胫骨内置截骨机的设计及运动学分析_方童.pdf

书书书年月机电工程技术第卷第期 基 金 项 目：南 华 大 学 博 士 科 研 启 动 资 金 项 目（编 号：）收 稿 日 期：方 童，李 必 文，王 雨 琪，等胫 骨 内 置 截 骨 机 的 设 计 及 运 动 学 分 析 机 电 工 程 技 术，（）：胫骨内置截骨机的设计及运动学分析*方童，李 必 文，王 雨 琪，尹科（南 华 大 学 机 械 工 程 学 院，湖 南 衡 阳；南 华 大 学 附 属 第 一 医 院，湖 南 衡 阳）摘 要：开 发 应 用 以 髌 骨 关 节 面 定 位、在 扩 髓 腔 进 行 椭 圆 环 齿 截 骨 的 胫 骨 内 置 截 骨 机，可 有 效 减 少 截 骨 手 术 失 误 及 切 口 感 染，使 骨 折线 光 滑 规 则 并 简 化 骨 外 固 定 器 结 构，但 胫 骨 髓 腔 狭 小 的 服 役 条 件 导 致 机 械 式 胫 骨 内 置 截 骨 机 的 机 构 设 计 与 机 构 组 合 难 度 很 大。在 功能 分 析 阶 段 提 炼 出 设 计 难 点 问 题，为 避 免 创 新 设 计 的 盲 目 性，基 于 发 明 问 题 的 解 决 理 论构 建 了 圆 形 环 齿 进 给 机 构、进 退 刀 机构、出 收 刀 机 构 设 计 的 矛 盾 冲 突 矩 阵，在 一 般 解 中 寻 求 出 周 期 性 作 用、动 态 化、多 用 性 等 特 定 解 并 相 应 制 定 了 具 体 解 决 方 案，有 效化 解 了 矛 盾 冲 突、提 升 了 设 计 质 量 和 效 率。为 考 查 实 现 椭 圆 进 行 环 切 的 可 行 性，建 立 了 立 铣 刀 的 运 动 方 程，利 用进 行 了 轨迹 仿 真，在中 进 行 了 仿 真 结 果 分 析 和 评 价，结 果 表 明 各 组 合 机 构 的 运 动 合 成 可 行、立 铣 刀 轨 迹 误 差 可 控。关 键 词：胫 骨 内 置 截 骨 机；椭 圆 环 齿 截 骨；机 构 创 新 设 计；理 论；运 动 学 分 析中 图 分 类 号：文 献 标 志 码：文 章 编 号：（），（，；，）：，：；引 言胫 骨 畸 形 多 见 于 胫 骨 骨 折 术 后 骨 折 畸 形 愈 合，患 者 常 出 现 下 肢 力 线 偏 移 现 象。而 胫 骨 畸 形 和 力 线 不良 会 改 变 患 者 的 膝、踝 关 节 的 负 荷 传 导，导 致 患 者 出现 下 肢 疼 痛、关 节 功 能 障 碍 等 不 适 症 状，进 而 加 速 下肢 关 节 骨 关 节 炎 进 展，严 重 影 响 患 者 的 生 活 质 量。为 了 矫 正 畸 形、缓 解 疼 痛、防 止 继 发 性 骨 关 节 炎 的 发生，临 床 一 般 可 采 用 截 骨 矫 形 术 将 胫 骨 先 行 截 断，再 行骨 折 端 的 旋 转、短 缩 或 侧 方 移 位。但 传 统 的 摆 据 截 骨、凿 断 截 骨 的 骨 折 线 多 呈 横 断 形 或 短 斜 行，不 仅 容 易 造 成肌 肉、血 管 等 软 组 织 的 损 伤，且 外 露 的 大 切 口 易 导 致 术后 切 口 感 染，还 会 引 起 骨 折 延 迟 愈 合、血 供 不 足 等 并 发症。因 此，为 有 效 纠 正 骨 折 远 端 旋 转 畸 形、避 免 出现 外 露 大 切 口 造 成 的 感 染、减 小 截 骨 角 度 和 方 向 的 失 误、缩 短 治 疗 康 复 时 间，研 发 一 种 内 置 式 胫 骨 截 骨 机 是 十 分必 要 的。本 文 设 计 的 胫 骨 内 置 截 骨 机，是 在 以 髌 骨 关 节 面 定位 并 对 胫 骨 髓 腔 扩 髓 后，再 行 环 齿 形 内 截 骨 的 器 械。根据 截 骨 面 的 外 部 几 何 特 征，按 拟 合 椭 圆 进 行 环 切 是 其 重要 功 能。文 中 根 据 内 置 截 骨 方 案 对 截 骨 机 的 定 位、进 给等 运 动 需 求 进 行 了 功 能 设 计；由 于 该 截 骨 机 功 能 繁 多、结 构 复 杂，设 计 难 度 大，作 者 应 用 发 明 问 题 解 决 理 论中 的 矛 盾 矩 阵 与 相 关 原 理，完 成 了 机 构 的 创 新 设计，并 运 用 运 动 学 理 论 和 基 于的 运 动 学 仿 真 对截 骨 机 的 刀 头 运 动 轨 迹 进 行 了 对 比 分 析。胫 骨 内 置 截 骨 机 的 功 能 设 计 胫 骨 内 置 截 骨 方 案根 据 胫 骨 螺 旋影 像 学 数 据，基 于重 建 胫骨 模 型，如 图（）所 示；基 于确 定 截 骨 位置、扩 髓 方 案，如 图（）所 示；确 定 正 畸 方 案；基于的 布 尔 运 算 功 能，得 到 扩 髓、截 骨 装 置 的 共 用 定位 面，设 计 内 截 环 齿 几 何 参 数，如 图（）所 示；根 据截 骨 面 外 部 几 何 特 征，基 于自 编 程 序 进 行 椭 圆拟 合；综 合 环 齿 几 何 参 数 及 拟 合 椭 圆 确 定 刀 头 运 动 轨 迹。环 齿 形 接 头 能 提 供 更 好 的 生 物 力 学 性 能，扩 髓 及 环 切 产生 的 骨 屑 要 予 以 保 留 以 益 于 愈 合。图内 置 截 骨 方 案 截 骨 机 功 能 设 计根 据 上 述 胫 骨 内 置 截 骨 方 案，则 截 骨 机 必 须 具 备 定位 功 能（包 括 髌 骨 关 节 定 位 面，以 及 考 虑 悬 臂 刚 性 问 题所 增 加 的 髓 腔 壁 张 紧 定 位）、主 运 动 功 能（铣 刀 的 旋转）、进 给 运 动 功 能（形 成 切 削 轨 迹）、辅 助 运 动 功 能（出 刀 及 收 刀）。综 合 考 虑 髓 腔 空 间 及 传 动 链 性 质，本 文利 用 模 块 化 设 计 原 理，将 截 骨 机 划 分 为 定 位、驱 动、传动、执 行 与 控 制个 模 块，图所 示 为 功 能 模 型 图。图胫 骨 内 置 截 骨 机 的 功 能 模 型基 于理 论 的 机 构 创 新 设 计 胫 骨 内 置 截 骨 机 设 计 难 点（）囿 于 狭 小 的 髓 腔 空 间、繁 多 的 内 联 系 机 构 及 顺序 动 作、结 构 的 多 层 嵌 套，给 结 构 设 计、机 构 选 择 及 组合、强 度 与 刚 度 设 计、接 口 尺 寸 设 计 带 来 诸 多 不 便。（）作 出 个 性 化 的 椭 圆 环 齿 形 接 头 会 进 一 步 增 加 截骨 机 结 构 的 复 杂 性。设 计 过 程 中，仅 采 用 分 割、组 合、嵌 套 原 理 难 以 创造 性 地 解 决 上 述 问 题，通 过 运 用矛 盾 矩 阵 与 相 关 原理，转 换 了 思 维 视 角，有 效 避 免 了 盲 目 性，使 得 难 点问 题 迎 刃 而 解。基 于的 技 术 矛 盾 分 析各 模 块 功 能 的 实 现，必 须 以 机 构 或 机 构 组 合 来 实 现，故 以 胫 骨 为 作 用 对 象 的 内 置 截 骨 机 系 统 应 包 括 执 行 件 立铣 刀 以 及 操 纵 机 构、驱 动 机 构、进 给 机 构、出 收 刀 机 构等 系 统 组 件，其 中 进 给 机 构 由 圆 形 环 齿 进 给 机 构 和 进 退刀 机 构 组 合 而 成 以 实 现 椭 圆 环 齿 进 给，还 有 超 系 统 组 件机 壳。图所 示 为 按 组 件 作 用 关 系 建 立 的 功 能 分 析。图功 能 分 析（）问 题 一立 铣 刀 由 圆 形 环 齿 进 给 机 构（摇 杆 机 构凸 轮 机 构的 组 合 机 构）控 制 运 动 时，存 在 调 姿 不 足（相 对 于 纯 环切 运 动，高 速 时 存 在 刚 性 和 柔 性 冲 击）的 问 题，查 取的个 通 用 工 程 参 数，分 析 出 其 技 术 矛 盾 为 非方 童，李 必 文，王 雨 琪，等：胫 骨 内 置 截 骨 机 的 设 计 及 运 动 学 分 析单 一 的 改 善 参 数“运 动 物 体 的 能 量”（能 量 增 加）与恶 化 的 参 数“可 操 作 性”（复 杂 传 动 链 的 设 计 受 髓 腔空 间 的 限 制，使 自 动 化 操 作 难 以 实 现）之 间 的 对 立。（）问 题 二进 退 刀 机 构 与 圆 形 环 齿 进 给 机 构 的 耦 合 是 为 了 实 现椭 圆 形 环 齿 进 给 截 骨，体 现 个 性 化 医 疗。如 果 二 者 分 别独 立 控 制 立 铣 刀，则 难 以 实 现 精 确 的 耦 合 轨 迹，分 析 出其 技 术 矛 盾 为 改 善 的 参 数“形 状”（由 圆 形 环 齿 进 化为 椭 圆 形 环 齿）与 恶 化 的 参 数“适 应 性 及 多 用 性”之间 的 对 立。（）问 题 三为 简 化 操 纵 机 构，将 出 收 刀 机 构、进 退 刀 机 构 的 控制 简 化 设 置 为 一 个 操 纵 盘。在 操 纵 盘 的 两 个 极 限 位 置 上出 收 刀 机 构 处 于 锁 死 状 态，而 在 两 个 极 限 位 置 之 间 使 两个 机 构 同 步，为 此 必 须 解 决 改 善 的 参 数“时 间 损 失”（减 少 操 纵 时 间）与 恶 化 的 参 数“装 置 的 复 杂 性”（机 构 复 杂 程 度 增 加）之 间 产 生 的 技 术 矛 盾。基 于的 创 新 设 计 寻 找 基 于的 发 明 原 理针 对 以 上个 问 题，应 用建 立 矛 盾 冲 突 矩 阵，并 列 出 带 有 普 遍 性 一 般 解 的 发 明 原 理，如 表所 示。在 此 基 础 上 寻 求 适 合 具 体 实 际 问 题 的 特 定 解，因 此 解 决上 述 问 题 的 发 明 原 理 编 号 分 别 为（周 期 性 作 用）、（动 态 化）、（多 用 性）。表矛 盾 矩 阵预 改 善 参 数被 恶 化 参 数发 明 原 理 编 号运 动 物 体 的 能 量（）可 操 作 性（），形 状（）适 应 性 与 多 用 性（），时 间 损 失（）装 置 的 复 杂 性（），圆 形 环 齿 进 给 机 构 的 创 新 设 计解 决 问 题 一 的 发 明 原 理 为“周 期 性 作 用”，具 体 解决 方 案 为“改 变 周 期 性 作 用 的 频 率”。问 题 解 决 的 关 键在 于 通 过 降 低 进 给 速 度 来 降 低 进 给 运 动 频 率，为 此 将 原设 计 中 的 圆 形 环 齿 进 给 机 构 与 驱 动 电 机 的 内 联 系 断 开，外 部 手 动 操 作 低 速 进 给，这 样 以 牺 牲 操 作 方 便 性 化 解 了矛 盾，同 时 也 带 来 了 传 动 链 复 杂 性 减 小 和 机 构 运 动 能 量降 低 的 益 处。图所 示 为 圆 形 环 齿 进 给 机 构 的 结 构 示 意 图，其 工作 原 理：脱 开 牙 嵌 转 向 保 险，转 动 转 向 摇 杆，经 直 齿锥 齿 轮 组减 速 换 向，端 面 凸 轮产 生 旋 转 运 动，在 顶杆 盘及 弹 簧的 作 用 下，装 配 于 凸 轮 上 的 环 齿 输 出 轴产 生 旋 转轴 向 往 复 运 动，由 此 带 动 立 铣 刀 实 现 圆 形 环齿 进 给 运 动。图圆 形 环 齿 进 给 机 构 示 意 图 进 退 刀 机 构 的 创 新 设 计解 决 问 题 二 的 发 明 原 理 为“动 态 化”，具 体 解 决 方案 为“使 进 退 刀 机 构 与 圆 形 环 齿 进 给 机 构 可 以 动 态 相 互配 合 实 现 精 确 耦 合 轨 迹”。为 此 将 进 退 刀 机 构 设 计 为 行程 可 调 的 双 滑 块 形 式，赋 予 其 对 个 性 化 椭