韓學(xué)斌 張紫慧 石鴻瑞 胡 吉 單 陽(yáng)

（大連交通大學(xué)，遼寧大連 116028）

1 研究背景

本課題的主要研究?jī)?nèi)容是針對(duì)3D打印技術(shù)應(yīng)用到智能膝蓋助力器的可行性分析，通過了解3D打印技術(shù)、新型材料及定制化服務(wù)等方面的技術(shù)變革，設(shè)計(jì)適應(yīng)消費(fèi)者需求的定制化產(chǎn)品。在了解消費(fèi)者的日常需求后，通過設(shè)計(jì)研究來滿足消費(fèi)者更多元化的需求，提升生活質(zhì)量。消費(fèi)者在日常生活中遇到的問題和困難都是創(chuàng)新設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)。

為應(yīng)對(duì)人口老齡化問題，許多適用于老年人的產(chǎn)品也在不斷更新。隨著身體機(jī)能的衰退和年齡的增長(zhǎng)，頸椎病、腰椎病、風(fēng)濕、老寒腿等各種疾病逐漸出現(xiàn)在老年人身上。與此同時(shí)，這些疾病的患者群體也在不斷年輕化。膝蓋殘疾以及患各種膝關(guān)節(jié)疾病的年輕人比例也在逐年上升。

從膝蓋損傷的這類人群所產(chǎn)生的生活問題中可以發(fā)現(xiàn)患者各種不同的需求，從需求中發(fā)掘創(chuàng)新設(shè)計(jì)理念和開發(fā)依據(jù)。通過消費(fèi)者生活工作軌跡挖掘更多的實(shí)際需求對(duì)于本課題的設(shè)計(jì)定位有良好指向作用。

課題研究的理論基礎(chǔ)：

（1）了解使用者的特性。膝蓋有損傷的人群在日常生活中遇到的問題會(huì)增加購(gòu)買的動(dòng)機(jī)，為膝蓋助力器的生產(chǎn)創(chuàng)造可能。通過市場(chǎng)調(diào)研，研究可能成為產(chǎn)品使用者的人群，對(duì)這一類人群進(jìn)行整合，最終確定市場(chǎng)對(duì)膝蓋助力器的需求量及對(duì)膝蓋助力器的功能要求。

（2）了解3DP技術(shù)的發(fā)展及目前已應(yīng)用3DP技術(shù)的工程領(lǐng)域。技術(shù)發(fā)展的情況能夠決定該技術(shù)是否有能力應(yīng)用到膝蓋助力器的生產(chǎn)中。

（3）了解并分析國(guó)內(nèi)外膝蓋助力設(shè)備的現(xiàn)狀。發(fā)現(xiàn)并改善現(xiàn)有膝蓋助力設(shè)備的不，通過改進(jìn)改良設(shè)備設(shè)施，為該課題的發(fā)展提供客觀條件。

2 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀

與多數(shù)高科技產(chǎn)品發(fā)展史類似，外骨骼（助力器）最早應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，隨后逐步進(jìn)入民用市場(chǎng)，共有兩方面的應(yīng)用：一是醫(yī)療領(lǐng)域，幫助偏癱患者實(shí)現(xiàn)康復(fù)訓(xùn)練、恢復(fù)下肢行走能力，代表公司有日本的Cyberdyne、以色列的Rewalk；二是在工業(yè)應(yīng)用中幫助重度勞動(dòng)者減負(fù)，如日本松下的搬運(yùn)外骨骼、美國(guó)的suitX。本文主要圍繞醫(yī)療領(lǐng)域進(jìn)行分析。

深圳灣的峰湃科技將與離合器連接的彈簧置于前腳掌，通過恒力彈簧收集落地力并根據(jù)杠桿效應(yīng)釋放能量。但是產(chǎn)品助力效果不足，不能有效解決因骨科膝蓋損傷帶來行動(dòng)不便的問題。

峰湃一代助力器如圖1所示。

圖1 峰湃一代助力器

峰湃繼而轉(zhuǎn)向另一個(gè)方向，做出一款以電能為主要能源的輕型可穿戴外骨骼，通過簡(jiǎn)單的轉(zhuǎn)動(dòng)副和移動(dòng)副，將幾個(gè)構(gòu)件連接起來組成具有上述功能的機(jī)械結(jié)構(gòu)。另外配合微機(jī)械齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)和各種傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)穿戴者的實(shí)時(shí)動(dòng)作捕捉，并反饋到CPU中進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算出最佳行動(dòng)路徑反饋到執(zhí)行元件，幫助用戶完成想要進(jìn)行的活動(dòng)。該產(chǎn)品主要面向戶外休閑旅游、徒步運(yùn)動(dòng)等人群，能夠幫助徒步運(yùn)動(dòng)員節(jié)省50%的體力，電池續(xù)航時(shí)間為6 h，售價(jià)預(yù)計(jì)為3萬元左右[1]。該產(chǎn)品售價(jià)昂貴，沒有針對(duì)膝蓋損傷人群而設(shè)計(jì)。

日本Cyberdyne公司開發(fā)的HAL for Medical Use獲得了美國(guó)FDA批準(zhǔn)。設(shè)計(jì)初衷在于幫助下肢殘疾的患者順利行走。公司創(chuàng)始人兼CEO山海嘉之在1997年開發(fā)出了HAL的第一個(gè)原型機(jī)，在日本使用多年，經(jīng)久不衰。

以色列的Eewalk由一個(gè)裝著電腦、軟件和電池的背包，一組用于探測(cè)執(zhí)行使用者的意圖傾斜式傳感器以及兩條支撐行走機(jī)械腿組成[2]。Rewalk由電池供電且輕質(zhì)耐磨的外骨骼可以穿戴，如圖2所示。

圖2 Rewalk 6.0

其6.0版本取締原本背負(fù)式電池倉(cāng)的設(shè)計(jì)，將電池安裝在臀部位置[3]，負(fù)重感減輕，身體更加輕盈，更不會(huì)影響使用者的外貌服裝形象。該產(chǎn)品利用重心的細(xì)微變化來控制運(yùn)動(dòng)，上體的前傾被檢測(cè)到以后啟動(dòng)第一步驟邁出第一步，重復(fù)身體位移完成連續(xù)動(dòng)作步驟，并且此設(shè)備支持自然的步態(tài)和步行速度，充分為消費(fèi)者考慮。

國(guó)內(nèi)外均有外骨骼樣式的膝蓋助力器產(chǎn)品，且已投入市場(chǎng)多年，符合多數(shù)消費(fèi)者的購(gòu)買條件。但此類商品的價(jià)格對(duì)普通家庭并不友善。目前助力設(shè)備是批量生產(chǎn)的，能夠調(diào)節(jié)尺寸，但是每個(gè)人的腿形尺寸都不一樣，無法滿足部分特殊用戶。

3 使用者分析

本文旨在分析3DP技術(shù)下的智能膝蓋助力設(shè)備，為老年人及膝蓋有損傷的人群設(shè)計(jì)一款膝蓋助力器。使用者的需求是這一助力器誕生的前提條件，通過資料分析法就使用人群進(jìn)行分析，上海市郊區(qū)老年人性別與年齡別膝關(guān)節(jié)OA臨床診斷患病率比較如表1所示。

表1 上海市郊區(qū)老年人性別與年齡別膝關(guān)節(jié)OA臨床診斷患病率比較

利用抽樣調(diào)查法，抽取上海市郊區(qū)老年人進(jìn)行調(diào)研。上海市作為經(jīng)濟(jì)特區(qū)是我國(guó)老齡化較為嚴(yán)重的地區(qū)之一，從上海市郊區(qū)老年人膝蓋患病率可以預(yù)測(cè)出將來中國(guó)進(jìn)入老齡化社會(huì)后，老年人膝蓋患病率的整體趨勢(shì)。從表1中可以看出老年人隨著年齡的增加膝關(guān)節(jié)患病率也在逐漸提高。60歲以上的中老年人中，每100人中就有近20人膝關(guān)節(jié)患病，占比十分高。面對(duì)這樣的問題，應(yīng)當(dāng)有一款能夠幫助膝關(guān)節(jié)病患者日常正常行走的設(shè)備，解決中老年人因患膝關(guān)節(jié)疾病而無法正常行走的問題。

91名散打運(yùn)動(dòng)員膝關(guān)節(jié)損傷的情況如表2所示。

表2 91名散打運(yùn)動(dòng)員膝關(guān)節(jié)損傷的情況

由表2可知，在調(diào)查的91名散打運(yùn)動(dòng)員中，82名運(yùn)動(dòng)員膝關(guān)節(jié)受傷，9名運(yùn)動(dòng)員膝關(guān)節(jié)無受傷情況，膝關(guān)節(jié)受傷比例很大。通過對(duì)91名散打運(yùn)動(dòng)員的調(diào)查，可以推測(cè)出散打運(yùn)動(dòng)員及其他運(yùn)動(dòng)員膝關(guān)節(jié)受傷的比例較大。由此可見，運(yùn)動(dòng)員這一群體膝關(guān)節(jié)容易受傷，受傷后也需要有一款膝蓋助力器來幫助運(yùn)動(dòng)員進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練。

綜上所述，膝關(guān)節(jié)損傷已成為部分人群的普遍現(xiàn)象，膝關(guān)節(jié)患病率較高。膝關(guān)節(jié)容易患病的人群主要包括中老年人、運(yùn)動(dòng)員以及其他特殊人群。由于人群的復(fù)雜性，如果采用常見的車床機(jī)械化的量產(chǎn)方式，制造的膝蓋助力器雖然在功能上有一定助力作用，但是很難符合每個(gè)人的腿形、步幅，造成使用者在使用過程中產(chǎn)生不適。因此，可以將3DP技術(shù)運(yùn)用到智能膝蓋助力器的設(shè)計(jì)制造中，使膝蓋助力器實(shí)現(xiàn)定制化，能夠有效解決以上問題，符合制造中“人機(jī)料法環(huán)”五要素，提高商品質(zhì)量，使其更加適合消費(fèi)者，為膝蓋損傷患者提供一定的助力作用。

4 3DP技術(shù)發(fā)展

3D打印被賦予“第三次工業(yè)革命”的背景，以3D打印技術(shù)為代表的快速成型技術(shù)成為引發(fā)新一輪工業(yè)革命的關(guān)鍵要素[4]。

3D打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)方面已應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域，但各個(gè)領(lǐng)域的側(cè)重方面略有差異。應(yīng)用最廣泛的為整形外科領(lǐng)域，如燒傷治療、面部重建、隆鼻及隆頦假體的個(gè)性化定制、顱骨缺損的個(gè)性化修復(fù)、下頜骨重建術(shù)及截骨手術(shù)等，都應(yīng)用了此種打印技術(shù)。此外，還可以進(jìn)行骨骼打印，輔助病情講解、輔助手術(shù)以及定制義肢、膝關(guān)節(jié)等植入物方面。

三維掃描通常與3D打印聯(lián)合使用，利用三維掃描儀掃描使用者腿部，在電腦上生成使用者的腿部模型，根據(jù)使用者腿部模型調(diào)整膝蓋助力器的具體參數(shù)，利用3D打印技術(shù)為使用者定制出專屬使用者的膝蓋助力器，幫助使用者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，實(shí)現(xiàn)正常行走。

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過對(duì)膝蓋助力器設(shè)備進(jìn)行調(diào)研，闡述了國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有膝蓋助力器優(yōu)缺點(diǎn)；經(jīng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，通過圖表形式呈現(xiàn)出膝關(guān)節(jié)患病率；同時(shí)從使用者的角度分析了市場(chǎng)對(duì)膝蓋助力器的需求，為膝蓋助力器的設(shè)計(jì)制造提供必要的前提條件。通過翻閱文獻(xiàn)資料深入了解3DP技術(shù)，印證3DP技術(shù)運(yùn)用于智能化膝蓋助力設(shè)備設(shè)計(jì)制造的可行性。