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国际创新研究期刊》的研究在科学、工程和技术

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设计定制的添加剂制造外骨骼用生物CAD建模

P.Balamurugan1,G.Arumaikkannu2 *
  1. PG学生,制造工程学院工程系,圭因迪,安娜大学,钦奈,印度。
  2. 制造工程学院工程系副教授,圭因迪,安娜大学,钦奈,印度。
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文摘

加法制造(AM)是指一个过程组件在层的沉积材料制造3 d CAD数据。CAD以及医学图像和我技术有能力创建解剖模型,诊断,治疗和康复的应用。残疾人需要帮助移动下肢,使他们在行走过程中。外骨骼是一种辅助机电设备所穿的操作员,旨在增加佩戴者的物理性能。随着新的医疗和制造技术,三维(3 d)重建CAD模型从计算机断层扫描(CT)图像最近外骨骼的设计成为一个有前途的选择。CAD的集成和医疗技术被称为Bio-CAD建模。这篇论文的目的是设计一个轻量级的便携式能源供应结构,不破坏设备的自主权。最初的设计主要集中在模型设计一个外骨骼协助膝关节及其相关结构来帮助行走。下肢的CT图像获得病人的医学数字成像和通信(DICOM)格式。CAD模型的多层CT图像使用生物开发CAD造型(模拟+ 3-MATIC)软件获得最终的几何的外骨骼。 The exoskeleton model may be fabricated in AM system with Acrylonitrile Butadiene Styrene (ABS) material, and tested for its compatibility in real time. The combination of AM and Bio CAD modelling gives a high level of accuracy in terms of shape, size and position of the Exoskeleton and significantly shorter lead time when compared to the conventional (manual) technique. It also provides more comfort to the patients while walking, standing and sitting conditions.

关键字
加法制造、生物CAD建模、下肢外骨骼康复,定制。

介绍
实现可穿戴机器人康复的患者神经肌肉在21世纪。因为神经肌肉疾病,患者在可怜的条件由于流动障碍的原因和根据情感层面,步态可能极大地影响甚至不可能。在1960年代,第一个机器人在工业场所介绍[1],以不可思议的速度发展,现在几乎涵盖现代社会的方方面面。可穿戴机器人被定义为“机械电子系统设计在人体的形状和功能,与段和关节对应的人是外部加上”[2]。实现了外骨骼康复,而个人失去了下肢的运动功能。
图像
主要使用外骨骼进行增强或保护的概念已经存在了数百年。然而,这是动力外骨骼是现实。“此外”的第一个动力外骨骼;它给早期发展的贡献。在1960年代,通用电气(General Electric co .)设计了一个完整的人体外骨骼,组成一个内部和外部外骨骼的主控制方案[3]。外骨骼系统的主要发展取得的最后五年[2]。系统,如伯克利的BLEEX、展示现代科技前沿和混合辅助肢体(HAL),目前在第五代。日本筑波大学的研究人员设计了一个哈尔- 5系统,旨在满足改造要求和强度增加。
两个控制方案即“控制论机器人控制”和“生物——控制论控制”,这是用来控制一个完整的人体外骨骼的哈尔5 [4]。生物控制论控制利用肌电图信号增加操作。控制论的机器人控制用于重复活动。没有可行的EMG信号用于控制方案。加利福尼亚大学伯克利分校的研究人员开发出一种BLEEX下肢外骨骼。操作员运动预测的传感器,放置在外骨骼。主要目的是提高操作员同时承载能力之间的相互作用力运营商外骨骼并不是通过任何测量传感器[6]。外骨骼机器人运动障碍患者有效恢复,这是来自机械和生物医学技术。许多研究已经完成改善力量超越人类的极限,但这些信息一直看着扩充外骨骼用于军事目的。外骨骼和用户之间的交互是通过可穿戴的机器人体外骨骼结构。
机器人在治疗合并使用体外骨骼肌病患者拥有运动机能障碍相关的成功在医学领域,其运动功能,恢复过程。神经系统损伤或疾病由物理治疗师无法完全恢复。未来技术的重要方面将是一个持续发展的生物医学和机械技术[7]。莎拉·韦伯斯特等[8]设计和制造艾玛Lavelle的辅助设备。她被诊断出患有关节弯曲多路复用congenita (AMC),导致关节僵硬和非渐进式条件非常不发达的肌肉。艾玛和她出生腿折了她的耳朵,她的肩膀了。艾玛被介绍给威尔明顿机器人外骨骼(WREX),威明顿机器人外骨骼(WREX),一个辅助装置铰接金属制成的酒吧和阻力带。
他们更喜欢一个添加剂过程制造WREX设备,因为容易与特定的完成建立人类复杂的形状。铝和钢设备是艾玛的救命稻草,帮她挑选对象,举起手臂向她的嘴第一次。但小艾玛的支撑结构是沉重的,所以作为一种替代方法,印刷结构重量轻ABS材料设计。
Surachai Panich等[9]设计和制造的下肢外骨骼康复。下肢的典型的资格是分为三个类型,主动、被动和主动辅助模式。活跃模式是一个重要方面的增加或维持关节功能康复提供适当的阻力增加肌肉耐力和力量。每个关节的相对位置是由Denavit - Hartenberg方法决定的。
半自动方法由计算机辅助设计(CAD)和加法制造(AM)技术开发了外骨骼的发展,并且演示了一个真实的案例。下肢的正确几何是保证计算机断层扫描图像的叠加病人在相反的顺序,加入他们使用医疗建模软件程序。CAD模型的多层CT图像是由使用3-MATIC软件,获得最终的几何的外骨骼。CAD模型与实际模型,仿真也为了找到用户舒适度和所需的肌肉力量的各种行动,包括走路,跑步,登山,等等,最后外骨骼模型将制造系统,及其用于拟合病人的下肢。人民的生活质量得到了改进,由于发展的现代医学技术的影响。

技术发展
外骨骼已分类的两种不同的线根据技术发展;机械发展包括执行机构选择和电子系统开发包括控制系统、传感器和数据采集系统[10]
生物力学分析的人类形态和人类的步态是用于机械开发。基于分析结果,我们必须选择一个合适的驱动肌肉驱动,因为它们的外骨骼必须能够支持病人在步态和更舒适的病人在一个符合人体工程学的方法。这个概念包括驱动设计和机械结构设计。在这个方向,实验分析已经完成初步外骨骼;完整的膝盖从整个lowerlimb设计模型。
外骨骼的控制系统包括用户意图的方法来识别和决策支持病人在一个适当的方式在步态与所需的扭矩在每个关节。从这些数据,扭矩膝关节的被认为是选择一个合适的控制系统。模块化开发,控制系统实现健壮的系统[11][12]。最初膝关节原型已经产生为了测试和验证控制系统的膝盖外骨骼。完整的下肢外骨骼的控制系统已经启动基于膝关节原型的结果。

机械圣RUCTURAL设计
结构设计和传动设计是机械外骨骼的发展。实际上,选择适当的驱动器和足够的机械结构是一个具有挑战性的任务,因为在步态,人工关节需要高扭矩但同时,必须结构紧凑,采用较低的体重驱动器克服审美问题[10]
答:驱动器的设计
在这些膝盖外骨骼,确定哪些自由度必须驱动和分析最常见的日常生活活动:步态周期,楼上,楼下,站起来,坐下来。的三个主要关节由lowerlimb人类的骨架,即臀部、膝盖和脚踝。在图2中每个关节的自由度条件[4]。在这个工作主要集中在系统的运动和最初忽视lowerlimb的稳定性。因为主要目的是恢复病人膝关节的运动。在步行周期中,内部旋转,臀部绑架和髋关节内收不发挥重要作用[13],和被淘汰的设计。关节的运动范围受限,超级的扩展和超屈曲不发生。表1显示了这些运动的范围[14]。
膝盖自由度驱动,而髋关节和踝关节的设计是被动的。关节驱动力矩的景深是由评估数据从临床步态分析[15]。膝盖扩展所需的扭矩在爬楼梯是140和50 Nm在散步。致动器选择这样的最大转矩是满足,允许运营商提高或降低了从一个坐着的位置。相比直接安装旋转致动器,线性致动器提供了一个高速/负载能力和体积更小的设计。
图像
lowerlimb关节力量、权力和矢状面角度模式数据很大程度上是研究[16],[17]不同的步态实验进行到外骨骼的步态周期的数据驱动计算[17]。这个实验是在正常情况下,普通用户和规范化速度大小。的生物力学考虑这些数据给出了一个足够精确的基础,尽管这数据取决于用户参与实验。如果病人平衡通过控制外部平衡援助系统,缺乏力量的矢状面会阻碍执行大部分的日常生活动作。因此三自由度机械驱动,髋关节屈曲,伸展,膝盖弯曲,扩展和踝关节跖屈背。在这项工作考虑髋关节和踝关节自由度不考虑。
图像
在第一个机械原型膝盖弯曲,扩展由气动肌肉驱动执行机构。最合适的驱动外骨骼一直由基于每个自由度驱动表的规格我[18]。在这个驱动选择体积,重量和审美也必须被考虑。
三个不同的执行机构考虑外骨骼驱动,液压缸、电机和气动肌肉驱动器。
图像
在膝关节液压缸位于横向驱动的关节。气动缸在步态角限制条件和病人坐下来将会有更多的困难。最低总重量为20公斤液压系统的估计不包括电池、电子和控制所有系统已经确定。因此,液压系统已经排除,转移到另一个替代方法,驱动外骨骼。
第二个选择是电机。这个选择将简化设计和美学效果远远低于其他选项。最后这些设备不是首选的驱动关节;通常是沉重和笨重,影响他们的实用性在日常运动援助。
图像
第三种选择是气动人工肌肉(PAM)作为执行机构,由于其轻,灵活性和他们的生产能力大量的力量。达到所需的规格在每个驱动膝关节的肌肉会有一个直径大于20毫米,重量小于800克。此外简单效应致动器,两个肌肉必须开动景深,这意味着1600克只考虑PAMs没有其他任何额外的系统。在这种驱动,高转矩要求联合是一个需要解决的问题。
人造肌肉发达的生物工程实验室[20],[21]包含一个内部乳胶膀胱周围编织尼龙外壳连接两端的配件。内部膀胱加压时,高压空气或气体推动攻击它的内表面和外部壳,并会增加其体积。由于编织尼龙外壳属性,肌肉缩短根据其体积增加,如果是机械载荷耦合,产生张力。
最后设计驱动图4所示的尺寸直径30毫米和202.35毫米的长度。
b .外骨骼的结构性特征
的主要目的是设计一个适合大多数肌肉障碍人的外骨骼。人体测量的变化取决于体重,身高,性别。一些重要的因素被认为是在外骨骼设计涵盖不同的人如若在高度范围内从1550 mm到1850 mm:大腿可调从380到470毫米,小牛360 - 450 mm [22]。被认为是一个更重要的方面是从容的外骨骼的监管。快速调整方法和简单的蝴蝶螺丝和带安排已经包括在内。
每个关节的运动范围被认为是重要而外骨骼机械结构的设计。外的外骨骼不能移动比最低病人在每个关节的运动范围,以避免任何损害但同时它必须允许自由运动所需的运动佩戴者的范围在步态或坐下来。关于这个的活动范围在每个关节有点小于允许的值关节生物力学,以避免任何形式的伤害。病人舒适的外骨骼结构设计过程中重要的考虑因素,还与骨科专家咨询获得保证使用的材料和形状,因为结构元素与用户联系,保证病人舒适但刚性足以保证病人运动的传播。雷竞技网页版
IV.CUSTOMIZED外骨骼结构设计
外骨骼的设计适合利用生物进行CAD建模软件(模仿& 3电气自动方式软件)(图5).Reverse工程技术用于开发一种外骨骼结构。因为人类下肢anotomy非常复杂的形状。所以的尺寸结构从患者获得DICOM格式的CT扫描。先进的320片CT扫描仪用于图像。片的厚度是1毫米。最小片厚度会导致更高的实体模型精度和避免重建切片。后片的DICOM数据导入到模拟软件。片都堆放在一起,在转化成实体模型采用二维分割和三维区域生长技术。则为阈值操作创建一个面具,它被用来增加密度软组织(肌肉)和硬组织(骨)。
选择一个特定区域(膝盖)的基于需求lowerlimb(片)没有相应的维度。编辑一个面具是否画擦掉片。
图像
然后生成一个实体模型相应的面具。测量使用缩放选项。实体模型转换后,3电气自动方式建模软件用于建模的外骨骼结构支持安排。设定一个比例因子1:1均匀厚度的水平。通过使用布尔运算来形成一个顶部和底部支撑结构。然后使平滑操作执行括号的边缘和表面移除一个锋利的角落。选择一个合适的飞机,为作动器和传感器位置创建一个合适的位置。在双方,支持安排也使用CAD工具创建相应的平面。图5显示了膝盖外骨骼的设计模型。这个模型将由我制作技术。

浓缩的LUSION
在这项工作,定制的外骨骼是针对一个特定的病理,肌肉疾病患者将受益。对于患者,生物力学分析是为了确定共同characteristicsthat外骨骼的患者将受益(弱点,平衡控制,Lowerlimb流动控制)。它提供更好的条件来开发一个标准步态生理的旁边。病人舒适的重要方面之一,是通过使用可靠的生物CAD建模技术与加法制造定制的目的。气压肌肉致动器的驱动技术的进步让用户受益期间坐在和步态条件,它也提供了更多的力量。

ACKNOW展开图
作者想感谢DST-NHHID模仿,3-MATIC软件。

引用






















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