REXCAN CS Plus 開發出獨特的機器人輔具 協助中

逆向工程 by Rexcan CS+

背景說明

多年來各種組織為喪失單手活動功能的中風患者不斷的嘗試開發實用且功能齊全的生物機械輔具,現有的開發成果雖為中風患者提供某種程度的手部活動能力,但還是有缺點如動作的種類、靈活度的受限、外型繁瑣笨重等,從美觀角度來看也亟須改善。

solutionix 醫療應用案例

解決方案與研發成果

Bristol大學機械工程系機器人研究小組的Kazem Alemzadeh博士及其研究團隊深信有最新的3D掃描科技,可以為中風患者解決現有機器人輔具的各種缺點,同時也看到這項科技能進一步為其他患者開發輔具的潛力,包括肋骨功能受限、或失去肋骨的人。

Alemzadeh博士運用附有全套自動化雙軸轉盤的Solutionix Rexcan CS+,掃描出人類手部骨架3D幾何數位模型中的每一塊骨骼,經手部外科醫學標準確認無誤,他的團隊正以該模型為基礎,設計開發外觀自然的生物機械智慧手套-「Intro-Gluv」。

手套與外骨骼的比較

Alemzadeh博士解釋為中風患者開發的手部復健機械裝置基本上有兩種型式:背側手掌式及手套式。

現在大多數為背側式,以外骨骼方式將該裝置各個機械部分組合在手背上,靠著裝在背側肌肉上的感應器操控動作,然而外觀不佳及繁瑣笨重,加上背側肌肉的動作性質,因此這個方法能提供的動 作有限。

Alemzadeh博士及其團隊傾向手套型的解決方式,捨棄外骨骼,用感應器、致動器及人造肌腱等取而代之,組合成名符其實的多層次矽膠手套,讓中風患者戴起來與一般手套無異。 這個方法的優點是同時利用手掌肌肉和背側肌肉,提供更靈活、更自然的動作能力,手套型輔具在外觀合理性和美觀角度上的優勢更是不言可喻。

Alemzadh博士研發專題的關鍵第一步,就是須取得正確的人類手部骨架3D數位模型;但正如博士所言,「我們沒辦法從外面拿到手部數位模型,因此唯一的方法是自己掃描實體模型,開發出像醫學院用的那種模型。我們就這麼做出了第一件醫學認定正確且完整標註並可解構的人手骨架數位模型。若沒有現在如此進步的3D掃描軟硬體技術和設備,我們不可能做得到。」

從實體到數位

從關鍵第一階段出發後,他找上Bristol當地的3D掃描科技專家群-3D掃描聯盟(3D Scan Alliance),對方同意使用Solutionix Rexcan CS+系統,執行掃描工作及建立數位模型。

Rexcan CS+ 是桌上型3D掃描器,具備完整軟硬體功能,其藍光LED科技提供高解析度、高精度光掃描,而非其他多數掃描器使用的雷射技術。Rexcan CS+系統掃描器附有可攜式專用架、放置掃描物 的全方位自動化雙軸傾斜轉盤、及擷取並處理數據的Solutionix Ezscan軟體。

一開始先將待掃描的完整手部骨架固定於視野範圍(FOV)400mm的雙鏡片組,做為手部與所有相連骨骼的掃描參考。這項設定提供了0.23mm的掃描解析度(點距),精度遠優於30微米(μm)。

將實體模型置於轉盤上,掃描器設定為45度朝下對著模型。運用Solutionix Ezscan軟體來控制協調轉盤動作及數據擷取過程。當轉盤旋轉360度時,手部上方表面就自動以增量10度得到掃描,然後將手部翻面,重覆上述步驟,取得另一面的數據。接著,將骨架拆開為各個單一骨骼,利用之前掃描時的座標系統將之個別掃描、或將小骨頭成組掃描,但這時候的掃描器必須與視野範圍100mm的雙鏡片組固定,以取得各塊骨頭及關節面更細微的資料,其解析度為0.05mm,精度優於10-15微米(μm)。

整個過程約需時2小時,包括將快速擷取到的原始掃描數據,利用Solutionix Ezscan軟體轉換成多邊形網格,再把個別網格模組合併起來。經組合後的網格模型內,包含數百萬個多邊形,解析度非常高,因此這種運用Ezscan軟體進行的基礎曲面取樣,可將多邊形數目減至1百萬(50MB),同時保留所有的微小細節。接下來將存檔格式為.stl的定版網格,傳送到Geomagic Wrap多邊形模組軟體,進行各種補洞和必要的編輯工作,同時將每塊骨骼排列對好,建構出完整的手部多邊形模型。最後一個步驟則是將這個多邊形模型數據轉換成3D實心模型,傳送到Siemens PLM Software NX CAD環境下。

進展到實體圓型

完成上述工作後,Bristol團隊才算進入實際研發的第一階段,工作內容包括運用NX 3D實心模組CAD軟體,修整個別骨骼關節的形狀,且維持其自然動作功能,以建構出骨架的仿生模型。

接下來,研究團隊把他們在真實世界中搜集到的手部各種肌肉與肌腱動作數據,輸入NX中,用來刺激手指和關節活動。此外,感應器、致動器和「肌腱」等不可或缺的裝置,也在這個階段在手套上定位完畢。

第四階段則是把以肌腱為基礎的科技成果,映射繪製到真實的矽膠手套上,做出工作原型,此時需要掃描一隻真實的手,才能設計出模型,再利用射出成形做出手套。

成效

誠如Alemzadeh博士所言,「一開始若沒有使用Solutionix Rexcan CS+,就無法建構出正確的人類手部骨架3D數位模型,我們根本無法開始這項研究,更別談實體原型階段了。我們希望在未來一年半到兩年間,達到實體原型階段。對於掃描速度之快、精度之高、及定版數位模型之細緻,我深感驚訝。」

製作實體原型的整套科技一旦得到驗證,對Alemzadeh博士而言,最後階段就是找到合作夥伴,把他的發明商品化到市場上。屆時,他將實現自己的夢想,為中風患者提供機器人輔具,找回他們原本自然的手部動作,同時保有相對不太突兀的外表。