概要：在為人類(lèi)制作外骨骼時(shí)，問(wèn)題就是如何實(shí)現(xiàn)人體和外骨骼間的互動(dòng)。
目標(biāo)：精確快速地完成患者3D掃描，盡可能避免不適和壓力，隨后使用完成的數(shù)字模型定制矯形器械，比石膏模型法快速輕松了許多。
使用工具：Artec Eva, Artec Studio
一支比利時(shí)研究團(tuán)隊(duì)目前開(kāi)始采用3D掃描、CAD與3D打印技術(shù)進(jìn)行定制設(shè)計(jì)，提升動(dòng)力外骨骼性能。
布魯塞爾自由大學(xué)博士研究員Kevin Langlois始終相信人類(lèi)正處于新一次技術(shù)革命的前夕，這一場(chǎng)革命將徹底改變我們的生活方式。Kevin是該校機(jī)器人學(xué)與多體力學(xué)（R&MM）研究組成員，該研究組致力于可穿戴機(jī)器人，如動(dòng)力外骨骼。Kevin認(rèn)為機(jī)器人輔助技術(shù)是控制醫(yī)療成本的主要科技手段之一，它能讓人類(lèi)保持自由移動(dòng)，減少對(duì)護(hù)理的依賴(lài)，并降低因長(zhǎng)期不動(dòng)而導(dǎo)致的二次健康問(wèn)題。
“外骨骼已經(jīng)出現(xiàn)，即將成為未來(lái)大變革的重要部分，”Kevin說(shuō)道?！霸摷夹g(shù)將為損傷康復(fù)、人類(lèi)動(dòng)力增強(qiáng)、日?；顒?dòng)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)防與協(xié)助帶來(lái)全新希望?！?
R&MM的MIRAD，配有矯正器械的動(dòng)力助力外骨骼
盡管該研究領(lǐng)域已取得了卓越進(jìn)展，但仍然存在一個(gè)重要問(wèn)題亟待解決：如何實(shí)現(xiàn)人體與機(jī)械外骨骼之間的貼合互動(dòng)。在機(jī)械層面，這一問(wèn)題可以歸結(jié)為如何實(shí)現(xiàn)兩個(gè)實(shí)體間的絕對(duì)粘附。
從人體測(cè)量學(xué)（四肢大小與功能）與生物動(dòng)力學(xué)（行走方式）角度來(lái)看，這一問(wèn)題不易回答。也就是說(shuō)我們需要為每位人士提供定制化解決方案。
根據(jù)R&MM的經(jīng)歷來(lái)看，現(xiàn)成解決方案并非好的選項(xiàng)。起初，研究組購(gòu)買(mǎi)了可調(diào)節(jié)矯正器械，通過(guò)繩帶與支架將設(shè)備固定在人體上進(jìn)行研究。這些固定裝置最終往往錯(cuò)位，影響了骨骼效率。
之后，研究組找到了新方法——使用3D掃描捕獲不同對(duì)象的人體結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)復(fù)制品的矯正器。具體來(lái)看，外骨骼實(shí)體界面是連接人體與機(jī)械的機(jī)械連接點(diǎn)，需進(jìn)行3D掃描。如此操作，便可以加固粘附，提升外骨骼穩(wěn)健性，無(wú)需犧牲用戶(hù)舒適感。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，研究員從Artec金牌合作商4C Creative CAD CAM Consultants處采購(gòu)了Artec Eva高精度3D掃描儀。
“目前，該領(lǐng)域的研究比較匱乏。目前為止，大多數(shù)研究依然著眼于機(jī)械基礎(chǔ)部件、驅(qū)動(dòng)與控制。而現(xiàn)在，將人體融入系統(tǒng)的時(shí)代已經(jīng)到了，”Kevin說(shuō)道?！耙虼?，在R&MM實(shí)驗(yàn)室，我們決定采用3D掃描技術(shù)，開(kāi)辟新的解決方案?！?
使用Artec 3D Eva 3D掃描儀重建的小腿數(shù)字模型
“現(xiàn)在我們啟用了Artec Eva，用于設(shè)計(jì)并制作個(gè)性化矯正器，效果超過(guò)了可調(diào)節(jié)矯正器，”kevin說(shuō)道。“Eva掃描儀處理掃描速度飛快（不超過(guò)5分鐘），準(zhǔn)確構(gòu)建病患的數(shù)字圖像。使用3D掃描設(shè)備比起石膏模型，耗時(shí)短，耗力少?！?
MIRAD外骨骼助力雙腿臀部、膝蓋與腳踝，根據(jù)生物力學(xué)文獻(xiàn)，我們可以推測(cè)出傳遞至患者關(guān)節(jié)（腳踝、膝蓋與臀部）的扭矩或力量，確保在行走時(shí)提供輔助。此外還有關(guān)于疼痛壓力閾值（PPT）等信息，如人體在感到疼痛前解剖部位能承受的最大壓力，都可用于設(shè)計(jì)矯正器原型。
與電力傳動(dòng)裝置串聯(lián)使用可調(diào)試彈性部件，即預(yù)應(yīng)力可變彈簧，是傳動(dòng)裝置的一項(xiàng)重要特征。其特性非常適合動(dòng)力外骨骼：能量存儲(chǔ)，提高輸出功率，吸收沖擊負(fù)載，低輸出阻抗。不同于傳統(tǒng)“僵硬”或“死板”的傳動(dòng)裝置，如齒輪傳動(dòng)，這一靈活的傳動(dòng)裝置容許因用戶(hù)外力作用導(dǎo)致的目標(biāo)位偏離。
“Artec Eva 3D掃描儀能讓我們把所有參數(shù)都放進(jìn)一臺(tái)符合人體工程需的便攜矯正器中，”Kevin說(shuō)道。
R&MM實(shí)驗(yàn)室中對(duì)人體小腿進(jìn)行3D掃描
為定制矯正器，Kevin首先選取需要捕獲的區(qū)域，如小腿。然后選擇一位或多位掃描對(duì)象，用以測(cè)試矯正器。完成掃描后，數(shù)據(jù)將使用Artec Studio 3D軟件進(jìn)行處理。
“在Artec Studio中從掃描直接生成.STL文件簡(jiǎn)單明了，”Kevin說(shuō)道?！瓣P(guān)鍵是需要搜集高品質(zhì)掃描，不可以在模型中留下任何一處孔洞，方便掃描數(shù)據(jù)的對(duì)齊工作。尖銳融合工具可以精確地融合掃描并生成最終模型。我發(fā)現(xiàn)Artec Studio軟件界面非常簡(jiǎn)單明了，強(qiáng)大的工具還能讓科學(xué)家與工程師在可穿戴機(jī)器人部位進(jìn)行研究。”
個(gè)性化矯正器原型數(shù)碼設(shè)計(jì)
后期處理完畢后，.STL文件可導(dǎo)出至CAD軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，使之完全符合要求。最后一步即使用增財(cái)制造制作矯正器。3D打印完成后，使用碳纖維與環(huán)氧復(fù)合材料加固。
與石膏模型相比，使用3D掃描與3D打印可以實(shí)現(xiàn)文件的數(shù)字化保存，因此優(yōu)點(diǎn)頗多。一份電子存檔從設(shè)計(jì)角度來(lái)看便有一大優(yōu)勢(shì)，可以實(shí)現(xiàn)人體與機(jī)器人設(shè)計(jì)的融合。此外，此方法還為矯正器生產(chǎn)制作帶來(lái)了更多選擇余地，可采用計(jì)算機(jī)輔助制造（CAM）技術(shù)，如3D打印。如此，便可減少潛在成本，提升產(chǎn)品品質(zhì)與適用性。
目前，研究組正進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試這款設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)?！斑@些實(shí)驗(yàn)的目的就是想展示基于數(shù)字記錄構(gòu)建的個(gè)性化矯正器有哪些喜人之處，”Kevin說(shuō)道?！坝谐蝗?，我們的目標(biāo)將變成幫助所有人穿上幾乎為自身復(fù)制品、且?guī)缀蹼[形的外骨骼！3D掃描技術(shù)正是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的有力工具。”
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