技术贴：辅助器具 — 握笔器 项目概述与技术分享

        展翼计划是为我国残障儿童提供免费普及型3D打印义肢辅具的公益项目，截至2018年12月，我们已经在全国范围内送出100个免费义肢辅具，帮助到60个不同的残障儿童。这篇帖子由展翼计划的设计师祁繁，向大家分享3D打印辅助器具 — 握笔器的案例，介绍项目整体过程及握笔器的技术概要。

一、项目总概

此项目是通过3D打印技术为脑瘫小朋友制作个性化的握笔辅助器具，帮助他们更好地完成学习和生活活动。

二、受助方案例信息

案例对象：葳葳

案例症状：脑瘫儿童，由于大脑尚未发育成熟，导致运动功能障碍，不能很好控制肌肉做出一些动作。

人物讯息：

葳葳：一个爱笑、萌萌的8岁小女孩，喜欢看小猪佩奇、串珠子、画画等。现在葳葳上午会去特殊教育学校进行学习，下午到康复基地做肌肉康复训练。晚上会复习知识，练习写字。

薇薇妈：现在孩子正在学习汉字以及数字，但是因为孩子由于病状，不能很好的进行握笔，希望能够有一个辅具可以更好的帮助孩子进行书写。

康复老师：孩子用常规的一些辅助器具效果并不是很理想，需要一种辅具，可以帮助她在握笔的时候，起到一定的固定作用。

设计师：葳葳写字手会抖动，可能是没有很大的力气保持握笔姿势。根据孩子的喜好展开设计，会让她觉得这个握笔器不会那么讨厌。

三、受助方需求分析

1）最基本握笔手势的矫正；

2）对葳葳握笔手势保持能有一定的固定；

3）握笔器外形与规格针对用户进行个性化的定制；

4）外观美观，设计参考葳葳喜欢的元素；

四、产品研发与迭代

该项目最初是展翼计划与强生公司合作的一个工作坊——帮助一个苏州脑瘫孩子设计握笔辅具，当时我们结合工作坊学生们的想法，设计出了第一版的握笔器产品（见图1）。该产品的设计思路：希望通过整个手掌去握住握把的方式去辅助孩子拿笔，想的是全手发力会比正常三指夹笔的方式更好。

（图1）

         工作坊结束后，结合上一版的设计，添加了符合人机工程学的外形设计（见图2），受助方更容易把手贴在握笔器（贴上去刚好是正常写字方式）上面进行书写（动图1），并结合3D打印的优势，将笔与握笔器设计成一体化设计，同时设计了笔芯更换的结构。

                  

                               （图2）                                                             （动图1）

        最后一版的迭代，是我将这个议题带到了我们公司（煜宸3D）与南京大学合作的创新创业课程上，通过学生参与的项目制学习中完成的。结合学生们的想法，整合几次产品迭代的优点，我们最终设计出成通过四个限位指环固定手势的3D握笔辅具——葳葳的握笔器（见图3）。

（图3）

五、产品设计步骤

          产品设计步骤，由于整个项目比较冗长，这里我们以第三版本的握笔器为例给大家做分享。

（1）通过捏超轻粘土捏出产品原型（图4），然后测试其功能性，感觉整个握笔的辅具套在手上，基本上手势是可以固定住的，书写起来手也不用一直要把笔抓得很紧就可以做到握笔的行为，整体还是能够达到我们的预期。

（图4）

紧接着就可以拿着这个原型和受助方匹配，本想是通过3D扫描的方式来做，但是葳葳的手太小了，我们手头上的扫描仪（Artec/Sense）没有办法很好获取其三维数据，所以我们决定先通过自己的手型去进行模型大框架设计，然后再根据测量的葳葳手型的相关数据，进行模型匹配与调整，以达到受助方的需求。

（2）根据超轻粘土原型展开三维建模，该案例的三维模型可以拆分成几个部分：

①简单实体建模（图5），主要包括笔、笔帽、笔后盖。这些部分我们都可以在机械类3D设计软件（SW、IV、UG等）中完成。

笔的设计比较简单，我们根据日常一些中性笔为参考，利用一些拉伸/旋转的命令，就可以很轻松的完成。

（图5）

②复杂多边形建模(图6)，主要包括4个限位指环、符合人机工程的3个支撑结构。这些部分我们可以选择在艺术类3D设计软件（ZB、3DMAX、MAYA等）中完成，会方便快捷很多。

面对这种复杂的多边形建模，直接拿着实物对照去绘制很容易导致结构画的过大或者模型角度出现问题，所以这种情况我们可以借由3D扫描仪先扫描一下拿着笔的一个姿态，然后对照的位置去画结构会更准确一些。

（图6）

Zbrush建模主要也是一些基本的流程，首先插入一个新的球体，通过Move笔刷整出模型大型，然后用雕刻笔刷（如Standard、Move、Claybuildup等）去绘制，适当去使用增加分辨率/Dynamesh/Zremesher/等功能整理网格，把每个部分的结构都绘制出来。

在绘制完所有的机构后，要从不同角度（图7）去调整在Zbrush中的建模，调整到基本合适后。还需要FDM打印测试（图8），根据实际模型，再优化调整3D模型,直至适配握笔手势。

（图7）

（图8）

③复杂多边形转换， 接下来为了方便根据受助方的情况去调整模型，还要将OBJ/STL模型——STP模型（Geomagic软件），然后导入到SW中，得到整个握笔器的原型设计。接下来我们要从受助方那里量取的参数如：不同手指的总长度、前后两端的周长、不同指节长度等，去调整原型设计，最后我们得到了葳葳版的握笔器（图9）。

（图9）

（3）产品制作与受助方交流与反馈

受助方的交流与反馈，实际上是在制作与设计过程中就保持着沟通，在设计期间一共给受助方寄送5次样本模型，从中也得到了很多的反馈与改进方案。

第1次（第一版）反馈：不能固定姿势，与手不贴合（图10）。

新方案：改进与手贴合度。

（图10）

第2 & 3次（第二版）反馈：全手掌用力，握笔姿势变形了，设计的握把偏大了，没有固定结构。（图11）

新方案：设计一种可以固定手势的结构。

（图11）

第4次（第三版）反馈：整体的固定握笔手势的结构方案可行，食指上指环尺寸/与其他指环的间距有一些大，大拇指与中指指环偏大。（图12）

新方案：微调模型结构。

（图12）

        最后的产品制作：使用的是LCD光固化打印制作的握笔器主体（白色），笔帽与盖子用的FDM 3D打印技术（粉色），在保证功能的情况下选择了受助方喜欢的配色。笔芯使用的是市面上常见且容易购买的常规0.5mm中性笔芯，实物图（见图13）如下。

（图13）

第5次反馈（第三版）：重新微调了尺寸数据后，受助方对于第五次的产品较为满意，也能实现相关的功能需求（图14）。

（图14）

佩戴演示

葳葳书写

六、写在最后的话

      本次项目我也是第一次完成一个完整的受助方服务流程受助者参访——采集数据——设计思维——3D设计——3D打印制造——受助方反馈——产品迭代——最终产出，总体上是一次非常好的体验，不仅仅是因为这是一个很有意义的志愿活动，与此同时我也从很多专家/同学身上也学到了新的知识与技能，受益良多。在这个期间，感触最深的就是最终看似简单的设计，却不是那么轻松就可以完成的，需要和受助方不断地交流，经过数次的产品更新与迭代，甚至还要推翻设计重新再造，直至最后才能达到一个双方都满意的结果。

        很多人说3D打印只能打印玩具和一些没用的小东西~ 对此我是很不认同的，我认为3D打印只是大家还没有习惯去使用它，等到成功的案例足够多了，大家都喜欢使用它了，它的影响足够大了，自然就会变得“有用”。最后也希望有更多的有志之士能加入我们，通过更多的3D打印案例与故事分享给大家！