中医正骨机器人的实体建模和仿真分析.docx
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中医正骨机器人的实体建模和仿真分析
中医正骨机器人的实体建模及仿真分析
摘要
本文通过Inventor仿真软件对正骨过程所需要的参数安全系数、位移、牵引力、等效应变、接触应力等参数进行设定，用以辅助机器人的正骨工作。
本文还阐述了中医正骨机器人针对于肱骨外科颈骨折手法的应用、挠骨远端关节内骨折手法复位、股骨干骨折手法复位、胫腓骨骨折手法复位法四种正骨的具体应用过程，详细地说明了中医正骨机器人在正骨中的应用。
综上所述，通过上述的分析与设计及仿真研究可知中医正骨机械手满足实际正骨操作时的要求，同时具备设计简单、操作方便、体积轻便、安全系数高等特点。
关键词：
Inventor；实体建模；仿真分析；中医正骨
一、Inventor简介
Inventor是一款三维可视化实体模拟软件AutodeskInventorProfessional（AIP）。
它是由美国AutoDesk公司推出的。
它融合了三维参数化特征和自适应技术，并具有独特的用户界面。
AutodeskInventorProfessional的功能极为丰富，包括基于AutoCAD平台开发的二维机械制图和详图软件AutoCADMechanical；加入了ANSYS技术支持的FEA功能，可以直接在AutodeskInventor软件中进行应力分析；加入了PCBIDF文件输入的专业功能模块及用于缆线和束线设计、管道设计等，可以在AutodeskInventor软件中进行应力分析。
在此基础上，集成的数据管理软件AutodeskVault-用于安全地管理进展中的设计数据[1]。
二、Inventor运动仿真的意义
运动仿真的意义借助AutodeskInventorprofessional的运动仿真功能，用户能了解所设计的产品在实际环境下如何工作，这样降低建设样机上的相关费用。
用户还可以根据实际工况添加运动约束，摩擦特性和载荷，然后通过运动仿真功能进行验证设计[2]。
借助于应力分析模块的无缝集成，可将工况传递到某一个零件上，来对零件进行优化设计。
通过仿真机械传动和电动部件的转动来保证用户的设计有效，也会减少制造物理样机的成本。
可以检测到机械结构中每个零部件的运动速度.加速度和位置计算，以便于我们传动装置的尺寸。
三、基于Inventor的中医正骨机器人的三维建模
（一）机座的三维建模
机座是由电机、丝杠、光杠组成。
丝杠的长度取165cm,光杠的长度取165cm。
三维参数化建模如下：
图1-1基座的三维结构示意图
（二）机械手臂的三维建模
1、机械臂肩部底座的三维建模
机械手底座的主要用来支撑整个机械臂。
它和大臂构成机械手的第一个关节-肩关节。
故底座要有足够的强度，故底座的外径d=300mm,底座的高h=400mm。
2、机械手大臂三维建模
大臂通过肩部关节和肩部底座形成串联关系，用肘部关节与小臂相串联。
大臂的有效长度d=300mm，外壳直径d=200mm。
图1-2大臂上的大齿轮三维结构示意图
3、小臂的三维建模
小臂和大臂依靠肘部联接，同时又依靠腕关节与机械手腕部相联接。
小臂的直径d=20mm,长度d=240mm。
4、腕部的三维建模
机械手腕部和小臂依靠腕关节相连，手部的总长度为200mm。
考虑到手腕的形状应该跟随人体患肢相适应，所以将手腕设计成一定的弧度，并且通过两瓣手之间的弹簧来控制手部的开合。
其三维建模如下：
图1-3手腕的三维结构示意图
5、肩关节的三维设计
肩关节是由大臂和底座联接关节，主要实现机械手臂第一级的转动。
肩关节主要有两级齿轮传动，依靠电机带动小齿轮，再有小齿轮带动大齿轮转动，从而完成大臂绕底座转动，进而帮助机械手臂抓取患肢或者转动患肢。
肩关节三维图如下：
图1-4肩关节的三维结构示意图
6、肘关节的三维设计
肘关节是由大臂和小臂的联接关节，主要实现机械手臂第二级的转动。
肘关节主要有两级齿轮传动，依靠电机带动小齿轮，再有小齿轮带动大齿轮转动，从而完成小臂绕大臂转动，进而帮助机械手臂抓取患肢或者转动患肢。
为了设计制造方便，肘关节采取和肩关节一样的传动形式，其三维建模如上图所示。
7、腕关节及腕部的三维设计
腕关节是由小臂和腕部联接关节，主要实现机械手臂第三级的转动。
腕关节主要有两级齿轮传动，依靠电机带动小齿轮，再有小齿轮带动大齿轮转动，从而完成小臂绕大臂转动，进而帮助机械手臂抓取患肢或者转动患肢。
腕关节的回转自由度由小电机控制手腕部回转。
为了节省空间控制手腕部回转的电机安装在小臂内部。
腕关节的三维建模如下：
图1-5腕关节的三维结构示意图
8、中医正骨辅助机构机械手的三维建模
机械手的整体由大臂、肩关节、小臂、肘关节、小臂、腕关节、腕部组成，经各部分设计、计算之后零件装配，最终呈现出机械
手模型。
其三维建模如下：
图1-6机械手装配示意图
9、中医正骨机器人手臂的三维建模
此正骨机器人是在X透视工作的，所以机构在透视机下的装配图是十分必要的。
图1-7机器人三维装配图
四、中医正骨机器人的手法分析及仿真
骨折手法复位的手法有牵拉、扭转、推挤、上下左右移动、仰俯、水平摆动等动作。
《普济方》，《伤科汇募》《医宗金鉴·正骨心法要旨》等书阐述“手法者，诚正骨之首务哉”即手法在骨伤科治疗中的重要性并作出理论总结。
书籍还把骨伤伤科手法归纳为著名的正骨八法，即“摸、接、端、提、按、摩、推、拿”[3]。
其中，摸法是指医生触摸检查患者受伤肢体，了解骨折状态属于接骨心法的范畴，现在可以用X线透视替代。
（一）骨折整复的参数分析
医生在正骨过程中需要考虑牵拉力、握力、应力、应变以及安全系数等参数。
1、牵引力的设定
拔伸牵引是骨折整复的基础。
牵引的目的是骨折两断端得到最短距离的接触。
牵引力如果不足则达不到目的。
如果过度牵引很可能引起软组织的额外损伤或软组织嵌入骨折间隙内，进而引起骨折延迟愈合或不愈合，同样应避免。
那么根据为了本文的深入研究，根据医生在实际正骨过程中的经验及参考相关文献对比得出牵引力的大小。
（1）股骨骨折牵引力量为体重1/7——1/10（kg）；
（2）胫骨骨折牵引力量4——6公斤（kg）；
（3）肱骨骨折牵引力量2——4公斤（kg）；
（4）腰椎牵引力量为大于25%体重，一般20——60公斤（kg）。
图1-8牵引力分析
2、应力
中医正骨机器人在进行正骨过程中会有应力产生。
由于关节的应力变化比较大，尤其是肩关节的承载力量最大，故将肩关节做出应力分析，如下图所示：
图1-9应力结果
图1-10应力最大处
从仿真结果可以看出，应力最大的地方出现在肩关节的齿轮啮合处，接触应力数值为875.6Mpa，齿轮采用的是45钢，齿轮在设计中的接触强度为б=1012Mpa，仿真结果小于设计数值，所以机构强度符合要求。
3、安全系数
图1-11安全系数
根据仿真结果图可知，安全系数最小的地方为3，满足设计初设定的安全系数为2的基本要求。
（二）中医正骨机器人的手法分析
1、肱骨外科颈骨折手法的应用
肱骨外科颈骨折手法复位。
患者仰卧位，肘关节屈曲90°，前臂中立位，肩关节外展45°（外展型）或70°（内收型），固定机械手回转腕部，使手抓的转动的角度与患者的腋窝相适应后握住腋窝向上提拉，另一个手臂握住肘部，沿肱骨纵轴方向牵拉，直到骨折复位。
图1-12肱骨骨折复位
2、桡骨远端关节内骨折手法复位
桡骨远端关节内骨折手法复位。
伸直型远断端向背侧移位,绕腕关节面掌倾角减小。
固定机械手握住患肢向掌侧推按远侧断端,移动机械手握住患肢向背侧扳提近断端，直至骨折出成功复位。
仿真图如下：
图1-13桡骨骨折复位
3、股骨干骨折手法复位
股骨干骨折手法复位。
上1/3骨折：
将患肢外展，略加外旋，然后由固定机械手握近端向后挤按，另一个机械手在滚珠丝杠的作用下握远端由后向前提。
中1/3骨折：
将患肢外展，同时用固定机械手自断端外侧后内推挤，再以双手在断端前后。
内外夹挤[4]。
下1/3骨折：
在机器人维持牵引下，膝关节徐徐屈曲，并以移动机械手置于腘窝内作支点，将骨折远端由后向前向近端推挤。
图1-14抓取
图1-15旋转
图1-16旋转接骨
4、胫腓骨骨折手法复位法
胫腓骨骨折手法复位。
两个机械手分别在膝部和踝部作对抗牵引，移动机械手在骨折端根据移位的方向，推压挤捏骨断端，复位后可以感觉骨嵴平整，骨折端稳定，表明复位成功。
手法仿真图如下：
图1-17腓骨骨折复位
本章主要通过Inventor仿真软件对正骨过程所需要的参数安全系数、位移、牵引力、等效应变、接触应力等参数进行设定，用以辅助机器人的正骨工作。
本章还阐述了中医正骨机器人针对于肱骨外科颈骨折手法的应用、挠骨远端关节内骨折手法复位、股骨干骨折手法复位、胫腓骨骨折手法复位法四种正骨的具体应用过程，详细地说明了中医正骨机器人在正骨中的应用。
参考文献
[1]王北战.液压挖掘机工作装置负载辨识技术研究.中南大学.2010，6，30.
[2]裴红光.带式输送机中部滚筒架的有限元分析.江苏省南京市.《机电信息》，2014年第03期.
[3]唐厚学.外固定器在四肢长骨骨折治疗中的应用分析吉林医学2011年12月第32卷第35期.
[4]宋晓瑞.多传感信息融合技术在虚拟中医正骨手法系统中的应用研究.山东中医药大学，2011,04,10.
本论文摘选自本人研究生论文。
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