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作者:王坤池(2004-03-03);推薦:徐業良(2005-02-16)

3D釋壓座墊快速成型系統之研發」計畫書

中文摘要

許多人因工作或生病需要長時間坐在椅子上,如座墊壓力不當,除造成不適外,甚至會造成臀部組織變形,使得微血管與淋巴管阻塞,導致組織潰瘍壞死或產生壓瘡。本計畫合作廠商世大化成公司主要產品即為利用釋壓感溫泡棉材質(memory foam)所發展的易眠床∕枕-37®釋壓床墊、枕頭等系列,希望能平均釋放坐、臥時對人體產生之壓力。

本計畫研究主要目的在開發一套3D量測及模型建構系統,配合使用CNC泡棉切削機器,以世大化成公司生產之記憶泡棉為材質,能快速訂作、製造符合個人臀部壓力的減壓座墊。此系統將包含壓力量測、3D模型建構系統、釋壓曲面修正程式、以及CNC泡棉切削系統等,希望能提供世大化成完整、可供客製化商品量測、生產利用之機台,對每個壓瘡患者或一般顧客,都能量測、製造最適當而舒適的釋壓座墊。

關鍵詞:壓力量測、釋壓、座墊、泡棉切削

英文摘要

Many people rest on a bony area for a prolonged period of time. The extended pressure leads to a pressure sore. A pressure sore is an area of the skin or underlying tissue that is dead or dying as a result of the loss of blood flow to the area. The major product of SEDA Chemical Products Co., Ltd. Is the memory foam which aims to prevent pressure sores.

The main purpose of this research is to develop a rapid prototyping system for 3D pressure released cushion based on the memory foam produced by SEDA Chemical Products Co., Ltd. Our core objective is to provides practical device for SEDA, which can measure the pressure while seating, and custom made a 3D cushion that give user an even pressure distribution to achieve comfort support and pressure relief. Helps user relax and keep a comfortable posture.

Keywords: pressure sore, pressure ulcer, pressure measure, pressure distribution, cushion, memory foam

1.     研究背景與目的

許多人因工作或生病需要長時間坐在椅子上,座椅形狀如設計不當常會造成不適,甚至於使得臀部受傷或產生壓瘡。壓瘡常發生於與支撐平面接觸的骨頭突出處之皮膚,常見的位置有尾椎、大腿外側、腳跟、坐骨及頭枕部,而壓瘡產生的最根本原因則是起源於過大的壓力、剪力,以及摩擦力。長時間久坐形成的不當的介面壓力易造成組織變形,使得微血管與淋巴管阻塞導致組織潰瘍壞死。而一般對於壓瘡的防治,目前仍採用傳統的醫護方式處理:如攝取足夠的營養、保持皮膚柔潤、預防皮膚潮溼、促進皮膚的血液循環等。如使用合適的座墊不但乘座舒適並可控制座坐姿、減低皮膚疾病如褥瘡的產生。

世大化成股份有限公司多年來致力於提升生活品質為服務目標,除了原本在PU成品、半成品、PU原料販售等傳統泡棉製造業之外,設有易眠工學實驗室、研發部門與品管部門,擁有Big Mat sensor sheet系統進行生物力學分析(如圖1所示),擁有充分研究資源與實驗設備,致力於維持高品質、穩定的產品生產製程、新技術發展、新材質與新產品發展等研發工作。並與元智大學合作參預了九十一年度國科會提升工業技術與人才培育計畫“睡眠監測與評估系統設計”,以及九十二年度國科會提升工業技術與人才培育計畫“睡眠監測與品質評估系統—網際資料架構建立與商品化準備”兩大計劃,不但成功的結合網際網路資料傳輸技術,更與該公司現有產品「易眠枕∕墊系列」結合,成為一完整之提升睡眠品質科技產品。在成功的合作經驗後,世大化成股份有限公司再進一步擴大服務對象,針對目前還無法有效防治的壓瘡,結合本身企業的專業泡棉製造能力,希望能推出特製的座墊,同時採用客製化的系統,針對每個壓瘡患者或坐姿不良患者,都能給予最適當的釋壓座墊,以降低患者負擔,造福更多人群。

1. Big Mat sensor sheet. [世大化成易棉工學實驗室提供]

本研究主要目的在開發一套3D量測及模型建構系統,配合使用CNC泡棉切削機器,以世大化成公司生產之記憶泡棉為材質,製造符合個人臀部壓力的減壓座墊。其坐墊的設計規範為坐墊外形儘量接近人體臀部軟組織的外形,而且選擇一較適當的坐墊材質使其能夠發揮最大接觸面積而獲得最小接觸壓力及變形。此系統將包含壓力曲線量測、3D模型建構系統、釋壓曲線修正程式以及CNC泡棉切削系統等。開發以提供世大化成公司實用性商品為目標,提供高效率的製造過程,並製造低花費、高效益之完整設計機台。

2.     研究方法與執行進度

本計畫分將為三個階段進行,計劃流程圖如圖2所示。第一階段包含醫療相關文獻探討、評估國內外現有技術、專利搜尋、市場現況以及未來發展趨勢。經由評估現有產品以及創新的設計作為日後設計上的重點。

第二階段在設計一量測系統,可準確量測個人臀部於座墊上壓力分布狀況,並建立一套訊號擷取系統以及轉換系統,將壓力分佈圖轉為適當的臀型3D圖。加以有限元分析其結構應力及設計之合理性,藉以瞭解座墊分散應力效果,並驗證有限元模擬分析的合理性。最後再加入適當最佳化參數修正後,即可設計出適應個別臀部輪廓且可以降低壓力的座墊。

第三階段為機台整合及製造系統開發,配合使用CNC切削機器以製造符合個人臀部輪廓的減壓座墊,並且具有低成本以及快速生產等優點的完整機台。故此系統最後將包括量測臀部介面壓力系統、訊號擷取及轉換系統、電腦3D模型建構系統以及CNC切削系統等多個子系統。

2. 計畫流程圖

(1)   相關文獻與專利探討

文獻上有多種的方法來量測臀形的輪廓,McGovern168根長12”直徑1/8”平行並排的不鏽鋼尺由兩條鋁製的導桿支撐,每一個不鏽鋼尺皆可獨立移動如圖3,每一次所量得的深度距離在厚1/2”1”的平面坐墊上切削出來,最後一片片的切削坐墊組合起來如圖4[Webster, 1991]

3. 臀形量測系統

4. 臀形量測切削結果

另外一種方式Hassart以製作模具的觀念在一塑膠套內裝入無數的塑膠小粒,袋子的出口連接一空氣幫浦。當受測者乘坐時隨即將袋內的空氣抽出,於是一個臀形的母模完成。將溼的石灰布貼在母模上等待硬化形成公模,再將液態的發泡溶液倒入公模中等待其固化一泡棉坐墊於是完成[Webster, 1991]

Chung [1987]有另外一種的臀形量測設計如圖5圖所示,受測者坐在坐墊上因坐墊變形帶動Sliding tube向下滑動進而推動線性位移計(sliding potentiometer),線性位移計將位移轉換成為電壓的變化輸出,經由類比數位的轉換元件將類比電壓轉換成為數位電壓透過電壓位移方程式將線性位移計的位移計算出來並儲存在電子媒體中。

5. 臀形量測器示意圖

黃智明【2002】採用線性可變電阻電位計作為感測器,電阻值依據滑桿位置的改變而有所不同,在定電壓情況下,藉由位移量的改變造成阻抗分壓。輸出不同電壓值變化,由統計回歸出位移電壓線性關係方程式,得知位移量的改變。位移感測器的組成由線性電位和導桿、吸盤所組成,如圖6所示。四個感測器組成為一個模組,方便產生故障時抽換。考量到平面感測的解析度以及電腦數值座標內差的效果。設定感測器之間的距離為1.5”,臀形輪廓感測器尺寸排列成矩陣形式。臀形量測系統的長寬為椅寬、椅深調整範圍的最大值。最前排感測器距椅面前緣以及左右邊緣2公分,成人臀形量測系統感測器排列形式為12×12,小孩為8×8。最後泡棉切削機具設計上為一改良式龍門型結構銑床,坐墊製造時泡綿固定不動由切削刀具作三軸向切削,圖7為切削機近照。切削刀具以鋼絲集束固定成為蕈狀,相當於無數個小刀片安裝在半球體表面,以達成切削表面平順、不論順銑以及逆銑皆可維持一定切削能力,如圖8所示。

6. 位移感測器

7. 適型坐墊切削系統

8. 切削刀具

吳壽嚴2002】使用143根位移計作為量測工具,機構示意圖如圖9所示。實際配合多工器及A/D轉換,由電腦呈現3D曲線圖,並直接改良CNC機具作為最後泡棉切削工具。實際量測系統成品如圖10所示。

9. 機構示意圖

10. 量測系統成品

國內其他研究尚有羅世忠【1993使用統計分析的變數分析法,分析量測介面壓力系統及量測臀部輪廓系統。江忠鍵1995採用臨床評估方式,探討壓力墊及臀部輪廓量測系統之間的關係,驗證有限元素模型之有效性,以及座墊材質對界面壓力之影響。林家賢2000使用361個可調整圓柱,透過有限元素法分析,來製作椅墊,而新設計的椅墊可降低壓力15~22KPa,確實達到減壓之效果。

為了解臀型測量機構相關技術點,進行一簡單之國內專利搜尋,背景設定如表1,經過當篩選處理,找出對於釋壓適形座墊設計與製作機台相關的專利料,建立專利料摘要表進行分析如表2、表3、表4與表5

1. 專利分析背景設定

搜尋公司

不限

搜尋地區

不限

搜尋年份

~2002

搜尋語言

中文

資料庫名稱

中華民國專利公報資料庫

關鍵字

坐墊、座墊、壓力

2. 專利分析摘要表

專利號碼

260952

國際專利分類

A61B5/103

摘要表編號

001

申請日

19950117

專利名稱

可測量貼身座墊曲線之測量椅

申請人

周有禮、鍾高基

公開日

19951021

技術分類

新型

分析人員

王坤池

 

 

分析日期

2004/03/07

專利目的:一種可測量貼身座墊曲線之測量椅

達成效果:量測儀主要係可針對承受壓力時之軟質表面進行立體之量測

技術手段:

量裝置係於兩水平板及泡棉墊中設有若干數量可對合之孔,兩水平板中設置有若干適當高度之支承桿加以撐持,電位計設於滑動軸側適當處,滑動軸上設有卡合塊可卡固電位計上之訊號量測端柄,形成訊號測量端柄可隨著滑動軸之位移產生同時移動,以測量出人體臀部輪廓曲線。

可以測量裝置架設於靠背墊上,形成可同時測量人體臀部曲線及人體背部弧形曲線之測量裝置。

第一圖:整體外觀之側視圖

3. 專利分析摘要表

專利號碼

287946

國際專利分類

A61B5/107

摘要表編號

002

申請日

19950117

專利名稱

貼身座墊曲線之測量方法

申請人

周有禮、鍾高基

公開日

19961011

技術分類

發明

分析人員

王坤池

 

 

分析日期

2004/03/07

專利目的:一種貼身座墊曲線之測量方法

達成效果: 該方法係由可調式測量椅中之測量裝置測出人體臀部之曲線輪廓資料

技術手段:

建立測量裝置中電位計的電位變化資料,得到各個電位計的移動距離與電壓關係之資料庫。類比電位訊號經由類比/數位轉換器(A/D)轉換為數位訊號傳入電腦,將資料用片段連續法連接,可在電腦上看出臀部輪廓的三維(3D)立體圖。透過串列通訊埠(RS232)界面進行資料傳輸,將資料傳送到電腦數值控制器(CNC控制器),再行貼身座墊之切削。

第二圖:可調式測量椅中之測量裝置局部視圖

4. 專利分析摘要表

專利號碼

493744

國際專利分類

G01L17/00

摘要表編號

003

申請日

20010601

專利名稱

三維承壓表面量測儀結構

申請人

漢翔航空工業股份有限公司

公開日

20020701

技術分類

新型

分析人員

王坤池

 

 

分析日期

2004/03/07

專利目的:一種三維承壓表面量測儀結構

達成效果:量測儀主要係可針對承受壓力時之軟質表面進行立體之量測

技術手段:

量測桿於殼體內部各連設有一感測器,而於量測桿上另設有一提供量測桿支撐彈力之彈性支撐元件,使量測桿具有一定之支撐預力者。彈性支撐元件係成氣囊狀之形態,而於其氣囊內另分佈有雷射式之感測器,直接以雷射光之掃描方式,量測出各點之高度值者。量測桿係於頂部設有圓球狀之頂持件,以供與被量測物表面接觸者。

感測器可為一高度感測器,高度感測器則與電路板架接成一體,並使同電路板上之各感測器,可直接將感測高度之訊號集中送入後端處理器中,進行高度分析以及換算壓力之分析,並於處理器中直接形成3D立體圖像者。.

第一圖:局部立體外觀示意圖。

第二圖:立體外觀示意圖。

第三圖:剖面示意圖。

第六圖:壓力調整裝置剖面示意圖。

5. 專利分析摘要表

專利號碼

514252

國際專利分類

G01L17/00

摘要表編號

004

申請日

20011204

專利名稱

均壓式三維承壓表面量測儀結構

申請人

漢翔航空工業股份有限公司

公開日

20021211

技術分類

新型

分析人員

王坤池

 

 

分析日期

2004/03/07

專利目的:一種均壓式維承壓表面量測儀結構

達成效果:使用多數量測桿配合高度感測器進行表面量測

技術手段:

一種均壓式維承壓表面量測儀結構,其中,量測儀包括:殼體內架設多數量測桿,量測桿連動有高度感測器,並配合提供量測桿支撐彈力之連通支撐體,而量測桿係頂部設有頂持件,高度感測器中伸出轉接件,轉接件伸出高度感測器之端部與量測桿桿體套接,高度感測器則連接後端處理器;

其特徵係在於:

連通支撐體係為封閉空間之結構形態,量測桿伸內連通支撐體內之桿體上設置有承壓體;連通支撐體底部設側向穿孔連通啣接連通管體,使整體各連通支撐體經由連通管體形成壓力相通之連通系統者。

第一圖:立體外觀示意圖。

第二圖:局部系統分解圖。

第三圖:剖面示意圖。

由上述相關文獻資料及相關專利資料分析加入創新的設計元素,可以歸納整理出以下四點設計思考:

(1)   感測方式採用壓力量測,而不用臀形輪廓量測。

(2)   建立壓力輪廓轉換系統。

(3)   使用演算法修正3D模型輪廓,以確保可以達到最佳化減壓之功能。

(4)   採用現有CNC機台較為方便,加工刀具需加以試驗期性能,夾具必要時需訂製。


(2)本機台設計概念

本機台整體設計及示意圖如圖11所示;待測者坐於量測墊後,可配合軟體操作,得到受測者即時臀部壓力分布圖同時儲存相關重要資訊,將前端擷取到的數值配合數學演算法及模型建構系統產生最終適形座墊3D模型圖,配合CAD/CAM整合系統,而後將所需輪廓圖形傳送給CNC泡棉切割機器切割出適型座墊。

11. 系統示意圖

系統主要將分為三個子系統,分別描述如下:

l          壓力量測子系統

不同於其他設計者所採用的輪廓量測方式,而採用壓力墊為主要量測工具,可有效量測臀部受壓情形,並針對壓力釋放的方式來設計,降低壓力集中現象,確實達到釋壓效果。

l          3D模型建構子系統

透過程式將數據轉換為3D模型圖,並使用演算法修正3D模型輪廓,反覆迭代,以確保可以達到最佳化減壓之功能。

l          CNC切削子系統

以現有CNC機台加以修改,使其可以切削泡棉。初步測試結果已知其中刀具的選用、轉速以及切削進刀路徑等三個因素是主要影響切削品質的關鍵。經測試後,完整機台將包含多組參數的設定,以符合多種泡棉。

本計畫執行步驟如圖2計畫流程圖所示,第一階段(6~7月)將進行相關文獻與技術的研讀與分析,第二階段(8~12月)進行壓力量測技術開發、訊號擷取及轉換系統系統開發以及電腦3D模型建構系統開發,第三階段(1~5月)進行CNC切削系統開發、系統整合、測試以及完成研究報告。

3.     研究預期成果

本年度所提出的“3D釋壓座墊快速成型系統之研發”,繼續與世大化成股份有限公司合作,計畫的主要兩個目標為建立一快速量測個人臀部壓力系統以及適形座墊製作兩個層面。希望藉由本計畫所設計的系統可以提供壓瘡患者合適的醫療輔具,再更進一步商品化,將適形座墊推廣,成為提高生活品質的科技產品。預期本計畫的研究成果,可以推廣於臨床上、一般家庭與高齡者照護使用,在生理學研究與臨床醫學診斷上均能有實質的貢獻。

第一階段預期成果:

(1)      完成壓力量測系統

(2)      電腦3D模型建構系統

第二階段預期成果:

(1)      CNC切削系統整合

(2)      釋壓座墊切削測試報告

(3)      多樣本及產品化包裝測試報告

參考資料

Webster, J. G., 1991, “Prevention Of Pressure Sores Engineering And Clinical Aspects The Adam Hilger Series On Biomedical Engineering”, ISBN: 075030099X.

Chung, K. C., 1987, “Tissue Contour And Interface Pressure On Wheelchair Cushion”, Ph D Dissertation, University of Virginia.

黃智明,2002,“坐姿擺位支撐對重度腦性麻痺患者肌肉張力之影響”,成功大學醫學工程研究所碩士論文。

吳壽嚴,2002,“重度傷殘 3D 適形座墊量測系統之研製”,逢甲大學自動控制工程所碩士論文。

羅世忠,1993,“人體坐姿與坐椅介面間之生物力學分析”,成功大學醫學工程研究所碩士論文。

江忠鍵,1995,“有限元素法分析人體坐姿時臀部和座墊之應力分佈”,成功大學醫學工程研究所碩士論文。

林家賢,2000,“新型輪椅座墊之設計與有限元分析”,國立中正大學機械工程研究所碩士論文。