中醫(yī)正骨機(jī)器人的實(shí)體建模和仿真分析

1、中醫(yī)正骨機(jī)器人的實(shí)體建模及仿真分析摘要本文通過(guò)Inventor仿真軟件對(duì)正骨過(guò)程所需要的參數(shù)安全系 數(shù)、位移、牽引力、等效應(yīng)變、接觸應(yīng)力等參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，用以輔助 機(jī)器人的正骨工作。本文還闡述了中醫(yī)正骨機(jī)器人針對(duì)于肱骨外科頸 骨折手法的應(yīng)用、撓骨遠(yuǎn)端關(guān)節(jié)內(nèi)骨折手法復(fù)位、股骨干骨折手法復(fù) 位、脛腓骨骨折手法復(fù)位法四種正骨的具體應(yīng)用過(guò)程，詳細(xì)地說(shuō)明了 中醫(yī)正骨機(jī)器人在正骨中的應(yīng)用。綜上所述，通過(guò)上述的分析與設(shè)計(jì)及仿真研究可知中醫(yī)正骨機(jī)械 手滿足實(shí)際正骨操作時(shí)的要求，同時(shí)具備設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、操作方便、體積 輕便、安全系數(shù)高等特點(diǎn)。關(guān)鍵詞：Inventor ；實(shí)體建模；仿真分析；中醫(yī)正骨一、Inventor

2、簡(jiǎn)介Inventor是一款三維可視化實(shí)體模擬軟件Autodesk Inventor Professional (AIP)。它是由美國(guó) AutoDesk 公司推出 的。它融合了三維參數(shù)化特征和自適應(yīng)技術(shù)，并具有獨(dú)特的用戶 界面。Autodesk Inventor Professional的功能極為豐富，包 括基于AutoCAD平臺(tái)開發(fā)的二維機(jī)械制圖和詳圖軟件AutoCAD Mechanical；加入了 ANSYS技術(shù)支持的FEA功能，可以直接在 Autodesk Inventor軟件中進(jìn)行應(yīng)力分析；加入了 PCB IDF文件 輸入的專業(yè)功能模塊及用于纜線和束線設(shè)計(jì)、管道設(shè)計(jì)等，可以 在Autod

3、esk Inventor軟件中進(jìn)行應(yīng)力分析。在此基礎(chǔ)上，集成 的數(shù)據(jù)管理軟件Autodesk Vault-用于安全地管理進(jìn)展中的設(shè)計(jì) 數(shù)據(jù)。二、Inventor運(yùn)動(dòng)仿真的意義運(yùn)動(dòng)仿真的意義借助Autodesk Inventor professional的 運(yùn)動(dòng)仿真功能，用戶能了解所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品在實(shí)際環(huán)境下如何工 作，這樣降低建設(shè)樣機(jī)上的相關(guān)費(fèi)用。用戶還可以根據(jù)實(shí)際工況 添加運(yùn)動(dòng)約束，摩擦特性和載荷，然后通過(guò)運(yùn)動(dòng)仿真功能進(jìn)行驗(yàn) 證設(shè)計(jì)。借助于應(yīng)力分析模塊的無(wú)縫集成，可將工況傳遞到某 一個(gè)零件上，來(lái)對(duì)零件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過(guò)仿真機(jī)械傳動(dòng)和電動(dòng)部件的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)保證用戶的設(shè)計(jì)有 效，也會(huì)減少制造物理樣機(jī)的成本

4、。可以檢測(cè)到機(jī)械結(jié)構(gòu)中每個(gè) 零部件的運(yùn)動(dòng)速度.加速度和位置計(jì)算，以便于我們傳動(dòng)裝置的 尺寸。三、基于Inventor的中醫(yī)正骨機(jī)器人的三維建模（一）機(jī)座的三維建模機(jī)座是由電機(jī)、絲杠、光杠組成。絲杠的長(zhǎng)度取165cm,光 杠的長(zhǎng)度取165cm。三維參數(shù)化建模如下：圖1-1基座的三維結(jié)構(gòu)示意圖（二）機(jī)械手臂的三維建模1、機(jī)械臂肩部底座的三維建模機(jī)械手底座的主要用來(lái)支撐整個(gè)機(jī)械臂。它和大臂構(gòu)成機(jī)械 手的第一個(gè)關(guān)節(jié)-肩關(guān)節(jié)。故底座要有足夠的強(qiáng)度，故底座的外 徑 d=300mm,底座的高 h=400mm。2、機(jī)械手大臂三維建模大臂通過(guò)肩部關(guān)節(jié)和肩部底座形成串聯(lián)關(guān)系，用肘部關(guān)節(jié)與 小臂相串聯(lián)。大臂的有效長(zhǎng)

5、度d=300mm，外殼直徑d=200mm。圖1-2大臂上的大齒輪三維結(jié)構(gòu)示意圖3、小臂的三維建模小臂和大臂依靠肘部聯(lián)接，同時(shí)又依靠腕關(guān)節(jié)與機(jī)械手腕部 相聯(lián)接。小臂的直徑d=20mm,長(zhǎng)度d=240mm。4、腕部的三維建模機(jī)械手腕部和小臂依靠腕關(guān)節(jié)相連，手部的總長(zhǎng)度為200mm。 考慮到手腕的形狀應(yīng)該跟隨人體患肢相適應(yīng)，所以將手腕設(shè)計(jì)成 一定的弧度，并且通過(guò)兩瓣手之間的彈簧來(lái)控制手部的開合。其 三維建模如下：5、肩關(guān)節(jié)的三維設(shè)計(jì)肩關(guān)節(jié)是由大臂和底座聯(lián)接關(guān)節(jié)，主要實(shí)現(xiàn)機(jī)械手臂第一級(jí) 的轉(zhuǎn)動(dòng)。肩關(guān)節(jié)主要有兩級(jí)齒輪傳動(dòng)，依靠電機(jī)帶動(dòng)小齒輪，再 有小齒輪帶動(dòng)大齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從而完成大臂繞底座轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而幫助

6、機(jī)械手臂抓取患肢或者轉(zhuǎn)動(dòng)患肢。肩關(guān)節(jié)三維圖如下：6、肘關(guān)節(jié)的三維設(shè)計(jì)肘關(guān)節(jié)是由大臂和小臂的聯(lián)接關(guān)節(jié)，主要實(shí)現(xiàn)機(jī)械手臂第二 級(jí)的轉(zhuǎn)動(dòng)。肘關(guān)節(jié)主要有兩級(jí)齒輪傳動(dòng)，依靠電機(jī)帶動(dòng)小齒輪， 再有小齒輪帶動(dòng)大齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從而完成小臂繞大臂轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而幫 助機(jī)械手臂抓取患肢或者轉(zhuǎn)動(dòng)患肢。為了設(shè)計(jì)制造方便，肘關(guān)節(jié) 采取和肩關(guān)節(jié)一樣的傳動(dòng)形式，其三維建模如上圖所示。7、腕關(guān)節(jié)及腕部的三維設(shè)計(jì)腕關(guān)節(jié)是由小臂和腕部聯(lián)接關(guān)節(jié)，主要實(shí)現(xiàn)機(jī)械手臂第三級(jí) 的轉(zhuǎn)動(dòng)。腕關(guān)節(jié)主要有兩級(jí)齒輪傳動(dòng)，依靠電機(jī)帶動(dòng)小齒輪，再 有小齒輪帶動(dòng)大齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從而完成小臂繞大臂轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而幫助 機(jī)械手臂抓取患肢或者轉(zhuǎn)動(dòng)患肢。腕關(guān)節(jié)的回轉(zhuǎn)自由度由小電機(jī)

7、控制手腕部回轉(zhuǎn)。為了節(jié)省空間控制手腕部回轉(zhuǎn)的電機(jī)安裝在小 臂內(nèi)部。腕關(guān)節(jié)的三維建模如下：8、中醫(yī)正骨輔助機(jī)構(gòu)機(jī)械手的三維建模 機(jī)械手的整體由大臂、肩關(guān)節(jié)、小臂、肘關(guān)節(jié)、小臂、腕關(guān)節(jié)、 腕部組成，經(jīng)各部分設(shè)計(jì)、計(jì)算之后零件裝配，最終呈現(xiàn)出機(jī)械 手模型。其三維建模如下：9、中醫(yī)正骨機(jī)器人手臂的三維建模此正骨機(jī)器人是在X透視工作的，所以機(jī)構(gòu)在透視機(jī)下的裝 配圖是十分必要的。圖1-7機(jī)器人三維裝配圖四、中醫(yī)正骨機(jī)器人的手法分析及仿真骨折手法復(fù)位的手法有牽拉、扭轉(zhuǎn)、推擠、上下左右移動(dòng)、 仰俯、水平擺動(dòng)等動(dòng)作。普濟(jì)方，傷科匯募醫(yī)宗金鑒正 骨心法要旨等書闡述“手法者，誠(chéng)正骨之首務(wù)哉”即手法在骨 傷科治療中的

8、重要性并作出理論總結(jié)。書籍還把骨傷傷科手法歸 納為著名的正骨八法，即“摸、接、端、提、按、摩、推、拿” 。其中，摸法是指醫(yī)生觸摸檢查患者受傷肢體，了解骨折狀態(tài) 屬于接骨心法的范疇，現(xiàn)在可以用X線透視替代。（一）骨折整復(fù)的參數(shù)分析醫(yī)生在正骨過(guò)程中需要考慮牽拉力、握力、應(yīng)力、應(yīng)變 以及安全系數(shù)等參數(shù)。1、牽引力的設(shè)定拔伸牽引是骨折整復(fù)的基礎(chǔ)。牽引的目的是骨折兩斷端 得到最短距離的接觸。牽引力如果不足則達(dá)不到目的。如果 過(guò)度牽引很可能引起軟組織的額外損傷或軟組織嵌入骨折 間隙內(nèi)，進(jìn)而引起骨折延遲愈合或不愈合，同樣應(yīng)避免。那 么根據(jù)為了本文的深入研究，根據(jù)醫(yī)生在實(shí)際正骨過(guò)程中的 經(jīng)驗(yàn)及參考相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)比

9、得出牽引力的大小。（1）股骨骨折牽引力量為體重1/71/10（kg）；（2）脛骨骨折牽引力量46公斤（kg）；（3）肱骨骨折牽引力量24公斤（kg）；（4）腰椎牽引力量為大于25%體重，一般2060公斤（kg）。圖1-8牽引力分析2、應(yīng)力中醫(yī)正骨機(jī)器人在進(jìn)行正骨過(guò)程中會(huì)有應(yīng)力產(chǎn)生。由于 關(guān)節(jié)的應(yīng)力變化比較大，尤其是肩關(guān)節(jié)的承載力量最大，故 將肩關(guān)節(jié)做出應(yīng)力分析，如下圖所示：圖1-9應(yīng)力結(jié)果圖1-10應(yīng)力最大處從仿真結(jié)果可以看出，應(yīng)力最大的地方出現(xiàn)在肩關(guān)節(jié)的 齒輪嚙合處，接觸應(yīng)力數(shù)值為875.6Mpa,齒輪采用的是45 鋼，齒輪在設(shè)計(jì)中的接觸強(qiáng)度為6=1012Mpa，仿真結(jié)果小于 設(shè)計(jì)數(shù)值，所以

10、機(jī)構(gòu)強(qiáng)度符合要求。3、安全系數(shù)類型：安全系數(shù) 單位：U1圖1-11安全系數(shù)根據(jù)仿真結(jié)果圖可知，安全系數(shù)最小的地方為3,滿足設(shè)計(jì) 初設(shè)定的安全系數(shù)為2的基本要求。（二）中醫(yī)正骨機(jī)器人的手法分析1、肱骨外科頸骨折手法的應(yīng)用肱骨外科頸骨折手法復(fù)位?；颊哐雠P位，肘關(guān)節(jié)屈曲90， 前臂中立位，肩關(guān)節(jié)外展45 （外展型）或70 （內(nèi)收型），固 定機(jī)械手回轉(zhuǎn)腕部，使手抓的轉(zhuǎn)動(dòng)的角度與患者的腋窩相適應(yīng)后 握住腋窩向上提拉，另一個(gè)手臂握住肘部，沿肱骨縱軸方向牽拉， 直到骨折復(fù)位。圖1-12肱骨骨折復(fù)位2、橈骨遠(yuǎn)端關(guān)節(jié)內(nèi)骨折手法復(fù)位橈骨遠(yuǎn)端關(guān)節(jié)內(nèi)骨折手法復(fù)位。伸直型遠(yuǎn)斷端向背側(cè)移位， 繞腕關(guān)節(jié)面掌傾角減小。固定機(jī)

11、械手握住患肢向掌側(cè)推按遠(yuǎn)側(cè)斷 端，移動(dòng)機(jī)械手握住患肢向背側(cè)扳提近斷端，直至骨折出成功復(fù) 位。仿真圖如下：圖1-13橈骨骨折復(fù)位3、股骨干骨折手法復(fù)位股骨干骨折手法復(fù)位。上1/3骨折：將患肢外展，略加外旋， 然后由固定機(jī)械手握近端向后擠按，另一個(gè)機(jī)械手在滾珠絲杠的 作用下握遠(yuǎn)端由后向前提。中1/3骨折：將患肢外展，同時(shí)用固定機(jī)械手自斷端外側(cè)后內(nèi)推擠，再以雙手在斷端前后。內(nèi)外央擠 4。下1/3骨折：在機(jī)器人維持牽引下，膝關(guān)節(jié)徐徐屈曲，并以 移動(dòng)機(jī)械手置于胭窩內(nèi)作支點(diǎn)，將骨折遠(yuǎn)端由后向前向近端推 擠。圖1-14抓取圖1-15旋轉(zhuǎn)圖1-16旋轉(zhuǎn)接骨4、脛腓骨骨折手法復(fù)位法脛腓骨骨折手法復(fù)位。兩個(gè)機(jī)械手分別在膝部和踝部作對(duì)抗 牽引，移動(dòng)機(jī)械手在骨折端根據(jù)移位的方向，推壓擠捏骨斷端， 復(fù)位后可以感覺(jué)骨嵴平整，骨折端穩(wěn)定，表明復(fù)位成功。手法仿 真圖如下：本章主要通過(guò)Inventor仿真軟件對(duì)正骨過(guò)程所需要的參數(shù) 安全系數(shù)、位移、牽引力、等效應(yīng)變、接觸應(yīng)力等參數(shù)進(jìn)行設(shè)定， 用以輔助機(jī)器人的正骨工作。本章還闡述了中醫(yī)正骨機(jī)器人針對(duì) 于肱骨外科頸骨折手法的應(yīng)用、撓骨遠(yuǎn)端關(guān)節(jié)內(nèi)骨折手法復(fù)位、 股骨干骨折手法復(fù)位、脛腓骨骨折手法復(fù)位法四種正骨的具體應(yīng) 用過(guò)程，詳細(xì)地說(shuō)明了中醫(yī)正骨機(jī)器人在正骨中的應(yīng)用。參考文獻(xiàn)王北戰(zhàn).