技術貼：輔助器具 — 握筆器 項目概述與技術分享

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

一、項目總概

此項目是通過3D打印技術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習和生活活動。

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，導致運動功能障礙，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校進行學習，下午到康復基地做肌肉康復訓練。晚上會復習知識，練習寫字。

薇薇媽：現(xiàn)在孩子正在學習漢字以及數(shù)字，但是因為孩子由于病狀，不能很好的進行握筆，希望能夠有一個輔具可以更好的幫助孩子進行書寫。

康復老師：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。

設計師：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)孩子的喜好展開設計，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)格針對用戶進行個性化的定制；

4）外觀美觀，設計參考葳葳喜歡的元素；

四、產(chǎn)品研發(fā)與迭代

該項目最初是展翼計劃與強生公司合作的一個工作坊——幫助一個蘇州腦癱孩子設計握筆輔具，當時我們結合工作坊學生們的想法，設計出了第一版的握筆器產(chǎn)品（見圖1）。該產(chǎn)品的設計思路：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）

         工作坊結束后，結合上一版的設計，添加了符合人機工程學的外形設計（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）上面進行書寫（動圖1），并結合3D打印的優(yōu)勢，將筆與握筆器設計成一體化設計，同時設計了筆芯更換的結構。

                  

                               （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）與南京大學合作的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)課程上，通過學生參與的項目制學習中完成的。結合學生們的想法，整合幾次產(chǎn)品迭代的優(yōu)點，我們最終設計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)品設計步驟

          產(chǎn)品設計步驟，由于整個項目比較冗長，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，整體還是能夠達到我們的預期。

（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行模型大框架設計，然后再根據(jù)測量的葳葳手型的相關數(shù)據(jù)，進行模型匹配與調整，以達到受助方的需求。

（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械類3D設計軟件（SW、IV、UG等）中完成。

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

（圖5）

②復雜多邊形建模(圖6)，主要包括4個限位指環(huán)、符合人機工程的3個支撐結構。這些部分我們可以選擇在藝術類3D設計軟件（ZB、3DMAX、MAYA等）中完成，會方便快捷很多。

面對這種復雜的多邊形建模，直接拿著實物對照去繪制很容易導致結構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構會更準確一些。

（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，把每個部分的結構都繪制出來。

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

（圖7）

（圖8）

③復雜多邊形轉換， 接下來為了方便根據(jù)受助方的情況去調整模型，還要將OBJ/STL模型——STP模型（Geomagic軟件），然后導入到SW中，得到整個握筆器的原型設計。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，去調整原型設計，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，實際上是在制作與設計過程中就保持著溝通，在設計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，設計的握把偏大了，沒有固定結構。（圖11）

新方案：設計一種可以固定手勢的結構。

（圖11）

第4次（第三版）反饋：整體的固定握筆手勢的結構方案可行，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：微調模型結構。

（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（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，實物圖（見圖13）如下。

（圖13）

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

（圖14）

佩戴演示

葳葳書寫

六、寫在最后的話

      本次項目我也是第一次完成一個完整的受助方服務流程受助者參訪——采集數(shù)據(jù)——設計思維——3D設計——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，不僅僅是因為這是一個很有意義的志愿活動，與此同時我也從很多專家/同學身上也學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計，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，甚至還要推翻設計重新再造，直至最后才能達到一個雙方都滿意的結果。

        很多人說3D打印只能打印玩具和一些沒用的小東西~ 對此我是很不認同的，我認為3D打印只是大家還沒有習慣去使用它，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！