【正文】 河 北 工 業(yè) 大 學(xué) 畢 業(yè) 論 文 作 者： 王鑫磊 學(xué) 號： 110358 學(xué) 院： 機(jī)械工程學(xué)院 系 (專業(yè) )： 機(jī)械設(shè)計制造及其自動化 題 目： 三維空間外固定器 結(jié)構(gòu)設(shè)計 及其性能分析與仿真 指導(dǎo)者： 曲云霞 教授 評閱者： 20xx 年 06 月 07 日 河北工業(yè)大學(xué) 20xx 屆本科畢業(yè)論文 I 畢業(yè)設(shè)計（論文）中文摘要 三維空間外固定器 結(jié)構(gòu)設(shè)計及其性能分析與仿真 摘要： 三維空間外固定器是醫(yī)學(xué)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(guān)節(jié)損傷及矯正骨骼畸形的方法，是治療骨折、嚴(yán)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(yīng)用于現(xiàn)代骨科手術(shù)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(fù)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(guān)的中外文獻(xiàn)，了解三維空間外固定器的應(yīng)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(jié)構(gòu)設(shè)計方案并進(jìn)行總體設(shè)計，模擬臨床對三維空間外固定器進(jìn)行位置反解求解，并利用 Adams 軟件進(jìn)行運(yùn)動學(xué)仿真，對設(shè)計的三維 空間外固定器利用 ANSYS 軟件 進(jìn)行力學(xué)分析。 關(guān)鍵詞： 外固定器 骨骼 Stewart 平臺 分析仿真 河北工業(yè)大學(xué) 20xx 屆本科畢業(yè)論文 II 畢業(yè)設(shè)計（論文）外文摘要 Title The structure design of the threedimensional space external fixator and its performance analysis and simulation Abstract 3D 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 河北工業(yè)大學(xué) 20xx 屆本科畢業(yè)論文 III 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(yīng)用現(xiàn)狀 ............................... 1 外固定器的分類 ................................................. 3 外固定器的改進(jìn)方向 ............................................. 3 本文主要研究內(nèi)容 ............................................... 5 2 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(jié)構(gòu) ......................................... 7 脛骨的建模 ..................................................... 8 Mimics 軟件介紹及操作過程 .............................. 8 Geomagic Studio 12 軟件介紹及操作過程 ........................ 9 軟件介紹及操作過程 .................................... 11 整體的建模與裝配 .............................................. 12 本章小結(jié) ...................................................... 12 3 Stewart 機(jī)構(gòu)的分析 .............................................. 13 引言 .......................................................... 13 Stewart 機(jī)構(gòu)的介紹 ............................................ 13 Stewart 機(jī)構(gòu)的自由度 .......................................... 14 Stewart 機(jī)構(gòu)運(yùn)動位置反解理論求解 .............................. 14 Stewart 機(jī)構(gòu)位置反解的 MATLAB 編程 ............................. 17 MATLAB 軟件介紹 ............................................. 17 Stewart 機(jī)構(gòu)位置反解的 MATLAB 編程檢測 ....................... 17 Stewart 機(jī)構(gòu)的運(yùn)動學(xué)仿真 ...................................... 19 Adams 軟件介紹及操作過程 .................................... 19 Stewart 機(jī)構(gòu)的運(yùn)動學(xué)反解仿真 ................................ 20 Stewart 機(jī)構(gòu)的運(yùn)動學(xué)正解仿真 ................................ 28 Stewart 機(jī)構(gòu)工作空間邊界條件分析 .............................. 30 本章小結(jié) ...................................................... 30 河北工業(yè)大學(xué) 20xx 屆本科畢業(yè)論文 IV 4 三維空間外固定器系統(tǒng)力學(xué)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(xué)仿真 ................................ 33 斷骨靜力學(xué)仿真 .............................................. 33 完整骨靜力學(xué)仿真 ............................................ 35 模擬人骨靜力學(xué)仿真 .......................................... 37 三維空間外固定器系統(tǒng)諧波響應(yīng)分析仿真 .......................... 39 無約束狀態(tài)下的諧波響應(yīng)分析仿真 .............................. 39 有約束狀態(tài)下的諧波響應(yīng)分析仿真 .............................. 43 模擬人骨狀態(tài)下的諧波響應(yīng)分析仿真 ............................ 49 本章小結(jié) ...................................................... 54 5 結(jié)論與展望 ...................................................... 55 結(jié)論 .......................................................... 55 展望 .......................................................... 56 參考文獻(xiàn) ........................................................... 58 致 謝 .......................................................... 61 附 錄 .......................................................... 63 附錄 A Stewart 機(jī)構(gòu)位置反解的 MATLAB 程序（部分） ................... 63 附錄 B MATLAB 程序計算出的桿長 ..................................... 75 河北工業(yè)大學(xué) 20xx 屆本科畢業(yè)論文 1 1 緒論 課題提出的背景和意義 外固定是醫(yī)學(xué)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(guān)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(fù)肢體的長度和排列。骨外固定是治療骨折、嚴(yán)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(shù)（ 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(shè)備，可在三維空間同時矯正肢體的成角、長短，位移和旋轉(zhuǎn)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(diǎn)。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(jìn)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(yīng)力的恢復(fù)，并能很好地防止由于長期不活動導(dǎo)致的關(guān)節(jié)僵硬等現(xiàn)象