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基于6自由度机械臂的脊柱运动控制
被引量：
2
1
作者
叶焰杰
林宇峰
+1 位作者
蔡达威
曾达
《医用生物力学》
EI
CAS
CSCD
北大核心
2019年第4期399-403,共5页
目的研究并建立基于6自由度机械臂的脊柱运动控制系统,为模拟脊柱运动及内固定植入物相关生物力学测试提供稳定有效的测试方案。方法首先研究L2~5节段脊柱系统刚度矩阵识别方法,并通过此刚度矩阵对进行系统解耦。其次,联合六轴机械臂控...
目的研究并建立基于6自由度机械臂的脊柱运动控制系统,为模拟脊柱运动及内固定植入物相关生物力学测试提供稳定有效的测试方案。方法首先研究L2~5节段脊柱系统刚度矩阵识别方法,并通过此刚度矩阵对进行系统解耦。其次,联合六轴机械臂控制系统及增步式PID控制算法,建立各个轴向运动的直接力控制系统。最后,通过此套六轴直接力控制系统对L2~5节段脊柱模型进行前屈后伸(flexion-extension,FE)、左右侧弯(lateral bending,LB)、左右扭转(axial rotation,AR)运动模拟,各个运动中均只在主运动轴方向上施加7.5 N·m纯力矩。结果脊柱L2~5节段在FE、LB、AR运动中活动度(range of motion, ROM)分别为23.01°、27.92°、9.81°。主运动轴运动载荷均能达到7.5 N·m,其他非主运动轴均能保持在零载荷,控制误差均方根值(root mean square, RMS)小于3 N和0.1 N·m。结论提出的含系统刚度矩阵解耦和增步式PID的直接力控算法,能够有效地对脊柱施加FE、LB、AR运动上的纯力矩,控制精度较高。研究结果对各类腰颈椎生物力学测试具有较高的工程应用价值。
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关键词
脊柱生物力学
机械臂
解耦
直接力控制
运动模拟
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职称材料
钢板内固定系统重建椎管的生物力学分析
被引量：
1
2
作者
陈建民
刘国印
+3 位作者
包天翼
柏天婷
张二来
赵建宁
《南方医科大学学报》
CAS
CSCD
北大核心
2023年第3期331-339,共9页
目的比较椎板切除回植后应用不同钢板内固定系统(微H钢板和微L钢板)重建椎管的生物力学性能。方法应用3D打印技术打造正常腰4(L4)椎体模型,对L4椎体模型实施全椎板切除,根据椎板回植椎管重建(RL-SCR)内固定方式的不同分成微H钢板(H-MFS...
目的比较椎板切除回植后应用不同钢板内固定系统(微H钢板和微L钢板)重建椎管的生物力学性能。方法应用3D打印技术打造正常腰4(L4)椎体模型,对L4椎体模型实施全椎板切除,根据椎板回植椎管重建(RL-SCR)内固定方式的不同分成微H钢板(H-MFS)组和微L钢板(L-MFS)组;分别通过静态压缩和动态疲劳压缩实验对两组RL-SCR模型进行加载直至钢板失效、断裂或回植椎板塌陷;静态压缩实验采用速度控制模式,动态疲劳压缩实验采用载荷控制模式。同时,通过建立正常L3-L5有限元模型,在验证该模型有效性的前提下进行RL-SCR的生物力学研究;根据处理方式不同分为正常赋值组、椎板切除组、H-MFS组和L-MFS组;在相同载荷下,模拟前屈、后伸、左弯、右弯、左旋和右旋6个方向的生理活动条件,对各组L3-L4和L4-L5的活动度(ROM)变化进行评估。结果RL-SCR静态压缩实验中,H-MFS组的持续屈服载荷大于L-MFS组(P<0.05),在相同机械载荷下的压缩刚度、屈服位移和轴向位移-轴向载荷排列为:H-MFS组>L-MFS组(P<0.05);L-MFS组全部出现椎板原位还纳或“闭门”现象及椎板塌陷,均出现钢板断裂现象;而H-MFS组未出现钢板断裂现象,仅部分出现螺钉周围的钢板裂纹和螺钉尾帽松动的现象;RL-SCR的动态压缩疲劳实验中,H-MFS组的动态压缩峰值载荷可达873 N,为静压缩平均屈服载荷的95%,优于L-MFS组(P<0.05);而L-MFS组的动态压缩峰值荷载仅为468 N,为静压缩平均屈服载荷的80%;此外,根据疲劳寿命-峰值载荷图估算出L-MFS组的极限载荷仅为H-MFS组的46.59%,差异有统计学意义(P<0.05)。与椎板切除组相比,6种加载工况下,正常赋值组、H-MFS组和L-MFS组L3-L4和L4-L5的ROM范围均明显降低;与正常赋值组相比,H-MFS组仅在后伸时的ROM增加明显,而L-MFS组在前屈、后伸、左旋和右旋时的ROM增加明显;病变节段ROM的整体趋势为椎板切除组>L-MFS组>H-MFS组>正常赋值组。结论椎板切除会破坏脊柱后柱结构,从而影响其生物力学稳定性,而应用RL-SCR内固定的方式可有效维持脊柱生物力学的稳定性,且与微L钢板相比,微H钢板在维持椎管完整性和生物力学性能上的优势更明显。
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关键词
椎板回植椎管重建
椎板钢板
3D打印
静态压缩
动态压缩
生物力学
有限元分析
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职称材料
题名
基于6自由度机械臂的脊柱运动控制
被引量：
2
1
作者
叶焰杰
林宇峰
蔡达威
曾达
机构
厦门医疗器械研发检测中心
出处
《医用生物力学》
EI
CAS
CSCD
北大核心
2019年第4期399-403,共5页
文摘
目的研究并建立基于6自由度机械臂的脊柱运动控制系统,为模拟脊柱运动及内固定植入物相关生物力学测试提供稳定有效的测试方案。方法首先研究L2~5节段脊柱系统刚度矩阵识别方法,并通过此刚度矩阵对进行系统解耦。其次,联合六轴机械臂控制系统及增步式PID控制算法,建立各个轴向运动的直接力控制系统。最后,通过此套六轴直接力控制系统对L2~5节段脊柱模型进行前屈后伸(flexion-extension,FE)、左右侧弯(lateral bending,LB)、左右扭转(axial rotation,AR)运动模拟,各个运动中均只在主运动轴方向上施加7.5 N·m纯力矩。结果脊柱L2~5节段在FE、LB、AR运动中活动度(range of motion, ROM)分别为23.01°、27.92°、9.81°。主运动轴运动载荷均能达到7.5 N·m,其他非主运动轴均能保持在零载荷,控制误差均方根值(root mean square, RMS)小于3 N和0.1 N·m。结论提出的含系统刚度矩阵解耦和增步式PID的直接力控算法,能够有效地对脊柱施加FE、LB、AR运动上的纯力矩,控制精度较高。研究结果对各类腰颈椎生物力学测试具有较高的工程应用价值。
关键词
脊柱生物力学
机械臂
解耦
直接力控制
运动模拟
Keywords
spinal biomechanics
robotic manipulator
decoupling
direct force control
motion simulation
分类号
R68 [医药卫生—骨科学]
R318.01 [医药卫生—生物医学工程]
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职称材料
题名
钢板内固定系统重建椎管的生物力学分析
被引量：
1
2
作者
陈建民
刘国印
包天翼
柏天婷
张二来
赵建宁
机构
南京医科大学金陵临床医学院骨科
厦门医疗器械研发检测中心
有限公司
出处
《南方医科大学学报》
CAS
CSCD
北大核心
2023年第3期331-339,共9页
基金
国家自然科学基金青年科学基金(82102547)
南京军区重点项目(15ZD020)。
文摘
目的比较椎板切除回植后应用不同钢板内固定系统(微H钢板和微L钢板)重建椎管的生物力学性能。方法应用3D打印技术打造正常腰4(L4)椎体模型,对L4椎体模型实施全椎板切除,根据椎板回植椎管重建(RL-SCR)内固定方式的不同分成微H钢板(H-MFS)组和微L钢板(L-MFS)组;分别通过静态压缩和动态疲劳压缩实验对两组RL-SCR模型进行加载直至钢板失效、断裂或回植椎板塌陷;静态压缩实验采用速度控制模式,动态疲劳压缩实验采用载荷控制模式。同时,通过建立正常L3-L5有限元模型,在验证该模型有效性的前提下进行RL-SCR的生物力学研究;根据处理方式不同分为正常赋值组、椎板切除组、H-MFS组和L-MFS组;在相同载荷下,模拟前屈、后伸、左弯、右弯、左旋和右旋6个方向的生理活动条件,对各组L3-L4和L4-L5的活动度(ROM)变化进行评估。结果RL-SCR静态压缩实验中,H-MFS组的持续屈服载荷大于L-MFS组(P<0.05),在相同机械载荷下的压缩刚度、屈服位移和轴向位移-轴向载荷排列为:H-MFS组>L-MFS组(P<0.05);L-MFS组全部出现椎板原位还纳或“闭门”现象及椎板塌陷,均出现钢板断裂现象;而H-MFS组未出现钢板断裂现象,仅部分出现螺钉周围的钢板裂纹和螺钉尾帽松动的现象;RL-SCR的动态压缩疲劳实验中,H-MFS组的动态压缩峰值载荷可达873 N,为静压缩平均屈服载荷的95%,优于L-MFS组(P<0.05);而L-MFS组的动态压缩峰值荷载仅为468 N,为静压缩平均屈服载荷的80%;此外,根据疲劳寿命-峰值载荷图估算出L-MFS组的极限载荷仅为H-MFS组的46.59%,差异有统计学意义(P<0.05)。与椎板切除组相比,6种加载工况下,正常赋值组、H-MFS组和L-MFS组L3-L4和L4-L5的ROM范围均明显降低;与正常赋值组相比,H-MFS组仅在后伸时的ROM增加明显,而L-MFS组在前屈、后伸、左旋和右旋时的ROM增加明显;病变节段ROM的整体趋势为椎板切除组>L-MFS组>H-MFS组>正常赋值组。结论椎板切除会破坏脊柱后柱结构,从而影响其生物力学稳定性,而应用RL-SCR内固定的方式可有效维持脊柱生物力学的稳定性,且与微L钢板相比,微H钢板在维持椎管完整性和生物力学性能上的优势更明显。
关键词
椎板回植椎管重建
椎板钢板
3D打印
静态压缩
动态压缩
生物力学
有限元分析
Keywords
restorative laminoplasty for spinal canal reconstruction
lamina replantation
threedimensional printing
static compression
dynamic compression
biomechanics
finite element analysis
分类号
R687.3 [医药卫生—骨科学]
R318.01 [医药卫生—生物医学工程]
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职称材料
题名
作者
出处
发文年
被引量
操作
1
基于6自由度机械臂的脊柱运动控制
叶焰杰
林宇峰
蔡达威
曾达
《医用生物力学》
EI
CAS
CSCD
北大核心
2019
2
在线阅读
下载PDF
职称材料
2
钢板内固定系统重建椎管的生物力学分析
陈建民
刘国印
包天翼
柏天婷
张二来
赵建宁
《南方医科大学学报》
CAS
CSCD
北大核心
2023
1
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