3D-сканер Artec Eva в разработке эргономичного экзоскелета

31/07/2017

Группа ученых Бельгии усовершенствует возможности экзоскелета, разрабатывая индивидуальную конструкцию при помощи 3D-сканирования, САПР и трехмерной печати.

Кевин Ланглоа (Kevin Langlois), доктор наук Брюссельского свободного университета, полагает, что человечество находится на пороге технологической революции, которая радикальным образом изменит нашу жизнь. Кевин является членом университетской  Исследовательской группы робототехники и многочастичной механики (РММ, Robotics & Multibody Mechanics), объектом пристального изучения которой является роботизированная экипировка, в частности, экзоскелеты. Кевин полагает также, что роботизированные средства реабилитации – это одна из важнейших технологий, которая позволит контролировать стоимость здравоохранения, поддерживать мобильность пациента, снизить степень его зависимости от медицинского обслуживания и уменьшить риск повторной потери двигательных функций.

“Экзоскелеты – технология обозримого будущего, часть предстоящих фундаментальных перемен, – говорит Кевин, – которая демонстрирует многообещающие результаты в области физической реабилитации, увеличения возможностей организма, предотвращения травм, а также поддержания физической активности”.

MIRAD – роботизированный реабилитационный экзоскелет, оснащенный регулируемыми ортезами, разработанный в лаборатории РММ

Несмотря на значительный прогресс исследований в данной области, остается нерешенной основная задача: как достичь идеального взаимодействия между человеческим организмом и роботизированным экзоскелетом? С точки зрения механики, вопрос сводится к тому, как превратить два объекта в единое целое.

На этот вопрос не так-то легко ответить, учитывая, что каждый человек уникален с антропометрической (размеры конечностей и их физические возможности) и биомеханической (особенности походки) точек зрения. Все это означает необходимость разработки индивидуальных решений.

Опыт исследовательской группы РММ подтверждает, что готовые решения – не лучший выход. В начале своей работы ученые лаборатории РММ закупали регулируемые ортезы и прикрепляли, используя ремни и скобы. Однако, такой крепеж довольно часто смещался, существенно снижая эффективность экзоскелета.

Тогда было найдено альтернативное решение – использовать 3D-сканирование и данные об индивидуальной анатомии для создания ортезов, идеально подходящих каждому конкретному пациенту. Также сканировались механические соединения экзоскелета, соприкасающиеся с телом. Таким образом можно добиться наиболее плотного прилегания и большей жесткости экзоскелета, не снижая при этом степени комфорта пациента. С этой целью группой ученых был приобретен высокоточный 3D-сканер Artec Eva у компании 4C Creative CAD CAM Consultants – партнеров Artec в золотом статусе.

“В настоящее время исследования в этой области довольно редки. До сегодняшнего дня большинство из них были направлены на разработку основ подобных механизмов, способов приведения их в движение и методов управления. Теперь настало время интегрировать в них человека, – говорит Кевин. – Поэтому в лаборатории РММ мы приняли решение использовать достижения 3D-сканирования для создания новых решений”.

Цифровая модель голени, созданная с помощью 3D-сканера Artec Eva

“Мы используем Artec Eva, помогающий нам в конструировании и изготовлении индивидуальных ортезов, которые могут иметь существенные преимущества перед регулируемыми приспособлениями, - рассказывает Кевин. - Сканер Eva обеспечивает быстрый процесс съемки (менее пяти минут), в результате которого мы получаем точное цифровое изображение пациента. Применение этого устройства в производстве ортезов экономит значительно больше времени и сил по сравнению с использованием гипсовых моделей”.

Полагаясь на теорию биомеханики, можно измерить силу, или импульс, который необходимо передать суставам (голеностопному, колену и бедру) для поддержки во время ходьбы, поскольку экзоскелет MIRAD усиливает бедренный, коленный и голеностопный суставы обеих ног. На основании этих данных, а также знания о пороге болевой чувствительности к давлению (например, максимальное давление на определенный участок тела, которое выдерживает человек до появления болевых ощущений), можно сконструировать прототип ортеза.

Основой приводного механизма является регулируемый эластичный элемент – пружина с изменяемым уровнем сжатия. Ее характеристики подходят для экзоскелетов с электроприводом: энергоемкость, высокая импульсная мощность, амортизация ударных нагрузок и низкое сопротивление. В отличие от традиционных «жестких» приводов, таких, как, например, редуктор, эластичный привод допускает естественные отклонения от целевых положений при воздействии пользователя на механизм.

“3D-сканер Artec Eva позволяет учитывать все эти параметры в конструкции компактного и эргономичного ортеза”, - говорит Кевин.

3D-сканирование голени в лаборатории РММ

Для изготовления индивидуального ортеза Кевин определяет область для сканирования, например, голень; подбирает одного или несколько человек, на которых будет опробован ортез, и сканирует их. Затем данные обрабатываются в 3D-программе Artec Studio.

“Создание файла в формате .STL из сканов – процесс, осуществляемый непосредственно в Artec Studio, – поясняет Кевин. – Самое важное – это собрать сканы высокого качества, не упустив ни одного участка поверхности, а затем составить их в единое целое. Инструмент Sharp Fusion производит точную склейку сканов и формирует окончательную модель. Я пришел к выводу, что программа Artec Studio отличается интуитивным интерфейсом и мощными инструментами, которые позволяют ученым и инженерам проводить исследования в области роботизированной экипировки”.

Цифровая модель прототипа индивидуального ортеза

По завершении постобработки файл .STL экспортируется в САПР, где разрабатывается конструкция плотно прилегающего ортеза. Последний шаг – изготовление ортеза посредством аддитивных технологий. После 3D-печати устройству придают дополнительную прочность с помощью углеродного волокна и эпоксидного состава.

3D-сканирование и 3D-печать удобнее гипсовых слепков еще и потому, что позволяют работать с цифровой информацией. Цифровые модели обеспечивают преимущество в разработке последующих устройств, помогая полностью интегрировать человеческий организм в конструкцию роботизированного ортеза. Они дают бОльшую степень свободы при выборе способов изготовления, давая возможность применять такие технологии компьютеризированного производства, как, например, трехмерная печать, что, в свою очередь, потенциально снижает затраты и повышает качество продукта.  

В настоящее время проводятся испытания для определения всех преимуществ таких устройств. “Целью этих экспериментов является демонстрация эффективности ортезов индивидуальной конструкции, разрабатываемой на оснвое цифровых моделей людей, - объясняет Кевин. – И однажды, целью станет создание таких экзоскелетов, которые были бы незаметны на теле не только для окружающих, но и в определенной степени для самого пациента! Технология 3D-сканирования – многообещающий инструмент достижения этой цели”.

Задать вопрос