JP2020012644A - ３次元データ生成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】人の足裏の形状を示す３次元データを生成するように構成された３次元データ生成装置において、高さ方向の長さを抑制する。【解決手段】３次元データ生成装置は、人の足裏の形状を示す３次元データを生成するように構成された３次元データ生成装置である。３次元データ生成装置は、載置部と、カメラ及び光源と、ミラーと、制御部とを備える。載置部は、３次元データ生成装置の上面に位置し、光を透過する材料で構成され、足裏が載置される。カメラ及び光源の各々は、３次元データ生成装置の内部であって、平面視で載置部と重ならない位置に配置されている。ミラーは、載置部の下方において、３次元データ生成装置の下面との間に角度を形成するように配置されている。光源の光はミラーを介して足裏に照射され、足裏において反射した光はミラーを介してカメラに受光される。制御部は、受光された光に基づいて３次元データを生成する。【選択図】図１

Description

本発明は、３次元データ生成装置に関し、特に、人の足裏の形状を示す３次元データを生成するように構成された３次元データ生成装置に関する。

特許第６０５８５３９号公報（特許文献１）は、非荷重時の足を採型するための装置を開示する。なお、足の「採型」とは、足裏形状のデジタルデータを取得することである。取得されたデジタルデータに基づいて、たとえば、靴のインソールが作成される。

この装置は、内部にカメラを含んでいる。この装置を用いて足を採型する場合に、採型対象者は、椅子に座り、足の裏をカメラ側に向ける。カメラによって撮影された足裏の画像に基づいて、非荷重時の足の採型が行なわれる。

非荷重時に、人の足は、ニュートラル状態（距骨下関節が中間位に存在する状態）になる。ニュートラル状態において、人の足は、理想的なアーチ形状となる。理想的なアーチ形状の状態において、足の機能は、最大限発揮される。この装置によれば、ニュートラルに近い状態の足を採型することができる（特許文献１参照）。

特許第６０５８５３９号公報

膝関節が略直角に曲がった状態で足裏形状のデジタルデータを取得する場合を考えると、上記特許文献１に開示されている技術によっては、装置の高さ方向の長さが長くなってしまう。

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであって、その目的は、人の足裏の形状を示す３次元データを生成するように構成された３次元データ生成装置において、高さ方向の長さを抑制することである。

本発明に従う３次元データ生成装置は、人の足裏の形状を示す３次元データを生成するように構成された３次元データ生成装置である。３次元データ生成装置は、載置部と、カメラ及び光源と、ミラーと、制御部とを備える。載置部は、３次元データ生成装置の上面に位置し、光を透過する材料で構成され、足裏が載置される。カメラ及び光源の各々は、３次元データ生成装置の内部であって、平面視で載置部と重ならない位置に配置されている。ミラーは、載置部の下方において、３次元データ生成装置の下面との間に角度を形成するように配置されている。光源の光はミラーを介して足裏に照射され、足裏において反射した光はミラーを介してカメラに受光される。制御部は、カメラによって受光された光に基づいて３次元データを生成する。

カメラの位置を固定した状態で足裏形状の３次元データを生成するためには、カメラと足裏との間の距離を十分に確保する必要がある。したがって、仮にカメラと載置部とを直線上に配置する場合には、装置の高さ方向の長さが長くなる。この３次元データ生成装置においては、カメラ及び光源と載置部との間にミラーが配置されている。したがって、カメラ及び光源と載置部とを直線上に配置しなくても、光源の光を足裏に照射可能であり、かつ、足裏において反射した光をカメラで受光可能である。その結果、この３次元データ生成装置によれば、装置の高さ方向の長さを短くしたとしても、装置の横方向の長さを長くすることによって、カメラと足裏との間の距離を十分に確保することができ、カメラの位置を固定した状態で足裏形状の３次元データを生成することができる。

また、上面のうち載置部以外の領域は、遮光板によって形成されてもよい。

この３次元データ生成装置においては、遮光板が設けられた位置において光源の光が乱反射しない。したがって、この３次元データ生成装置によれば、遮光板が設けられない場合と比較して、より意図に即した光をカメラによって受光することができる。

また、上面において、載置部以外の少なくとも一部の領域の高さは、載置部の高さよりも低くてもよい。

上述のように、カメラと足裏との間の距離は、ある程度必要である。載置部の高さは、カメラと足裏との間の必要な距離によって決まる。一方、載置部以外の領域の高さは、必ずしも載置部の高さと同一である必要はない。たとえば、光の乱反射の影響が生じない範囲で、載置部以外の領域の高さを低くしてもよい。この３次元データ生成装置において、載置部以外の少なくとも一部の領域の高さは、載置部の高さよりも低い。したがって、この３次元データ生成装置によれば、載置部以外の領域の高さを載置部の高さと同一とする場合と比較して、装置本体を小型化することができる。

また、上記３次元データ生成装置は、上面のうち載置部以外の領域に配置された取手部をさらに備え、取手の上面と載置部とは、略面一であってもよい。

この３次元データ生成装置によれば、上面において取手部のみが突出することを抑制することができる。

本発明によれば、人の足裏の形状を示す３次元データを生成するように構成された３次元データ生成装置において、高さ方向の長さを抑制することができる。

足裏形状測定システムを示す図である。 ３次元データ生成装置の電気的構成を示す図である。 ３次元データ生成装置の斜視図である。 ３次元データ生成装置の側面図である。 ３次元データ生成装置の内部を３次元データ生成装置の側方から見た図である。 ３次元データ生成装置の動作を示すフローチャートである。 ３次元データ生成装置の上面の高さが領域によって異なる理由を説明するための図である。 変形例における３次元データ生成装置の使用状態を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一又は相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。

［１．概要］
図１は、本実施の形態に従う３次元データ生成装置１００が適用された足裏形状測定システム１０を示す図である。足裏形状測定システム１０は、たとえば、義肢装具士によって使用される。義肢装具士は、足裏形状測定システム１０を使用することによって、非荷重時におけるニュートラルに近い状態の足裏を採型することができる。すなわち、義肢装具士は、足裏形状測定システム１０を使用することによって、非荷重時における人の足裏形状の３次元データを取得することができる。

一般的に、非荷重時に足をニュートラル状態に導くには、たとえば、解剖学的、運動学的、生体力学的、医学的及び足病学的な専門知識及び専門技術を採型者（たとえば、義肢装具士）が習得していることが必須である。つまり、足をニュートラル状態にすることの再現は、限られた採型者でないと難しい。

本実施の形態に従う３次元データ生成装置１００よれば、たとえば、解剖学的、運動学的、生体力学的、医学的及び足病学的な専門知識及び専門技術を採型者が習得していなくとも、採型者は、足をニュートラルに近い状態にすることができ、足の採型をすることができる。

図１に示されるように、足裏形状測定システム１０は、３次元データ生成装置１００と、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）２００とを含んでいる。３次元データ生成装置１００とＰＣ２００とは、通信ケーブル１５０を介して接続されている。３次元データ生成装置１００の上面には、載置部１０２が設けられている。採型者は、採型対象者を椅子に座らせ、採型対象者の足を載置部１０２上に載置する。載置部１０２上において、足は３次元データ生成装置１００の短辺方向に沿って載置される。ここで採型対象者が確認すべき情報は、たとえば、載置部１０２に対して下腿部が略直角であること、載置部１０２に足裏の踵部および母趾球部および小趾球部が軽く触れていること、足がリラックス状態であること等であり、採型者は専門的な知識および技術を要さない。

足がニュートラル状態から逸脱する主要因は、全身の体重による荷重であり、足をニュートラル状態で採型するには、なるべく足に荷重がかからない状態にする必要がある。

３次元データ生成装置１００においては、採型対象者の足には、最大でもおよそ脚1肢分の荷重がかかるのみであり、椅子の座面高さを調整したり、被採型者の手で大腿部を支えること等の簡易な方法により、足にかかる荷重をより小さくすることが可能である。

載置部１０２上に足裏が載置された状態で、３次元データ生成装置１００によって、足裏形状の３次元データが生成される。３次元データ生成装置１００によって生成された３次元データは、通信ケーブル１５０を介してＰＣ２００に送信される。ＰＣ２００においては、３次元データの加工が行なわれる。たとえば、加工後の３次元データが、ＰＣ２００のモニタに表示される。たとえば、義肢装具士は、加工後の３次元データに基づいて、靴のインソールを作成する。以下、３次元データ生成装置１００について詳細に説明する。

［２．電気的構成］
図２は、３次元データ生成装置１００の電気的構成を示す図である。図２に示されるように、３次元データ生成装置１００は、光源１１０と、カメラ１２０と、通信部１３０と、コントローラ１６０とを含んでいる。

光源１１０は、採型対象者の足裏に向かって光を照射（投光）する。光源１１０は、コントローラ１６０からの指示に従って、所定周期で発光することができる。光源１１０は、たとえば、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）によって構成される。

カメラ１２０は、採型対象者の足裏において反射した光を受光（撮影）する。カメラ１２０は、たとえば、デジタルビデオカメラによって構成されている。

通信部１３０は、ＰＣ２００（図１）と通信するように構成されている。通信部１３０は、たとえば、後述のコントローラ１６０が生成した３次元データをＰＣ２００へ送信する。通信部１３０は、たとえば、ＵＳＢ（Universal Serial Bus）規格に準拠したコネクタによって構成される。

コントローラ１６０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）及びＲＯＭ（Read Only Memory）等を含み、情報処理に応じて各構成要素の制御を行なうように構成されている。コントローラ１６０は、たとえば、光源１１０の発光周期を制御するとともに、カメラ１２０における受光結果（撮像データ）を取得する。コントローラ１６０は、たとえば、発光タイミングと受光タイミングとのずれ具合（位相差）に基づいて、足裏の各部位の奥行きを解析する。コントローラ１６０は、たとえば、いわゆるＴＯＦ（Time Of Flight）方式を用いて３次元データ（距離画像データ）を生成する。

［３．外観構成］
図３は、３次元データ生成装置１００の斜視図である。図３に示されるように、３次元データ生成装置１００の上面には、載置部１０２と、領域１０４とが設けられている。

上述のように、載置部１０２は、採型対象者の足裏が載置される領域である。載置部１０２は、光を透過する材料で構成されている。載置部１０２は、たとえば、透明なアクリル板で構成されている。

３次元データ生成装置１００の各側面及び底面、並びに、領域１０４は、たとえば、遮光板によって構成されている。遮光板としては、たとえば、ベークライトを用いることができる。３次元データ生成装置１００の各側面及び底面、並びに、領域１０４が遮光板により構成されることによって、光源１１０の光が３次元データ生成装置１００の内部で乱反射することを抑制することができる。

３次元データ生成装置１００の上面の長辺のうち領域１０４上の位置に、取手部１０６が設けられている。また、載置部１０２側の側面には、取手部１０８が設けられている。義肢装具士は、たとえば、取手部１０６，１０８のいずれかを把持することによって、３次元データ生成装置１００を容易に持ち運ぶことができる。

図４は、３次元データ生成装置１００の側面図である。図４に示されるように、領域１０４の高さＬ２は、載置部１０２が設けられている領域の高さＬ１よりも低い。領域１０４の高さＬ２が載置部１０２の高さＬ１よりも低い理由については後程詳しく説明する。

また、３次元データ生成装置１００の上面において、取手部１０６の上面と載置部１０２とは、略面一である。したがって、本実施の形態に従う３次元データ生成装置１００によれば、上面において取手部１０６のみが突出することを抑制することができる。

［４．内部構成］
図５は、３次元データ生成装置１００の内部を３次元データ生成装置１００の側方から見た図である。図５に示されるように、３次元データ生成装置１００の内部において、載置部１０２の下方には、ミラー１４０が配置されている。ミラー１４０は、長方形状であり、３次元データ生成装置１００の下面（底面）との間に角度を形成するように配置されている。なお、図５においては、ミラー１４０の短辺が図示されている。ミラー１４０の長辺の長さは、３次元データ生成装置１００の短辺の長さよりも僅かに短い長さである。

また、３次元データ生成装置１００の内部において、平面視で載置部１０２と重ならない位置に、光源１１０及びカメラ１２０が配置されている。光源１１０は、載置部１０２上に載置された足裏に、ミラー１４０を介して光を照射する。カメラ１２０は、ミラー１４０を介して入射する反射光を受光する。

［５．動作］
図６は、３次元データ生成装置１００の動作を示すフローチャートである。このフローチャートに示される処理は、ＰＣ２００（図１）からの開始指示をトリガとして、コントローラ１６０によって実行される。

図６を参照して、ＰＣ２００から開始指示を受信すると、コントローラ１６０は、動画撮影を開始するようにカメラ１２０を制御する（ステップＳ１００）。その後、コントローラ１６０は、発光するように光源１１０を制御する（ステップＳ１００）。

コントローラ１６０は、所定回数の発光が終了したか否かを判定する（ステップＳ１２０）。所定回数の発光が終了していないと判定されると（ステップＳ１２０においてＮＯ）、コントローラ１６０は、再び発光するように光源１１０を制御する。すなわち、コントローラ１６０は、所定周期で光源１１０を複数回発光させる。

所定回数の発光が終了したと判定されると（ステップＳ１２０においてＹＥＳ）、コントローラ１６０は、カメラ１２０によって生成された動画像データに基づいて、３次元データを生成する。たとえば、コントローラ１６０は、発光タイミングと受光タイミングとのずれ具合（位相差）に基づいて、足裏の各部位の奥行きを解析する。すなわち、コントローラ１６０は、いわゆるＴＯＦ方式を用いて３次元データ（距離画像データ）を生成する。

［６．特徴］
＜６−１＞
以上のように、本実施の形態に従う３次元データ生成装置１００は、載置部１０２の下方において、３次元データ生成装置１００の下面との間に角度を形成するように配置されたミラー１４０を含んでいる。

たとえば、仮にカメラ１２０の位置を動かしながら足裏形状を計測する場合には、カメラ１２０と足裏との間の距離は必ずしも長くなくてもよい。しかしながら、本実施の形態のように、カメラ１２０の位置が固定された状態で足裏形状の３次元データを生成するためには、カメラ１２０と足裏との間の距離を十分に確保する必要がある。したがって、仮にカメラ１２０と載置部１０２とを直線上に配置する場合には、装置の高さ方向の長さが長くなる。

本実施の形態に従う３次元データ生成装置１００においては、カメラ１２０及び光源１１０と載置部１０２との間にミラー１４０が配置されている。したがって、カメラ１２０及び光源１１０と載置部１０２とを直線上に配置しなくても、光源１１０の光を足裏に照射可能であり、かつ、足裏において反射した光をカメラ１２０で受光可能である。その結果、この３次元データ生成装置１００によれば、装置の高さ方向の長さを短くしたとしても、装置の横方向の長さを長くすることによって、カメラ１２０と足裏との間の距離を十分に確保することができ、カメラ１２０の位置が固定された状態で足裏形状の３次元データを生成することができる。

また、カメラ１２０が駆動式ではなく固定されているメリットについて次に述べる。まず、カメラ１２０が駆動しないことによって、足裏形状の読み取りに要する時間が短縮される（たとえば、１〜３秒になる。）。また、足裏形状の読取り時間が短縮されるため、採型対象者の動きが採型結果に与える悪影響を抑制することができる。また、カメラ１２０の駆動部が設けられていないため、装置全体の軽量化、及び、故障等のリスク軽減を実現することができる。

＜６−２＞
また、本実施の形態に従う３次元データ生成装置１００において、領域１０４の高さＬ２は、載置部１０２の高さＬ１よりも低い。

図７は、３次元データ生成装置１００の上面の高さが領域によって異なる理由を説明するための図である。図７を参照して、上述のように、カメラ１２０と足裏との間の距離は、ある程度必要である。載置部１０２の高さは、カメラ１２０と足裏との間の必要な距離によって決まる。一方、載置部１０２以外の領域の高さは、必ずしも載置部１０２の高さと同一である必要はない。たとえば、光の乱反射の影響が生じない範囲で、載置部１０２以外の領域の高さを低くしてもよい。本実施の形態に従う３次元データ生成装置１００において、領域１０４の高さは、載置部１０２の高さよりも低い。したがって、この３次元データ生成装置１００によれば、領域１０４の高さを載置部１０２の高さと同一とする場合と比較して、装置本体を小型化することができる。

［７．変形例］
以上、実施の形態について説明したが、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて、種々の変更が可能である。以下、変形例について説明する。

上記実施の形態においては、採型対象者の足は、載置部１０２上で、３次元データ生成装置１００の短辺方向に沿って載置された。しかしながら、採型対象者の足の載置方向は、これに限定されない。たとえば、採型対象者の足は、載置部１０２上で、３次元データ生成装置１００の長辺方向に沿って載置されてもよい。

図８は、変形例における３次元データ生成装置１００Ａの使用状態を示す図である。図８に示されるように、３次元データ生成装置１００Ａにおいて、採型対象者の足は、載置部１０２Ａ上で、３次元データ生成装置１００Ａの長辺方向に沿って載置されている。

また、３次元データ生成装置１００Ａにおいて、載置部１０２Ａは、所定角度Ａ１（たとえば、１０〜１５度）傾斜している。たとえば、載置部１０２Ａを傾斜させることによって、インソール製作に必要な部位の距離画像をより正確に生成することができる。

また、図８に示される例では、３次元データ生成装置１００Ａの一部が椅子の下に位置している。したがって、この例によれば、採型時に必要な床面積を低減することができる。

また、載置部１０２Ａ上においては、足の載置位置が予め指定されている。たとえば、載置部１０２Ａ上には、足を載置すべき位置を人が認識するためのマークがプリントされている。足の載置位置としては、足裏形状をより正確に計測可能な位置が指定されている。

１０ 足裏形状測定システム、１００，１００Ａ ３次元データ生成装置、１０２ 載置部、１０４ 領域、１０６，１０８ 取手部、１１０ 光源、１２０ カメラ、１３０ 通信部、１４０ ミラー、１５０ 通信ケーブル、１６０ コントローラ、２００ パーソナルコンピュータ。

Claims (4)

1. 人の足裏の形状を示す３次元データを生成するように構成された３次元データ生成装置であって、
   前記３次元データ生成装置の上面に位置し、光を透過する材料で構成され、前記足裏が載置される載置部と、
   各々が、前記３次元データ生成装置の内部であって、平面視で前記載置部と重ならない位置に配置されたカメラ及び光源と、
   前記載置部の下方において、前記３次元データ生成装置の下面との間に角度を形成するように配置されたミラーとを備え、
   前記光源の光は前記ミラーを介して前記足裏に照射され、前記足裏において反射した光は前記ミラーを介して前記カメラに受光され、
   前記カメラによって受光された光に基づいて前記３次元データを生成するように構成された制御部をさらに備える、３次元データ生成装置。
2. 前記上面のうち前記載置部以外の領域は、遮光板によって形成されている、請求項１に記載の３次元データ生成装置。
3. 前記上面において、前記載置部以外の少なくとも一部の領域の高さは、前記載置部の高さよりも低い、請求項１又は請求項２に記載の３次元データ生成装置。
4. 前記上面のうち前記載置部以外の領域に配置された取手部をさらに備え、
   前記取手の上面と前記載置部とは、略面一である、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の３次元データ生成装置。