有的產品或者實物模型為基礎，利用相對應的技術獲得其模型的三維數據并根據三=維數據進行模型的重構，然后對其進行再優化設計。

1.2逆向工程技術的應用流程

逆向工程技術首先是利用3D掃描儀獲取相關模型或實物的點云數據，然后利用Alias等相關逆向軟件處理點云數據得到可用結構的三維模型并加以優化，然后導入到三維CAD中進行二_次建模，得到預期的產品模型，以達到預期的設計意圖，最后利用3D打印或機械加工等技術制作模型樣品，測試模型的可用性。逆向工程技術的應用基本流程如下圖1所示。2逆向工程技術在人體下肢設計中的應用意義

目前現在的下肢制造廠生產出來的下肢造型呈現同一化，很難滿足用戶的心理需求。所以把逆向工程技術應用在人工下肢的設計上是很重要的。因此，有必要結合市場發展的需求和以人為.本的理念，從設計實踐上對人工下肢利用逆向工程技術進行再設計。其主要意義有：（1）逆向工程設計與正向設計相比具有獨特的優越性。在設計復雜自由表面實體、產品設計周期等方面都有著正向設計無法比擬的優越性[4];（2）患者的日常生活的自理能力是基本需求，也是至關重要的，但是對于他們來說心理需求也是不容忽視的。因此，利用逆向工程進行人工下肢設計可以提高患者的舒適性以及患者的心理需求;（3）逆向工程在人工下肢設計的應用研究具有重要的現實意義，既符合現代發展需求，也體現了“以人為本”的理念。

3逆向工程技術在人體下肢設計中的應用流程

逆向工程技術需要硬件和軟件兩方面的技術來支持。在硬件方面：需要通過相關設備進行測量來獲取實物模型的空間三維數據;在軟件方面：需要通過可以逆向設計的軟件進行數據分析以及模型重建。因此，逆向工程技術在人工下肢設計中的應用主要分為三個環節：人體下肢的點云數據獲取環節、下肢點云數據的處理環節、下肢模型的重建環節（如圖2）。

3.1數據采集

在利用逆向工程技術進行設計時，需要從實物模型中采集三維數據信息。三維數據采集是逆向工程設計過程中的第一步，也是逆向工程設計中最基礎的一步。它是通過相關設備對實物模型表面進行測量來獲取其空間的三維數據。目前比較常用的數據采集方法主要有接觸式測量和非接觸式測量兩種（如圖3）：

1）接觸式測量。掃描設備與實物模型表面相接觸進行掃描獲取零件的空間坐標數據，其測量精度高、成本低。缺點是首先在掃描過程中，存在設備和被測物體相接觸從而導致被測物體發生形變進而產生一些測量誤差;其次對一些窄小地區的測量也容易受到限制，同時測量速度還比較慢。因此接觸式掃描適合材質硬質且形狀較為簡單、容易定位的物體問。接觸式測量常用的設備有三維坐標測量機（CMM）和機械手。

2）非接觸式測量。其方法是設備與被測物體不接觸進行拉描，其優點是不會產生被測物體發生形變而帶來的測量誤差。非接觸式測量方法主要有激光掃描、工業CT掃描和三維人體掃描等多種方法。

由于掃描的是人體下肢結構，所以需要在測量的過程中考慮人體的安全以及測量數據的準確性，所以人們需要采用三維人體掃描儀，人體三維掃描儀具有以下優勢：（1）非接觸式掃描，避免了設備與人體接觸，從而降低了在測量時產生的測量誤差;（2）安全可靠，采用普通白光光源（非激光），對人體和人眼沒有任何危害;（3）測量速度快，因為在測量過程中，外界的不可控因素是無法避免的，所以這種方法能夠避免在測量過程受外界因素造成的測量誤差。

3.2數據處理

得到點云數據之后，這個數據是不能直接拿來應用的。需要預先對其進行數據處理，數據處理在整個逆向設計過程中起著重要的作用。如果這個階段處理不好，將會影響后面模型的創建工作。一般來說，數據處理包括：數據精簡、去除噪點、點云封裝等。

1）數據精簡。相比如其他的產品，人體下肢結構的表面復雜程度更高，所以經過掃描得到的點云數據更具有不規則性，而且數量會更大一些。這樣的數據在模型重建時是不能作為參考數據的，因為這樣產生的曲面質量無法得到保證，并且會給設計師的工作帶來干擾，導致計算機的運算速度低下，甚至死機。

2）去除噪點。在采集點云數據的過程中，會產生一些偏離實際位置的跳點、錯誤點，一般統稱為噪點。如果不去除噪點，噪點的存在則會降低模型的精度，得到的模型將會與實際模型不相符合。去除噪點的方法一般有：人工檢查法、最小二乘法、弦高偏差法、濾波法。可以采用人工檢查法進行降噪，如有人工無法處理的情況下可以采用其他方法來處理噪點。

3）點云封裝。最后，就是對數據進行封裝，點云封裝是指對降噪、精簡之后的點進行封裝，得到多邊形點云模型，可以保存為STL格式的文件，以便后面的模型構建工作。

目前可以進行逆向設計的軟件有有Alias、Imageware、Geomagic?Studio、Rapid?Form等，其中Alias在汽車領域的逆向工程設計中得到了廣泛的應用，生成曲面的速度快;Imageware涵蓋了多種應用設備，能夠為逆向工程設計提供有效的點云處理方法與曲面重構性能;Geomagic?Studio可輕易地從掃描所得的點云數據創建出完美的多邊形模型和網格，并可自動轉換為NURBS曲面[6];Rapid?Form提供了新一代運算模式，可實時將點云數據運算出無接縫的多邊形點云。

3.3曲面重構

曲面重構是指將處理好之后的多邊形點云面片通過CAD軟件構造三維實體模型，也是逆向工程設計中最關鍵、最復雜的個環節。這是因為在一切實物模型中都是以三維模型結果為基礎的，所以構建的模型質量決定著生產出來的產品質量。

由于人工下肢的表面比較復雜，因此在曲面重構時不能一次擬合成一個完整的面，需要將人工下肢的多邊形點云按照一定的結構特征分割成若千個不同的曲面片。然后依次擬合每一個曲面片，每個曲面片之間通過G1連續或者G2連續進行連接即可。常用的曲面重構軟件有Alias、CATIA、UG等。

4結語

利用逆向工程技術可以方便、快捷地獲得實物的三維數據，利用CAD三維軟件，并根據三維數據進行三維模型的構建。這為新產品的開發提供了技術支持，并且這種逆向工程技術也可以在航空，機械、醫學、交通等多個領域進行應用。希望逆向工程技術為產品設計提供新的設計思路。

參考文獻

[1]陳國峰，曹宏翼，齊祥，等.逆向工程技術在飛機修理中的應用[J].航空維修與工程，2019（04）：50-51.

[2]朱小明，韓偉，劉楚生，等.基于逆向工程和3D打印的鞋子個性化設計制作[J/OL].塑料科技：1-7[2019-07-04].

[3]王旭，張艷紅，謝月嬋，等.基于逆向工程技術的青年標準女體前臂三維模型重建[J].河南工程學院學報（自然科學版），2018，30（02）：17-21.

[4]黃梅婷.基于逆向工程的人工牙三維重建及軟件開發[D].東北大學，2009.

[5]林勝，梁金玲，朱向麗，等.逆向工程技術在車門設計中的應用UJ.輕工科技，2016，32（04）：38-39.

[6]湯磊，錢建國，朱翊.基于Geomagic?Studio的點云處理與三維建模研究[C].中國測繪學會學術年會，201，2012.

[7]余東滿，李曉靜，王輝.三維曲面重構技術研究進展[J].工業設計，2011（06）：158.