3DP技術下智能化膝蓋助力設備可行性分析

韓學斌 張紫慧 石鴻瑞 胡 吉 單 陽

（大連交通大學，遼寧大連 116028）

1 研究背景

本課題的主要研究內容是針對3D打印技術應用到智能膝蓋助力器的可行性分析，通過了解3D打印技術、新型材料及定制化服務等方面的技術變革，設計適應消費者需求的定制化產品。在了解消費者的日常需求后，通過設計研究來滿足消費者更多元化的需求，提升生活質量。消費者在日常生活中遇到的問題和困難都是創新設計的出發點。

為應對人口老齡化問題，許多適用于老年人的產品也在不斷更新。隨著身體機能的衰退和年齡的增長，頸椎病、腰椎病、風濕、老寒腿等各種疾病逐漸出現在老年人身上。與此同時，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節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生的生活問題中可以發現患者各種不同的需求，從需求中發掘創新設計理念和開發依據。通過消費者生活工作軌跡挖掘更多的實際需求對于本課題的設計定位有良好指向作用。

課題研究的理論基礎：

（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增加購買的動機，為膝蓋助力器的生產創造可能。通過市場調研，研究可能成為產品使用者的人群，對這一類人群進行整合，最終確定市場對膝蓋助力器的需求量及對膝蓋助力器的功能要求。

（2）了解3DP技術的發展及目前已應用3DP技術的工程領域。技術發展的情況能夠決定該技術是否有能力應用到膝蓋助力器的生產中。

（3）了解并分析國內外膝蓋助力設備的現狀。發現并改善現有膝蓋助力設備的不，通過改進改良設備設施，為該課題的發展提供客觀條件。

2 國內外現狀

與多數高科技產品發展史類似，外骨骼（助力器）最早應用于軍事領域，隨后逐步進入民用市場，共有兩方面的應用：一是醫療領域，幫助偏癱患者實現康復訓練、恢復下肢行走能力，代表公司有日本的Cyberdyne、以色列的Rewalk；二是在工業應用中幫助重度勞動者減負，如日本松下的搬運外骨骼、美國的suitX。本文主要圍繞醫療領域進行分析。

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杠桿效應釋放能量。但是產品助力效果不足，不能有效解決因骨科膝蓋損傷帶來行動不便的問題。

峰湃一代助力器如圖1所示。

圖1 峰湃一代助力器

峰湃繼而轉向另一個方向，做出一款以電能為主要能源的輕型可穿戴外骨骼，通過簡單的轉動副和移動副，將幾個構件連接起來組成具有上述功能的機械結構。另外配合微機械齒輪傳動結構和各種傳感器，實現對穿戴者的實時動作捕捉，并反饋到CPU中進行計算，計算出最佳行動路徑反饋到執行元件，幫助用戶完成想要進行的活動。該產品主要面向戶外休閑旅游、徒步運動等人群，能夠幫助徒步運動員節省50%的體力，電池續航時間為6 h，售價預計為3萬元左右[1]。該產品售價昂貴，沒有針對膝蓋損傷人群而設計。

日本Cyberdyne公司開發的HAL for Medical Use獲得了美國FDA批準。設計初衷在于幫助下肢殘疾的患者順利行走。公司創始人兼CEO山海嘉之在1997年開發出了HAL的第一個原型機，在日本使用多年，經久不衰。

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

圖2 Rewalk 6.0

其6.0版本取締原本背負式電池倉的設計，將電池安裝在臀部位置[3]，負重感減輕，身體更加輕盈，更不會影響使用者的外貌服裝形象。該產品利用重心的細微變化來控制運動，上體的前傾被檢測到以后啟動第一步驟邁出第一步，重復身體位移完成連續動作步驟，并且此設備支持自然的步態和步行速度，充分為消費者考慮。

國內外均有外骨骼樣式的膝蓋助力器產品，且已投入市場多年，符合多數消費者的購買條件。但此類商品的價格對普通家庭并不友善。目前助力設備是批量生產的，能夠調節尺寸，但是每個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技術下的智能膝蓋助力設備，為老年人及膝蓋有損傷的人群設計一款膝蓋助力器。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行分析，上海市郊區老年人性別與年齡別膝關節OA臨床診斷患病率比較如表1所示。

表1 上海市郊區老年人性別與年齡別膝關節OA臨床診斷患病率比較

利用抽樣調查法，抽取上海市郊區老年人進行調研。上海市作為經濟特區是我國老齡化較為嚴重的地區之一，從上海市郊區老年人膝蓋患病率可以預測出將來中國進入老齡化社會后，老年人膝蓋患病率的整體趨勢。從表1中可以看出老年人隨著年齡的增加膝關節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人膝關節患病，占比十分高。面對這樣的問題，應當有一款能夠幫助膝關節病患者日常正常行走的設備，解決中老年人因患膝關節疾病而無法正常行走的問題。

91名散打運動員膝關節損傷的情況如表2所示。

表2 91名散打運動員膝關節損傷的情況

由表2可知，在調查的91名散打運動員中，82名運動員膝關節受傷，9名運動員膝關節無受傷情況，膝關節受傷比例很大。通過對91名散打運動員的調查，可以推測出散打運動員及其他運動員膝關節受傷的比例較大。由此可見，運動員這一群體膝關節容易受傷，受傷后也需要有一款膝蓋助力器來幫助運動員進行康復訓練。

綜上所述，膝關節損傷已成為部分人群的普遍現象，膝關節患病率較高。膝關節容易患病的人群主要包括中老年人、運動員以及其他特殊人群。由于人群的復雜性，如果采用常見的車床機械化的量產方式，制造的膝蓋助力器雖然在功能上有一定助力作用，但是很難符合每個人的腿形、步幅，造成使用者在使用過程中產生不適。因此，可以將3DP技術運用到智能膝蓋助力器的設計制造中，使膝蓋助力器實現定制化，能夠有效解決以上問題，符合制造中“人機料法環”五要素，提高商品質量，使其更加適合消費者，為膝蓋損傷患者提供一定的助力作用。

4 3DP技術發展

3D打印被賦予“第三次工業革命”的背景，以3D打印技術為代表的快速成型技術成為引發新一輪工業革命的關鍵要素[4]。

3D打印技術在醫學方面已應用于多個領域，但各個領域的側重方面略有差異。應用最廣泛的為整形外科領域，如燒傷治療、面部重建、隆鼻及隆頦假體的個性化定制、顱骨缺損的個性化修復、下頜骨重建術及截骨手術等，都應用了此種打印技術。此外，還可以進行骨骼打印，輔助病情講解、輔助手術以及定制義肢、膝關節等植入物方面。

三維掃描通常與3D打印聯合使用，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，根據使用者腿部模型調整膝蓋助力器的具體參數，利用3D打印技術為使用者定制出專屬使用者的膝蓋助力器，幫助使用者進行康復訓練，實現正常行走。

5 結語

本文通過對膝蓋助力器設備進行調研，闡述了國內外現有膝蓋助力器優缺點；經數據統計，通過圖表形式呈現出膝關節患病率；同時從使用者的角度分析了市場對膝蓋助力器的需求，為膝蓋助力器的設計制造提供必要的前提條件。通過翻閱文獻資料深入了解3DP技術，印證3DP技術運用于智能化膝蓋助力設備設計制造的可行性。