技術(shù)貼：輔助器具 — 握筆器 項(xiàng)目概述與技術(shù)分享

        展翼計(jì)劃是為我國殘障兒童提供免費(fèi)普及型3D打印義肢輔具的公益項(xiàng)目，截至2018年12月，我們已經(jīng)在全國范圍內(nèi)送出100個免費(fèi)義肢輔具，幫助到60個不同的殘障兒童。這篇帖子由展翼計(jì)劃的設(shè)計(jì)師祁繁，向大家分享3D打印輔助器具 — 握筆器的案例，介紹項(xiàng)目整體過程及握筆器的技術(shù)概要。

一、項(xiàng)目總概

此項(xiàng)目是通過3D打印技術(shù)為腦癱小朋友制作個性化的握筆輔助器具，幫助他們更好地完成學(xué)習(xí)和生活活動。

二、受助方案例信息

案例對象：葳葳

案例癥狀：腦癱兒童，由于大腦尚未發(fā)育成熟，導(dǎo)致運(yùn)動功能障礙，不能很好控制肌肉做出一些動作。

人物訊息：

葳葳：一個愛笑、萌萌的8歲小女孩，喜歡看小豬佩奇、串珠子、畫畫等�，F(xiàn)在葳葳上午會去特殊教育學(xué)校進(jìn)行學(xué)習(xí)，下午到康復(fù)基地做肌肉康復(fù)訓(xùn)練。晚上會復(fù)習(xí)知識，練習(xí)寫字。

薇薇媽：現(xiàn)在孩子正在學(xué)習(xí)漢字以及數(shù)字，但是因?yàn)楹⒆佑捎诓�狀，不能很好的進(jìn)行握筆，希望能夠有一個輔具可以更好的幫助孩子進(jìn)行書寫。

康復(fù)老師：孩子用常規(guī)的一些輔助器具效果并不是很理想，需要一種輔具，可以幫助她在握筆的時候，起到一定的固定作用。

設(shè)計(jì)師：葳葳寫字手會抖動，可能是沒有很大的力氣保持握筆姿勢。根據(jù)孩子的喜好展開設(shè)計(jì)，會讓她覺得這個握筆器不會那么討厭。

三、受助方需求分析

1）最基本握筆手勢的矯正；

2）對葳葳握筆手勢保持能有一定的固定；

3）握筆器外形與規(guī)格針對用戶進(jìn)行個性化的定制；

4）外觀美觀，設(shè)計(jì)參考葳葳喜歡的元素；

四、產(chǎn)品研發(fā)與迭代

該項(xiàng)目最初是展翼計(jì)劃與強(qiáng)生公司合作的一個工作坊——幫助一個蘇州腦癱孩子設(shè)計(jì)握筆輔具，當(dāng)時我們結(jié)合工作坊學(xué)生們的想法，設(shè)計(jì)出了第一版的握筆器產(chǎn)品（見圖1）。該產(chǎn)品的設(shè)計(jì)思路：希望通過整個手掌去握住握把的方式去輔助孩子拿筆，想的是全手發(fā)力會比正常三指夾筆的方式更好。

（圖1）

         工作坊結(jié)束后，結(jié)合上一版的設(shè)計(jì)，添加了符合人機(jī)工程學(xué)的外形設(shè)計(jì)（見圖2），受助方更容易把手貼在握筆器（貼上去剛好是正常寫字方式）上面進(jìn)行書寫（動圖1），并結(jié)合3D打印的優(yōu)勢，將筆與握筆器設(shè)計(jì)成一體化設(shè)計(jì)，同時設(shè)計(jì)了筆芯更換的結(jié)構(gòu)。

                  

                               （圖2）                                                             （動圖1）

        最后一版的迭代，是我將這個議題帶到了我們公司（煜宸3D）與南京大學(xué)合作的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)課程上，通過學(xué)生參與的項(xiàng)目制學(xué)習(xí)中完成的。結(jié)合學(xué)生們的想法，整合幾次產(chǎn)品迭代的優(yōu)點(diǎn)，我們最終設(shè)計(jì)出成通過四個限位指環(huán)固定手勢的3D握筆輔具——葳葳的握筆器（見圖3）。

（圖3）

五、產(chǎn)品設(shè)計(jì)步驟

          產(chǎn)品設(shè)計(jì)步驟，由于整個項(xiàng)目比較冗長，這里我們以第三版本的握筆器為例給大家做分享。

（1）通過捏超輕粘土捏出產(chǎn)品原型（圖4），然后測試其功能性，感覺整個握筆的輔具套在手上，基本上手勢是可以固定住的，書寫起來手也不用一直要把筆抓得很緊就可以做到握筆的行為，整體還是能夠達(dá)到我們的預(yù)期。

（圖4）

緊接著就可以拿著這個原型和受助方匹配，本想是通過3D掃描的方式來做，但是葳葳的手太小了，我們手頭上的掃描儀（Artec/Sense）沒有辦法很好獲取其三維數(shù)據(jù)，所以我們決定先通過自己的手型去進(jìn)行模型大框架設(shè)計(jì)，然后再根據(jù)測量的葳葳手型的相關(guān)數(shù)據(jù)，進(jìn)行模型匹配與調(diào)整，以達(dá)到受助方的需求。

（2）根據(jù)超輕粘土原型展開三維建模，該案例的三維模型可以拆分成幾個部分：

①簡單實(shí)體建模（圖5），主要包括筆、筆帽、筆后蓋。這些部分我們都可以在機(jī)械類3D設(shè)計(jì)軟件（SW、IV、UG等）中完成。

筆的設(shè)計(jì)比較簡單，我們根據(jù)日常一些中性筆為參考，利用一些拉伸/旋轉(zhuǎn)的命令，就可以很輕松的完成。

（圖5）

②復(fù)雜多邊形建模(圖6)，主要包括4個限位指環(huán)、符合人機(jī)工程的3個支撐結(jié)構(gòu)。這些部分我們可以選擇在藝術(shù)類3D設(shè)計(jì)軟件（ZB、3DMAX、MAYA等）中完成，會方便快捷很多。

面對這種復(fù)雜的多邊形建模，直接拿著實(shí)物對照去繪制很容易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)畫的過大或者模型角度出現(xiàn)問題，所以這種情況我們可以借由3D掃描儀先掃描一下拿著筆的一個姿態(tài)，然后對照的位置去畫結(jié)構(gòu)會更準(zhǔn)確一些。

（圖6）

Zbrush建模主要也是一些基本的流程，首先插入一個新的球體，通過Move筆刷整出模型大型，然后用雕刻筆刷（如Standard、Move、Claybuildup等）去繪制，適當(dāng)去使用增加分辨率/Dynamesh/Zremesher/等功能整理網(wǎng)格，把每個部分的結(jié)構(gòu)都繪制出來。

在繪制完所有的機(jī)構(gòu)后，要從不同角度（圖7）去調(diào)整在Zbrush中的建模，調(diào)整到基本合適后。還需要FDM打印測試（圖8），根據(jù)實(shí)際模型，再優(yōu)化調(diào)整3D模型,直至適配握筆手勢。

（圖7）

（圖8）

③復(fù)雜多邊形轉(zhuǎn)換， 接下來為了方便根據(jù)受助方的情況去調(diào)整模型，還要將OBJ/STL模型——STP模型（Geomagic軟件），然后導(dǎo)入到SW中，得到整個握筆器的原型設(shè)計(jì)。接下來我們要從受助方那里量取的參數(shù)如：不同手指的總長度、前后兩端的周長、不同指節(jié)長度等，去調(diào)整原型設(shè)計(jì)，最后我們得到了葳葳版的握筆器（圖9）。

（圖9）

（3）產(chǎn)品制作與受助方交流與反饋

受助方的交流與反饋，實(shí)際上是在制作與設(shè)計(jì)過程中就保持著溝通，在設(shè)計(jì)期間一共給受助方寄送5次樣本模型，從中也得到了很多的反饋與改進(jìn)方案。

第1次（第一版）反饋：不能固定姿勢，與手不貼合（圖10）。

新方案：改進(jìn)與手貼合度。

（圖10）

第2 & 3次（第二版）反饋：全手掌用力，握筆姿勢變形了，設(shè)計(jì)的握把偏大了，沒有固定結(jié)構(gòu)。（圖11）

新方案：設(shè)計(jì)一種可以固定手勢的結(jié)構(gòu)。

（圖11）

第4次（第三版）反饋：整體的固定握筆手勢的結(jié)構(gòu)方案可行，食指上指環(huán)尺寸/與其他指環(huán)的間距有一些大，大拇指與中指指環(huán)偏大。（圖12）

新方案：微調(diào)模型結(jié)構(gòu)。

（圖12）

        最后的產(chǎn)品制作：使用的是LCD光固化打印制作的握筆器主體（白色），筆帽與蓋子用的FDM 3D打印技術(shù)（粉色），在保證功能的情況下選擇了受助方喜歡的配色。筆芯使用的是市面上常見且容易購買的常規(guī)0.5mm中性筆芯，實(shí)物圖（見圖13）如下。

（圖13）

第5次反饋（第三版）：重新微調(diào)了尺寸數(shù)據(jù)后，受助方對于第五次的產(chǎn)品較為滿意，也能實(shí)現(xiàn)相關(guān)的功能需求（圖14）。

（圖14）

佩戴演示

葳葳書寫

六、寫在最后的話

      本次項(xiàng)目我也是第一次完成一個完整的受助方服務(wù)流程受助者參訪——采集數(shù)據(jù)——設(shè)計(jì)思維——3D設(shè)計(jì)——3D打印制造——受助方反饋——產(chǎn)品迭代——最終產(chǎn)出，總體上是一次非常好的體驗(yàn)，不僅僅是因?yàn)檫@是一個很有意義的志愿活動，與此同時我也從很多專家/同學(xué)身上也學(xué)到了新的知識與技能，受益良多。在這個期間，感觸最深的就是最終看似簡單的設(shè)計(jì)，卻不是那么輕松就可以完成的，需要和受助方不斷地交流，經(jīng)過數(shù)次的產(chǎn)品更新與迭代，甚至還要推翻設(shè)計(jì)重新再造，直至最后才能達(dá)到一個雙方都滿意的結(jié)果。

        很多人說3D打印只能打印玩具和一些沒用的小東西~ 對此我是很不認(rèn)同的，我認(rèn)為3D打印只是大家還沒有習(xí)慣去使用它，等到成功的案例足夠多了，大家都喜歡使用它了，它的影響足夠大了，自然就會變得“有用”。最后也希望有更多的有志之士能加入我們，通過更多的3D打印案例與故事分享給大家！