关于3D打印功能性外骨骼的探讨

高泽鹏 梁冰清 倪浩荣 黄新龙

摘 要 作為大学生的我们利用所学的3D打印知识专门设计出一种具有抓取提拉功能的低成本3D打印功能性外骨骼产品，将这种产品公益性地免费赠予肢体残疾人士，让他们可以试戴上这种产品，帮助他们轻松提拿物品，减轻他们可能因残疾带来的经济负担和心理阴影，这无疑具有公益研究意义。

关键词 3D打印功能性外骨骼;肢体残疾人士;公益;低成本

残疾人是社会中属于一种较为弱势的群体，我们对他们予以关怀及帮扶具有重要的意义。近几年，3D打印技术日渐成熟，通过3D打印机打印出来的东西坚固性好，且成本较低，课堂上我们也学习到了3D打印知识，作为大学生的我们利用课堂上所学的3D打印相关知识在实验室中设计研发出一种类似于义肢的具有高性能低成本的创新性产品，并将设计出的这种产品公益性地免费赠予肢体残疾人士，让他们可以试戴上这种产品，帮助他们轻松提拿物品，体验无障碍的日常生活，这无疑具有重要的研究意义。

1设计该产品的意义

该产品设计主要以3D打印技术为核心，利用力学原理，研发出一种高性能低成本的体验性3D打印功能性外骨骼，将这种产品以公益的方式免费赠予残疾人士，让他们试戴上这种体验性3D打印功能性外骨骼，可以帮助佩戴的残疾人士轻松地提拿物品，体验无障碍的日常生活，从而帮助他们走出可能因失去肢体产生的心理阴影、减轻他们可能因残疾带来的经济负担或者心理阴影，消除他们的心理障碍，帮助他们更好地生活，为社会公益事业贡献一分力量[1]。

2设计研究的内容

我们利用3D建模和3D打印技术，尝试采用成本低且效能好的材料制作出高性能低成本的体验式3D打印功能性外骨骼。同时尝试能否设计研究出具有为残疾人量身定制大小合适的体验式3D打印功能性外骨骼，而且对于不同程度的意外截肢、先天性肢体残疾，都将有针对性地进行体验性3D打印外骨骼型号的设计，以满足多种定制需求，提供更多的可选择性与合适性[2]。

3设计研究的技术方法

①设计建模。我们通过现实中一般肢体残疾人的手部数据进行分析，对数据进行讨论确定3D打印外骨骼的整体构型设计，通过电脑进行3D打印外骨骼各个部件的建模。②材料采购。在建模后，我们开始选择材料，我们对ABS、PC类材料、PLA、尼龙类材料进行了筛选，通过对比它们的性质、成本和实用性，我们最终选择了PLA改性材料。这种环保材料无毒、无害、无异味，且成本较低，实用性强。③打印组装。在对各个部件建模，选取打印的材料后，我们通过实验室的3D打印机进行打印。我们利用现有的3D打印技术设计、建模、打印出外骨骼的各个部件，并对各个部件进行组装。④测试。我们会对打印出的体验性3D打印功能性外骨骼的耐磨性、舒适度、受力情况等多个方面进行测试，确保3D打印机打印出来的这种功能性外骨骼可以适合佩戴。⑤佩戴及使用。在测试无误，确保可以使用后，我们会让有需要的肢体残疾人试戴上这种体验性3D打印功能性外骨骼，通过后期的探访了解使用情况，并根据肢体残疾人士的反馈对我们的3D打印功能性外骨骼不断地改进。⑥定制设计。如果有肢体残疾人士想要量身定制属于自己的体验性3D打印功能性外骨骼，我们会对该肢体残疾人士的手臂进行测量，收集相关数据，对数据进行讨论确定3D打印外骨骼的整体构型设计，通过电脑进行3D打印外骨骼各个部件的建模，打印，测试，组装，量身定制出该肢体残疾人士的体验性3D打印功能性外骨骼。

4设计研究的步骤

①第一阶段。a.查阅、采集相关资料，对采集的相关资料进修分析;b.讨论确定3D外骨骼的整体构型，采用几种材料对比，分别进行3D打印外骨骼各个部件的建模，最后选取成本低且效能好的材料;c.试行用选取出的材料打印合部件，收集过程出现的问题;d.针对打印过程出现的问题进行讨论调整，重新调整建模，打印制作各器件;e.进行组装、制作出初期功能性3D打印外骨骼。②第二阶段。a.测试各方面预期性能;b.测试3D打印外骨骼各部件的耐性;c.针对耐性不足部件进行调整;d.进行讨论分析，做出修改提议;e.针对性地改造整体成品，提升各方面性能;③第三阶段。a.对这种体验式3D打印功能性外骨骼宣传推广;b.针对性使有需要肢体残疾人士了解并试戴上这种体验式3D打印外骨骼;c.将体验式3D打印功能性外骨骼针对性投入定制使用;d.跟进使用情况进行功能上的改进;e.团队定期外出交流，学习，更好地改进样品，让样品更加精良。

5设计研究的成果

通过实验室的研究设计，目前成功研发出了一种具有提拉抓取功能的体验性3D打印功能性外骨骼;这种体验性3D打印功能性外骨骼采用了PLA改性材料，这种经过对比很多种材料筛选出的PLA改性材料无毒，无害，无异味，环保，且成本较低;目前已经为肢体残疾人士试戴上我们这种体验性3D打印功能性外骨骼，我们也将对试戴上体验性3D打印功能性外骨骼的肢体残疾人士进行跟进访问。

6设计研究存在的主要问题及今后的设想

（1）存在的主要问题。该产品设计研发的技术还不够成熟，设计出的3D打印功能性外骨骼还不够精良;作为学生，设计研究的经费有限，无法满足后期继续研发的资金来源。

（2）今后的设想。后续可能会寻求企业或者社会爱心组织的合作，邀请他们一起为肢体残疾人士奉献出一份爱心，增加产品设计资金来源，更好地投入到实验室产品研发中，设计出更精良的高性能低成本的产品，公益性地免费赠予肢体残疾人士，帮助更多有需要的肢体残疾人士，让他们可以试戴上这种体验性3D打印功能性外骨骼，帮助他们轻松地提拿物品，减轻他们可能因残疾带来的经济负担和心理阴影。

7结束语

综上所述，3D打印功能性外骨骼成本较低，并且性能优良，可以为肢体残疾人士提供良的支持，具有良好的社会效益。但是，该设计还存在一定的缺陷，需要进一步进行深入研究。

参考文献

[1] 陆春华，王凯.3D打印在脑卒中偏瘫患者辅助支具制作中的应用[J].上海医药，2019，40（13）：16-19.

[2] 黄若景. 3D打印计算机辅助设计小夹板外骨骼系统的研究[D].广州：广州中医药大学，2015.