方新果，薩 拉，趙改平，王晨曦，柏磊磊

上海理工大學(xué) 醫(yī)療器械與食品學(xué)院(上海，200093)

同種異體骨切割設(shè)備夾持裝置的設(shè)計(jì)

方新果，薩 拉，趙改平，王晨曦，柏磊磊

上海理工大學(xué) 醫(yī)療器械與食品學(xué)院(上海，200093)

根據(jù)對(duì)骨植入材料的力學(xué)分析，從仿生學(xué)原理入手，建立六自由度的手夾持結(jié)構(gòu)的力學(xué)模型，設(shè)計(jì)了骨切割設(shè)備夾持手機(jī)械結(jié)構(gòu)。它能適應(yīng)不規(guī)則形狀骨材料的加工，滿足臨床對(duì)不同規(guī)格產(chǎn)品的需求，可提高操作的安全性、骨料的利用率。

骨植入材料；骨切割；機(jī)械手；夾持結(jié)構(gòu)

0 引言

用于臨床的骨植入材料(bone implant)[1]目前主要為自體骨材料、同種異體骨材料、異種骨材料與人工骨材料等。而自體骨植入材料的選取會(huì)增加患者的再度創(chuàng)傷，取骨區(qū)域有限且存在并發(fā)癥。 異體骨移植材料主要用于修復(fù)、填充骨缺損，起到固定和支撐作用，其力學(xué)特性取決于供骨的結(jié)構(gòu)和部位，皮質(zhì)骨的剛度和強(qiáng)度均明顯大于松質(zhì)骨[2]。根據(jù)1992年Czitrom[3]提出的骨移植原則，需要對(duì)現(xiàn)有的同種異體骨進(jìn)行切割。移植骨的生物學(xué)特性有:骨傳導(dǎo)性、骨誘導(dǎo)性以及成骨作用[4]。

目前在機(jī)械加工過(guò)程中，切割常用方式有手工切割、半自動(dòng)切割機(jī)切割及數(shù)控切割機(jī)切割。手工切割靈活方便，但手工切割質(zhì)量差、尺寸誤差大、材料浪費(fèi)大、后續(xù)加工工作量大，同時(shí)勞動(dòng)條件惡劣，生產(chǎn)效率低，而且是開(kāi)放式的，易污染，達(dá)不到潔凈度的要求，采用加裝防護(hù)隔離設(shè)備的措施，才能滿足安全性及醫(yī)療器械生產(chǎn)質(zhì)量管理規(guī)范的要求。半自動(dòng)切割機(jī)中仿形切割機(jī)，切割工件的質(zhì)量較好，由于其使用切割模具，不適合于單件、小批量和大工件切割。其它類型半自動(dòng)切割機(jī)雖然降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，但其功能簡(jiǎn)單，只適合一些較規(guī)則形狀的零件切割。數(shù)控切割相對(duì)手動(dòng)和半自動(dòng)切割方式來(lái)說(shuō)，可有效地提高板材切割的效率、切割質(zhì)量，減輕操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度。

目前采用的是手工夾持操作方式對(duì)骨塊進(jìn)行切割，其準(zhǔn)確性和安全性還有待于提高。對(duì)于不規(guī)則形狀的骨塊，需要研制適應(yīng)不規(guī)則骨材料的智能化夾具，以提高安全性能和材料的獲得率。

1 背景技術(shù)

骨切割機(jī)是制備骨植入材料的重要器械，在醫(yī)療、娛樂(lè)、科研、工業(yè)生產(chǎn)等許多領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。機(jī)械手是骨切割設(shè)備研究的關(guān)鍵技術(shù)之一，在切割設(shè)備中起著夾持緊固的作用，機(jī)械手也是骨切割機(jī)最靈活的機(jī)械部分，因此機(jī)械手技術(shù)的發(fā)展在骨切割設(shè)備的研究中具有至關(guān)重要的地位。

德國(guó)DLR系列機(jī)械手已經(jīng)有四代產(chǎn)品，研制的目的是在太空中提供艙內(nèi)和艙外服務(wù)。英國(guó)Shadow公司的機(jī)械手The Smart Award Hand具有同人手完全相同的自由度，手指運(yùn)動(dòng)空間及抓力。其尺寸與人手相近，重約5～10 kg，而其“手指”的驅(qū)動(dòng)速度大約是人的手指常速的一半。北京航空航天大學(xué)已發(fā)布了三代BH機(jī)械手，其中BH-3型是比較成熟的，已銷往香港，澳大利亞作為實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)的模型。BH靈巧手系列的推出開(kāi)創(chuàng)了國(guó)內(nèi)機(jī)械手研究的先河，填補(bǔ)了當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)多指靈巧手的研究空白，為我國(guó)多指手制造和控制技術(shù)的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。另外還有意大利的DIST[5]機(jī)械手，日本的0kada[6]機(jī)械手，本田公司的機(jī)械手等等。

本文基于對(duì)骨植入材料的力學(xué)性能的分析，從仿生學(xué)原理入手，建立六自由度的手夾持結(jié)構(gòu)力學(xué)模型，完成骨切割設(shè)備夾持手機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以適應(yīng)不規(guī)則形狀骨材料的加工，滿足臨床對(duì)不同規(guī)格產(chǎn)品的需求，提高操作的安全性、骨料的利用率。

2 同種異體骨切割設(shè)備夾持裝置設(shè)計(jì)

以不規(guī)則形狀同種異體骨移植材料切割設(shè)備中夾持手機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和研制為主，建立六自由度的夾持手機(jī)械結(jié)構(gòu)力學(xué)模型，完成骨移植材料切割設(shè)備中夾持手的夾緊、推進(jìn)和旋轉(zhuǎn)等運(yùn)動(dòng)動(dòng)作，以適應(yīng)不規(guī)則形狀骨材料的加工。夾持手機(jī)械結(jié)構(gòu)具有四根手指，指尖上方直接連接測(cè)力傳感器，通過(guò)受力分析幫助其夾持不規(guī)則骨，能滿足臨床對(duì)不同規(guī)格產(chǎn)品制作的需求，提高操作的安全性，骨材料的利用率。夾持手機(jī)械結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

2.1機(jī)械手的組成

設(shè)計(jì)機(jī)械手的原則是：充分分析作業(yè)對(duì)象(工件)的作業(yè)技術(shù)要求，擬定最合理的作業(yè)工序和工藝，并滿足系統(tǒng)功能要求和環(huán)境條件；明確工件的結(jié)構(gòu)形狀和材料特性，定位精度要求，抓取、搬運(yùn)時(shí)的受力特性、尺寸和質(zhì)量參數(shù)等，從而進(jìn)一步確定對(duì)機(jī)械手結(jié)構(gòu)及運(yùn)行控制的要求。盡量選用定型的標(biāo)準(zhǔn)組件，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)制造過(guò)程，兼顧通用性和專用性，并能實(shí)現(xiàn)柔性轉(zhuǎn)換和編程控制。機(jī)械手主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)組成。

圖1 夾持手機(jī)械結(jié)構(gòu)圖 Fig.1 Holding the hand of mechanical structure drawing

(1)執(zhí)行機(jī)構(gòu)

執(zhí)行機(jī)構(gòu)是由回轉(zhuǎn)型手指和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)所構(gòu)成?；剞D(zhuǎn)型手指是與物件接觸的部件，共四只均勻分布設(shè)置在機(jī)械手腕的前面，分別穿過(guò)機(jī)械手腕與四臺(tái)手指驅(qū)動(dòng)電機(jī)傳動(dòng)相連，并與手指驅(qū)動(dòng)電機(jī)之間通過(guò)蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)傳動(dòng)。為了能有效的抓握各種形狀不規(guī)則的骨組織，在各回轉(zhuǎn)型手指的指尖內(nèi)側(cè)分別設(shè)有球面結(jié)構(gòu)內(nèi)裝有壓力傳感器和距離傳感器?；剞D(zhuǎn)型手指結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易制造，應(yīng)用廣泛。

(2)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是驅(qū)動(dòng)工業(yè)機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力裝置調(diào)節(jié)裝置和輔助裝置組成。常用的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)[7]有液壓傳動(dòng)、氣壓傳動(dòng)、機(jī)械傳動(dòng)。

本裝置采用的驅(qū)動(dòng)方式為氣壓傳動(dòng)式[8]，是以壓縮空氣的壓力來(lái)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械手， 其主要特點(diǎn)是[9]：方便，輸出力小，氣動(dòng)動(dòng)作迅速，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低。但是，由于空氣具有可壓縮的特性，工作速度的穩(wěn)定性較差，沖擊力大，所以適用于高速、輕載 、高溫和粉塵大的環(huán)境中進(jìn)行工作。

推進(jìn)運(yùn)動(dòng)：由氣缸驅(qū)動(dòng)氣缸活塞，由氣缸活塞推動(dòng)機(jī)械手水平方向的移動(dòng)。其優(yōu)點(diǎn)是動(dòng)作迅速，反應(yīng)靈敏。

旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)：手腕部由旋轉(zhuǎn)氣缸驅(qū)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)氣缸帶動(dòng)回轉(zhuǎn)型手指旋轉(zhuǎn)，可實(shí)現(xiàn)骨材料的360°旋轉(zhuǎn)，使掃描儀掃描到骨材料的截面，為夾持操作提供必要的信息。

夾緊運(yùn)動(dòng)：四根回轉(zhuǎn)型手指與手指驅(qū)動(dòng)電機(jī)之間通過(guò)蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)傳動(dòng)，指尖上方直接連接壓力傳感器和位移傳感器，通過(guò)受力分析和位移判斷幫助其夾持不規(guī)則形狀骨，使其能夠靈活應(yīng)用于同種異體骨的精確切割，同時(shí)能滿足植入醫(yī)療器械生產(chǎn)質(zhì)量規(guī)范要求。

2.2機(jī)械手的整體結(jié)構(gòu)

機(jī)械手整體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3，主要包括：(1)底座 通過(guò)兩個(gè)支架與平行氣缸連接；(2)支架 安裝在底座的后部，起到固定和支撐氣缸的作用；(3)平移氣缸 水平安裝在支架上；(4)平行氣缸活塞，完成機(jī)械手水平方向的推進(jìn)運(yùn)動(dòng)；(5)旋轉(zhuǎn)氣缸安裝座 連接在平移氣缸的活塞前端； (6)旋轉(zhuǎn)氣缸 安裝在旋轉(zhuǎn)氣缸安裝座的前端，可帶動(dòng)機(jī)械手腕旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)骨材料的360度旋轉(zhuǎn)使掃描儀掃描到骨材料的截面；(7)手指驅(qū)動(dòng)電機(jī) 共四臺(tái)均勻分布安裝在機(jī)械腕的后面，可通過(guò)渦輪蝸桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)手指旋轉(zhuǎn)；(8)電機(jī)-回轉(zhuǎn)型手指連接裝置 連接手指驅(qū)動(dòng)電機(jī)和回轉(zhuǎn)型手指；(9)回轉(zhuǎn)型手指 共四只均勻分布在機(jī)械腕的前面；(10)壓力傳感器 共四個(gè)分別安裝在四只回轉(zhuǎn)型手指的指尖上，能有效的實(shí)現(xiàn)骨材料的合理抓握，避免因壓力過(guò)大造成骨材料被破壞；(11)位移傳感器 共四個(gè)分別安裝在四只回轉(zhuǎn)型手指的指尖上，能準(zhǔn)確檢測(cè)到骨材料跟手指之間的距離；(12)球狀指尖結(jié)構(gòu) 頭部為球狀的螺栓，與手指螺紋連接，可實(shí)現(xiàn)手指準(zhǔn)確、穩(wěn)定地夾緊各種不規(guī)則形狀的骨材料，防止在夾持中骨材料的滑落或轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖2 機(jī)械手的整體結(jié)構(gòu)Fig.2 Clamping manipulator of the whole structure

3 結(jié)論

本文從生物力學(xué)角度出發(fā)，分析同種異體骨移植材料的性能、受力特點(diǎn)和生理功能，以不規(guī)則形狀同種異體骨移植材料切割設(shè)備中夾持手機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與研制，建立六自由度的夾持手機(jī)械結(jié)構(gòu)力學(xué)模型，完成骨移植材料切割設(shè)備中夾持手的夾緊、推進(jìn)和旋轉(zhuǎn)等運(yùn)動(dòng)動(dòng)作，以適應(yīng)不規(guī)則形狀骨材料的加工。機(jī)械手夾持結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，具有四根手指，指尖上方直接連接測(cè)力傳感器，通過(guò)受力分析使其能夾持不規(guī)則骨材料，以滿足臨床對(duì)不同規(guī)格產(chǎn)品生產(chǎn)的需求，提高操作的安全性與骨材料的利用率。另外，可優(yōu)化整個(gè)切割裝置結(jié)構(gòu)，使其能夠靈活應(yīng)用于同種異體骨的精確切割，同時(shí)能滿足植入醫(yī)療器械生產(chǎn)質(zhì)量規(guī)范要求。

[1] 翁習(xí)生. 骨移植及替代物在脊柱外科手術(shù)中的應(yīng)用[J].當(dāng)代醫(yī)學(xué)，2002,8:33-39.

[2] 羅飛，許建中.結(jié)構(gòu)性異體骨移植材料力學(xué)性能的影響因素[J].中華創(chuàng)傷雜志，2002,18(7):444-445.

[3] Czitrom AA. Allograft reconstruction after tumor surgery in The appendicular skeleton[M]. Czitrom AA. Gross AE. Eds. Allografts in orthopedic practice. Baltimore: Williams & Wilkins,1992.83-119.

[4] Khan SN, Cammisa FP, Sandhu HS, et al. The biology of bone grafting[J]. J Am Acad Orthop Surg, 2005,13(1);77-86.

[5] Caffaz A, Cannata G. The design and development of the DIST-Hand dexterous gripper[J]. Proceedings of IEEE International Conference on Robotics and Automation, Leuven,1998:2075-2080.

[6] Okada T. Computer control of multijointed finger system for precise object-handing[J]. IEEE Transaction on System, Man and Cybernetics, 1982,12(3)： 289-299.

[7] Jacobsen S C, Wood J E, Knutti D F, et al. The UTAH/MIT dexterous hand: Work in progress[J]. The International Journal of Robotics Research,1984,3(4)：21-50.

[8] 劉宏，姜力著.仿人多指靈巧手及其操作控制[M].北京：科學(xué)出版社，2010.

[9] 鄭堤，唐可洪.機(jī)電一體化設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

DesignofGrippingDeviceofAllogeneicBoneCuttingEquipment

Fang Xinguo, Sa La, Zhao Gaiping, Wang Chenxi, Bai Leilei

School of Medical Instrument and Food Engineering, University of Shanghai for Science and Technology(Shanghai ，200093)

Based on bionic principle and the mechanics analysis of bone implant materials, a mechanics model for hand clamping structure with six degrees of freedom is established and a gripping device for bone cutting is designed. It is suitable for the processing of bone materials of irregular shapes and can meet requirements for various specific clinic products. In addition, the operation safety and the efficiency of bone material utilization are both improved.

bone implant material, bone cutting, manipulator,holding structure

10.3969/j.issn.1674-1242.2014.02.008

方新果，E-mail: 343482371@qq.com

TH122

A

1674-1242(2014)02-0081-03

2014-04-23)