股骨干骨折复位辅助机器人系统研制

摘要

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。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 骨折复位机器人

1．2．2 对比分析

1．2．3 复位力测量

1．3 本文主要研究内容

1．4 论文组织结构

第二章 复位器的结构设计及运动学分析

2．1 股骨干骨折的治疗过程

2．2 独立牵弓I旋转复位装置的设计

2．2．1 方案设计

2．2．2 吸盘的选用

2．2．3 电机选型

2．3 骨折段复位装置的设计

2．3．1 方案设计与选择

2．3．2 气囊的设计

2．3．3 碳纤维套筒的设计

2．4 骨折复位的运动学分析

2．4．1 D-H坐标系的建立

2．4．2 正逆运动学分析

2．5 本章小结

第三章 复位机构软体驱动力学特性研究

3．1 气囊力特性仿真

3．1．1 仿真准备

3．1．2 仿真结果

3．2 气囊力特性实验研究

3．2．1 实验装置

3．2．2 实验数据分析

3．3 本章小结

第四章 系统驱动与软硬件实现

4．1 控制系统的搭建

4．1．1 系统总体设计

4．1．2 无线组网

4．2 器件选型与驱动设计

4．2．1 基于stm32微控制器

4．2．2 电磁阀及其驱动

4．2．3 力传感器及其信号处理

4．2．4 遥控器模块

4．2．5 电机驱动器的选型与设置

4．2．6 拉力传感器的选型与信号处理

4．3 股骨骨折复位辅助机器人的控制

4．3．1 脉宽调制对控制普通电磁阀的运用

4．3．2 PID算法的运用

4．3．3 气囊控制的下位机程序

4．3．4 带力限制的电机控制

4．4 上位机设计

4．4．1 上下位机通讯协议

4．4．2 上位机软件设计

4．5 本章小结

第五章 股骨骨折复位机器人实验

5．1 复位力测量实验

5．1．1 复位力测量装置

5．1．2 实验结果分析

5．2 模型复位实验

5．2．1 实验装置

5．2．2 实验效果分析

5．3 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

致谢

参考文献