【摘 要】
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现代工业、建筑和交通的高速发展使得“高能损伤”变得越来越常见。微创骨科手术以其创伤小、恢复快、疼痛轻的优势逐渐为人所接受。然而微创手术需要频繁使用X射线造影设备
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现代工业、建筑和交通的高速发展使得“高能损伤”变得越来越常见。微创骨科手术以其创伤小、恢复快、疼痛轻的优势逐渐为人所接受。然而微创手术需要频繁使用X射线造影设备。射线损伤,其危害众所周知,加之微创手术学习曲线长,尚未形成规范的术式,严重阻碍了微创骨科手术的普及。本文开发了一套针对股骨干骨折的辅助复位机器人,围绕骨折复位机构、控制和复位实验进行了相关研究。本文首先归纳整理了临床上针对不同类型的股骨干骨折的复位手法,对比了国内外研究的骨折手术机器人的优缺点之后,依据手法复位的步骤和特点,提出了分体式的股骨干骨折复位机构的设计思路。提出了若干种设计方案并分析其优缺点,最终确定了基于软体气囊的无创复位机构和独立牵引复位机构。用D-H法对复位机构做了正逆运动学分析,为复位机构的控制做准备。对气囊式骨折段复位器中碳纤维套筒的受力进行了理论分析与仿真,对薄弱环节进行了优化设计。本文着重研究了本设计的特殊执行器——气囊。运用ABAQUS软件对所设计的乳胶-尼龙气囊做了有限元仿真,接着实验结合仿真研究了气囊的力学特性,明确了气囊的输出位移与气囊气压以及复位力之间的定量关系。探索了一种运用气压和力反馈间接得到气囊膨胀位移的控制模型。然后研究了独立牵引复位机构的电机驱动部分和气囊复位器的气动驱动部分,开发了基于STM32单片机的下位机和具备人机交互界面的上位机,完成电路板的设计与加工、单片机和上位机程序的编写,完成了整个驱动、控制系统的搭建。最后本文进行了股骨干骨折复位力的测量实验,获得了临床测量骨折复位力的第一手资料,对骨折复位手术机器人增加了实验支持,为复位机构的设计提供参考依据,同时通过分析复位力,验证了复位过程中进行力反馈的必要性。运用所设计的骨折复位机器人在真实的手术室环境下,对制作的人体假肢进行了骨折复位实验,验证了复位功能的有效性。
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