基于逆向工程的矯形器設(shè)計(jì)與應(yīng)用

基于逆向工程的矯形器設(shè)計(jì)與應(yīng)用摘要：矯形器的主要作用是對患者的骨骼進(jìn)行矯正和支持，傳統(tǒng)的制作工藝是采用石膏繃帶進(jìn)行取型，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，采集到患者的人體數(shù)據(jù)不精確，還可能造成二次傷害。本文基于逆向工程技術(shù)，對矯形器進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化，并以實(shí)例驗(yàn)證的形式，將給患者進(jìn)行試穿驗(yàn)證效果。避免了傳統(tǒng)工藝取型復(fù)雜、工作量大的劣勢，大大減少矯形器的制作周期，提高了患者穿戴的舒適度，提升矯形器的質(zhì)量。關(guān)鍵詞：矯形器，逆向工程，信息采集，曲面重建1簡介傳統(tǒng)的矯形器制作方法是采用石膏繃帶對病患部位進(jìn)行取型，后期再進(jìn)行翻模、修整，最后用熱塑性板材做出基于石膏模型的矯形器。不僅需要花費(fèi)技師很長的時(shí)間，而且得到的模型與病患部位，也會(huì)有“失真”。另一方面，對于兒童、老人或骨折的患者，采用這種傳統(tǒng)方式取型很有可能造成二次傷害，造成不良后果[1]。逆向工程[2]主要是借助某種信息采集方法，使被測實(shí)物表面再生。將逆向工程相關(guān)技術(shù)應(yīng)用到矯形器的領(lǐng)域中，不僅可以避免傳統(tǒng)石膏取型費(fèi)時(shí)費(fèi)力的步驟，還能夠?qū)崿F(xiàn)不同患者不同病患部位矯形器的“私人定制”。本文采用無接觸式的三維掃描方式來采集患者病患部位的三維信息數(shù)據(jù)，形成三維的點(diǎn)云，借助逆向工程中的反求技術(shù)，得到患者病患部位的三維模型并通過三維建模、修型得到相應(yīng)匹配矯形器的三維模型，最后用增材制造的方式制作出來。2三維信息采集與預(yù)處理三維數(shù)字信息采集是整個(gè)逆向工程中的第一步。隨著傳感技術(shù)和計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了白光掃描等非接觸的采集方法。這類方法采集速度快，對于人體手臂大小的物體約半分鐘即可完成所有過程。如圖1所示，在進(jìn)行信息采集的過程，發(fā)現(xiàn)掃描物體的周圍有許多無規(guī)律的點(diǎn)，這些點(diǎn)就是噪點(diǎn)。這些噪點(diǎn)和異常點(diǎn)會(huì)影響后續(xù)的步驟，它們產(chǎn)生的原因是掃描時(shí)物體后的背景復(fù)雜，或是周圍環(huán)境中燈光等因素引起的，它們將影響后期的曲面重建。圖1含有噪點(diǎn)的模形圖2出現(xiàn)破口的模形由于現(xiàn)階段掃描槍的掃描范圍和能力有局限，在對模型進(jìn)行掃描的時(shí)候很可能無法完全展現(xiàn)孔、槽等部分特征，導(dǎo)致掃描的圖形上經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)破口。如圖2所示，圖形表面有一道“缺口”未能展現(xiàn)在圖形中?？梢酝ㄟ^三角形曲面造型可以將該槽修復(fù)，為下一道工序做準(zhǔn)備。3曲面重建曲面重建是根據(jù)實(shí)物表面的特征，借助某種方式進(jìn)行處理，擬合出一個(gè)接近該數(shù)據(jù)的三維數(shù)據(jù)[3]。重建的方法主要是先將點(diǎn)云中的部分點(diǎn)轉(zhuǎn)換為若干曲線，再利用這些線來生成面。這種方式中，最基本的元素就是曲線，而最小的單位就是構(gòu)成這些曲線的點(diǎn)[4]。根據(jù)點(diǎn)云分布的不同，擬合成曲線有的方式有插值和逼近。插值的方法主要用于采集到的點(diǎn)云較為光順，點(diǎn)誤差較小的情況。逼近的方法主要用于點(diǎn)的誤差較大，雖然可以對點(diǎn)進(jìn)行光順處理，但很可能會(huì)在光順的過程中造成點(diǎn)的丟失，導(dǎo)致擬合的曲線部分幾何特征丟失或是不明顯。4矯形器的實(shí)例驗(yàn)證4.1患處三維數(shù)字信息采集本案例選用便攜式三維白光掃描儀來進(jìn)行兒童矯形器的數(shù)字信息采集。患者躺下后，使用便攜式掃描槍對患者右手進(jìn)行全方位的三維信息采集，如圖3所示。掃描完成后，可以得到STL文件格式表示的的人體手外觀的原始模型。圖3對患者右手進(jìn)行三維信息采集4.2點(diǎn)云圖形優(yōu)化及精簡通過對掃描的點(diǎn)云進(jìn)行外形上的優(yōu)化和數(shù)量上的精簡，可以將龐大的點(diǎn)云坐標(biāo)精簡化。同時(shí)，有效的去掉了掃描過程中引起的噪點(diǎn)，提高了后續(xù)工作的精度。圖4未精簡的STL模形圖5精簡后的STL模形對比精簡前和精簡后的模型如圖4與圖5所示，可以發(fā)現(xiàn)表面整體特征差別不大，所表示圖形的外輪廓基本一致。但是三角形面片的數(shù)量上卻減小至50%，這樣大大減少后期的計(jì)算量，提高了效率。4.3矯形器模型的曲面重建矯形器的外觀形狀，近似于人體手臂表面，比較平滑，適合使用曲線擬合造型來進(jìn)行曲面重建。根據(jù)精簡優(yōu)化過的點(diǎn)云模型，采用若干截面線與三維模型相交，得到若干曲面曲線，以這些曲面曲線為模型的緯線進(jìn)行重建。曲面重建前后效果如圖6與圖7所示。圖6相交截面線圖7由截面線生成的曲面4.4矯形器外觀的設(shè)計(jì)采用卡扣的方式來進(jìn)行開合，如圖8。這樣不僅可以縮小矯形器的外形尺寸，而且矯形器的左右兩側(cè)卡入時(shí)會(huì)更緊密，減小了兩塊曲面的接縫，矯形器的實(shí)現(xiàn)效果更好。另外在兩塊矯形器接口處還分別設(shè)計(jì)了加強(qiáng)筋，以保證在豎直受力方向上矯形器的強(qiáng)度。在保證矯形器整體強(qiáng)度的前提下，還對四周進(jìn)行了鏤空。這樣做除了減輕整體重量，透氣外，還對矯形器的外觀起到了一定的修飾作用。圖8采用卡扣的方式4.5矯形器的制作與驗(yàn)證制作基于SLS增材制造技術(shù)，選用尼龍粉末材料進(jìn)行燒結(jié)，成品強(qiáng)度高，有一定的韌性，經(jīng)后處理后表面光潔度高。經(jīng)過一段時(shí)間的適配，發(fā)現(xiàn)矯形器內(nèi)面兩側(cè)完美貼合人體手臂，穿戴后可以扣緊不掉落，具有良好的矯形效果，如圖9所示。在試穿的過程中，可以從鏤空的間隙看到患者的手臂表面，與矯形器內(nèi)側(cè)面幾乎一模一樣，這也是逆向工程的優(yōu)勢，高精度的還原人體表面。圖9矯形器的適配驗(yàn)證5應(yīng)用拓展根據(jù)類似原理，還可以應(yīng)用到其它類型的輔具產(chǎn)品上，如表1所示。相比于傳統(tǒng)制作方法，它們具有取型省時(shí)省力、輕量化、適配性高、制作周期短等優(yōu)點(diǎn)。表1其它類型輔具應(yīng)用拓展小腿假肢（已獲得專利）脊柱側(cè)彎矯形器下肢踝足矯形器賽姆假肢參考文獻(xiàn)孫磊.假肢與矯形器技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].中國矯形外科雜志,2013,02(1):107-108.趙萍,李永奎.逆向工程中數(shù)字化測量方法及其應(yīng)用[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2009,02(4):98-100.宋兆坤