CN108749035B - 一种假肢接受腔的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种假肢接受腔的制备方法，利用3D打印技术完成假肢接受腔阳模的制备，通过自制缠绕装置，采用碳纤维布对3D打印的阳模进行自动化缠绕、涂刮粘贴胶、固化切割得到假肢接受腔。接受腔制备过程，可自动化生产，基于有限元的生物力学分析得到最优残肢吻合度的接受腔方案。阳模制作使用无毒的环保3D打印材料，区别于现有技术的大部分阳模铣削、手工制作接受腔的方式，使假肢接受腔的制备更简化、精确，降低制作成本，节约人力，实现了假肢接受腔的自动化生产。
Description
技术领域
本发明属于医疗辅助器械领域，具体涉及一种假肢接受腔的制备方法。
背景技术
近年来，由于各种疾病、事故以及自然灾害等已经给社会带来上千万的截肢者，其中下肢残疾占到七成左右。因此，假肢作为弥补截肢者或者不完全残肢者用来代替失去肢体的部分功能，使患者恢复一定的自理和工作能力的辅助工具是非常重要的。而接受腔作为假肢最重要的组成部分，直接和残肢接触，起到承重、控制假肢运动等作用。接受腔结构是否合适残肢，将直接影响假肢功能和患者穿戴舒适度。
在假肢领域，由于制作工艺和材料的限制，现今依旧以手工制作接受腔为主。由于患者残肢的情况各异，主要依赖技师的经验与技巧，需要反复的调试、试穿、再调试，制作成本高，交付时间长，无法实现自动化一体制造。为了患者穿戴接受腔的舒适度与控制假肢运动功能，最大程度的适配患者残肢，接受腔的形状需要与残端非常吻合。由于每个残肢情况不同，假肢接受腔的形状对应各有差异，传统方法难以达到最佳效果。
发明内容
本发明为了解决上述现有接受腔制作过程复杂耗时、吻合度低等一系列技术问题，提供了一种假肢接受腔的制备方法，提高接受腔一次制作成功率，能够提高残肢与接受腔的高吻合度适配，同时达到制备简单，降低制作时间与成本的效果。利用机器对接受腔进行制备，实现自动化一体生产。
为解决上述技术问题，本发明提出一种假肢接受腔的制备方法，其包括以下步骤：
S1、基于残肢信息，建立假肢接受腔阳模初步三维几何模型；
S2、基于有限元方法进行生物力学分析，更新数据，得到假肢接受腔阳模三维几何模型，并保存为STL格式文件；
S3、将假肢接受腔阳模三维几何模型STL格式文件导入3D打印机，生成G代码，通过3D打印，得到假肢接受腔阳模，具体包括假肢接受腔阳模和设置在假肢接受腔阳模上的固定通道；
S4、将假肢接受腔阳模设置在缠绕装置上进行碳纤维布缠绕，缠绕完毕后，粘贴专用胶至干固化，得到假肢接受腔毛坯；
S5、对假肢接受腔毛坯进行曲线切割、边缘抛光得到最终碳纤维假肢接受腔成品。
与现有技术相比，本发明有益效果是：本发明利用3D打印技术完成假肢接受腔阳模的制备，通过实验室自制缠绕装置，采用碳纤维布对3D打印的阳模进行自动化缠绕、涂刮粘贴胶、固化切割得到假肢接受腔。接受腔制备过程，可自动化生产，基于有限元的生物力学分析得到最优残肢吻合度的接受腔方案。阳模制作使用无毒的环保3D打印材料，区别于现有技术的大部分阳模铣削、手工制作接受腔的方式，使假肢接受腔的制备更简化、精确，降低制作成本，节约人力，实现了假肢接受腔的自动化生产。
附图说明
图1为本发明假肢接受腔制备方法流程示意图。
图2为本发明一种实施例的通过3D打印所得的假肢接受腔阳模结构示意图。
图3为本发明一种实施例的缠绕装置缠绕方式示意图。
图4为本发明一种实施例的缠绕装置结构示意图。
图5为本发明一种实施例所得的碳纤维假肢接受腔结构示意图。
图6为本发明一种实施例的缠绕装置的电路连接及控制原理示意框图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式对本发明进行进一步的详细说明。
本发明最关键的构思在于：采用大型3D打印装置对假肢接受腔阳模进行打印，然后采用自制缠绕装置对阳模进行缠绕，自动化一体得到碳纤维假肢接受腔。
本发明提供一种假肢接受腔的制备方法，如图1所示制备流程图，其包括以下步骤：
S1、基于残肢信息，建立假肢接受腔阳模初步三维几何模型；
S2、基于有限元方法进行生物力学分析，更新数据，得到假肢接受腔阳模三维几何模型，并保存为STL格式文件；
S3、将假肢接受腔阳模三维几何模型STL格式文件导入3D打印机，生成G代码，通过3D打印，得到假肢接受腔阳模，具体包括假肢接受腔阳模1和设置在假肢接受腔阳模1上的固定通道11；
S4、将假肢接受腔阳模1设置在缠绕装置上进行碳纤维布缠绕，缠绕完毕后，粘贴专用胶至干固化，得到假肢接受腔毛坯；
S5、对假肢接受腔毛坯进行曲线切割、边缘抛光得到最终碳纤维假肢接受腔成品6，如图5所示，包括碳纤维假肢接受腔外壳表面61，碳纤维假肢接受腔内部62，碳纤维假肢接受腔口型边缘63。
所述假肢接受腔阳模的3D打印材料为PLA树脂或其他热塑性材料。
优选的，假肢接受腔内衬材料为硅橡胶或热塑性聚氨酯弹性橡胶。
优选地，S3进一步包括对3D打印的假肢接受腔阳模进行表面抛光处理。
如图2至图5所示示意图，所述缠绕装置包括随动供给装置、阳模支撑装置和辅助按压装置，所述随动供给装置包括碳纤维布卷轴2、阻尼连接轴21、碳纤维布卷轴卡槽22、碳纤维布23、卷轴支架24、紧固螺钉25，碳纤维布卷轴2设置在阻尼连接轴21上，碳纤维布卷轴2两侧的阻尼连接轴21上设置有碳纤维布卷轴卡槽22，阻尼连接轴21的两端分别通过一个卷轴支架24对其进行支撑，卷轴支架24的下端通过紧固螺钉25进行固定。
阳模支撑装置包括纵向滚珠丝杠12、光电编码器13、纵向步进电机14、接受腔阳模上卡槽15、接受腔阳模下卡槽16、固定轴19、缠绕机支架20，固定轴19安装在纵向滚珠丝杠12上，固定轴19的两端分别设置有接受腔阳模上卡槽15、接受腔阳模下卡槽16；纵向滚珠丝杠12的两端分别设置在一个缠绕机支架20上且穿过缠绕机支架20，光电编码器13、纵向步进电机14分别安装在纵向滚珠丝杠12的两末端上。光电编码器13在缠绕机支架20外侧，与滚珠丝杠12连接，可检测纵向步进电机14的转速。
辅助按压装置包括连接轴31、弹簧32、聚氨酯微型弹性胶辊33、横向步进电机34、横向滚珠丝杠35、固定底板36、辅助装置支撑架37，聚氨酯微型弹性胶辊33的一端朝向纵向滚珠丝杠12，另一端与弹簧32连接，弹簧32的另一端与连接轴31的一端相连，连接轴31的另一端与横向滚珠丝杠35的一端相连，横向滚珠丝杠35的另一端穿过辅助装置支撑架37且其末端上安装有横向步进电机34，辅助装置支撑架37的下端固定在固定底板36上。
所述光电编码器13为HEDSS公司的ISC2805-001E360B5C，纵向步进电机14和横向步进电机34型号均为57BYG250B。
所述随动供给装置、阳模支撑装置和辅助按压装置均安装在底座4上。
所述缠绕装置还包括安装在底座4左下角的人机界面5，以及底座内部的STM32控制器、纵向步进电机驱动器I号、横向步进电机驱动器II号、电源I号、电源II号、电源III号；
进一步，所述的电源I号分别与人机界面5和STM32控制器连接；人机界面5通过RS232接口与STM32控制器相连。
所述纵向步进电机驱动器I号和纵向步进电机14相连，纵向步进电机14带动随动供给装置的阻尼连接轴21随动；横向步进电机驱动器II号和横向步进电机34相连；电源II号分别与纵向步进电机驱动器I号、光电编码器13相连；电源III号与横向步进电机驱动器II号相连；纵向步进电机驱动器I号、横向步进电机驱动器II号、光电编码器13和人机界面分别与STM32控制器相连；其中，光电编码器13作为传感器检测纵向步进电机14转速，并将检测到的转速信号传入STM32控制器，形成反馈。STM32控制器通过纵向步进电机驱动器I号和横向步进电机驱动器II号来分别控制纵向步进电机14和横向步进电机34，从而达到控制假肢接受腔阳模旋转转速和辅助按压装置进给量的作用。
为了达到更好的压紧效果，设置有多个聚氨酯微型弹性胶辊33，每一个聚氨酯微型弹性胶辊33分别连接有一个弹簧32，多个弹簧32平行的连在到连接轴31的一端上，如图3-4所示的实施例设置有六个聚氨酯微型弹性胶辊33。为了更好的说明，将假肢接受腔阳模1增加标识：已缠绕碳纤维布假肢接受腔阳模部分17、正在缠绕碳纤维布假肢接受腔阳模部分18。
所述S4中的将假肢接受腔阳模1设置在缠绕装置上进行碳纤维布缠绕的过程具体为：
S41、将假肢接受腔阳模1通过固定通道11，安装在固定轴19上，并用阳模上卡槽15和阳模下卡槽16，将假肢接受腔阳模1与固定轴19固定在一起。
S42、将碳纤维布卷轴2穿入阻尼连接轴21中，通过卷轴卡槽22，将其固定。
S43、将碳纤维布23开始端连接在假肢接受腔阳模1上端，假肢接受腔阳模1固定在滚珠丝杠12上。通过纵向步进电机14带动纵向滚珠丝杠12运动，连带假肢接受腔阳模1旋转向前运动，从而带动碳纤维布卷轴2随动。同时，通过横向步进电机34控制横向滚珠丝杠35，从而控制连接轴31的进给量，来控制六个聚氨酯微型弹性胶辊33，达到按压缠绕碳纤维布23的目的，使假肢接受腔阳模1与碳纤维布23更好地贴合。其中，六个聚氨酯微型弹性胶辊33，通过连接的六个弹簧32控制弹力：工作状态时如图3所示，凸出部分弹簧压紧，凹陷部分弹簧张力略松；未工作状态时，如图4辅助按压装置处所示，六个聚氨酯微型弹性胶辊33处于同一状态。
应指出的是：本发明以上所述仅用于说明本发明技术方案，并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述各实施方案范围；本领域普通技术人员应当理解：其在本发明的实质范围内所做出的全部或者部分技术特征进行修改、替换、改型或变换，也应属于本发明的保护范围。
本发明未尽事宜为公知技术。
Claims (5)
1.一种假肢接受腔的制备方法，其特征在于，其包括以下步骤：
S1、基于残肢信息，建立假肢接受腔阳模初步三维几何模型；
S2、基于有限元方法进行生物力学分析，更新数据，得到假肢接受腔阳模三维几何模型，并保存为STL格式文件；
S3、将假肢接受腔阳模三维几何模型STL格式文件导入3D打印机，生成G代码，通过3D打印，得到假肢接受腔阳模，具体包括假肢接受腔阳模和设置在假肢接受腔阳模上的固定通道；
S4、将假肢接受腔阳模设置在缠绕装置上进行碳纤维布缠绕，缠绕完毕后，粘贴专用胶至干固化，得到假肢接受腔毛坯；
S5、对假肢接受腔毛坯进行曲线切割、边缘抛光得到最终碳纤维假肢接受腔成品；
所述缠绕装置包括随动供给装置、阳模支撑装置和辅助按压装置，所述随动供给装置包括碳纤维布卷轴、阻尼连接轴、碳纤维布卷轴卡槽、碳纤维布、卷轴支架、紧固螺钉，碳纤维布卷轴设置在阻尼连接轴上，碳纤维布卷轴两侧的阻尼连接轴上设置有碳纤维布卷轴卡槽，阻尼连接轴的两端分别通过一个卷轴支架对其进行支撑，卷轴支架的下端通过紧固螺钉进行固定；
阳模支撑装置包括纵向滚珠丝杠、光电编码器、纵向步进电机、接受腔阳模上卡槽、接受腔阳模下卡槽、固定轴、缠绕机支架，固定轴安装在纵向滚珠丝杠上，固定轴的两端分别设置有接受腔阳模上卡槽、接受腔阳模下卡槽；纵向滚珠丝杠的两端分别设置在一个缠绕机支架上且穿过缠绕机支架，光电编码器、纵向步进电机分别安装在纵向滚珠丝杠的两末端上；光电编码器在缠绕机支架外侧，与滚珠丝杠连接，可检测纵向步进电机的转速；
辅助按压装置包括连接轴、弹簧、聚氨酯微型弹性胶辊、横向步进电机、横向滚珠丝杠、固定底板、辅助装置支撑架，聚氨酯微型弹性胶辊的一端朝向纵向滚珠丝杠，另一端与弹簧连接，弹簧的另一端与连接轴的一端相连，连接轴的另一端与横向滚珠丝杠的一端相连，横向滚珠丝杠的另一端穿过辅助装置支撑架且其末端上安装有横向步进电机，辅助装置支撑架的下端固定在固定底板上；
所述随动供给装置、阳模支撑装置和辅助按压装置均安装在底座上；
所述缠绕装置还包括安装在底座左下角的人机界面，以及底座内部的STM32控制器、纵向步进电机驱动器I号、横向步进电机驱动器II号、电源I号、电源II号、电源III号；
所述的电源I号分别与人机界面和STM32控制器连接；人机界面通过RS232接口与STM32控制器相连；
所述纵向步进电机驱动器I号和纵向步进电机相连，纵向步进电机带动随动供给装置的阻尼连接轴随动；横向步进电机驱动器II号和横向步进电机相连；电源II号分别与纵向步进电机驱动器I号、光电编码器相连；电源III号与横向步进电机驱动器号相连；纵向步进电机驱动器I号、横向步进电机驱动器II号、光电编码器和人机界面分别与STM32控制器相连。
2.根据权利要求1所述的一种假肢接受腔的制备方法，其特征在于，所述假肢接受腔阳模的3D打印材料为热塑性材料。
3.根据权利要求1所述的一种假肢接受腔的制备方法，其特征在于，假肢接受腔内衬材料为硅橡胶或热塑性聚氨酯弹性橡胶。
4.根据权利要求1所述的一种假肢接受腔的制备方法，其特征在于，S3还包括对3D打印的假肢接受腔阳模进行表面抛光处理。
5.根据权利要求1所述的一种假肢接受腔的制备方法，其特征在于，所述S4中的将假肢接受腔阳模设置在缠绕装置上进行碳纤维布缠绕的过程具体为：
S41、将假肢接受腔阳模通过固定通道，安装在固定轴上，并用阳模上卡槽和阳模下卡槽，将假肢接受腔阳模与固定轴固定在一起；
S42、将碳纤维布卷轴穿入阻尼连接轴中，通过卷轴卡槽，将其固定；
S43、将碳纤维布开始端连接在假肢接受腔阳模上端，假肢接受腔阳模固定在滚珠丝杠上；通过纵向步进电机带动纵向滚珠丝杠运动，连带假肢接受腔阳模旋转向前运动，从而带动碳纤维布卷轴随动；同时，通过横向步进电机控制横向滚珠丝杠，从而控制连接轴的进给量，来控制六个聚氨酯微型弹性胶辊，达到按压缠绕碳纤维布的目的，使假肢接受腔阳模与碳纤维布更好地贴合。
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