【AMF论文推荐】浙江大学谭建荣院士团队：考虑关节生物力学的增材制造人体工学产品定制设计

引用论文

Jinghua Xu, Zhengxin Tu, Shuyou Zhang, Jianrong Tan, Guanyun Wang. Customized Design for Ergonomic Products via Additive Manufacturing Considering Joint Biomechanics. Chinese Journal of Mechanical Engineering: Additive Manufacturing Frontiers, Volume 2, Issue 3, 2023, 100085, ISSN 2772-6657.

https://doi.org/10.1016/j.cjmeam.2023.100085.

文章链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2772665723000247

1研究背景及目的

根据WTO统计，全球各类失能人口已超过10亿，失能率不断上升，导致对康复和个性化服务需求的不断增长。人体工学产品的定制设计充分利用生物力学等知识，结合计算机辅助设计和增材制造技术，以科学方式契合个体用户的需求。

2论文亮点

（1）提出了一种考虑关节生物力学的增材制造人体工程学产品定制设计方法。

（2）定制产品具有轻量化的可变多孔结构。定制鞋垫可完全贴合足底，从而降低峰值足底压力。

（3）在物理制造前用数字孪生技术对概念设计原型进行评估。

Fig. 1The original insole, where (a) and (b) represent different views

3试验方法

根据基于邻域拓扑的图像重建方法和解剖学知识对人体足部结构进行三维重建，并通过测量足底压力进行静动态生物力学分析。采用梯度多孔结构作为基元，通过自适应生成结构参数以满足功能、舒适性等指标，有效均衡不同足部区域的压差。在可视化数字孪生技术的驱动下，借助增材制造将概念原型变为物理实物。

Fig. 2Virtual 3D printing of the all-in-one shoes via visual digital twins

4结果

鞋垫表面与足底完全贴合，内部定制结构可以提供最佳的减震和力分布。均质鞋垫和定制鞋垫的最大峰值等效应力分别为2.2123MPa和1.8373MPa，后者可降低16.95%。在可视数字孪生技术的驱动下利用立体光刻技术制造，构建层厚可精细至小于0.1mm，提升分层制造人体工学实物的贴肤性。

Fig. 3The optical micrograph of the insole surface: (a), (b) and (c), (d) represent two surfaces of manufacturing layers

5结论

提出了一种考虑关节生物力学的增材制造人体工程学产品定制设计方法，通过评估个体运动学、生物力学特性和需求，根据功能、舒适性等指标反馈，优化产品在复杂约束条件下的性能参数，实现轻量化的可变多孔度的流形结构。可视数字孪生技术可增强概念设计的灵感激发与原型评估能力，为大规模元宇宙级分层制造模拟奠定基础。

6前景与应用

人体工学定制产品可以满足个体的身体形态和需求，提高舒适度和人文关怀。研究成果可用于改善康复过程，特别是针对运动障碍、关节失能或创伤后康复，提供快速响应需求的解决方案。

关于团队

团队带头人

谭建荣，中国工程院院士，浙江大学求是特聘教授、博士生导师。现任浙江大学设计工程及自动化系主任、浙江大学流体动力与机电系统国家重点实验室学术委员会副主任、浙江大学CAD&CG国家重点实验室学术委员会委员，兼任中国图学学会名誉理事长、教育部工程图学教学指导委员会主任。先后获首届“国家杰出青年科学基金”、“中青年图形科技跨世纪人才”、国务院政府特殊津贴、“浙江省重点学科带头人”、“浙江省‘151’人才工程第一层次”、“浙江省新世纪重点培养人才”、国家863计划自动化领域CIMS主题设计自动化专题专家、国家“百千万人才第一二层次”、“科技部十五863先进个人”、“科技部十一五国家科技计划执行突出贡献奖”等荣誉和称号。提出了多品种大批量定制设计技术、多性能数字化样机设计技术和多参数分析与匹配设计技术，研究成果获国家技术发明二等奖和国家科技进步二等奖5项，省部级科技进步一等奖7项，教学成果获国家级优秀教学成果奖3项，其中一等奖1项，二等奖2项。将提出的技术固化在软件中，开发并获得计算机软件著作登记权12项。

张树有，浙江大学求是特聘教授，博士生导师。现任浙江大学设计工程研究所所长。主要从事产品数字化设计、复杂装备智能设计与仿真分析、计算机图形学、机器视觉技术等研究工作。美国加州大学Davis分校访问学者。获浙江省青年科技人才培养基金（杰出青年）项目。作为项目负责人承担国家重大科技专项课题、国家自然科学基金项目、国家科技支撑项目课题、国家863计划项目等10多项，省部级重大重点科研项目6项、企业合作开发项目20多项。获国家科技进步二等奖2项，浙江省科技进步一等奖4项，教育部自然科学一等奖、科技进步一等奖各1项。国家级优秀教学成果一等奖、二等奖各1项，全国高校优秀教材一等奖1项。在国内外学术期刊发表SCI/EI收录论文160篇，出版学术专著与教材5本。获授权国家发明专利21项、软件著作权45项。入选浙江省“新世纪151人才工程”第一层次、重点资助，获“浙江省有突出贡献中青年专家”称号，享受国务院政府特殊津贴。

作者介绍

徐敬华（第一作者），浙江大学副教授，博士生导师。主要研究方向为机械设计理论与方法，细分研究领域包括：复杂装备数字样机性能强化设计、流体传热传质多尺度仿真与优化、计算机几何学与医学3D打印设计。以第一作者在TOP期刊（中科院SCI分区）等国内外学术期刊发表SCI/EI论文20余篇，出版专著3部。主持或参与完成国家“973”计划项目，数控重大专项，国家“863”计划项目，国家自然科学基金，浙江省自然科学基金，浙江省重大科技攻关等科研项目多项。研究成果在超大型空气分离成套装备、高效换热装备、精密数控机床、复杂注塑装备等国家重大装备首台(套)设计制造中得到成功应用，获得国家科技进步二等奖1项、浙江省科技进步一等奖1项。

团队研究方向

浙江大学设计工程研究所团队主要开展产品及工艺工装数字化智能化设计、创新设计方法及典型应用、“互联网+”产品定制设计与软件开发、工业机器人及其应用、数字孪生与数字样机、机器视觉与图形图像分析等方向的研究工作。

近年团队发表文章

[1] 谭建荣, 高铭宇, 徐敬华*, 王林轩, 贾晨, 张树有, 王康. 数智化正向设计方法及其在制造装备与过程中的应用, 机械工程学报, 2023, 59(19): 111-125. https://doi.org/10.3901/JME.2023.19.111

[2] Shuyou Zhang, Jinghua Xu*, Huawei Gou, Jianrong Tan. A research review on the key technologies of intelligent design for customized products. Engineering, 2017, 3(5): 631-640. https://doi.org/10.1016/J.ENG.2017.04.005

[3] Xu Jinghua, Gao Mingyu, Feng Xueqing, Su Zhen, Wang Kang , Zhang Shuyou, Tan Jianrong*. Support diminution design for layered manufacturing of manifold surface based on variable orientation tracking. 3D Printing and Additive Manufacturing, 2021, 8(3):149-167. (Cover Paper). https://doi.org/10.1089/3dp.2020.0203

[4] Jinghua XU, Mingyu GAO, Xueqing FENG, Zhengxin TU, Shuyou ZHANG*, Jianrong TAN, et al. Dexterity distribution design for attitude adjustment of multi-joint robotics based on singularity-free workspace decomposition. Mechanics Based Design of Structures and Machines, 2023. https://doi.org/10.1080/15397734.2022.2162541

[5] Jinghua XU, Mingzhe TAO, Mingyu GAO, Shuyou ZHANG, Jianrong TAN, Jingxuan XU, Kang WANG*. Assembly precision design for parallel robotic platform based on uncertain hybrid tolerance allocation. Robotic Intelligence and Automation, 2023. https://doi.org/10.1108/RIA-10-2022-0254

[6] Jinghua XU, Kunqian LIU, Linxuan WANG, Hongshuai GUO, Jiangtao ZHAN*, Xiaojian LIU*, Shuyou ZHANG, Jianrong TAN. Robustness optimization for rapid prototyping of functional artifacts based on visualized computing digital twins. Visual Computing for Industry, Biomedicine, and Art, 2023. https://doi.org/10.1186/s42492-023-00131-w

[7] Jinghua XU*, Linxuan WANG, Shuyou ZHANG, Jianrong TAN. Predictive defects detection for prototype additive manufacturing based on multi-layer susceptibility discrimination. Advances in Manufacturing, 2023. https://doi.org/10.1007/s40436-023-00446-0

[8] Jinghua XU*, Linxuan WANG, Shuyou ZHANG, Jianrong TAN. In-situ monitoring for numerical controlled manufacturing of large conceptual prototype based on multi-view stitching fusion. International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2023. https://doi.org/10.1007/s00170-023-12053-1

[9] Jinghua XU, Linxuan WANG, Mingyu GAO, Jiangtao ZHAN*, Shuyou ZHANG, Jianrong TAN, Shaomei FEI. Heuristic evaluation for progressive additive manufacturing of industrial bending tubes based on reconfigurable transfer learning. Progress in Additive Manufacturing, 2023. https://doi.org/10.1007/s40964-023-00495-8

[10] XU Jinghua, WANG Kang, SHENG Hongsheng, GAO Mingyu, ZHANG Shuyou*, TAN Jianrong. Energy efficiency optimization for ecological 3D printing based on adaptive multi-layer customization. Journal of Cleaner Production, 2019, 245(1):1-19. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2019.118826

[11] XU Jinghua, GAO Mingyu, ZHAN Jiangtao, WANG Kang*, ZHANG Shuyou*, TAN Jianrong. Towards support-free design for 3D printing of thin-walled composite based on stratified manufacturability reinforcement. CIRP Journal of Manufacturing Science and Technology, 2022, 38: 457–472. https://doi.org/10.1016/j.cirpj.2022.05.017

[12] Jinghua Xu, Hongsheng Sheng, Jiangtao Zhan, Shuyou Zhang*, Jianrong Tan. Assembly-free design for additive manufacturing of articulated components based on layered precision assignment. International Journal of Computer Integrated Manufacturing, 2022, 35(9): 909-926. https://doi.org/10.1080/0951192X.2022.2027018

[13] XU Jinghua, LIU, Kunqian, LIU, Zhi, ZHANG, Fuqiang, Zhang, Shuyou, TAN, Jianrong*. Electrothermal response optimization of nozzle structure for multi-material rapid prototyping based on fuzzy adaptive control. Rapid Prototyping Journal, 2022, 28 (6): 1168-1181. https://doi.org/10.1108/RPJ-12-2020-0313

[14] Jinghua Xu, Mingzhe Tao, Shuyou Zhang*, Jianrong Tan, et al. Non-rigid registration of biomedical image for radiotherapy based on adaptive feature density flow. Biomedical Signal Processing and Control, 2021, 68:1-16. https://doi.org/10.1016/j.bspc.2021.102691

[15] Jinghua Xu, Kang Wang, Mingyu Gao, Zhengxin Tu, Shuyou Zhang*, Jianrong Tan. Biomechanical performance design of joint prosthesis for medical rehabilitation via generative structure optimization. Computer Methods in Biomechanics and Biomedical Engineering, 2020, 23(15):1163-1179. https://doi.org/10.1080/10255842.2020.1789970

[16] Jing-Hua Xu*, Zheng-Xin Tu, Jing-Xuan Xu, Shu-You Zhang*, Jian-Rong Tan. Biomechanical strengthening design for limb articulation based on reconstructed skeleton kinesthetics. Journal of Medical and Biological Engineering, 2021, 41(5):715-729. https://doi.org/10.1007/s40846-021-00645-9

[17] 徐敬华, 盛红升, 高铭宇, 张树有*, 刘晓健, 谭建荣. 基于环形邻域的增材制造分层自适应正向设计方法. 计算机集成制造系统, 2023, 29(7): 2363-2375. https://doi.org/10.13196/j.cims.2023.07.019

[18] 徐敬华，高铭宇，苟华伟，张树有* ，谭建荣. 基于非规则分块压缩的3D 打印稀疏矩阵存储与重构方法，计算机学报, 2020,43(11):2203-2215. https://doi.org/10.11897/SP.J.1016.2020.02203

[19] 徐敬华，任新华，陈前勇，张树有*，谭建荣. 基于双倾斜度概率的流形模型3D打印层切优化方法. 机械工程学报, 2019, 55 (13): 129-143. https://doi.org/10.3901/JME.2019.13.129

[20] 徐敬华, 盛红升, 张树有*, 郭洪帅, 王康. 基于邻接拓扑的流形网格模型层切多连通域构建方法. 计算机辅助设计与图形学学报, 2018, 30(1): 180-190. https://doi.org/10.3724/SP.J.1089.2018.16132

期刊简介：

期刊主页：

https://www.sciencedirect.com/journal/chinese-journal-of-mechanical-engineering-additive-manufacturing-frontiers

投稿网址：

https://www.editorialmanager.com/cjmeamf/default.aspx

作 者：徐敬华

责任编辑：李 娜

责任校对： 金 程

审 核： 张 强

JME学院简介

JME学院是由《机械工程学报》编辑部2018年创建，以关注、陪伴青年学者成长为宗旨，努力探索学术传播服务新模式。首任院长是中国机械工程学会监事会监事长、《机械工程学报》中英文两刊主编宋天虎。

欢迎各位老师扫码添加小助理-暖暖为好友，由小助理拉入JME学院官方群！

欢迎关注JME学院视频号~

寻觅合作伙伴

有一种合作叫做真诚，有一种发展可以无限，有一种伙伴可以互利共赢，愿我们合作起来流连忘返，发展起来前景可观。关于论文推荐、团队介绍、图书出版、学术直播、招聘信息、会议推广等，请与我们联系。

感谢关注我们！我们《机械工程学报》编辑部将努力为您打造一个有态度、有深度、有温度的学术媒体！

版权声明：

来源：AMF增材制造前沿。

特别声明：本微信转载文章出于非商业性的教育和科研目的，如转载稿涉及版权等问题，请立即联系我们，我们会予以更改或删除相关文章，保证您的权益。

微信投稿、转载等：

联系人：暖暖

电话：010-88379909

E-mail：jme@cmes.org

网 址：http://www.cjmenet.com.cn

官方微信号：jmewechat