第十章 仿人體組織結構的機械及其設計

第三篇仿生機械設計與分析BEIJINGINSTITUTEOFTECHNOLOGY第十章仿人體組織結構的機械及其設計BEIJINGINSTITUTEOFTECHNOLOGY3第十章仿人體組織結構的的機械及其設計第一節(jié)概述第一節(jié)概述仿人體組織結構的機械研究內容與仿生醫(yī)學的研究內容重疊；實際上。人體相當于一個高度智能化的機械系統(tǒng)，人體軀干支撐四肢和頭顱，而且容納各種器官。上肢相當于機器的工作執(zhí)行系統(tǒng)，下肢相當于走行系統(tǒng)；大腦相當于信息處理系統(tǒng)（CPU），眼睛相當于視覺傳感器；耳朵相當于聽覺傳感器；鼻子相當于嗅覺傳感器；嘴和耳形成語音系統(tǒng)、食道以及消化系統(tǒng)相當于能量共給系統(tǒng)；肌肉是軀干、四肢以及各器官運動的驅動系統(tǒng)；骨骼是支撐系統(tǒng)，心臟相當于動力系統(tǒng)等。所有各部分都在大腦的支配下協(xié)調工作。因此，人體中的許多部件都可以使用機械裝置來實現(xiàn)。所以仿生醫(yī)學的發(fā)展與機械學密切相關。4第十章仿人體組織結構的的機械及其設計第一節(jié)概述一、人體仿生醫(yī)學領域內的最新成就世界各國都在致力于研究代替人體器官的各種仿生醫(yī)學裝置。如仿生人工眼、仿生人工耳、仿生人工鼻、仿生人工心臟、仿生人工皮膚、仿生人工肌肉、仿生人工關節(jié)、仿生人工假肢等；目前正在研究仿生電子人和智能仿真人。這些仿生醫(yī)學和仿生機械學的結合，正在促使多學科的交叉滲透和融合。而且出現(xiàn)了大量可喜的成果，有些已經(jīng)造福于人類。5第十章仿人體組織結構的的機械及設計第一節(jié)概述1、仿生人工假肢：仿生人工假肢主要指人體上肢、下肢、關節(jié)、腳等肢體的機械裝置。具有代表性的產(chǎn)品為機電假肢，假手以及各類人工關節(jié)等，人工關節(jié)是仿生假肢中的重要組成部分。6第十章仿人體組織結構的的機械及其設計第一節(jié)概述2、仿生假耳圖示的仿生耳中a：為傳聲器，B：為細導線，將傳聲器連接到語音處理器，c:為語音處理器；D:為傳輸線圈；E:為接收器；F:為電極陣列；G:為耳蝸；H:為聽覺神經(jīng)。仿生耳朵用一個外部傳聲器將聲音經(jīng)過處理器傳到大腦,經(jīng)過處理后可辨別聲音。7第十章仿人體組織結構的的機械及其設計第一節(jié)概述3、仿生肌肉（1）硅膠肌肉：把日?？梢姷尼烎~線或縫線盤繞成束，制成了強韌且成本低廉的人工肌肉，其力量是一般肌肉的100倍，可以應用于制作機器人、假肢（2）聚合物纖維肌肉：以聚乙烯和尼龍制成的高強度聚合物纖維肌肉，這種材料可隨環(huán)境溫度的變化伸縮，肌肉力是同樣大小天然肌肉的100倍。8第十章仿人體組織結構的的機械及其設計第一節(jié)概述（3）氣動人工肌肉膠筒套充氣時,直徑變大，其彈性變形壓迫外部編織網(wǎng),由于編織網(wǎng)剛度很大,直徑變大時,長度則縮短。此時,如果將氣動人工肌肉與負載相聯(lián),就會產(chǎn)生收縮力；反之,當放氣時氣動人工肌肉彈性回縮,直徑變細,長度增加,收縮力減小。氣動人工肌肉在無壓狀態(tài)下輸出力為零,無承載能力。氣動人工肌肉的運動方式和力、長度特性酷似生物肌肉。另一種氣動肌肉主要由中空的人造橡膠缸筒構成，內部嵌有尼龍纖維。當氣動肌腱內充滿空氣的時候，其直徑增加，長度縮短，形成一種流暢的彈性運動。9第十章仿人體組織結構的的機械及其設計第一節(jié)概述4、仿生心臟用機械手段代替心臟的泵血功能，維持人體的血液循環(huán)的機械裝置。人造心臟本體可取代患者心臟的左右心室，微型鋰電池和操縱系統(tǒng)植入患者腹腔，用以提供動力。外接電池組可通過安裝在腹部皮膚下的能量傳輸裝置對微型鋰電池進行充電。仿生人工心臟已經(jīng)在動物實驗中實驗成功，也在急搶救危險病人中得到應用，最長患者已經(jīng)成活半年。如果仿生心臟獲得完全成功，將會挽救數(shù)量眾多的心臟病患者的生命。下面從血液循環(huán)的角度簡單介紹心臟的工作過程。10第十章仿人體組織結構的的機械及設計第一節(jié)概述左心室收縮，通過主動脈血管輸送到身體各部分；靜脈血由上腔靜脈和下腔靜脈回流發(fā)到右心房和右心室，然后進入肺動脈。血液由肺部獲得氧氣后經(jīng)過肺靜脈進入左心房和左心室，獲得充足的氧分后，經(jīng)肺靜脈回流左心房，又由左心室經(jīng)主動脈送往全身的器官和組織。心臟以固定的頻率收縮和舒張，引起循環(huán)血液的往復運動，完成心臟的泵血。心臟系統(tǒng)主要由右心房、右心室，左心房、左心室，靜、動脈血管及瓣膜組成。心臟實際上就是一個動力泵，不斷泵出新鮮血液通過動脈血管到身體的各個部分，通過靜脈回收的血液經(jīng)肺循環(huán)補充氧分后再由心臟動脈流出。11第十章仿人體組織結構的的機械及設計一、游動類型第一節(jié)概述仿生人工心臟通過一個內置渦輪泵，將人體血液從左心室通過動力泵輸送到主動脈，之后憑借安裝在腹部的電源提供的動力，向身體各個部位不間斷供血，持續(xù)不斷的血流不會產(chǎn)生脈動。機械心臟內部的磁場，使送往全身的器官和組織。心臟以固定的頻率收縮和舒張，引起循環(huán)血液的往復運動，完成心臟的泵血。12第十章仿人體組織結構的的機械及設計第一節(jié)概述5、仿生眼睛有三種類型的仿生眼（1）外部攝像機將圖像信號傳送到視網(wǎng)膜芯片上，芯片電極刺激大腦產(chǎn)生反應。（2）微型攝像機植入眼睛內部，將圖像信號放大到視網(wǎng)膜芯片上，適用黃斑病變患者。（3）外部攝像機將圖像信號直接傳送到大腦電極

產(chǎn)生反應。13第十章仿人體組織結構的的機械及設計第一節(jié)概述6、人工血管支架支架留在血管內放入支架支架擴張人工血管支架已經(jīng)得到廣泛應用，圖示為機架輸入血管及留在血管內示意圖。14第十章仿人體組織結構的的機械及設計第一節(jié)概述二、仿生肢體人體骨骼主要指大臂骨、小臂骨、指骨、大腿骨、、小腿骨、踝骨以及脊椎骨等。主要關節(jié)有：肩關節(jié)、肘關節(jié)、腕關節(jié)和髖關節(jié)、膝關節(jié)以及踝關節(jié)。人體骨骼和關節(jié)是肢體仿生的重點肢體主要由骨骼、關節(jié)和肌肉在組成，發(fā)生損傷的部分主要是骨骼和關節(jié)。15第十章仿人體組織結構的的機械及設計第一節(jié)概述1、上假肢分類：（1）按截肢部分肩離斷假肢：代替肩關節(jié)以下的手臂按照截肢部位分類大臂假肢：不含肩關節(jié)、大臂以下的手臂肘離斷假肢：肘關節(jié)以下的小臂腕離斷假肢：腕骨和手假手肢：個別假手指16第十章仿人體組織結構的的機械及設計第一節(jié)概述裝飾假肢：為了美觀按照假肢使用目的分類功能機電假肢：可控性性生物實用假肢臂專用假肢：便于勞動的假肢。第十章仿人體組織結構的的機械及設計第二節(jié)仿生關節(jié)的設計與分析一、關節(jié)組成及工作原理第二節(jié)仿生關節(jié)的設計與分析關節(jié)頭：關節(jié)組成關節(jié)窩：關節(jié)軟骨：關節(jié)腔：關節(jié)面：關節(jié)相當于運動副。是兩個骨骼之間的可動連接。把骨骼看作構件，則運動副和關節(jié)的含義是相同的。18第十章仿人體組織結構的的機械及設計二、關節(jié)種類及簡圖描述1、肩關節(jié)人體大臂與身體肩胛骨之間的活動連接，可做空間360

的轉動，相當于3自由度的球面運動副。第二節(jié)仿生關節(jié)的設計與分析19第十章仿人體組織結構的的機械及設計人工肩關節(jié)圖為按球面副設計的幾種典型的仿生人工肩關節(jié)，下方長釘固定于大臂肱骨中，上方球窩固定在鎖骨中，保證二者之間的空間轉動。人工肩關節(jié)產(chǎn)品已經(jīng)標準化和系列化，是比較成熟的人工關節(jié)。

第二節(jié)仿生關節(jié)的設計與分析20第十章仿人體組織結構的的機械及設計2、肘關節(jié)肘關節(jié)是人體上肢大臂與小臂之間的連接關節(jié)，是一個復關節(jié)，由三個關節(jié)組合在同一關節(jié)囊而成。1、肱尺關節(jié)：是肘關節(jié)的主關節(jié)，由肱骨滑車與尺骨滑車組成的關節(jié)。2、肱橈關節(jié)：由肱骨小頭和橈骨的關節(jié)凹構成。只能作曲伸和回旋運動。3、尺近側關節(jié)：由橈骨環(huán)狀關節(jié)面與骨上端的關節(jié)。第二節(jié)仿生關節(jié)的設計與分析21第十章仿人體組織結構的的機械及設計進行仿生設計時，往往將其簡化為一個轉動副，如圖10-8b所示；人工肘關節(jié)如圖所示。上方長釘固定于上臂肱骨中，下方長釘固定于小臂尺骨中。右圖為驅動關節(jié)的人工肌肉。第二節(jié)仿生關節(jié)的設計與分析22第十章仿人體組織結構的的機械及設計3、腕關節(jié)腕關節(jié)又稱橈腕關節(jié)，這是因為尺骨不參與此關節(jié)的組成。腕關節(jié)由手的舟骨、月骨和三角骨的關節(jié)面作為關節(jié)頭，橈骨的腕關節(jié)面和尺骨頭下方的關節(jié)盤作為關節(jié)窩而構成，是典型的橢圓形關節(jié)。關節(jié)的前、后和兩側均有韌帶加強，其中掌側韌帶最為堅韌，所以腕的后伸運動受限制。橈腕關節(jié)可作屈曲、伸展、及外展運動，腕關節(jié)醫(yī)學解剖圖見圖所示。第二節(jié)仿生關節(jié)的設計與分析23第十章仿人體組織結構的的機械及設計腕關節(jié)的運動屈曲：向手心方向運動稱為屈曲，也叫掌的屈腕。伸展：仰向手背方向運動稱為伸展，也叫掌的伸腕或背伸。外展：解剖位側展手腕，稱為外展或橈偏。。由于腕關節(jié)結構復雜，骨骼很多，目前市場尚無標準化的腕關節(jié)，只能根據(jù)具體患者進行人工假體骨骼置換。人工腕關節(jié)假體結構主要由兩部分組成，即橈骨假體和掌骨假體，橈骨假體遠端復合聚乙烯球頭，與掌骨假體金屬臼對應。金屬部分以鈦、鋁、鈮合金制成，可適當折彎以利掌骨假體插入，圖所示為仿生人工月骨置換圖。第二節(jié)仿生關節(jié)的設計與分析24第十章仿人體組織結構的的機械及設計4、髖關節(jié)髖關節(jié)是指大腿與骨盆之間的連接部分，由髖臼和股骨頭組成。由于髖臼較深能容納股骨頭的2/3，而且髖關節(jié)囊及周圍的肌肉又比較強厚，因此，穩(wěn)固性比肩關節(jié)大。髖關節(jié)也是最容易受損的關節(jié)。人工髖關節(jié)見圖示。第二節(jié)仿生關節(jié)的設計與分析25第十章仿人體組織結構的的機械及設計5、膝關節(jié)：膝關節(jié)由股骨下端的關節(jié)面，脛骨上端的關節(jié)面和髕骨關節(jié)面構成，見圖所示。其對應機構簡圖見圖所示，為簡單的轉動副。膝關節(jié)是最容易損傷的關節(jié)主要有：（1）膝關節(jié)骨折（2）臏腱斷裂或韌帶損傷（3）膝關節(jié)半月板損傷（4）關節(jié)疾病造成的損傷第二節(jié)仿生關節(jié)的設計與分析26第十章仿人體組織結構的的機械及設計針對不同損傷部位，人工膝關節(jié)可作局部修復和整體修復第二節(jié)仿生關節(jié)的設計與分析27第十章仿人體組織結構的的機械及設計人工膝關節(jié)也可以采用連桿機構關節(jié)，承載能力更大些。ABCDABCD第二節(jié)仿生關節(jié)的設計與分析28第十章仿人體組織結構的的機械及設計連桿機構型的膝關節(jié)已經(jīng)規(guī)格化、系列化，以下是幾種典型的連桿膝關節(jié)第二節(jié)仿生關節(jié)的設計與分析29第十章仿人體組織結構的的機械及設計6、踝關節(jié)踝關節(jié)是人類足部與小腿相連的部位，如下圖。腳踝骨的組成包括7塊跗骨加上足部的跖骨和小腿的脛骨與腓骨。雖然踝關節(jié)周圍韌帶強而有力，但踝關節(jié)負重最大，關節(jié)面較小，腳踝骨還是經(jīng)常發(fā)生損傷，損傷部位經(jīng)常發(fā)生在內外踝骨，特別是外踝更多。圖示為仿生人工腳踝假體，相當于一個轉動副連接了小腿與腳骨。第二節(jié)仿生關節(jié)的設計與分析30第十章仿人體組織結構的的機械及設計第三節(jié)仿生人體上肢的設計與分析一、仿生上假肢的機構原型設計第三節(jié)仿生人體上肢的設計與分析根據(jù)人體上肢的生物原型，肩離斷上肢的生物學模型有以下幾種。3R并聯(lián)機構關節(jié)易控制，但尺寸大。關節(jié)電機驅動液壓驅動31第十章仿人體組織結構的的機械及設計第三節(jié)仿生人體上肢的設計與分析大臂離斷的上肢生物學模型有以下幾種。小臂離斷的上肢生物學模型有以下幾種。手的自由度計算：指關節(jié)為轉動副，共14個；指節(jié)為構件。共14個。32第十章仿人體組織結構的的機械及設計第三節(jié)仿生人體上肢的設計與分析8仿生手指的生物學模型以及結構如下：連桿機構型手指鉸鏈型手指33第十章仿人體組織結構的的機械及設計第三節(jié)仿生人體上肢的設計與分析圖示為另外可用的單自由度的連桿機構型手指和拇指機構圖拇指機構中，構件1采用了自適應構件。即構件1可根據(jù)受力大小自動調整軸向尺寸，進而適應被夾持物體的尺寸、形狀與受力大小。自適應原理也適用于其他手指的設計。自適應構件在計算機構自由度時可視為剛體。34第十章仿人體組織結構的的機械及設計第三節(jié)仿生人體上肢的設計與分析二、仿生上肢的設計仿生上肢包括手、小臂以及大臂，其設計過程已經(jīng)由裝飾性上肢發(fā)展到機電控制的仿生上肢，材料也由塑料發(fā)展到模擬皮膚結構的硅橡膠?？刂剖侄我餐ㄟ^神經(jīng)、發(fā)展到大腦控制。圖示為仿生機械手，動作靈活；如果包裝硅膠皮膚，更加逼真。35第十章仿人體組織結構的的機械及設計第三節(jié)仿生人體上肢的設計與分析假肢手的種類非常多，常用三指和五指假肢手。從功能應用角度出發(fā)，三指手就夠用了，但從美觀出發(fā)，五指手用的最多。圖示給出沒有佩戴硅膠手套的仿真機械手結構圖。1型為一個自由度的肌電假手，機電信號控制手指動作，適用于腕關節(jié)離斷的截肢患者；2型適用小臂截肢的患者，肌電信號控制手指動作，腕關節(jié)被動旋轉；3、4型也適用小臂截肢的患者，但具有二個自由度，即手指轉動自由度和腕關節(jié)轉動自由度。36第十章仿人體組織結構的的機械及設計第三節(jié)仿生人體上肢的設計與分析圖1示的假手，每個關節(jié)只有一個自由度，因此只有一個驅動電機。但手指關節(jié)用繩索代替肌肉筋腱結構，37第十章仿人體組織結構的的機械及設計第三節(jié)仿生人體上肢的設計與分析圖示為機電假肢的控制模塊38第十章仿人體組織結構的的機械及設計第三節(jié)仿生人體上肢的設計與分析圖1示為3D打印的仿生機械手，生物相容性材料現(xiàn)在已經(jīng)可以被打印成骨架,可生物降解的人造韌帶也可以被用來取代撕裂的前交叉韌帶,該機械手在電腦控制下，可以完成許多復雜的動作。如可以拿取硬幣、雞蛋、水杯、開關電器，甚至可以在黑板上寫字等多種復雜動作。39第十章仿人體組織結構的的機械及設計第四節(jié)仿生人體下肢的設計與分析第四節(jié)仿生人體下肢的設計與分析一、仿生人體下肢的機構原型設計圖示的下肢體示意圖中，肢體相當于機構的構件，設計比較簡單；相當于運動副的關節(jié)是的設計的難點。鉸鏈關節(jié)設計最簡單，但實現(xiàn)卻比較較難。各關節(jié)采用關節(jié)電機驅動。顯然，3自由度的球面髖關節(jié)很難用電機驅動。40第十章仿人體組織結構的的機械及設計第四節(jié)仿生下體上肢的設計與分析圖示的髖關節(jié)采用3自由度的空間并聯(lián)機構，控制則容易得多，但機構尺寸偏大。圖示連桿型下假肢，采用液壓或氣壓驅動智能化的下假肢已經(jīng)問世，電源可控制系統(tǒng)可隨身攜帶。41第十章仿人體組織結構的的機械及設計第四節(jié)仿生下體上肢的設計與分析下肢中。腳部結構最為復雜，其中大腳趾和小腳趾2個轉動副，其余每個腳趾有3個轉動度，共計13個自由度。仿生腳的工程設計中，經(jīng)常對腳的機構所設計簡化。柔性機械腳腳42第十章仿人體組織結構的的機械及設計第四節(jié)仿生人體下肢的設計與分析二、仿生人體下肢仿生人體下肢的設計要比上肢容易的多。這是因為上肢是人的精細操作部分，在其工作空間內，手要完成各種復雜的動作。手如可以穿針引線等多種復雜動作。因此，