關于3D打印功能性外骨骼的探討

高澤鵬 梁冰清 倪浩榮 黃新龍

摘 要 作為大學生的我們利用所學的3D打印知識專門設計出一種具有抓取提拉功能的低成本3D打印功能性外骨骼產品，將這種產品公益性地免費贈予肢體殘疾人士，讓他們可以試戴上這種產品，幫助他們輕松提拿物品，減輕他們可能因殘疾帶來的經濟負擔和心理陰影，這無疑具有公益研究意義。

關鍵詞 3D打印功能性外骨骼;肢體殘疾人士;公益;低成本

殘疾人是社會中屬于一種較為弱勢的群體，我們對他們予以關懷及幫扶具有重要的意義。近幾年，3D打印技術日漸成熟，通過3D打印機打印出來的東西堅固性好，且成本較低，課堂上我們也學習到了3D打印知識，作為大學生的我們利用課堂上所學的3D打印相關知識在實驗室中設計研發出一種類似于義肢的具有高性能低成本的創新性產品，并將設計出的這種產品公益性地免費贈予肢體殘疾人士，讓他們可以試戴上這種產品，幫助他們輕松提拿物品，體驗無障礙的日常生活，這無疑具有重要的研究意義。

1設計該產品的意義

該產品設計主要以3D打印技術為核心，利用力學原理，研發出一種高性能低成本的體驗性3D打印功能性外骨骼，將這種產品以公益的方式免費贈予殘疾人士，讓他們試戴上這種體驗性3D打印功能性外骨骼，可以幫助佩戴的殘疾人士輕松地提拿物品，體驗無障礙的日常生活，從而幫助他們走出可能因失去肢體產生的心理陰影、減輕他們可能因殘疾帶來的經濟負擔或者心理陰影，消除他們的心理障礙，幫助他們更好地生活，為社會公益事業貢獻一分力量[1]。

2設計研究的內容

我們利用3D建模和3D打印技術，嘗試采用成本低且效能好的材料制作出高性能低成本的體驗式3D打印功能性外骨骼。同時嘗試能否設計研究出具有為殘疾人量身定制大小合適的體驗式3D打印功能性外骨骼，而且對于不同程度的意外截肢、先天性肢體殘疾，都將有針對性地進行體驗性3D打印外骨骼型號的設計，以滿足多種定制需求，提供更多的可選擇性與合適性[2]。

3設計研究的技術方法

①設計建模。我們通過現實中一般肢體殘疾人的手部數據進行分析，對數據進行討論確定3D打印外骨骼的整體構型設計，通過電腦進行3D打印外骨骼各個部件的建模。②材料采購。在建模后，我們開始選擇材料，我們對ABS、PC類材料、PLA、尼龍類材料進行了篩選，通過對比它們的性質、成本和實用性，我們最終選擇了PLA改性材料。這種環保材料無毒、無害、無異味，且成本較低，實用性強。③打印組裝。在對各個部件建模，選取打印的材料后，我們通過實驗室的3D打印機進行打印。我們利用現有的3D打印技術設計、建模、打印出外骨骼的各個部件，并對各個部件進行組裝。④測試。我們會對打印出的體驗性3D打印功能性外骨骼的耐磨性、舒適度、受力情況等多個方面進行測試，確保3D打印機打印出來的這種功能性外骨骼可以適合佩戴。⑤佩戴及使用。在測試無誤，確?？梢允褂煤?，我們會讓有需要的肢體殘疾人試戴上這種體驗性3D打印功能性外骨骼，通過后期的探訪了解使用情況，并根據肢體殘疾人士的反饋對我們的3D打印功能性外骨骼不斷地改進。⑥定制設計。如果有肢體殘疾人士想要量身定制屬于自己的體驗性3D打印功能性外骨骼，我們會對該肢體殘疾人士的手臂進行測量，收集相關數據，對數據進行討論確定3D打印外骨骼的整體構型設計，通過電腦進行3D打印外骨骼各個部件的建模，打印，測試，組裝，量身定制出該肢體殘疾人士的體驗性3D打印功能性外骨骼。

4設計研究的步驟

①第一階段。a.查閱、采集相關資料，對采集的相關資料進修分析;b.討論確定3D外骨骼的整體構型，采用幾種材料對比，分別進行3D打印外骨骼各個部件的建模，最后選取成本低且效能好的材料;c.試行用選取出的材料打印合部件，收集過程出現的問題;d.針對打印過程出現的問題進行討論調整，重新調整建模，打印制作各器件;e.進行組裝、制作出初期功能性3D打印外骨骼。②第二階段。a.測試各方面預期性能;b.測試3D打印外骨骼各部件的耐性;c.針對耐性不足部件進行調整;d.進行討論分析，做出修改提議;e.針對性地改造整體成品，提升各方面性能;③第三階段。a.對這種體驗式3D打印功能性外骨骼宣傳推廣;b.針對性使有需要肢體殘疾人士了解并試戴上這種體驗式3D打印外骨骼;c.將體驗式3D打印功能性外骨骼針對性投入定制使用;d.跟進使用情況進行功能上的改進;e.團隊定期外出交流，學習，更好地改進樣品，讓樣品更加精良。

5設計研究的成果

通過實驗室的研究設計，目前成功研發出了一種具有提拉抓取功能的體驗性3D打印功能性外骨骼;這種體驗性3D打印功能性外骨骼采用了PLA改性材料，這種經過對比很多種材料篩選出的PLA改性材料無毒，無害，無異味，環保，且成本較低;目前已經為肢體殘疾人士試戴上我們這種體驗性3D打印功能性外骨骼，我們也將對試戴上體驗性3D打印功能性外骨骼的肢體殘疾人士進行跟進訪問。

6設計研究存在的主要問題及今后的設想

（1）存在的主要問題。該產品設計研發的技術還不夠成熟，設計出的3D打印功能性外骨骼還不夠精良;作為學生，設計研究的經費有限，無法滿足后期繼續研發的資金來源。

（2）今后的設想。后續可能會尋求企業或者社會愛心組織的合作，邀請他們一起為肢體殘疾人士奉獻出一份愛心，增加產品設計資金來源，更好地投入到實驗室產品研發中，設計出更精良的高性能低成本的產品，公益性地免費贈予肢體殘疾人士，幫助更多有需要的肢體殘疾人士，讓他們可以試戴上這種體驗性3D打印功能性外骨骼，幫助他們輕松地提拿物品，減輕他們可能因殘疾帶來的經濟負擔和心理陰影。

7結束語

綜上所述，3D打印功能性外骨骼成本較低，并且性能優良，可以為肢體殘疾人士提供良的支持，具有良好的社會效益。但是，該設計還存在一定的缺陷，需要進一步進行深入研究。

參考文獻

[1] 陸春華，王凱.3D打印在腦卒中偏癱患者輔助支具制作中的應用[J].上海醫藥，2019，40（13）：16-19.

[2] 黃若景. 3D打印計算機輔助設計小夾板外骨骼系統的研究[D].廣州：廣州中醫藥大學，2015.