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研究人员将3D打印机与可穿戴3D打印假肢修复应用


      加州大学伯克利分校和香港科技大学的三名研究人员最近发表了一篇论文,题为“3d打印机假肢手|机电一体化支持套件”,讲述了他们如何将可穿戴传感器和价格合理的机器人技术与3d打印机技术相结合,从而在电动假肢领域“实现无障碍”。


      王大亨、阿纳吉和梁淑伟利用他们的机电产品平台斯巴达进行研究。

 

      摘要写道:“斯巴达利用第三方肌电图传感器,即肌臂带,来处理肌肉传感器数据,并将用户意图转化为手部动作。关键创新包括解决方案为目标用户提供的模块化、可扩展性和高度定制。详细介绍了以用户为中心的设计方法和机电一体化系统的设计,论证了一体化系统和设计的通用性。最初作为一项工程研究工作开展的项目也将被部署以提供现实世界的影响,特别是对发展中国家的假肢使用者。”

 

      由于计算和神经科学方法的多重进步,用于设计服务与移动相关的残疾智能设备前景发生了显著变化。虽然该项目最初源于一项学生创新倡议,但该小组认为,他们的解决方案将有利于发展中国家需要手假肢的成人、儿童和老年人。

               

斯巴达人填补的市场空白

 

      大多数能够进行基本运动的动力假肢并不便宜,特别是孩子们长得这么快,这种假肢就很难使用了。研究人员详细介绍了其他一些致力于开发更好的假肢解决方案的组织,如e-nable、加州大学伯克利分校的百万手项目和开放式仿生学。

 

      研究人员写道:“市场调查显示,市场上对于提供负担得起且易于使用的假体的解决方案存在差距。”

 

      然而,低成本和可访问性不足以可扩展和可适应的方式产生有意义的影响。在这个项目中,我们采用精益产品开发周期、手势识别的机器学习和基于模型的自适应控制来部署斯巴达的第一个版本。

 

      他们在北京、香港、三藩和汉城进行了市场调查,确定了假手最重要的用户需求是它的外观、耐用性、功能性和重量。接受调查的人一直提到同样的痛点,他们的假肢不舒服,很难安装。因此,斯巴达研究人员努力确保最终用户能够更方便地使用他们的产品,更容易满足设计要求,例如:

 

      通过多个版本与现有的3D手模型兼容


      安装过程简单,包括视频教程和管理单元机制


      基于应用程序的DIY流程直观的用户界面,如手势映射和3D扫描

 

      斯帕坦与所有基于柔性关节打印的现有3D模型兼容,用户界面使用患者前臂的肌电信号。


      研究人员解释说:“无论是截肢还是先天性畸形,前臂仍存在肌肉和肌腱。”这些剩余的肌肉可以被病人直接收缩和控制,提供了一种直观和快速的方式与假手互动。

 

      手掌包含一个微控制器单元,用于处理信号并确定何时执行某个手势;嵌入式微电机用于驱动相应的手指。

 

      装备斯巴达式假手的机械系统有两个主要部分:聚碳酸酯模块,它可以对3D打印假手和手本身进行肌电控制。假肢中的一段绳子由穿过模块外壳的空心路径引导。该模块可以通过3D打印或堆叠激光切割塑料板制成。

 

      研究人员写道:“斯巴达模块的设计使得它可以很容易地安装到3D打印假手模型中,只需简单的修改。”“使用3D打印等附加制造方法在设计假体设备方面具有多种优势,特别是在定制方面。舒适度是任何假体的关键因素,由于需要高度定制,用传统方法批量生产这些设备本身就很困难。”

 

      研究小组模仿了第一只斯巴达准备好的假手,仿效了柔韧的手模型。手指关节用一根柔韧的耗材进行3D打印,这样在电机弯曲后,手指关节就可以很容易地回到原位。

 

      斯巴达人与其他3D打印假手不同之处在于它能够使用马达来控制手指的运动。该设备使用了由Thalmic实验室提供的商用MYO臂带来记录和传输八种不同的前臂肌电信号,该团队设计了一个定制的PCB,通过蓝牙模块接收和处理数据。

               

MYO臂带

 

      带摄像头的智能手机应用程序用于创建用户手和手臂的精确3D模型,随后发送到靠近实际用户的位置进行3D打印。

 

      研究人员解释说:“与制造商和学校合作,斯巴达人可以充分利用现有的3D打印机网络。”“电子设备的设计是即插即用的,这意味着一旦打印出手,我们将在适当的位置发送模块,这只是一个问题。其目标是通过在线工具最大限度地为最终用户提供参与装配过程的机会。”

        

      今年,该团队计划向利益相关者(假肢使用者、医疗康复单位等)介绍其斯巴达工具包,用于测试。此外,研究人员还与“百万人计划”和“当地非政府组织基于赠款的社会影响部署”建立了合作伙伴关系,以开拓更多的项目机会。

 

      研究人员得出结论:“系统建模和自适应控制的微调将同时进行,以改善整体用户的登机体验。”“最后,我们还希望将机电一体化使套件概念应用于除3D打印假手外的其他应用,例如轻型外骨骼的机动化。”


      申明原创 创想三维

     

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