定心矫形骨外固定机器人设计与分析
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TH781 TP242

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北京市自然科学基金-海淀原始创新联合基金(L192018)、北京市教委科技计划(KM202011232009)、国家自然科学基金(52005045,52005120)项目资助


Design and analysis of centering orthopedic bone external fixation robot
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    摘要:

    骨外固定技术为肢体矫形的重要治疗手段。 针对现有骨外固定矫形机构在肢体旋转和牵伸矫形时存在的运动耦合、旋 转错位等问题,借鉴 RCM 机构的构型优势,在传统 Ilizarov 外固定器的基础上设计了一种具有定心运动特征,易于实现单自由 度独立运动的 2R1T 定心矫形骨外固定机器人。 基于旋量理论,开展了传统 Ilizarov 骨外固定支架矫形的数学分析,并在此基础 上,建立了 2R1T 定心矫形骨外固定机器人的旋量系与反旋量系,进行了支链选型与构型综合。 最后,分析了机器人运动学位 姿及工作空间,并结合矫形要求对机器人进行了矫形运动仿真分析和样机实验,基于胫骨的运动轨迹,得出机器人转动矫形范 围为-15° ~ 15°,误差范围为±0. 5°,牵伸矫形范围为 0~ 30 mm,误差范围为±0. 2 mm,实现了矫形的量化与精准调控,保障了肢 体矫形的安全性。

    Abstract:

    Bone external fixation is an important treatment for limb orthopedics. There are some problems such as motion coupling and rotation dislocation in the existing fixator during limb rotation and stretching orthopedics. Drawing on the configuration advantages of RCM mechanism, a 2R1T centering orthopedic external fixation robot based on traditional Ilizarov external fixator is proposed in this paper. The proposed robot has centering motion characteristics and is easy to realize single freedom independent motion. Based on the Spinor theory, the mathematical analysis of the traditional fixation orthopedics is firstly carried out, then establish the Spinor system and anti-spinor system of the 2R1T centering fixation robot, and complete the branch chain selection and assembly. Finally, this paper analyzes the motion degree and workspace of the robot, and carries out the orthopedic dynamic simulation analysis and prototype experiment based on tibia motion trajectory. The experiment result shows that the rotation correction range of the robot is -15~ 15°, the error range is ±0. 5 °, the range of drafting correction was 0~ 30 mm, and the error range is ±0. 2 mm, which realizes the quantification and accurate regulation of orthosis and ensures the safety of limb orthopedics.

    参考文献
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    引证文献
引用本文

苏 鹏,来钰梁,张 力,刘 霖,李 剑.定心矫形骨外固定机器人设计与分析[J].仪器仪表学报,2022,43(11):262-273

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  • 在线发布日期: 2023-06-30
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