Разработка автоматизированного процесса создания ортопедических колодок на основе бесконтактного обмера стоп, проектирования и изготовления Савоськин Евгений Михайлович

Введение к работе

Актуальность темы

Исследование, проведенное информационным агентством

«РосБизнесКонсалтинг» (РБК), показало, что российский рынок

ортопедических товаров представлен для 15 млн. человек. Из них примерно 16% - дети до 15 лет. Кроме того, исследования показывают, что более чем у половины пациентов, использующих ортопедические изделия, потребность в их использовании возникла в молодом возрасте - до 45 лет. Потенциальные пользователи протезно-ортопедическими изделиями - не пожилые, а молодые и среднего возраста люди, и в большинстве - дети.

В настоящее время в России работают 72 государственных протезно-
ортопедических предприятия, 45 негосударственных ортопедических
предприятий и организаций, 3 реабилитационных центра и 2

государственные специализированные фабрики - Московская и Санкт-Петербургская фабрики ортопедической обуви.

Обеспечение обувью людей с патологическими отклонениями стоп связано с проектированием индивидуальной колодки, которая является технологической оснасткой производства.

Для обеспечения индивидуальной обувью людей с патологическими отклонениями стоп необходимо использовать системы автоматизированного проектирования индивидуальной обуви и колодки.

В настоящее время разработано достаточное количество систем автоматизированного проектирования обуви (САПРО), способных выполнять проектирование стандартной массовой обуви. Но в то же время не существует систем автоматизированного проектирования, адаптированных к проектированию ортопедической колодки и обуви.

Работа направлена на разработку основ проектирования

индивидуальных колодок с использованием САПР для людей, имеющих патологические отклонения стоп. Использование вычислительной техники значительно облегчает труд, повышает качество производимых изделий, ускоряет процесс ее проектирования. Трехмерное проектирование позволяет исследовать особенности поверхности конкретной стопы человека в его отсутствии.

Диссертация выполнена в ФГБОУ ВО «Московский государственный университет Технологий и управления им. К.Г. Разумовского (Первый казачий университет)» на кафедре «Технология кожи, меха и изделий из кожи».

Цель и задачи работы

Цель работы заключаются в разработке научно обоснованного
процесса проектирования индивидуальной колодки для людей с
патологическими отклонениями стоп, посредством трехмерного

автоматизированного программного комплекса «Rhinoceros 3D»,

ориентированной на последующее автоматизированное изготовление

обувной колодки на фрезерных станках с ЧПУ, за счет применения антропометрических данных о стопе, применяя метод 3Д сканирования. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Систематизация диагнозов по патологическим отклонениям стоп, систематизация медико-технологических характеристик, рекомендаций к назначению по показаниям.

2. Исследование методов и способа обмера стоп, для получения антропометрических данных.

3. Для унификации при выборе системы для автоматизированного проектирования и изготовления колодки, производился анализ основных форматов моделирования в САПР.

4. Разработка процесса проектирования колодок для ортопедической профилактической и малосложной обуви с использованием радиусо-графического метода аппроксимации контуров колодки в автоматизированной трехмерной системе Rhinoceros.Разработка процесса проектирования колодок для ортопедической сложной обуви с использованием NURBS моделирования и получения антропометрических данных о стопе методом бесконтактного трехмерного сканирования на оборудовании компании Precision 3D Limited в автоматизированной трехмерной системе «Rhinoceros 3D».

Методы исследования

При выполнении диссертационной работы проведено комплексное исследование теоретических и экспериментальных методов и средств исследований по разработке индивидуальной ортопедической колодки. Исследованы виды патологических отклонений стоп и корригирующих приспособлений. Решение поставленных задач реализовано за счет применения методов классического анализа и математической модели оптической триангуляции и модели NURBS, а также с помощью применения современного компьютерного оборудования и программного обеспечения. В исследовании широко использованы вычислительные методы. Разработаны алгоритмы последовательности работы по созданию модели колодки для двух вариантов в системе проектирования «Rhinoceros 3D».

Достоверность основных положений, выводов и рекомендаций подтверждены корректным применением теории, апробацией и внедрением результатов работы.

Научная новизна работы

5. На основании анализа патологических отклонений стоп разработана классификация, позволяющая систематизировать патологические отклонения стоп, с целью автоматизированного проектирования колодок для сложной и малосложной обуви;

6. Для получения точных данных размеров стоп и автоматизированного переноса их в САПР колодок на основе анализа методов и приборов для обмера стоп и их классификации выбран трехкоординатный метод обмера поверхности стопы с помощью трехмерного сканера FotoScan

3D компании Precision 3D Limited (Англия). Что позволило сократить время получения данных до 3 секунд и повысит точность до 0,5 мм;

3. Для описания процесса преобразования трехмерной поверхности стопы в трехмерную поверхность NURBS-объекта САПР разработана математическая модель оптической триангуляции процесса реконструирования 3Д-поверхности стопы с использованием структурированной подсветки;

4. Впервые создано описание математической модели NURBS-объекта для задания поверхности проектируемой колодки в САПР;

5. Разработан процесс проектирования колодки в системе трехмерного проектирования «Rhinoceros 3D» с использованием радиусо-графического метода аппроксимации контуров колодки для индивидуальной малосложной обуви;

6. Разработали процесс проектирования колодки в системе проектирования «Rhinoceros 3D» с использованием математической модели стопы, полученной методом 3Д сканирования, для индивидуальной сложной обуви.

Практическая значимость работы

1. Разработана и апробирована в компании ООО «Орто люкс» процесс проектирования колодок для ортопедической профилактической и малосложной обуви с использованием радиусо-графического метода аппроксимации контуров колодки в автоматизированной трехмерной системе «Rhinoceros 3D».

2. Разработана и внедрена в производство в компании ООО «Орто люкс» процесс проектирования колодок для ортопедической сложной обуви с использованием NURBS моделирования и получения антропометрических данных о стопе методом бесконтактного трехмерного сканирования на оборудовании компании Precision 3D Limited в автоматизированной трехмерной системе «Rhinoceros 3D».

3. Разработанные автоматизированные процессы проектирования позволяют сократить в 14 раз время, затрачиваемое на конструкторско-технологическую подготовку и производство ортопедических колодок.

4. Разработанные процессы проектирования в автоматизированной трехмерной системе «Rhinoceros 3D» позволяют обеспечить непрерывный процесс CAD/CAM создания ортопедических колодок разной сложности.

5. Повышена точность получения данных о стопе за счет сканирования -до 0,5 мм, повышена точность за счет изготовления на станках с ЧПУ -до 50 микрон (0,05 мм), что является особо значимым фактором для людей, имеющих патологические отклонения стопы.

6. Результаты диссертации внедрены в производство компании ООО «Орто люкс». Экономический эффект в результате расчета и анализа полученных экономических данных, можно сделать вывод о повышении эффективности производства при использовании 3-х

мерной системы «Rhinoceros 3D» и сканера FotoScan 3D для

проектирования ортопедических колодок. Срок окупаемости

производства с использованием автоматизированного проектирования составляет 8 (мес), автоматизированный способ проектирования колодок выгоднее традиционного - разница в годовой прибыли составляет 1.920.000 руб.

Основные положения, выносимые на защиту

7. Результаты разработки классификации на основе системно-структурного анализа патологических отклонений стоп, для автоматизированного проектирования ортопедических колодок;

8. Результаты разработки методов и приборов для обмера стоп, влияющие на точность получаемых данных о форме и размерах стопы;

9. Результаты исследований по созданию процесса проектирования колодки в системе «Rhinoceros 3D» с использованием радиусо-графического метода аппроксимации контуров колодки для индивидуальной малосложной обуви. Методическое обеспечение пользователя по работе в системе «Rhinoceros 3D», в котором рассмотрены правила работы по созданию колодки;

10. Результаты исследований по созданию процесса проектирования колодки в системе проектирования «Rhinoceros 3D» с использованием математической модели стопы, полученной методом 3Д сканирования, для индивидуальной сложной обуви. Методическое обеспечение в виде инструкции пользователя по работе в системе «Rhinoceros 3D», в котором рассмотрены правила работы по созданию колодки;

11. Результаты разработки автоматизированного процесса создания ортопедических колодок для малосложной и сложной обуви.

Достоверность научных положений

Выводов и рекомендаций подтверждается достаточным объемом и
результатами аналитических исследований и использования современных
достижений вычислительной техники; удовлетворительной сходимостью
результатов аналитических расчетов с экспериментальными данными;
положительным эффектом внедрения результатов исследований в

производство компании ООО «Орто люкс».

Апробация результатов работы и публикации

Апробация разработанных способов проектирования ортопедических колодок для малосложной и сложной обуви проведена на базе компании ООО «Орто люкс». Результаты испытаний подтверждены актом производственных испытаний.

Научные положения, содержащиеся в диссертации, докладывались на международных конференциях: IX Международной научно-практической конференции «Кожа и мех в ХХI веке: технология, качество, экология, образование»: ВСГУТУ, Улан-Удэ, 2013 г., X Международной научно -

практической конференции «Кожа и мех в ХХI веке: технология, качество, экология, образование»: ВСГУТУ, Улан-Удэ, 2014 г.

По теме диссертации имеются 12 печатных работ, в том числе 3 статьи в ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК.

Личный вклад автора

Автором сформулированы цель и основные задачи исследования. Составлены алгоритмы проектирования индивидуальной колодки для ортопедической малосложной и сложной обуви. Обоснованно сделан выбор системы трехмерного проектирования «Rhinoceros 3D» и способ бесконтактного трехмерного сканирования на оборудовании компании Precision 3D Limited.

Объем и структура диссертации

Диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов, списка использованной литературы, включающего 132 наименований и 7 приложений. Диссертация изложена на 180 страницах машинописного текста и содержит 95 рисунков и 20 таблиц.