肌肉负荷对股骨干骨折早期愈合生物力学影响的有限元分析

背景:以往的研究多通过忽略肌肉负荷和采用简化股骨负荷的方式,进行骨折早期愈合的生物力学分析。然而,肌肉负荷对骨折早期愈合产生的生物力学影响尚不清楚。目的:构建不同的股骨负荷模型,研究肌肉负荷对骨折愈合的生物力学影响,帮助临床医生更好地理解骨折愈合的生物力学过程,优化治疗方案。方法:利用AnyBody Modeling System软件构建个性化的人体肌肉骨骼系统,通过仿真分析以获取体内的肌肉骨骼负荷模型。该模型和采用改进简化负荷方法、简化负荷方法构建的股骨负荷模型,分别作为有限元输入的边界条件,对站立状态下锁定加压钢板应力应变、骨折块应变进行分析。结果与结论:(1)与简化负荷方法相比,肌肉骨骼方法得到的锁定加压钢板应力、应变和骨折块应变分别小了31.9%;38.9%和19.5%;(2)肌肉骨骼方法与改进简化负荷方法对比发现,忽略肌肉负荷则会造成锁定加压钢板的应力、应变和骨折块应变分别高估16.8%,14.3%和19.5%,肌肉负荷对骨折块的剪切运动大小无明显影响,而对运动方向有明显的影响;(3)结果表明,简化股骨负荷和忽略肌肉负荷的方法与肌骨骨骼负荷情况存在一定的偏差,因此,在研究骨折愈合时需考虑肌肉负荷的生物力学影响。

随机森林非对称步态质量评价模型的敏感因子分析

背景:非对称步态质量评价对康复训练有指导作用,但步态质量与步态运动学动力学参数关联尚不清楚。目的:构建基于步态参数的机器学习步态质量评价模型,提取非对称步态参数的质量敏感因子,探讨步态参数与步态质量的关系,用于指导非对称步态相关的训练和康复。方法:设置非对称因子,建立非对称步态模型数据库。开展步态试验采集8位青年和8位老年受试者(均为男性,右侧优势人群)的运动学、动力学数据,依据对称性指标对每组试验数据进行步态质量分析,建立步态参数-步态质量数据集;通过随机森林学习建立步态质量评价模型,使用因子重要性分析方法识别步态质量关键影响因子;使用关键因子更新步态质量评价模型。经10折交叉验证评估模型表现,使用交叉验证数据集来验证模型的评价效果。结果与结论:①设计了非对称步态质量梯度试验,得到梯度步态质量数据库,其中759组最优步态质量数据,329组次优数据,133组中间质量数据,125组较差步态质量数据;②探讨了随机森林算法在步态质量评价方面的应用方法,建立了步态质量与步态参数的关系模型,随机森林步态质量模型预测精度为95.99%;③对随机森林模型进行特征重要性排序,得到影响非对称步态质量的13个主要参数;④对上述13个主要参数进行步态质量敏感因子分析,筛选出5个步态质量敏感因子,使用敏感性因子建立的随机森林模型预测精度为94.20%。

IFS-KAQ用户需求分析方法研究与应用

为了精准获取用户的真实需求,提升新产品设计与研发中决策的准确程度和产品的用户满意度,本研究提出一种融合Kano模型、层次分析法(AHP)、质量功能展开(QFD)方法与直觉模糊集(IFS)的用户需求分析方法(简称IFS-KAQ),从多角度对用户需求进行研究与分析。首先,用IFS处理Kano问卷结果,获得用户直觉偏好信息,确定用户需求类别和用户满意度系数(Sn);然后,将IFS与AHP相结合,通过专家访谈确定直觉偏好关系,并结合直觉模糊Kano模型(IFKM)和直觉模糊层次分析法(IFAHP)的结果确定各用户需求的最终权重;最后,将IFS与QFD相结合,获得用户需求与技术需求之间的关联度等级,构建相关性矩阵,从而建立技术需求目标,得出各用户需求和技术需求的权重。以分析结果为指导设计一款被动式腰部助力外骨骼,实验证明通过该方法对用户需求分析的结果指导设计的外骨骼产品用户满意度得到有效提升。此研究方法可以提升新产品设计与研发中决策的准确程度及决策结果的可靠性,提升产品的用户满意度,并且可以为解决新产品设计与研发过程中的决策问题提供参考。

基于可编程逻辑控制器(PLC)的专用组合机床电气控制系统

对原有DU型组合机床的电气系统进行改造,分别对其主电路、液压回转工作台控制线路和液压动力头控制线路进行原理分析,确定其所要追加的功能.首先,选择可编程逻辑控制器(PLC)的型号和扩展模块,对PLC接口资源进行分析与分配;其次,完成控制面板的设计,按照功能分配各个按钮的位置;最后,完成控制系统的编程.PLC对机床改造程序分为两个模块,即自动运行模块和手动调试模块,针对两个模块进行编程并进行程序仿真,改造后的机床可以实现四工位组合机床的自动化生产以及工作人员对机床的手动便捷调试.

设计类课程特点与思政教学要求的同质性研究

通过分析设计类课程的特点和思政教学的原则、理念、结构、方法、思维等,提出了设计思维的协同性与课程思政协同育人理念之间的统一、设计实践的多元性与课程思政三位一体结构之间的统一、设计知识的生成性与课程思政显隐结合方法之间的统一、设计策略的创新性与课程思政科学创新精神之间的统一四个方面的同质性特征,为课程思政融入设计类课程教学的策略、路径、方法等提供了理论参考。

“新工科”轻工类机械专业实验教学改革与建设

在新工科发展背景下,需要培养学生创新能力和工程意识,从而更好地适应社会需求,对接企业需要。本文分析了传统机械类实验教学存在的问题,探索并提出了新工科建设背景下轻工特色高校机械类实验教学管理与建设改革方案,从实验室分类管理模式、师资队伍、实验室信息化建设、实验教学体系、教学质量体系监督等方面进行创新改革,为新工科背景下高素质、创新型机械人才的培养奠定坚实基础。

“新工科”背景下轻工特色高校机械实验室建设探索与实践

“新工科”发展建设背景下,为更好的培养创新意识和实践能力的复合型人才,对接企业需求,文章分析了轻工特色高校机械实验室现状及存在的问题,提出了实验室建设与管理新举措,即引入先进设备和技术建立数字化实验室、建立实验室管理与服务体系、健全实验室安全体系,实现“机–人–环境”三位一体实验室建设新模式。以机械工程学院实验室建设为例,新模式应用推广后效果显著,促进了特色高校人才培养和科研创新的发展。

面向老年用户的医疗自助终端包容性设计研究

互联网技术的蓬勃发展加快了医疗自助终端的功能升级与拓展,同时医疗自助终端面向广大用户群体,应具有良好的包容性,为患者提供舒适的就医体验。总结医疗自助终端现存的问题,提出面向老年用户的医疗自助终端的包容性设计原则,对医疗自助终端进行重新设计,使用眼动设备测试重新设计的医疗自助终端的可用性,并对青年组和老年组的眼动数据进行分析。结果表明,结合包容性设计原则重新设计的医疗自助终端在完成率、效率及用户满意度上都比较趋同,满足老年人的使用需求且未影响青年用户的使用,提高了医疗自助终端的包容性。

冠状动脉血管支架的研究现状

阐述了冠状动脉血管支架的发展历程,介绍了金属永久性支架、覆膜及涂层支架和生物可降解支架的研究现状,分析了各种支架的特点、适用场合及不足,指出了生物可降解支架对人体没有明显副作用,具有较大的发展潜力,应在创新设计、性能、制造方面进行突破。

单侧膝关节屈曲受限下肢肌肉的协同特征

背景:膝关节活动受限是一种比较常见的损伤后表现特征,但是对于膝关节活动受限下的肌肉协同有待研究。目的:研究单侧膝关节屈曲受限与正常运动下肢肌肉协同的异同。方法:招募20名健康成年人(男性12名,女性8名)作为受试者,分别采集屈曲受限条件下与无屈曲受限条件下自然行走的下肢表面肌电信号。通过非负矩阵分解算法从受限侧(右腿)的10块肌肉的表面肌电信号中提取肌肉协同,利用单因素方差分析研究在不同条件行走的步态参数显著差异。结果与结论:①屈曲受限条件下,受试者进行行走任务时肌肉协同数量减少,表现出不同的肌肉协调模式控制并且招募新的肌肉协同单元;随着协同模块的减少,内侧腓肠肌、外侧腓肠肌和比目鱼肌激活时间从支撑相向摆动相偏移的越明显;主要依靠股直肌、股内侧肌、股外侧肌和阔筋膜张肌进行代偿,使其在激活水平上表现的异常活跃,同时受限侧表现出划圈、提胯等动作,因此受限后主要以受限侧髋关节代偿;②屈曲受限条件下,受试者受限侧和非受限侧在步态参数(频率、步速、步态周期和支撑相占比)方面对比受限前均存在显著差异(P<0.05),同时非受限侧单腿支撑时间相较于受限前明显增大(P<0.01),受限侧支撑相占比和单腿支撑时间显著小于非受限侧(P<0.01);③因此,膝关节屈曲运动减弱可被认为是导致下肢肢体内协调受损的关键因素,研究结果对运动功能的定量分析以及人体下肢康复指导具有意义,并为了解运动功能受损背后的神经肌肉控制机制提供重要的见解。

基于图像质量评价的手术机器人系统磁共振兼容性分析方法

为保证手术安全及操作精度,基于磁共振图像导航的手术机器人系统需具备磁共振设备兼容性.针对这一问题,本文提出了基于磁共振图像质量评价的手术机器人系统磁共振设备兼容性分析方法,扩展了图像数据集,并结合图像信噪比、图像变化因数、磁共振图像畸变量等评价参数,逐一分析机器人系统组件通电、机器人系统运动对磁共振图像质量产生的影响,建立图像质量评价依据.实验结果表明,该质量评价方法可充分分析手术机器人及其系统组件的磁共振兼容性,且可为医疗手术机器人系统组件的磁共振兼容性分析提供测试方法与理论依据.

上、下楼梯步态参数变化特征研究

目的采集上、下楼梯过程中健康人体下肢运动学、动力学功能参数,为外骨骼助行器实现上、下楼梯这一运动形式的步态轨迹设计和驱动元件选型提供数据支持。方法设计常规楼梯实验装置,利用三维运动捕捉系统和三维测力台系统同步测量方法测量上、下楼梯时踝、膝、髋关节运动信息,应用SPSS统计软件和Origin绘图软件分析下肢运动特点,并对比分析上、下楼梯时下肢的功能参数。结果通过实验获得健康青年人在上、下楼梯时下肢关节在矢状面关节角度、关节力矩随步态变化规律及活动极限值,上楼时踝、膝、髋关节角度依次为-10.66°-13.26°、6.85°-88.92°、1.31°-50.18°,下楼时踝、膝、髋关节角度依次为-37.42°-27.18°、9.83°-95.53°、8.01°-31.62°。上、下楼梯时所需最大踝、膝、髋关节力矩依次为1.788、1.121和0.946 N·m/kg。结论上、下楼梯时人体下肢步态参数随步态变化趋势与关节运动范围显著不同。助行器步态规划要针对上、下楼梯单独设计,驱动元件的选型上要满足上、下楼梯时各关节的最大力矩需求。

CATIA V5人机工程学功能及应用

介绍了CATIAV5的发展和技术特点,介绍了其人机工程功能,以一个香烟条盒包装机防护罩的设计为例,说明了CATIAV5在产品设计中的具体应用方法。

基于足-地接触力的滑跌概率预测模型研究

针对传统的滑跌判定条件预测行走滑跌概率不准确的问题，进行了滑跌实验，建立了新的滑跌概率预测模型。为了建立新的滑跌判定条件，提出了利用摩擦系数（UC—DF）这一概念；通过止滑性能实验测得了几种常见鞋底材质、地面材质及污染介质组合下的可得摩擦系数（ACOF），通过滑跌实验中测得的足-地接触力，计算出了相应的必要摩擦系数（RCOF）以及UCOF。修正了传统的滑跌判定条件，最终建立了包含滑动和滑倒两种情况的滑跌概率预测模型。试验分析结果表明：与现有的滑跌预测模型相比，此模型提高了对滑跌概率预测的准确度。

下肢助行器结构设计及运动仿真

对用于辅助下肢瘫痪患者重新站立行走的下肢助行器的总体方案及其工作原理进行了设计与分析。根据人机工程学中的人体结构测量及结构几何关系确定了各杆长度。在CATIA中建立了助行器的三维样机模型,通过ADAMS进行了运动仿真分析,得到了助行器的速度、力矩等参数,并与正常人体步态参数比较,验证了机构设计的合理性和方案的可行性。

人体下肢动力助行器的结构设计与仿真

针对下肢残障人士站立与行走的需求,提出一种新型外动力式助行器,并对其总体结构进行了设计。根据ZMP理论,分析了影响人体行走稳定性的因素,并且参考人体下肢尺寸与各关节特点,对助行器的机构进行设计。通过建立助行器虚拟样机模型,并使用Recur Dyn软件对其进行了运动学与动力学仿真,仿真结果表明,文中提出的助行器结构设计合理。

凸轮在下肢外骨骼驱动中的应用及分析

以功能设计为出发点,设计下肢外骨骼驱动机构,与从模拟人体腿部肌肉运动的角度出发设计下肢外骨骼驱动的思路有明显不同。由于下肢运动的复杂性,传统的驱动方式在控制上很好实现下肢的行走运动很困难且成本很高,而提出的用复杂的步态曲线来反求设计凸轮外轮廓并用其作为下肢助行器的驱动机构,巧妙的避开了下肢外骨骼中关于如何实现运动控制的难点问题。同时,针对其存在的不能适应步态实时调整的问题也进行了结构补偿,以使外骨骼机构能在一定范围内实现速度的变动。

步态分析研究综述

目的梳理步态分析的发展脉络,介绍步态分析中常用的实验和仿真方法,了解步态分析的主要应用领域,预测步态分析未来的发展方向。方法收集步态分析领域的国内外主要文献,梳理该领域的主要研究内容、研究方法、研究现状和主要应用领域。结果步态分析的主要研究内容是对运动学、动力学参数及其变化规律的定量研究,多数学者将研究集中在临床诊断与康复评价、穿戴式机器人及康复辅具研发与竞技体育科学训练方式探索上;步态分析的研究方法包括实验研究和仿真分析法;步态分析的研究成果可以为医疗领域中相关疾病的临床诊断、疗效评估和康复训练提供指导意见,为工程领域中双足机器人、助行器及康复辅具、人工关节的设计开发提供数据支撑。结论未来步态分析手段将更精准、应用领域将更广泛,步态分析的应用也将扩展到更多领域,工业设计也将持续引入步态分析的方法与成果,为用户带来更好的产品和更舒适的体验。

基于CATIA的汽车内部人机空间设计CAD系统

以在汽车设计制造领域占有主导地位的三维计算机辅助设计软件CATIA为平台,将人机工程学理论与计算机辅助设计技术相结合,建立了具有中国人体尺寸特征的三维数字化人体模型,实现了以人体尺寸驱动进行空间设计的方法,进行了汽车内部人机空间CAD系统的初步构架,并利用CATIA的人体姿态分析模块对该系统进行了检测,证明了其正确性和实用性。

仿蝼蛄运动特性的土壤挖掘机构设计

凭借前足"挖-扩"式掘进方式,蝼蛄可以实现高效、快速的地下掘进。为了更好的利用这一优良特性,使用高速运动采集系统对蝼蛄前足的挖掘运动进行采集,使用Didge与Matlab软件对其进行运动学分析,并构建运动轨迹曲线。根据蝼蛄前足运动特性及运动轨迹,设计了一种基于曲柄滑块机构的仿生挖掘机构。仿真模拟结果表明,该机构的运动轨迹、速度及加速度特性等与蝼蛄相似,可以实现"挖-扩式"运动,证明了机构的可行性。其结果为触土工作机构的仿生设计提供了一种新方案。