扭转力传递的非骨水泥髋关节假体设计、制作及实验分析

背景:人体股骨髓腔具有扭转的解剖结构,如果股骨髓腔的扭转结构被复制到假体的柄体上,当假体插入髓腔并在假体上加载力时,假体将加载的力转换成股骨髓腔对柄体的扭转力并将该力传递到股骨近端。目的:优化股骨近端的力传递,避免假体近端应力遮挡。方法:利用人股骨标本的CT图片重建股骨髓腔的3D模型,将该3D模型作为柄体的设计模型。将定制式柄体模型与标准假体的近端模型拼合,形成定制式假体。采用机器人磨削技术制作定制式假体,并将定制式假体与标本股骨髓腔匹配。利用有限元仿真和实验方法分析假体上加载的力与假体近端扭转微动的关系。结果与结论:仿真和实验结果表明,股骨髓腔与柄体匹配的扭转结构,可有效地将假体上加载力以扭转力的形式传递到股骨近端,假体近端的扭转微动与柄体的微动相关,而柄体的微动可通过改变柄体与髓腔的匹配区大小得到控制。

基于CT重建和机器人磨削的个性化假体CAD/CAM方法

人体髋关节髓腔具有个性化的S型形状,现有标准型的直柄股骨假体与病人髓腔形成三点接触,降低了股骨假体与病人髓腔的匹配度。利用猪腿骨的CT数据重建其髓腔的三维模型,将该三维模型作为假体设计模型导入机器人仿真软件进行编程和磨削仿真,并生成机器人磨削程序,利用机器人磨削程序将该假体模型复制到铜棒上。将加工好的假体与猪腿骨髓腔匹配,通过X射线图检测两者匹配情况,利用截取的骨断面测量假体与髓腔断面间的尺寸误差,验证个性化假体设计方法以及机器人磨削个性化假体的可行性。实验结果表明,假体与髓腔完成匹配后,90.84%匹配区域的假体与髓腔的间隙小于1mm。

定制髋关节假体数字化设计与制造技术研究

针对人体的髋关节具有个性化特征以及传统假体与股骨匹配后力传递不稳定等问题,对人体髋关节假体数字化设计、有限元力传递分析、基于机器人磨削的数字化加工进行了研究,提出了在设计、仿真和加工过程中将髋关节假体模型统一的方法,实现了定制式假体数字化设计、有限元力传递的分析和机器人磨削加工的一体化,初步建立了髋关节假体的数字化设计与制造、产品生命周期的服务模型,为数字化设计与制造技术在髋关节假体等骨科植入物中的应用建立了基础。实验结果表明:采用机器人数字化磨削加工定制式假体,保持机器人软件空间与实际工作空间一致,可以有效提高假体的制造精度,实现假体与股骨髓腔的最优匹配。

机器人虚拟TCP的设置及其在加工中的应用

针对机器人末端抓持工件时,无法利用生成在工件上的轮廓点进行去毛边加工的问题,对机器人末端抓持工件在工具固定的情况下去毛边加工的方法进行研究,提出在确定工件加工轮廓与机器人末端TCP的固定位姿关系之后,将固定在机器人工作空间中的工具上一点设置为虚拟TCP,以该虚拟TCP为基准,将附着于机器人末端工件上的加工轮廓点映射成机器人工作空间中的虚拟轨迹点的方法。在给出工件上轨迹点与虚拟轨迹点的映射关系,完成虚拟TCP以及机器人末端TCP设置的基础上,在Fanuc机器人仿真软件Robo Guide中对该方法进行了运动仿真验证后进行了加工,测量了其刀具进给量。实验结果表明:利用该方法对机器人夹持的工件进行去毛边加工,完全满足生产加工的精度要求。

集成机器人磨削的定制式假体制作方法研究

影响非骨水泥假体长期稳定的因素是无菌松动,微动和应力遮蔽通过破坏假体近端的骨整合导致假体的无菌松动,而微动和应力遮蔽与假体的力传递相关。定制式假体的设计模型来源于病人股骨的CT数据,它建立了有限元模型与手术模型的一致性,通过有限元模型上的力传递分析,优化假体的设计和假体与髓腔的匹配,控制手术后假体上的力传递,避免假体近端大的微动和应力遮蔽而破坏假体在髓腔中的初期稳定性,促进假体近端的骨整合。针对定制式假体,发展一种新型的集成技术,形成定制式假体设计、有限元分析和制造一体化,特别是采用CAD/CAM/Robot集成技术加工定制式假体,在建立CAM软件空间各单元与机器人工作空间对应各单元一致性基础上,提高了假体的制造精度。仿真和实验结果表明,有限元分析方法可以控制假体上的力传递,机器人磨削柄体的误差小于0.9mm。

机器人铣削压铸件毛边的方法与实验研究

将机器人用于压铸件产品加工,需要解决软件自动生成加工轨迹,建立一致性的虚拟模型空间与实际模型空间等技术.采用机器人及其末端的标定工具,获得机器人与工作台、机器人与刀架之间的变换矩阵,从而建立虚拟模型空间和实际模型空间的一致性.利用CAM软件生成加工工件的刀具轨迹,通过后处理方法将刀具轨迹转换成机器人加工轨迹.对生成的轨迹点进行转换,形成工件绕刀具平动的虚拟加工轨迹.实验结果表明,与理论加工轨迹相比,实际加工轨迹形成了2mm左右的系统误差,该误差由机器人零位误差和本体几何误差产生,通过缩放工件模型来产生轨迹,可以有效消除系统误差.消除系统误差后的加工精度可以达到±0.1mm,满足压铸件去除毛边的加工要求.