股骨干骨折复位机器人主从控制系统的设计

目的研究设计复位力量大、操作精度高、数字化主从控制的股骨干骨折复位机器人,降低医务人员手术强度和辐射风险、提高复位精度和稳定性。方法分析骨折治疗的方法及流程,设计骨折复位机器人的工作流程,以嵌入式微控制器LPC1788为核心,选用微控制器的串行通信引脚接收复位指令,分析处理完成后通过微控制器的PWM引脚输出控制信号,信号经差分变换后传输给从机械臂的伺服驱动系统,精确控制操作杆执行复位指令,引入反馈监测和童锁功能,增强了系统可靠性。结果在软硬件联合调试过程中,控制系统在正常操作和模拟各种异常或错误操作的情况下,全程无任何错误输出。结论股骨干骨折复位机器人的主从控制系统运行安全稳定,能有效滤除各种错误,输出准确、操作性强,具有重要的临床意义。

基于计算力矩法的骨折复位机器人系统仿真

针对传统骨折复位手术存在的复位精度低,对抗肌张力时十分耗费医生体能等缺点,设计了一种基于并联机构的骨折复位机器人。利用Simulink工具箱搭建了运动学分析系统,对机构进行了逆运动学分析。基于运动学分析的结果,运用拉格朗日法建立了该骨折复位机器人的动力学模型,探究了平台位姿与关节驱动力及平台受力的关系。最后在关节空间中根据骨折复位机构的逆动力学模型建立了控制器。通过设定平台运动轨迹,观察控制各驱动杆需要的力及平台受力情况,验证了控制器设计的正确性及控制规律的有效性。上述研究为实际机器人控制器设计及控制系统开发提供了理论支持。

基于信息物理融合的骨折复位机器人系统构建

针对骨折治疗中传统复位方法(手法复位、牵引复位、手术复位)存在的二次损伤、肌能失调、患肢僵硬、破坏血运及术后矫正动态性能差等问题,提出了一种人-机-物融合的信息物理系统(CPHS)用于指导机器人的复位动作。首先,从CPHS的数字孪生、信息感知、系统集成、手术流程、模拟复位等方面论证了并联机器人信息物理系统的构成,将机器人的高定位精度及可重复性与微创方法有效结合,从而指导医生完成仿真规划及术中监控等一系列操作;其次,根据临床骨折复位过程,在机器人操作下对5组不同骨折姿态的模拟骨折病例进行了复位实验;最后,计算出每组实验复位后的移位残余及角度误差,并与传统复位方法的相应数据进行对比。实验结果表明,CPHS骨折复位机器人相较于传统复位方法,在骨折复位过程和患者术后康复上均有着明显的优势。