美瑞Artec Eva 3D掃描儀被用於符合人體工程學的外骨骼開發

布魯塞爾自由大學博士研究員Kevin Langlois始終相信人類正處於新一次技術革命的前夕,這一場革命將徹底改變我們的生活方式。Kevin是該校成員,該研究組致力於可穿戴機器人,如動力外骨骼。Kevin認為機器人輔助技術是控制醫療成本的主要科技手段之一,它能讓人類保持自由移動,減少對護理的依賴,並降低因長期不動而導致的二次健康問題。

"外骨骼已經出現,即將成為未來大變革的重要部分,"Kevin說道。"該技術將為損傷康復、人類動力增強、日常活動風險預防與協助帶來全新希望。"

美瑞Artec Eva 3D掃描儀被用於符合人體工程學的外骨骼開發

儘管該研究領域已取得了卓越進展,但仍然存在一個重要問題亟待解決:如何實現人體與機械外骨骼之間的完美貼合互動?在機械層面,這一問題可以歸結為如何實現兩個實體間的絕對粘附。

從人體測量學(四肢大小與功能)與生物動力學(行走方式)角度來看,這一問題不易回答。也就是說我們需要為每位人士提供定製化解決方案。

根據R&MM的經歷來看,現成解決方案並非最佳選項。起初,研究組購買了可調節矯正器械,通過繩帶與支架將設備固定在人體上進行研究。這些固定裝置最終往往錯位,影響了骨骼效率。

之後,研究組找到了新方法——使用3D掃描捕獲不同對象的人體結構,設計近似完美複製品的矯正器。具體來看,外骨骼實體界面是連接人體與機械的機械連接點,需進行 3D掃描。如此操作,便可以加固粘附,提升外骨骼穩健性,無需犧牲用戶舒適感。

"目前,該領域的研究比較匱乏。目前為止,大多數研究依然著眼於機械基礎部件、驅動與控制。而現在,將人體融入系統的時代已經到了,"Kevin說道。"因此,在R&MM實驗室,我們決定採用3D掃描技術,開闢新的解決方案。

美瑞Artec Eva 3D掃描儀被用於符合人體工程學的外骨骼開發

"現在我們啟用了Artec Eva,用於設計並製作個性化矯正器,效果超過了可調節矯正器,"kevin說道。"Eva掃描儀處理掃描速度飛快(不超過5分鐘),準確構建病患的數字圖像。使用3D掃描設備比起石膏模型,耗時短,耗力少。"

MIRAD外骨骼助力雙腿臀部、膝蓋與腳踝,根據生物力學文獻,我們可以推測出傳遞至患者關節(腳踝、膝蓋與臀部)的扭矩或力量,確保在行走時提供輔助。此外還有關於疼痛壓力閾值(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,都可用於設計矯正器原型。

與電力傳動裝置串聯使用可調試彈性部件,即預應力可變彈簧,是傳動裝置的一項重要特徵。其特性非常適合動力外骨骼:能量存儲,提高輸出功率,吸收衝擊負載,低輸出阻抗。不同於傳統"僵硬"或"死板"的傳動裝置,如齒輪傳動,這一靈活的傳動裝置容許因用戶外力作用導致的目標位偏離。

"Artec Eva 3D掃描儀能讓我們把所有參數都放進一臺符合人體工程需的便攜矯正器中,"Kevin說道。

美瑞Artec Eva 3D掃描儀被用於符合人體工程學的外骨骼開發

定製矯正器,Kevin首先選取需要捕獲的區域,如小腿。然後選擇一位或多位掃描對象,用以測試矯正器。完成掃描後,數據將使用進行處理。

"在Artec Studio中從掃描直接生成.STL文件簡單明瞭,"Kevin說道。"關鍵是需要蒐集高品質掃描,不可以在模型中留下任何一處孔洞,方便掃描數據的對齊工作。尖銳融合工具可以精確地融合掃描並生成最終模型。我發現Artec Studio軟件界面非常簡單明瞭,強大的工具還能讓科學家與工程師在可穿戴機器人部位進行研究。"

美瑞Artec Eva 3D掃描儀被用於符合人體工程學的外骨骼開發

期處理完畢後,.STL文件可導出至CAD軟件進行設計,使之完全符合要求。最後一步即使用增財製造製作矯正器。3D打印完成後,使用碳纖維與環氧複合材料加固。

與石膏模型相比,使用3D掃描與3D打印可以實現文件的數字化保存,因此優點頗多。一份電子存檔從設計角度來看便有一大優勢,可以實現人體與機器人設計的完美融合。此外,此方法還為矯正器生產製作帶來了更多選擇餘地,可採用計算機輔助製造(CAM)技術,如3D打印。如此,便可減少潛在成本,提升產品品質與適用性。

目前,研究組正進行實驗測試這款設計的優點。"這些實驗的目的就是想展示基於數字記錄構建的個性化矯正器有哪些喜人之處,"Kevin說道。"有朝一日,我們的目標將變成幫助所有人穿上幾乎為自身複製品、且幾乎隱形的外骨骼!3D掃描技術正是實現這一目標的有力工具。"


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