Artec Eva 3D扫描仪被用于符合人体工程学的外骨骼开发

31/07/2017

一支比利时研究团队目前开始采用3D扫描、CAD3D打印技术进行定制设计,提升动力外骨骼性能。

布鲁塞尔自由大学博士研究员Kevin Langlois始终相信人类正处于新一次技术革命的前夕,这一场革命将彻底改变我们的生活方式。Kevin是该校机器人学与多体力学(R&MM)研究组成员,该研究组致力于可穿戴机器人,如动力外骨骼。Kevin认为机器人辅助技术是控制医疗成本的主要科技手段之一,它能让人类保持自由移动,减少对护理的依赖,并降低因长期不动而导致的二次健康问题。

“外骨骼已经出现,即将成为未来大变革的重要部分,”Kevin说道。“该技术将为损伤康复、人类动力增强、日常活动风险预防与协助带来全新希望。”

R&MMMIRAD,配有矫正器械的动力助力外骨骼

尽管该研究领域已取得了卓越进展,但仍然存在一个重要问题亟待解决:如何实现人体与机械外骨骼之间的完美贴合互动?在机械层面,这一问题可以归结为如何实现两个实体间的绝对粘附。

从人体测量学(四肢大小与功能)与生物动力学(行走方式)角度来看,这一问题不易回答。也就是说我们需要为每位人士提供定制化解决方案。

根据R&MM的经历来看,现成解决方案并非最佳选项。起初,研究组购买了可调节矫正器械,通过绳带与支架将设备固定在人体上进行研究。这些固定装置最终往往错位,影响了骨骼效率。

之后,研究组找到了新方法——使用3D扫描捕获不同对象的人体结构,设计近似完美复制品的矫正器。具体来看,外骨骼实体界面是连接人体与机械的机械连接点,需进行 3D扫描。如此操作,便可以加固粘附,提升外骨骼稳健性,无需牺牲用户舒适感。为实现这一目标,研究员从Artec金牌合作商4C Creative CAD CAM Consultants处采购了Artec Eva高精度3D扫描仪

“目前,该领域的研究比较匮乏。目前为止,大多数研究依然着眼于机械基础部件、驱动与控制。而现在,将人体融入系统的时代已经到了,”Kevin说道。“因此,在R&MM实验室,我们决定采用3D扫描技术,开辟新的解决方案。”

使用Artec 3D Eva 3D扫描仪重建的小腿数字模型

“现在我们启用了Artec Eva,用于设计并制作个性化矫正器,效果超过了可调节矫正器,”kevin说道。“Eva扫描仪处理扫描速度飞快(不超过5分钟),准确构建病患的数字图像。使用3D扫描设备比起石膏模型,耗时短,耗力少。”

MIRAD外骨骼助力双腿臀部、膝盖与脚踝,根据生物力学文献,我们可以推测出传递至患者关节(脚踝、膝盖与臀部)的扭矩或力量,确保在行走时提供辅助。此外还有关于疼痛压力阈值(PPT)等信息,如人体在感到疼痛前解剖部位能承受的最大压力,都可用于设计矫正器原型。

与电力传动装置串联使用可调试弹性部件,即预应力可变弹簧,是传动装置的一项重要特征。其特性非常适合动力外骨骼:能量存储,提高输出功率,吸收冲击负载,低输出阻抗。不同于传统“僵硬”或“死板”的传动装置,如齿轮传动,这一灵活的传动装置容许因用户外力作用导致的目标位偏离。

“Artec Eva 3D扫描仪能让我们把所有参数都放进一台符合人体工程需的便携矫正器中,”Kevin说道。

R&MM实验室中对人体小腿进行3D扫描

为定制矫正器,Kevin首先选取需要捕获的区域,如小腿。然后选择一位或多位扫描对象,用以测试矫正器。完成扫描后,数据将使用Artec Studio 3D软件进行处理。

“在Artec Studio中从扫描直接生成.STL文件简单明了,”Kevin说道。“关键是需要搜集高品质扫描,不可以在模型中留下任何一处孔洞,方便扫描数据的对齐工作。尖锐融合工具可以精确地融合扫描并生成最终模型。我发现Artec Studio软件界面非常简单明了,强大的工具还能让科学家与工程师在可穿戴机器人部位进行研究。”

个性化矫正器原型数码设计

后期处理完毕后,.STL文件可导出至CAD软件进行设计,使之完全符合要求。最后一步即使用增财制造制作矫正器。3D打印完成后,使用碳纤维与环氧复合材料加固。

与石膏模型相比,使用3D扫描与3D打印可以实现文件的数字化保存,因此优点颇多。一份电子存档从设计角度来看便有一大优势,可以实现人体与机器人设计的完美融合。此外,此方法还为矫正器生产制作带来了更多选择余地,可采用计算机辅助制造(CAM)技术,如3D打印。如此,便可减少潜在成本,提升产品品质与适用性。

目前,研究组正进行实验测试这款设计的优点。“这些实验的目的就是想展示基于数字记录构建的个性化矫正器有哪些喜人之处,”Kevin说道。“有朝一日,我们的目标将变成帮助所有人穿上几乎为自身复制品、且几乎隐形的外骨骼!3D扫描技术正是实现这一目标的有力工具。”

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