1、中醫正骨機器人的實體建模及仿真分析摘要本文通過Inventor仿真軟件對正骨過程所需要的參數安全系 數、位移、牽引力、等效應變、接觸應力等參數進行設定，用以輔助 機器人的正骨工作。本文還闡述了中醫正骨機器人針對于肱骨外科頸 骨折手法的應用、撓骨遠端關節內骨折手法復位、股骨干骨折手法復 位、脛腓骨骨折手法復位法四種正骨的具體應用過程，詳細地說明了 中醫正骨機器人在正骨中的應用。綜上所述，通過上述的分析與設計及仿真研究可知中醫正骨機械 手滿足實際正骨操作時的要求，同時具備設計簡單、操作方便、體積 輕便、安全系數高等特點。關鍵詞：Inventor ；實體建模；仿真分析；中醫正骨一、Inventor

2、簡介Inventor是一款三維可視化實體模擬軟件Autodesk Inventor Professional (AIP)。它是由美國 AutoDesk 公司推出 的。它融合了三維參數化特征和自適應技術，并具有獨特的用戶 界面。Autodesk Inventor Professional的功能極為豐富，包 括基于AutoCAD平臺開發的二維機械制圖和詳圖軟件AutoCAD Mechanical；加入了 ANSYS技術支持的FEA功能，可以直接在 Autodesk Inventor軟件中進行應力分析；加入了 PCB IDF文件 輸入的專業功能模塊及用于纜線和束線設計、管道設計等，可以 在Autod

3、esk Inventor軟件中進行應力分析。在此基礎上，集成 的數據管理軟件Autodesk Vault-用于安全地管理進展中的設計 數據。二、Inventor運動仿真的意義運動仿真的意義借助Autodesk Inventor professional的 運動仿真功能，用戶能了解所設計的產品在實際環境下如何工 作，這樣降低建設樣機上的相關費用。用戶還可以根據實際工況 添加運動約束，摩擦特性和載荷，然后通過運動仿真功能進行驗 證設計。借助于應力分析模塊的無縫集成，可將工況傳遞到某 一個零件上，來對零件進行優化設計。通過仿真機械傳動和電動部件的轉動來保證用戶的設計有 效，也會減少制造物理樣機的成本

4、。可以檢測到機械結構中每個 零部件的運動速度.加速度和位置計算，以便于我們傳動裝置的 尺寸。三、基于Inventor的中醫正骨機器人的三維建模（一）機座的三維建模機座是由電機、絲杠、光杠組成。絲杠的長度取165cm,光 杠的長度取165cm。三維參數化建模如下：圖1-1基座的三維結構示意圖（二）機械手臂的三維建模1、機械臂肩部底座的三維建模機械手底座的主要用來支撐整個機械臂。它和大臂構成機械 手的第一個關節-肩關節。故底座要有足夠的強度，故底座的外 徑 d=300mm,底座的高 h=400mm。2、機械手大臂三維建模大臂通過肩部關節和肩部底座形成串聯關系，用肘部關節與 小臂相串聯。大臂的有效長

5、度d=300mm，外殼直徑d=200mm。圖1-2大臂上的大齒輪三維結構示意圖3、小臂的三維建模小臂和大臂依靠肘部聯接，同時又依靠腕關節與機械手腕部 相聯接。小臂的直徑d=20mm,長度d=240mm。4、腕部的三維建模機械手腕部和小臂依靠腕關節相連，手部的總長度為200mm。 考慮到手腕的形狀應該跟隨人體患肢相適應，所以將手腕設計成 一定的弧度，并且通過兩瓣手之間的彈簧來控制手部的開合。其 三維建模如下：5、肩關節的三維設計肩關節是由大臂和底座聯接關節，主要實現機械手臂第一級 的轉動。肩關節主要有兩級齒輪傳動，依靠電機帶動小齒輪，再 有小齒輪帶動大齒輪轉動，從而完成大臂繞底座轉動，進而幫助

6、機械手臂抓取患肢或者轉動患肢。肩關節三維圖如下：6、肘關節的三維設計肘關節是由大臂和小臂的聯接關節，主要實現機械手臂第二 級的轉動。肘關節主要有兩級齒輪傳動，依靠電機帶動小齒輪， 再有小齒輪帶動大齒輪轉動，從而完成小臂繞大臂轉動，進而幫 助機械手臂抓取患肢或者轉動患肢。為了設計制造方便，肘關節 采取和肩關節一樣的傳動形式，其三維建模如上圖所示。7、腕關節及腕部的三維設計腕關節是由小臂和腕部聯接關節，主要實現機械手臂第三級 的轉動。腕關節主要有兩級齒輪傳動，依靠電機帶動小齒輪，再 有小齒輪帶動大齒輪轉動，從而完成小臂繞大臂轉動，進而幫助 機械手臂抓取患肢或者轉動患肢。腕關節的回轉自由度由小電機

7、控制手腕部回轉。為了節省空間控制手腕部回轉的電機安裝在小 臂內部。腕關節的三維建模如下：8、中醫正骨輔助機構機械手的三維建模 機械手的整體由大臂、肩關節、小臂、肘關節、小臂、腕關節、 腕部組成，經各部分設計、計算之后零件裝配，最終呈現出機械 手模型。其三維建模如下：9、中醫正骨機器人手臂的三維建模此正骨機器人是在X透視工作的，所以機構在透視機下的裝 配圖是十分必要的。圖1-7機器人三維裝配圖四、中醫正骨機器人的手法分析及仿真骨折手法復位的手法有牽拉、扭轉、推擠、上下左右移動、 仰俯、水平擺動等動作。普濟方，傷科匯募醫宗金鑒正 骨心法要旨等書闡述“手法者，誠正骨之首務哉”即手法在骨 傷科治療中的

8、重要性并作出理論總結。書籍還把骨傷傷科手法歸 納為著名的正骨八法，即“摸、接、端、提、按、摩、推、拿” 。其中，摸法是指醫生觸摸檢查患者受傷肢體，了解骨折狀態 屬于接骨心法的范疇，現在可以用X線透視替代。（一）骨折整復的參數分析醫生在正骨過程中需要考慮牽拉力、握力、應力、應變 以及安全系數等參數。1、牽引力的設定拔伸牽引是骨折整復的基礎。牽引的目的是骨折兩斷端 得到最短距離的接觸。牽引力如果不足則達不到目的。如果 過度牽引很可能引起軟組織的額外損傷或軟組織嵌入骨折 間隙內，進而引起骨折延遲愈合或不愈合，同樣應避免。那 么根據為了本文的深入研究，根據醫生在實際正骨過程中的 經驗及參考相關文獻對比

9、得出牽引力的大小。（1）股骨骨折牽引力量為體重1/71/10（kg）；（2）脛骨骨折牽引力量46公斤（kg）；（3）肱骨骨折牽引力量24公斤（kg）；（4）腰椎牽引力量為大于25%體重，一般2060公斤（kg）。圖1-8牽引力分析2、應力中醫正骨機器人在進行正骨過程中會有應力產生。由于 關節的應力變化比較大，尤其是肩關節的承載力量最大，故 將肩關節做出應力分析，如下圖所示：圖1-9應力結果圖1-10應力最大處從仿真結果可以看出，應力最大的地方出現在肩關節的 齒輪嚙合處，接觸應力數值為875.6Mpa,齒輪采用的是45 鋼，齒輪在設計中的接觸強度為6=1012Mpa，仿真結果小于 設計數值，所以

10、機構強度符合要求。3、安全系數類型：安全系數 單位：U1圖1-11安全系數根據仿真結果圖可知，安全系數最小的地方為3,滿足設計 初設定的安全系數為2的基本要求。（二）中醫正骨機器人的手法分析1、肱骨外科頸骨折手法的應用肱骨外科頸骨折手法復位。患者仰臥位，肘關節屈曲90， 前臂中立位，肩關節外展45 （外展型）或70 （內收型），固 定機械手回轉腕部，使手抓的轉動的角度與患者的腋窩相適應后 握住腋窩向上提拉，另一個手臂握住肘部，沿肱骨縱軸方向牽拉， 直到骨折復位。圖1-12肱骨骨折復位2、橈骨遠端關節內骨折手法復位橈骨遠端關節內骨折手法復位。伸直型遠斷端向背側移位， 繞腕關節面掌傾角減小。固定機

11、械手握住患肢向掌側推按遠側斷 端，移動機械手握住患肢向背側扳提近斷端，直至骨折出成功復 位。仿真圖如下：圖1-13橈骨骨折復位3、股骨干骨折手法復位股骨干骨折手法復位。上1/3骨折：將患肢外展，略加外旋， 然后由固定機械手握近端向后擠按，另一個機械手在滾珠絲杠的 作用下握遠端由后向前提。中1/3骨折：將患肢外展，同時用固定機械手自斷端外側后內推擠，再以雙手在斷端前后。內外央擠 4。下1/3骨折：在機器人維持牽引下，膝關節徐徐屈曲，并以 移動機械手置于胭窩內作支點，將骨折遠端由后向前向近端推 擠。圖1-14抓取圖1-15旋轉圖1-16旋轉接骨4、脛腓骨骨折手法復位法脛腓骨骨折手法復位。兩個機械手分別在膝部和踝部作對抗 牽引，移動機械手在骨折端根據移位的方向，推壓擠捏骨斷端， 復位后可以感覺骨嵴平整，骨折端穩定，表明復位成功。手法仿 真圖如下：本章主要通過Inventor仿真軟件對正骨過程所需要的參數 安全系數、位移、牽引力、等效應變、接觸應力等參數進行設定， 用以輔助機器人的正骨工作。本章還闡述了中醫正骨機器人針對 于肱骨外科頸骨折手法的應用、撓骨遠端關節內骨折手法復位、 股骨干骨折手法復位、脛腓骨骨折手法復位法四種正骨的具體應 用過程，詳細地說明了中醫正骨機器人在正骨中的應用。參考文獻王北戰.