3DP技术下智能化膝盖助力设备可行性分析

2021-03-29韩学斌张紫慧石鸿瑞

智能城市 2021年5期

韩学斌张紫慧石鸿瑞胡吉单阳

（大连交通大学，辽宁大连 116028）

1 研究背景

本课题的主要研究内容是针对3D打印技术应用到智能膝盖助力器的可行性分析，通过了解3D打印技术、新型材料及定制化服务等方面的技术变革，设计适应消费者需求的定制化产品。在了解消费者的日常需求后，通过设计研究来满足消费者更多元化的需求，提升生活质量。消费者在日常生活中遇到的问题和困难都是创新设计的出发点。

为应对人口老龄化问题，许多适用于老年人的产品也在不断更新。随着身体机能的衰退和年龄的增长，颈椎病、腰椎病、风湿、老寒腿等各种疾病逐渐出现在老年人身上。与此同时，这些疾病的患者群体也在不断年轻化。膝盖残疾以及患各种膝关节疾病的年轻人比例也在逐年上升。

从膝盖损伤的这类人群所产生的生活问题中可以发现患者各种不同的需求，从需求中发掘创新设计理念和开发依据。通过消费者生活工作轨迹挖掘更多的实际需求对于本课题的设计定位有良好指向作用。

课题研究的理论基础：

（1）了解使用者的特性。膝盖有损伤的人群在日常生活中遇到的问题会增加购买的动机，为膝盖助力器的生产创造可能。通过市场调研，研究可能成为产品使用者的人群，对这一类人群进行整合，最终确定市场对膝盖助力器的需求量及对膝盖助力器的功能要求。

（2）了解3DP技术的发展及目前已应用3DP技术的工程领域。技术发展的情况能够决定该技术是否有能力应用到膝盖助力器的生产中。

（3）了解并分析国内外膝盖助力设备的现状。发现并改善现有膝盖助力设备的不，通过改进改良设备设施，为该课题的发展提供客观条件。

2 国内外现状

与多数高科技产品发展史类似，外骨骼（助力器）最早应用于军事领域，随后逐步进入民用市场，共有两方面的应用：一是医疗领域，帮助偏瘫患者实现康复训练、恢复下肢行走能力，代表公司有日本的Cyberdyne、以色列的Rewalk；二是在工业应用中帮助重度劳动者减负，如日本松下的搬运外骨骼、美国的suitX。本文主要围绕医疗领域进行分析。

深圳湾的峰湃科技将与离合器连接的弹簧置于前脚掌，通过恒力弹簧收集落地力并根据杠杆效应释放能量。但是产品助力效果不足，不能有效解决因骨科膝盖损伤带来行动不便的问题。

峰湃一代助力器如图1所示。

图1 峰湃一代助力器

峰湃继而转向另一个方向，做出一款以电能为主要能源的轻型可穿戴外骨骼，通过简单的转动副和移动副，将几个构件连接起来组成具有上述功能的机械结构。另外配合微机械齿轮传动结构和各种传感器，实现对穿戴者的实时动作捕捉，并反馈到CPU中进行计算，计算出最佳行动路径反馈到执行元件，帮助用户完成想要进行的活动。该产品主要面向户外休闲旅游、徒步运动等人群，能够帮助徒步运动员节省50%的体力，电池续航时间为6 h，售价预计为3万元左右[1]。该产品售价昂贵，没有针对膝盖损伤人群而设计。

日本Cyberdyne公司开发的HAL for Medical Use获得了美国FDA批准。设计初衷在于帮助下肢残疾的患者顺利行走。公司创始人兼CEO山海嘉之在1997年开发出了HAL的第一个原型机，在日本使用多年，经久不衰。

以色列的Eewalk由一个装着电脑、软件和电池的背包，一组用于探测执行使用者的意图倾斜式传感器以及两条支撑行走机械腿组成[2]。Rewalk由电池供电且轻质耐磨的外骨骼可以穿戴，如图2所示。

图2 Rewalk 6.0

其6.0版本取缔原本背负式电池仓的设计，将电池安装在臀部位置[3]，负重感减轻，身体更加轻盈，更不会影响使用者的外貌服装形象。该产品利用重心的细微变化来控制运动，上体的前倾被检测到以后启动第一步骤迈出第一步，重复身体位移完成连续动作步骤，并且此设备支持自然的步态和步行速度，充分为消费者考虑。

国内外均有外骨骼样式的膝盖助力器产品，且已投入市场多年，符合多数消费者的购买条件。但此类商品的价格对普通家庭并不友善。目前助力设备是批量生产的，能够调节尺寸，但是每个人的腿形尺寸都不一样，无法满足部分特殊用户。

3 使用者分析

本文旨在分析3DP技术下的智能膝盖助力设备，为老年人及膝盖有损伤的人群设计一款膝盖助力器。使用者的需求是这一助力器诞生的前提条件，通过资料分析法就使用人群进行分析，上海市郊区老年人性别与年龄别膝关节OA临床诊断患病率比较如表1所示。

表1 上海市郊区老年人性别与年龄别膝关节OA临床诊断患病率比较

利用抽样调查法，抽取上海市郊区老年人进行调研。上海市作为经济特区是我国老龄化较为严重的地区之一，从上海市郊区老年人膝盖患病率可以预测出将来中国进入老龄化社会后，老年人膝盖患病率的整体趋势。从表1中可以看出老年人随着年龄的增加膝关节患病率也在逐渐提高。60岁以上的中老年人中，每100人中就有近20人膝关节患病，占比十分高。面对这样的问题，应当有一款能够帮助膝关节病患者日常正常行走的设备，解决中老年人因患膝关节疾病而无法正常行走的问题。

91名散打运动员膝关节损伤的情况如表2所示。

表2 91名散打运动员膝关节损伤的情况

由表2可知，在调查的91名散打运动员中，82名运动员膝关节受伤，9名运动员膝关节无受伤情况，膝关节受伤比例很大。通过对91名散打运动员的调查，可以推测出散打运动员及其他运动员膝关节受伤的比例较大。由此可见，运动员这一群体膝关节容易受伤，受伤后也需要有一款膝盖助力器来帮助运动员进行康复训练。

综上所述，膝关节损伤已成为部分人群的普遍现象，膝关节患病率较高。膝关节容易患病的人群主要包括中老年人、运动员以及其他特殊人群。由于人群的复杂性，如果采用常见的车床机械化的量产方式，制造的膝盖助力器虽然在功能上有一定助力作用，但是很难符合每个人的腿形、步幅，造成使用者在使用过程中产生不适。因此，可以将3DP技术运用到智能膝盖助力器的设计制造中，使膝盖助力器实现定制化，能够有效解决以上问题，符合制造中“人机料法环”五要素，提高商品质量，使其更加适合消费者，为膝盖损伤患者提供一定的助力作用。

4 3DP技术发展

3D打印被赋予“第三次工业革命”的背景，以3D打印技术为代表的快速成型技术成为引发新一轮工业革命的关键要素[4]。

3D打印技术在医学方面已应用于多个领域，但各个领域的侧重方面略有差异。应用最广泛的为整形外科领域，如烧伤治疗、面部重建、隆鼻及隆颏假体的个性化定制、颅骨缺损的个性化修复、下颌骨重建术及截骨手术等，都应用了此种打印技术。此外，还可以进行骨骼打印，辅助病情讲解、辅助手术以及定制义肢、膝关节等植入物方面。

三维扫描通常与3D打印联合使用，利用三维扫描仪扫描使用者腿部，在电脑上生成使用者的腿部模型，根据使用者腿部模型调整膝盖助力器的具体参数，利用3D打印技术为使用者定制出专属使用者的膝盖助力器，帮助使用者进行康复训练，实现正常行走。