一种基于人体关节特征个性化定制的3D打印护具的制作方法

本发明涉及一种利用高精度点云进行反向建模合成护具接触位置模型、一种将护具接触位置模型组合到护具并进行优化的方法以及一种基于solidworks中宏命令调控尺寸的方法，属于增材制造领域和护具领域，制作贴合使用者的个性化护具。

背景技术：

1、由于冰雪项目的技术操作性较强,缺乏专业训练的参与者发生运动损伤的几率很高。所以对于冰雪运动项目的初学者来说，护臀、护腕、护膝等护具是很重要的。但如今市面上的护具存在价格昂贵、个体匹配度较差易移位、样式单一等问题。基于人体扫描建模的定制化护具则将此问题得以很好的解决。而如何设计出一套低成本高性能的定制化护具制作方法则是本项目研究的重点与难点问题。

2、现阶段，国内的滑雪运动装品牌非常少，主要以电商销售为主，款式单一且没有自主研发的新科技，仅具备基本的防水、透气、耐磨等功能，缺乏创新设计。

3、在产品方面，目前很少有针对滑雪运动的护具产品，多是从摩托车护具或山地自行车护具延展过来的，并不能在滑雪运动中对身体进行完全的防护。谢韦莲等对于3d打印医用护具进行了研究，mathieu fauve等在putting snow knowledge into thedevelopment of winter sports equipment一文中向我们展示了研究雪与护具相互的作用对护具优化的重要影响，而利用3d打印技术对护具进行打印冰雪护具的研究较少。

4、随着仿真模拟技术的不断发展，我们能够更容易的对护具的力学性能进行仿真模拟分析，以得到更加贴合实际使用情况的仿真数据，除此之外我们还可以利用模拟的数据对模型的设计进行一定程度的改善，以实现更好的防护效果。为了更加方便可调，我们采用宏命令建模的技术，是我们的整体模型可控且便于调整。

技术实现思路

1、发明的目的是提供一种基于用点云生成关节模型，利用3d打印技术制作个性化定制护具的方法。

2、本发明是通过以下软件及材料实现的：ansys workbench有限元分析软件、solidworks三维cad软件、magics软件、geomagic design软件。

3、本发明是通过以下方式实现的：

4、一、使用go！scan 50型号手势扫面仪器进行点云的获取

5、将手势扫描仪连接到计算机，并启动采集软件(vxelements)，然后对扫描仪进行优化，以确保采集准确性，再设置采集参数，根据要扫描的表面设置扫描仪摄像头的快门时间(可以运用自动识别功能)，设置定位标点信息，表面重构设置，然后扫描部件，要保证扫描仪与部件在一个合适的距离下工作，保证扫描仪上的指示灯为绿色，最后将扫描仪获得的数据进行保存，导出为stl格式

6、二、使用geomagic design软件制作护具前端模型

7、将手持扫描仪扫描得到的多组点云文件导入geomagic design x2019.0.2。利用法向信息向导将多组点云文件同一特征法向量统一朝向。利用面片创建精灵选择多个点云进行对齐并创建面片文件。利用修补精灵对面片文件缺陷进行修补。利用自动曲面创建功能对面片文件进行有机曲面拟合，获得曲面文件。将曲面所需部位进行切割，将曲面文件导出为x_t格式

8、三、使用ansys workbench软件对护具进行尺寸优化和拓扑优化

9、将solidworks与ansys workbench相关联，利用solidworks打开模型文件，调整网格质量，计算等效弹性应变与应力，得到原始模型的解。运用response surface在mesh里选择贴合部分所受压力，进行尺寸优化，拟合出变量之间的关系曲线，判断出与优化目标正反相关的变量，添加验证点进行验证，运用基于梯度的单目标算法(nlpql)得到三个最好的结果并选择其一。最后进行拓扑优化，得到结果并进行改进。

10、四、3d打印护具制作过程

11、将优化完成的模型导入切片软件simplify 3d，并设置打印参数。点击准备打印，得到完成切片的gcode文件。将文件导入fdm打印机，即可开始打印。打印完成后，去除表面多余材料即可得到打印完成的护具。

12、五、启用宏命令的过程

13、在solidworks中打开护具模型零件，导入切割后的扫描曲面。录制宏，输入坐标值，移动扫描曲面至合适的位置处。将原有的内衬平面替换成扫描曲面。加厚扫描曲面，把曲面转换为实体，停止录制宏。编辑宏文件，删除所有无效操作的代码并保存。打开新的护具模型，再次导入一个扫描曲面，运行宏以实现模型自动化设计。

14、本发明具有以下创新性：

15、(1)本发明利用go！scan 50手持扫描仪对人体关节处细节特征进行扫描，可以获得人体结构的精确的点云文件，并且极大程度的提升了人体数据的便捷度，提高了定制化的效率，保证了定制化护具的可行性与时间成本。

16、(2)本发明利用geomagic design软件对手持扫描仪所扫描出的人体关节处点云文件，进行逆向建模。获得人体关节部位的拟合曲面，极大程度的保证了护具与人体部位的贴合程度，可以更有效的将人体在面临冲撞时的冲击力分散，使人体关节处所受冲击应力减小。

17、(3)本发明利用双喷头3d打印机对护具进行制造，采用双喷头打印机制造避免了硬质材料与软质材料的装配设计难题，实现在制造过程中材料的原位小尺度的紧密结合，在保证结构强度的基础上，实现护具外部硬质材料抵抗尖利物的冲击与护具内部软质材料带来的贴合与柔软，减少护具制造与设计的难度的同时，保证了使用者的舒适性与安全性。

18、(4)本发明利用ansys workbench软件对护具模型进行尺寸优化和拓扑优化，对护具结构进行优化，在保证护具与用户紧密贴合的前提下，减轻了重量，同时保证了护具的结构强度，提升了护具的性能，能够加快护具的打印速度并降低制作成本。首先利用拓扑优化，去寻找一个更为理想的结构，在保证护具贴合部分所受平均应力不变的条件下，实现轻量化，并选择出更好的结构。利用尺寸优化，调整护具的各项尺寸，以降低使用者的负担。利用显示动力学分析，分析出护具的抗冲击能力。

19、(5)本发明利用ansys workbench对建好的模型进行参数相关性分析以及动力学模拟。通过参数相关性分析，来寻找更适为3d打印加工的零件。对性能影响巨大的参数分别采用了直接优化与代理模型优化(响应面优化)，寻找最好的设计参数，最后将参数修改后进行打印。通过调整仿真模拟参数，使得模拟仿真结果更接近实际，使得优化结果与打印事实相符。

20、(6)本发明利用pla耗材作为3d打印的基础材料，pla聚乳酸耗材是一种新型的生物降解材料，其具有良好的生物可降解性，使用后能够被自然界中的微生物完全降解，不会造成环境污染。本发明中所述打印机的参数能使打印机打印成型度好，并且易于打印后处理护具。

21、(7)本发明借助solidworks宏定义编程，实现护具模型的自动化设计，节省大量人力和时间成本。宏文件代码可自由编辑，能够以编程的方式，随时对模型进行精细修改。采用曲面与实体相互转化的建模方式，操作过程不受实体设计树中父子关系的影响，避免了直接修改整体护具模型后导致模型其他部分出现报错的情况，降低debug的时间成本。