3D打印个性化大腿假肢接受腔形性协同制造策略

假肢接受腔作为连接残肢与假肢系统之间的关键界面,是假肢系统发挥其功能的重要基础.为满足假肢接受腔个性化、快速、低成本的制造需求,本研究提出利用材料挤出成型技术(Material extrusion,MEX)制备大腿假肢接受腔的方法与策略.首先通过对残肢-接受腔系统的生物力学分析提出了接受腔材料的力学性能需求.然后,系统...     

基于反求工程的个性化残肢重建方法的研究

为克服传统石膏复型方法在假肢接受腔制作中存在的缺点,提出了反求残肢骨骼和皮肤软组织数字化模型。通过CT扫描获得残肢内外组织的二维图像,利用图像处理技术及反求工程技术实现了残肢骨骼和皮肤软组织三维模型的重建。三维重建的模型与原实物高度相似并再现了残肢的内外组织结构,此外,该方法为将来残肢接受腔的设计提供了科学的依据。     

3D打印连续纤维复合假肢接受腔Z向强化制造策略

假肢是截肢者恢复行动能力所必须的康复辅具，假肢接受腔作为连接残肢与假肢系统之间重要的生机界面，具有包容残肢、支撑体重、传递运动载荷的重要作用。与传统工艺制备的假肢接受腔相比，MEX(Material Extrusion，材料挤出成形)3D打印接受腔具有加工周期短，成本低等优势，能够满足接受腔快速低成本制造的需求，但该工艺制备的接受腔以Z向力学性能较差为突出劣势，应用也因此受到限制。之前的研究针对该问题提出了一系列的策略对MEX打印工艺的Z向力学性能进行提升，但受到材料与工艺限制，优化后的打印策略制备接受腔的Z向力学性能依然不足。为解决该问题，本研究首先基于假肢接受腔的打印需求，自主研发了可控制挤出头姿态变换的多自由度MEX打印设备。随后，本研究系统地研究了多自由度打印工况下纤维方向和打印层厚对芳纶纤维增强复合材料打印件Z向力学性能的影响。最后，本研究根据多步态下假肢接受腔的力学分析结果，将纤维方向和接受腔厚度等参数和接受腔受力状态进行关联，提出了接受腔Z向强化打印策略。结果表明，与传统3D打印工艺相比，Z向强化制造策略可显著提升接受腔的力学性能，所制备的假肢接受腔可满足穿戴疲劳要求。     

界面压力可控式假肢接受腔设计

功能性假肢接受腔需要同时具备穿戴舒适性与力及运动的传递功能,两者对人机界面提出刚柔特性相反的要求,对接受腔的设计形成了矛盾。针对这一矛盾,提出分时间歇和分区交替承载的界面压力可控式假肢接受腔设计概念,以最大化其功能传递性,并且避免残肢软组织长时间承受过高载荷。设计一种负刚度挤压腔体单元,通过抽真空方式驱动腔体单元收缩改变接受腔内壁形状,实现接受腔对残肢软组织适配界面的刚柔特性协调及快速转换。理论分析负刚度挤压腔体单元的力学特性,该特性使其对软组织松紧挤压转换所需的驱动力小,有利于小型化驱动单元,同时也使接受腔对软组织具有过载保护的功能。以该单元为基础构建假肢接受腔试验模型,并对其界面压力响应特性进行试验评价,初步实现了对接受腔界面压力的控制,并证明了该设计方案可以同时提高接受腔的功能传递性和舒适安全性。     

大腿假肢远程加工中计算机辅助设计与制造系统的应用研究

分析研究大腿假肢远程加工中计算机辅助设计与制造系统的应用价值。大腿假肢远程加工中,基于严格的残肢尺寸测量前提下,应用计算机辅助设计与制造系统可行性高,在一定程度上,可解决偏远地区大腿截肢患者无法制作假肢的问题。     

假肢材料与人体下肢皮肤界面的摩擦特性

采用UMT-II多功能摩擦磨损试验机,在往复摩擦模式下模拟假肢接收腔/残肢皮肤界面,研究了4种不同表面结构的硅胶内衬套材料与皮肤的摩擦学行为。结果表明:硅胶材料/皮肤界面、接收腔/硅胶材料界面在往复摩擦模式初期均会产生相对滑动,摩擦因数较大;随着界面间产生黏着,摩擦因数减小,逐渐趋于稳态。硅胶材料反面上的粗大微凸体,增加了与皮肤的粘结性,摩擦能耗减少;正面上的针织结构不但增加了往复摩擦过程中与接受腔之间的相对滑动量及摩擦能耗,而且减少了其反面与皮肤往复摩擦过程中皮肤协调位移时的变形,从而降低了与皮肤之间的摩擦因数和能量损耗,因此,有利于降低皮肤摩擦损伤的风险,提高残肢患者穿戴舒适性。     

多自由度假肢运动学分析

对某种机器人型假肢的结构进行了设计,将假肢设计成具有5个运动自由度和1个局部自由度的结构。通过对机器人型假肢结构的特性分析,用D-H法建立了假肢各连杆的坐标系,并推导、获得了假肢手部相对于基础坐标系的运动学正解矩阵方程。在此基础上,借助蒙特卡洛方法,分析了假肢的有效工作空间,并在MATLAB环境下,用图形的方式对其进行了仿真显示。该假肢的工作空间为一椭球缺形状,工作空间的形状紧凑,无空穴和空洞。     

机械基础在新型人腿假肢结构设计中的应用

新型人腿假肢是在反复研究人腿的结构特点、分析人腿走路时的受力情况、完全模仿真人脚和腿的结构设计而成的,也称为仿生人腿假肢。它包括仿生脚、踝关节、小腿骨、膝关节、大腿骨、接受腔6个部分,主要特色在对仿生脚、踝关节、膝关节3个部分的结构设计上。新型人腿假肢采用钛合金材料和弹性元件,保证假肢重量轻、柔韧性好、活动灵巧、有弹性,能够吸收和缓冲人走路时的振动,可以自由复位,适应各种路面上行走,减少对人体的伤害,保证人体安全平稳。     

一种主动型踝关节假肢设计及动力学分析

设计了一种平衡可控变刚度主动型踝关节假肢,通过调节弹簧的预紧力,实现不同行走模式下的变刚度运动。首先采用Motion Analysis步态分析系统进行人体行走步态实验的研究,获得踝关节行走过程中的关节角度及关节力矩,为踝关节假肢设计提供理论依据;其后,进行踝关节假肢机构方案分析,利用电动机带动曲柄摇杆机构,并组合弹簧进行踝关节假肢的机构设计;最后,采用ADAMS软件进行踝关节假肢虚拟样机仿真,研究不同刚度系数对踝关节假肢运动输出的影响,仿真结果表明踝关节假肢有较好的动力输出效果,并通过实验验证了机构设计的合理性。     

绳索式假肢手指包络抓取性能的优化研究

不合理的驱动滑轮半径往往导致绳索式假肢手指在包络抓取过程中出现弹射、抓取失败等现象。为了使假肢手指在包络抓取不同尺寸物体时都能有很好的综合抓取性能,文中对影响假肢手指抓取稳定性的驱动滑轮的轮径进行了优化选择。通过仿真研究假肢手指抓取的动态过程,并结合最常用的抓取模式优化选择了各驱动滑轮的轮径值。优化的关键在于考虑了指节与被抓物体表面存在的摩擦力对最终稳定性的影响。仿真验证了绳索式假肢手指在不同包络抓取模式下的综合抓取性能。     

动力踝关节假肢设计与仿真

介绍了踝关节假肢的发展现状,为了达到人体理想的行走步态,对一个周期内的步态过程进行了研究,设计了一种具有主动驱动力源的踝关节假肢模型,整个机构采用串联弹性驱动系统和并联弹性板辅助来模拟步态整个周期运动过程。通过使用Solidworks、ANSYS和ADAMS软件的虚拟样机联合仿真,进行了一个步态周期内的踝关节假肢的仿真过程,结果表明该踝关节假肢模型能够实现正常的步态运动,并能够得到类似正常人体行走的踝关节角度和角速度曲线,验证了机构的可行性。     

绳驱动假肢手指参数优化及抓取力分析

鉴于实现假肢手指类人手指运动规律在假肢手设计中的重要性,通过对假肢手指运动学进行分析,得到假肢手指关节转角与弹簧刚度的关系,并采用数据手套对人手食指自然弯曲过程中各关节转角进行采集,在此基础上,以假肢手指弯曲过程中关节转角与人手食指相近为设计目标,对假肢手指的参数进行优化,得到满足目标的弹簧刚度。最后根据虚功率原理建立假肢手指静力学模型,并将得到的数学模型与ADAMS虚拟样机的静力学仿真结果进行对比,验证了所建立的静力学模型的合理性。     

假肢接受腔阳模刀位插补方法及其误差比较

在分析假肢接受腔阳模数控加工特点的基础上,针对三坐标数控铣加工,讨论了直接法、退刀法、矢量法三种典型刀位计算方法在接受腔阳模加工中的应用,分析了加工误差的来源及其分布,并给出了逼近误差和刀具补偿误差的计算方法。通过加工实验,验证了三种刀位计算方法的有效性和误差分析方法的正确性。实验结果表明:直接法简单,但加工误差大,只适合于粗加工;退刀法复杂,加工误差大,不适用;矢量法复杂,误差小,适用于阳模加工刀位的插补计算。     

假肢接受腔阳模刀位插补方法及其误差比较

在分析假肢接受腔阳模数控加工特点的基础上,针对三坐标数控铣加工,讨论了直接法、退刀法、矢量法三种典型刀位计算方法在接受腔阳模加工中的应用,分析了加工误差的来源及其分布,并给出了逼近误差和刀具补偿误差的计算方法.通过加工实验,验证了三种刀位计算方法的有效性和误差分析方法的正确性.实验结果表明:直接法简单,但加工误差大,只适合于粗加工;退刀法复杂,加工误差大,不适用;矢量法复杂,误差小,适用于阳模加工刀位的插补计算.     

新型仿生膝关节的机构设计与仿真研究

通过对假肢膝关节系统的功能原理分析,提出了多种新型假肢膝关节结构方案,拟定了结构方案比较与选择的基本要求与准则,完成了结构设计与技术设计;结合运动仿真分析,确定了膝关节在主动屈曲时回转摆动缸的摆动范围,分析了下蹲过程中的机构力矩变化规律。设计与仿真的结果对于连骨式假肢膝关节设计、双足步行机器人开发有参考价值。     

新型欠驱动拟人假肢手指的设计与分析

根据欠驱动原理设计了一种用于拟人假肢手的新型欠驱动手指.通过静力学分析得到了手指抓取力的表达式以及影响因素.通过分析和仿真表明,该欠驱动手指结构简单,并具有很强的抓取形状自适应能力,抓取性能优异.这种设计和分析方法为拟人假肢手指的设计提供了一种新的思路.     

下肢假肢穿戴者跑动步态识别与膝关节控制策略研究

为研究假肢穿戴者跑动状态以及假肢膝关节的跑动控制,首先通过人体多源运动信息采集,获取髋、膝关节加速度信号、大腿股直肌部位肌电信号和足底压力信号,使用切比雪夫I型滤波方法进行降噪并提取信号特征。利用相关性分析方法,结合足底压力信号实现对跑动状态识别。在此基础上,利用粒子群优化的支持向量机方法进行信号分析,实现对6个跑动相位的识别。以四连杆假肢为被控对象,以人体跑动信号的特征点为各相位的转移条件,提出了基于有限状态机的假肢跑动控制策略。通过多项式拟合,建立了假肢膝关节控制模型,并进行了下肢假肢测试平台的验证。测试结果表明,所提方法可以实现跑动步态与相位的有效识别,并控制假肢膝关节做出正确的跑动动作。     

基于电静液作动原理的主动式踝关节假肢设计

踝关节假肢作为人体医学假肢的重要组成部分，按其作用原理分为被动式假肢、半主动式假肢和带有主动驱动的主动式假肢。主动式踝关节假肢具备主动驱动能力，同时通常包含能够产生弹性以及形成能量反馈的机构，可以显著地改善截肢患者的行走舒适性。根据人体生物力学分析，提出了主动式踝关节假肢的总体方案，设计了基于电静液作动原理的主动式踝假肢驱动系统，设计了假肢整体机械结构，并完成了假肢整体的力学性能与运动学仿真。相对于传动的机电系统或液压系统驱动的主动式踝关节假肢而言，采用电静液作动器驱动的主动式踝关节假肢具有功率密度高、噪声低和状态切换快速平滑等优势。     

航天器X型整体壁板加工变形控制技术研究

针对航天器X型整体壁板在铣削过程中产生加工变形导致结构尺寸超差的问题，提出一种利用有限元仿真预估零件加工变形程度的方法来优化加工工艺方案。对壁板加工过程中的受力状态进行研究，给出了一种利用铣削轨迹获取各个方向铣削力的方法，并利用铣削力有限元仿真来预估整体壁板的加工变形程度。同时，根据优化后的工艺方案设计了分腔式真空吸附工艺装备。通过实例加工验证了该方法控制铣削变形的有效性。     

金属激光直接烧结的攀缘假肢

对于残疾的体育爱好者来讲，需要量身定制假肢。逐层制造工艺技术的使用，不仅缩短了假肢制作的时间而且也降低了假肢制作的成本和费用。这一技术也用于骨科、整形外科的植入手术中。