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概要：在為人類制作外骨骼時，問題就是如何實現人體和外骨骼間的互動。
目標：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
一支比利時研究團隊目前開始采用3D掃描、CAD與3D打印技術進行定制設計，提升動力外骨骼性能。
布魯塞爾自由大學博士研究員Kevin Langlois始終相信人類正處于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是該校機器人學與多體力學（R&MM）研究組成員，該研究組致力于可穿戴機器人，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，并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。”
R&MM的MIRAD，配有矯正器械的動力助力外骨骼
盡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制化解決方案。
根據R&MM的經歷來看，現成解決方案并非好的選項。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。
之后，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，設計復制品的矯正器。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。為實現這一目標，研究員從Artec金牌合作商4C Creative CAD CAM Consultants處采購了Artec Eva高精度3D掃描儀。
“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于機械基礎部件、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，我們決定采用3D掃描技術，開辟新的解決方案。”
使用Artec 3D Eva 3D掃描儀重建的小腿數字模型
“現在我們啟用了Artec Eva，用于設計并制作個性化矯正器，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征。其特性非常適合動力外骨骼：能量存儲，提高輸出功率，吸收沖擊負載，低輸出阻抗。不同于傳統“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。
R&MM實驗室中對人體小腿進行3D掃描
為定制矯正器，Kevin首先選取需要捕獲的區域，如小腿。然后選擇一位或多位掃描對象，用以測試矯正器。完成掃描后，數據將使用Artec Studio 3D軟件進行處理。
“在Artec Studio中從掃描直接生成.STL文件簡單明了，”Kevin說道。“關鍵是需要搜集高品質掃描，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并生成最終模型。我發現Artec Studio軟件界面非常簡單明了，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。”
個性化矯正器原型數碼設計
后期處理完畢后，.STL文件可導出至CAD軟件進行設計，使之完全符合要求。最后一步即使用增財制造制作矯正器。3D打印完成后，使用碳纖維與環氧復合材料加固。
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融合。此外，此方法還為矯正器生產制作帶來了更多選擇余地，可采用計算機輔助制造（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于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復制品、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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