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机器人磨削个性化人工髋关节方法和实验研究

作　者: 陈英雄
导　师: 席文明
学　校: 厦门大学
专　业: 测试计量技术及仪器
关键词: 机器人磨削个性化人工髋关节
分类号: TP242
类　型: 硕士论文
年　份: 2014年
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内容摘要

人体股骨髓腔具有绝对差异性。现有的标准化、系列化人工髋关节产品种类有限,与患者的股骨髓腔不能完全匹配,而且无法满足特殊病人的需求。根据病人髋关节解剖结构和生物力学传递特点,设计制造出与患者股骨髓腔相适应的个性化人工髋关节,不仅能够满足不同患者的需求,而且能够提高人工髋关节的长期稳定性,延长人工髋关节的有效使用寿命。由于个性化人工髋关节的外形复杂,增加了加工工艺的复杂性,导致定制周期长、加工成本高。因此,国内个性化人工髋关节主要用于特殊病例,难以在普通病例中推广。本论文基于机器人磨削系统,利用CAD/CAM/Robotic一体化技术,研究了一种速度快、效率高、成本低的个性化人工髋关节制造方法。首先,在Mimics软件中利用股骨CT图像数据重建股骨三维模型,并通过布尔运算获取股骨髓腔模型用于个性化人工髋关节柄的设计。然后,在Pro/E软件中完成个性化人工髋关节柄和近髋臼端的设计,并通过拼接、优化获得完整的个性化人工髋关节。其次,通过利用ABB工业机器人离线编程软件RobotStudio,规划加工轨迹,进行加工仿真,运用机器人磨削系统加工出个性化人工髋关节。最后,通过相关的实验验证了个性化人工髋关节设计与制造方法的可行性,为进一步优化个性化人工髋关节设计和完善加工方法建立理论依据和实验基础,为个性化人工髋关节应力传递研究建立精确模型。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-13
第1章绪论  13-21
  1.1 引言  13-14
  1.2 人工髋关节的发展史  14-17
    1.2.1 髋关节假体的演变及设计  14-16
    1.2.2 人工髋关节置换术存在的问题  16-17
  1.3 个性化人工髋关节的研究现状  17-19
    1.3.1 国外研究现状  17-18
    1.3.2 国内研究现状  18-19
  1.4 本论文研究内容  19-21
第2章标本股骨三维实体模型的建立  21-32
  2.1 引言  21
  2.2 医学影像种类  21-22
  2.3 CT图像数据的处理  22-24
  2.4 基于CT数据重建标本股骨三维实体模型  24-29
    2.4.1 标本股骨CT图像的获取  24
    2.4.2 标本股骨CT图像的处理  24-28
    2.4.3 标本股骨三维实体模型的建立  28-29
  2.5 标本股骨有限元模型的建立  29-31
  2.6 小结  31-32
第3章个性化人工髋关节的设计  32-45
  3.1 引言  32
  3.2 个性化人工髋关节设计理论  32-35
    3.2.1 人体髋关节的解剖结构与特点  33
    3.2.2 人体髋关节的生物力学特征  33-34
    3.2.3 人工髋关节的力学传递特性  34-35
  3.3 个性化人工髋关节的设计  35-41
    3.3.1 个性化人工髋关节柄设计  36-40
    3.3.2 个性化人工髋关节近髋臼端设计  40-41
  3.4 个性化人工髋关节的优化设计  41-44
    3.4.1 个性化人工髋关节模型与标本股骨模型的匹配  42
    3.4.2 个性化人工髋关节模型的优化处理  42-44
  3.5 小结  44-45
第4章 CAD/CAM/Robotic一体化磨削技术  45-56
  4.1 引言  45
  4.2 砂带磨削技术  45-48
    4.2.1 常见砂带磨削机的基本组成  45-47
    4.2.2 砂带磨粒切削机理  47-48
  4.3 CAD/CAM/Robotic一体化技术  48-55
    4.3.1 工业机器人的离线编程  48-50
    4.3.2 基于力控的标定技术  50-54
    4.3.3 砂带自动调偏技术  54-55
  4.4 小结  55-56
第5章 CAD/CAM/Robotic一体化技术磨削个性化人工髋关节  56-66
  5.1 引言  56-57
  5.2 机器人磨削人工髋关节与其他加工方法的比较  57-60
    5.2.1 快速成型技术和数控加工技术  57-58
    5.2.2 机器人磨削人工髋关节与机器人磨削髓腔的比较  58-60
  5.3 个性化人工髋关节的磨削加工  60-63
    5.3.1 个性化人工髋关节的加工流程  61
    5.3.2 个性化人工髋关节的加工轨迹规划与仿真  61-63
  5.4 个性化人工髋关节磨削加工过程与问题分析  63-65
  5.5 小结  65-66
第6章个性化人工髋关节与标本股骨的匹配实验  66-82
  6.1 引言  66
  6.2 人工髋关节外形尺寸数据分析  66-73
    6.2.1 人工髋关节截面测量  67-68
    6.2.2 人工髋关节的截面数据分析  68-73
  6.3 猪关节假体与猪腿骨髓腔的匹配实验  73-79
    6.3.1 猪腿骨关节柄与猪腿骨髓腔匹配的X射线图像  74-75
    6.3.2 猪腿骨关节柄与猪腿骨髓腔的匹配度计算  75-79
  6.4 个性化人工髋关节与标本股骨的匹配实验  79-81
  6.5 小结  81-82
第7章总结与展望  82-84
  7.1 本文工作总结  82-83
  7.2 工作展望  83-84
参考文献  84-90
致谢  90-91
攻读学位期间发表的论文  91

机器人磨削个性化人工髋关节方法和实验研究

内容摘要

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