【正文】 河北工業(yè)大學2015屆本科畢業(yè)論文河 北 工 業(yè) 大 學畢 業(yè) 論 文作 者： 王鑫磊 學 號： 110358 學 院： 機械工程學院 系(專業(yè))： 機械設計制造及其自動化 題 目： 三維空間外固定器結構設計 及其性能分析與仿真 指導者： 曲云霞 教授 評閱者： 2015年 06月 07日畢業(yè)設計（論文）中文摘要三維空間外固定器結構設計及其性能分析與仿真摘要：三維空間外固定器是醫(yī)學上一種通過將骨連接到體外裝置以固定傷肢來治療骨和關節(jié)損傷及矯正骨骼畸形的方法，是治療骨折、嚴重的肢體損傷和殘缺及重建患肢功能的一種主要手段，廣泛應用于現(xiàn)代骨科手術中。三維空間外固定器通過固定針將骨骼與外固定架固定，通過調(diào)節(jié)外固定架的位姿來調(diào)整骨骼的位姿，把骨骼調(diào)整到有利于恢復的位置，從而完成對骨骼的正畸、愈合等治療。本文通過查閱相關的中外文獻，了解三維空間外固定器的應用背景、研究現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢，擬定三維空間外固定器的結構設計方案并進行總體設計，模擬臨床對三維空間外固定器進行位置反解求解，并利用Adams軟件進行運動學仿真，對設計的三維空間外固定器利用ANSYS軟件進行力學分析。關鍵詞： 外固定器 骨骼 Stewart平臺 分析仿真畢業(yè)設計（論文）外文摘要Title The structure design of the threedimensional space external fixator and its performance analysis and simulationAbstract3D external fixator is a kind of medicine by bone is connected to the external device to fix the injured limb to treat bone, joint damage and bone deformity is a main means of the limb function in patients with treatment of fractures, severe limb injury, inplete and reconstruction, which is widely used in modern orthopedic surgery. 3D external fixation link injured bone to fixed frame by pins,and adjusting the external fixator pose to adjust skeletons pose, the bone is conducive to the recovery position, thus pleting the treatment of skeletal orthopedic and healing. Through access to relevant foreign and Chinese document to understand 3D fixator application background, research condition and development trend of develop 3D fixation structure design and overall design, clinical simulation of 3D fixation position inverse solution, and the kinematics simulation is done by the software of Adams, to design 3D fixation using ANSYS software for mechanical analysis.Keywords： External fixer Bones Stewart Analysis and simulation目 錄1 緒論 1 課題提出的背景和意義 1 三維空間外固定器的研究和應用現(xiàn)狀 1 外固定器的分類 3 外固定器的改進方向 3 本文主要研究內(nèi)容 52 泰勒空間外固定器的建模及脛骨的建模及裝配 5 引言 5 泰勒空間外固定器的介紹 5 泰勒空間外固定器與伊里扎洛夫空間外固定器的對比 7 泰勒空間外固定器的結構 7 脛骨的建模 8 Mimics 8 Geomagic Studio 12軟件介紹及操作過程 9 11 整體的建模與裝配 12 本章小結 123 Stewart機構的分析 13 引言 13 Stewart機構的介紹 13 Stewart機構的自由度 14 Stewart機構運動位置反解理論求解 14 Stewart機構位置反解的MATLAB編程 17 MATLAB軟件介紹 17 Stewart機構位置反解的MATLAB編程檢測 17 Stewart機構的運動學仿真 19 Adams軟件介紹及操作過程 19 Stewart機構的運動學反解仿真 20 Stewart機構的運動學正解仿真 28 Stewart機構工作空間邊界條件分析 30 本章小結 304 三維空間外固定器系統(tǒng)力學仿真 31 引言 31 ANSYS軟件介紹 31 三維空間外固定器系統(tǒng)裝配的前處理 32 三維空間外固定器系統(tǒng)靜力學仿真 33 斷骨靜力學仿真 33 完整骨靜力學仿真 35 模擬人骨靜力學仿真 37 三維空間外固定器系統(tǒng)諧波響應分析仿真 39 無約束狀態(tài)下的諧波響應分析仿真 39 有約束狀態(tài)下的諧波響應分析仿真 43 模擬人骨狀態(tài)下的諧波響應分析仿真 49 本章小結 545 結論與展望 55 結論 55 展望 56參考文獻 58致 謝 61附 錄 63附錄A Stewart機構位置反解的MATLAB程序（部分） 63附錄B MATLAB程序計算出的桿長 75III1 緒論 課題提出的背景和意義外固定是醫(yī)學上一種通過將骨連接到體外裝置以固定傷肢來治療骨和關節(jié)損傷及矯正骨骼畸形的方法，它可以通過調(diào)整四肢的某一節(jié)段來恢復肢體的長度和排列。骨外固定是治療骨折、嚴重的肢體損傷和殘缺及重建患肢功能的一種主要方法。外固定是外置接骨術（external osteosynthesis）的同義詞。三維空間外固定器是用于骨科微創(chuàng)矯正肢體先天和創(chuàng)傷后畸形的醫(yī)用設備，可在三維空間同時矯正肢體的成角、長短，位移和旋轉畸形一步到位，也能將殘余的畸形二次矯正到位。外固定在治療骨折有許多優(yōu)點。首先，對于患者的創(chuàng)傷較小，一般只需要有一些小的傷口，對于傷口的感染控制、觀察及愈合都有很好的幫助；第二，便于對患者的傷骨、斷骨進行固定，可以很好的加快愈合以及減少愈合畸形；第三，便于傷后肌肉以及骨應力的恢復，并能很好地防止由于長期不活動導致的關節(jié)僵硬等現(xiàn)象；第四，由于組裝操作，操作簡單，易于拆除，而且固定裝置可以重復利用[1]。外固定器現(xiàn)多應用于較為嚴重的骨折、骨骼的畸形矯正等的治療，現(xiàn)還在骨骼的延長技術中扮演著重要的角色，在一些利用傳統(tǒng)的骨傷固定方法不適的病癥的應用中有非常良好的前景。 三維空間外固定器的研究和應用現(xiàn)狀外固定器治療骨折的這一療法最早是由法國的Malgaigne(1853年)發(fā)明的，他設計了爪型外固定器，這一裝置可使髕骨骨折復位，同時可以對骨頭進行加壓固定。1907年比利時的Labotte使用螺釘在體外固定骨折，這是各個文獻中最早關于外固定的報告，這種方法于現(xiàn)在的外固定方法已經(jīng)十分相似。1934年Anderson首先使用了骨外固定(external skeletul fixation)的稱法，他使用的外固定器不僅可以治療骨折，還可以用做骨延長術和關節(jié)固定術。1938年瑞士Hoffmann所用的外固定器在外固定器發(fā)展的歷史上具有里程碑的意義，他使用的外固定器已經(jīng)可以進行對各種變形矯正和延長短縮骨骼的功能。1948年英國的Charnley論證了應用外固定對膝關節(jié)融合后進行加壓固定，這種加壓固定的方法可以使骨折愈合的時間較之前加快二到三倍，在這之后全世界普遍認同并采用加壓治療骨折，同時這也是世界上首先對骨外固定這一方法進行的理論闡述。最早發(fā)表骨延長的是Codivillani(1905年)，他的方法是首先將股骨截斷，之后利用跟骨牽引將骨頭進行延長。德國的Wagner(1970年)是使用外固定架做骨延長的代表人物，他的方法是在截骨之后用外固定架將骨牽開，然后再對骨頭做植骨內(nèi)固定手術，但是這種骨延長治療最少需要三次手術才能完成骨延長。在1970年，、簡便、具有伸縮作用的動態(tài)外固定架及其骨折動態(tài)的外固定理念，在世界范圍得到推廣[2]。三維外固定器在國內(nèi)外的醫(yī)學領域都得到了很良好的發(fā)展，在骨外科的愈合及矯正方面有著很高的地位。Ilizarov環(huán)形外固定器理論是依靠幾個固定環(huán)作為支架將骨頭固定[3]，已被現(xiàn)在的臨床實踐中廣泛的應用。圖11 Ilizarov環(huán)形外固定器在國內(nèi)，外固定器也有著不小的進步。例如吳建強、黃昌林通過設計及臨床實踐，針對于畸形骨干的矯正，研制了一款半環(huán)平面可調(diào)式外固定架[4]，主要應用于下肢長管狀骨的骨折及畸形矯正。圖12 改良型鑲嵌式骨外固定器 外固定器的分類目前人們已經(jīng)研制了許多外固定器，這些外固定器主要分為兩型，為針式(pin)和環(huán)式(ring)[5]。其中針式外固定器又可分為簡單固定器和鉗式固定器，簡單固定器依靠單個針起作用，而鉗式固定器則是對鋼針組進行立體控制，鋼針的鉗夾通過“萬向”關節(jié)與支撐桿相連,可在安裝后進行調(diào)節(jié)，其中后者的應用較為廣泛。針式外固定器根據(jù)結構可分為四種類型[5]：分別為單側單平面構型（單平面半針外固定器）、單側雙平面構型、雙側單平面構型（單平面全針固定器）、雙側雙平面構型（四邊式外固定器）。環(huán)式外固定器[5]是通過棒或關節(jié)部位相連的整環(huán)或半環(huán)構成。，或者多向穿針與環(huán)固定。這種方法可以對骨頭進行多面固定，對于骨頭的固定較為穩(wěn)定。環(huán)式固定器不僅可以用于對骨折的治療，也可以用來做骨頭的延長或者骨頭的畸形矯正。此外，還有一種被稱為三角式的外固定器[5]，這是一種以單平面雙側外固定器為基礎，將固定針和連接桿連接在骨頭的矢狀面上，是一種介于針式與環(huán)式的第三種外固定器。 外固定器的改進方向外固定器從發(fā)明至今，已經(jīng)有將近二百年的歷史了。人們在不斷地改進外固定器，其改動的方向大概可以總結為以下幾個方向：①外固定器機械結構的改進：逐步改進并采用不同的機械結構，嘗試使斷骨或傷骨保持靜態(tài)或者動態(tài)的接觸，盡量保證骨的力學環(huán)境為骨所適宜生長的，同時要求外固定器穩(wěn)定性好，靈活性高。②外固定器材料的使用：外固定器主要是由固定針、固定架和連接桿組成。固定針是用來連接外固定裝置與骨骼的，主要有無螺紋光滑針、中間螺紋針或尖螺紋(Schanz針)等，最近學界對輕基磷灰石(HA)涂層的固定針的研究較多。外固定架常用金屬、有機玻璃板、塑料裝置[6]、可透X線的高強度尼龍[7]等材料，而連接桿一般由不銹鋼和鈦制成，也有碳素合成的連接桿。③智能化外固定器：大量臨床和實驗觀察證實了現(xiàn)在骨科醫(yī)學一個重要的理論：堅硬固定產(chǎn)生骨折一期愈合，非堅硬固定產(chǎn)生骨折二期愈合，其中力學環(huán)境是影響骨折愈合方式的重要特征[8]。一些學者利用有限元分析的方法對外固定器進行合理的力學規(guī)劃[8]。由于骨在不同的生長期需要不同的應力刺激，智能化外固定器可以采取在骨愈合的不同階段，控制不同的應力來保證骨生長在合適的力學環(huán)境中。國外也曾針對固定針進行了改進，他們將固定針(Distraction Nail)后部加入電機與控制器以更高效的控制對骨的應力[9]。圖3 Distraction nail裝配圖④外固定器治療與其它療法相結合：利用固定器機械固定傷骨斷骨，同時結合其他諸如聲波療法、電磁療法等進行組合治療，加快骨的恢復周期。同時，國外還針對斷骨的愈合檢測進行研究，可以利用超聲波對骨骼的愈合情況進行檢查[10]，這在未來可能與外固定器結合形成治療檢測一體的技術。此外，對于外固定器上的檢測，國外也曾有過利用熒光鏡檢測的論述[11]。骨頭的愈合也可以通過檢測外固定器的應力來實現(xiàn)，例如利用von Mises stress[12]對骨折愈合進行檢測以及利用骨折軌跡跟蹤(Fracture Track)進行檢驗[13]。近些年的研究表明，低頻振動對于人的成骨細胞的生長有一定的促進作用。在適當頻率的振動中，骨細胞的分化與增殖速率有一定的上升[14]。在近些年的研究中，機械振動與人骨骼的生長并未與空間固定器有機的結合，這也是未來研究需要去探索的。 本文主要研究內(nèi)容本課題需要通過查閱相關的中外文獻，了解三維空間外固定器的應用背景、研究現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢；擬定三維空間外固定器的結構設計方案并進行總體設計；進行人體骨骼建模并對三維空間外固定器進行力學分析，進行計算機構位置反解；建立各零部件的三維CAD模型，并進行整體裝配；完成三維空間外固定器的運動學仿真。繪制裝配圖、零件圖；撰寫論文。要求所設計的三維空間外固定器，結構方案合理，圖紙表達清晰，