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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:張世薪
研究生(外文):Shih-HsinChang
論文名稱:CAD軟體之API應用於小腿義肢承筒設計模組
論文名稱(外文):The Application of API Function of CAD System on Transtibial Socket Design
指導教授:許來興
指導教授(外文):Lai-Hsing Hsu
學位類別:碩士
校院名稱:國立成功大學
系所名稱:機械工程學系碩博士班
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2012
畢業學年度:100
語文別:中文
論文頁數:92
中文關鍵詞:逆向工程電腦輔助設計小腿義肢承筒API快速成型介面壓力
外文關鍵詞:Reverse EngineeringCADProsthetic SocketAPIRPInterface Pressure
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本研究利用逆向工程的技術搭配商用電腦輔助設計(CAD)軟體SolidWorks設計小腿義肢承筒模型。傳統手工製作小腿義肢承筒需要仰賴義肢裝具師的經驗與技巧,不同的義肢裝具師做出的承筒其適用度必定不相同;因此,本研究嘗試利用電腦輔助設計工具取代傳統的手工修整石膏模型所需之技術,以協助經驗不多的義肢裝具師也可以製作出小腿截肢者滿意的承筒。
因為使用CAD軟體程序較複雜,若無專業技術人員操作,由義肢裝具師獨立完成承筒模型之設計的可能性不高,因此本研究利用SolidWorks API(Application Programming Interface)的功能函式,並依據經驗豐富的義肢裝具師之專業知識及建議,發展小腿義肢承筒模型設計介面模組,用以降低操作CAD軟體之難度。
首先依照髕骨韌帶承重式(Patella Tendon Bearing,PTB)承筒設計概念取模,利用軟墊片貼於殘肢的非受壓區與可受壓髕骨韌帶部位,並利用真空取模工具取得受壓狀態之殘肢模型以減少修模之複雜度;再經由3D掃描取得殘肢陽模的數位檔,進而利用全接觸承重式(Total Surface Bearing,TSB)承筒設計概念,以不修改受壓狀態之模型建立小腿義肢承筒模型;接著輸出STL網格檔匯入快速成型機(Rapid Prototyping,RP)製作出承筒陽模,並交由義肢裝具師製作出PP承筒並做最後的裝配與調整。
本研究有兩位單側截肢者參與,透過小腿義肢承筒模型設計介面模組設計製作出三組小腿義肢,並進行介面壓力量測殘肢與承筒間介面壓力之分布,並搭配穿戴者的主觀意見以驗證本系統之可行性。介面壓力實驗結果顯示,其壓力值皆在正常範圍以內,且髕骨韌帶之承重能力較其平常使用之手工承筒佳,懸吊的部分也沒有夾持力不足的問題,受測者表示整體表現比平常使用之小腿義肢好;並願意配合長期穿戴與追蹤,以做為本小腿義肢承筒模型設計界面模組改進的依據。
This study uses the reverse engineering technology and commercial CAD software Solidworks to design the socket model. Traditional manufacturing process of prosthetic socket depends on the manual skill and experience of a prosthetist. CAD system substitutes traditional manufacturing process is being expected.
Because of the complicated process while using a CAD system, it might be difficult to design a socket model using the CAD system by prosthetists. To overcome the difficulty, this study develops a user-design interface of prosthetic socket model that applied SolidWorks API (Application Programming Interface) functions.
Based on the design conception of PTB (Patella Tendon Bearing), a pressured stump mold is duplicated by employing a vacuum casting tool. A digitized stump model can be obtained by a 3D scanner; and an RP (Rapid Prototyping) socket mold is constructed by using the user-design interface of prosthetic socket model which based on the design conception of TSB (Total Surface Bearing) and prosthetist’s basic expertise. After the RP socket mold has been manufactured by rapid prototyping machine, it’s used as a positive mold to fabricate a PP (Polypropylene) prosthetic socket. Finally, prosthetist assembles the socket with a shank and prosthetic foot, a set of prosthesis is ready to be aligned and tested.
Two unilateral amputees involve in this research, and three sockets are fabricated by using the user-design interface of prosthetic socket model. To verify the applicability of CAD system, this study measures the interface pressure distribution between socket and stump. Finally, we can improve this user-design interface by the subjective opinions of the subjects and experienced prosthetist.
The experiment results show that the interface pressures are reasonable. And the bearing capacity of patella tendon area designed by this system is better than the original one. The subject indicates that the new design socket is more comfortable than the original one, and likes to wear it and be followed up.
摘要 I
ABSTRACT II
致謝 III
目錄 IV
表目錄 VII
圖目錄 VIII
第一章 緒論 1
1.1 前言 1
1.2 研究動機與目的 2
1.3 論文架構 3
第二章 文獻回顧 4
2.1 截肢與義肢簡介 4
2.2 小腿截肢與小腿義肢 5
2.3 逆向工程 8
2.3.1 三維掃描系統 10
2.3.2 電腦輔助設計 13
2.3.3 快速成型技術 14
第三章 小腿義肢承筒介紹 18
3.1 傳統手工石膏陽模承筒製程 18
3.1.1 殘肢石膏陽模之取得方法 19
3.1.2 修整殘肢石膏陽模 22
3.1.3 PP承筒與UPR承筒製作方式 24
3.2 電腦輔助設計承筒製程 27
3.2.1 真空取模 28
3.2.2 三維掃描殘肢模型 30
3.2.3 電腦輔助承筒設計 31
3.2.4 承筒陽模模型製作 32
3.2.5 電腦輔助設計方式製作承筒 33
3.3 製程方式比較及討論 34
3.3.1 傳統手工製程與電腦輔助設計製程 34
3.3.2 RP承筒與RP承筒陽模 35
3.3.3 PP承筒與UPR承筒 37
第四章 小腿義肢承筒模型設計方法 與使用者介面建立 39
4.1 小腿義肢承筒模型設計流程 39
4.1.1 點資料前處理 40
4.1.2 模型編修 42
4.1.3 輸出STL檔 50
4.2 數位化介面建構工具 50
4.2.1 SolidWorks API 51
4.2.2 Visual C# 54
4.2.3 巨集 55
4.3 小腿義肢承筒模型設計介面模組 58
4.3.1 建立基準面 60
4.3.2 切層 61
4.3.3 建立底座 62
4.3.4 建立導引曲線 63
4.3.5 疊層拉伸 64
4.3.6 偏移曲面 65
4.3.7 加厚曲面 66
4.3.8 輸出STL 67
4.3.9 承筒快速設計 68
第五章 研究案例 70
5.1研究案例 71
5.1.1 案例一 71
5.1.2 案例二 74
5.1.3 案例三 77
5.2 介面壓力實驗與耐疼痛壓力 79
5.2.1 介面壓力實驗 79
5.2.2 耐疼痛壓力 81
5.3實驗結果與討論 82
5.3.1 案例一、案例二實驗結果與討論 82
5.3.2 案例三實驗結果與討論 83
第六章 結論 87
6.1 研究成果與討論 87
6.2 未來研究目標 88
參考文獻 90

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