第十章 仿人体组织结构的机械及其设计

第三篇仿生机械设计与分析BEIJINGINSTITUTEOFTECHNOLOGY第十章仿人体组织结构的机械及其设计BEIJINGINSTITUTEOFTECHNOLOGY3第十章仿人体组织结构的的机械及其设计第一节概述第一节概述仿人体组织结构的机械研究内容与仿生医学的研究内容重叠；实际上。人体相当于一个高度智能化的机械系统，人体躯干支撑四肢和头颅，而且容纳各种器官。上肢相当于机器的工作执行系统，下肢相当于走行系统；大脑相当于信息处理系统（CPU），眼睛相当于视觉传感器；耳朵相当于听觉传感器；鼻子相当于嗅觉传感器；嘴和耳形成语音系统、食道以及消化系统相当于能量共给系统；肌肉是躯干、四肢以及各器官运动的驱动系统；骨骼是支撑系统，心脏相当于动力系统等。所有各部分都在大脑的支配下协调工作。因此，人体中的许多部件都可以使用机械装置来实现。所以仿生医学的发展与机械学密切相关。4第十章仿人体组织结构的的机械及其设计第一节概述一、人体仿生医学领域内的最新成就世界各国都在致力于研究代替人体器官的各种仿生医学装置。如仿生人工眼、仿生人工耳、仿生人工鼻、仿生人工心脏、仿生人工皮肤、仿生人工肌肉、仿生人工关节、仿生人工假肢等；目前正在研究仿生电子人和智能仿真人。这些仿生医学和仿生机械学的结合，正在促使多学科的交叉渗透和融合。而且出现了大量可喜的成果，有些已经造福于人类。5第十章仿人体组织结构的的机械及设计第一节概述1、仿生人工假肢：仿生人工假肢主要指人体上肢、下肢、关节、脚等肢体的机械装置。具有代表性的产品为机电假肢，假手以及各类人工关节等，人工关节是仿生假肢中的重要组成部分。6第十章仿人体组织结构的的机械及其设计第一节概述2、仿生假耳图示的仿生耳中a：为传声器，B：为细导线，将传声器连接到语音处理器，c:为语音处理器；D:为传输线圈；E:为接收器；F:为电极阵列；G:为耳蜗；H:为听觉神经。仿生耳朵用一个外部传声器将声音经过处理器传到大脑,经过处理后可辨别声音。7第十章仿人体组织结构的的机械及其设计第一节概述3、仿生肌肉（1）硅胶肌肉：把日常可见的钓鱼线或缝线盘绕成束，制成了强韧且成本低廉的人工肌肉，其力量是一般肌肉的100倍，可以应用于制作机器人、假肢（2）聚合物纤维肌肉：以聚乙烯和尼龙制成的高强度聚合物纤维肌肉，这种材料可随环境温度的变化伸缩，肌肉力是同样大小天然肌肉的100倍。8第十章仿人体组织结构的的机械及其设计第一节概述（3）气动人工肌肉胶筒套充气时,直径变大，其弹性变形压迫外部编织网,由于编织网刚度很大,直径变大时,长度则缩短。此时,如果将气动人工肌肉与负载相联,就会产生收缩力；反之,当放气时气动人工肌肉弹性回缩,直径变细,长度增加,收缩力减小。气动人工肌肉在无压状态下输出力为零,无承载能力。气动人工肌肉的运动方式和力、长度特性酷似生物肌肉。另一种气动肌肉主要由中空的人造橡胶缸筒构成，内部嵌有尼龙纤维。当气动肌腱内充满空气的时候，其直径增加，长度缩短，形成一种流畅的弹性运动。9第十章仿人体组织结构的的机械及其设计第一节概述4、仿生心脏用机械手段代替心脏的泵血功能，维持人体的血液循环的机械装置。人造心脏本体可取代患者心脏的左右心室，微型锂电池和操纵系统植入患者腹腔，用以提供动力。外接电池组可通过安装在腹部皮肤下的能量传输装置对微型锂电池进行充电。仿生人工心脏已经在动物实验中实验成功，也在急抢救危险病人中得到应用，最长患者已经成活半年。如果仿生心脏获得完全成功，将会挽救数量众多的心脏病患者的生命。下面从血液循环的角度简单介绍心脏的工作过程。10第十章仿人体组织结构的的机械及设计第一节概述左心室收缩，通过主动脉血管输送到身体各部分；静脉血由上腔静脉和下腔静脉回流发到右心房和右心室，然后进入肺动脉。血液由肺部获得氧气后经过肺静脉进入左心房和左心室，获得充足的氧分后，经肺静脉回流左心房，又由左心室经主动脉送往全身的器官和组织。心脏以固定的频率收缩和舒张，引起循环血液的往复运动，完成心脏的泵血。心脏系统主要由右心房、右心室，左心房、左心室，静、动脉血管及瓣膜组成。心脏实际上就是一个动力泵，不断泵出新鲜血液通过动脉血管到身体的各个部分，通过静脉回收的血液经肺循环补充氧分后再由心脏动脉流出。11第十章仿人体组织结构的的机械及设计一、游动类型第一节概述仿生人工心脏通过一个内置涡轮泵，将人体血液从左心室通过动力泵输送到主动脉，之后凭借安装在腹部的电源提供的动力，向身体各个部位不间断供血，持续不断的血流不会产生脉动。机械心脏内部的磁场，使送往全身的器官和组织。心脏以固定的频率收缩和舒张，引起循环血液的往复运动，完成心脏的泵血。12第十章仿人体组织结构的的机械及设计第一节概述5、仿生眼睛有三种类型的仿生眼（1）外部摄像机将图像信号传送到视网膜芯片上，芯片电极刺激大脑产生反应。（2）微型摄像机植入眼睛内部，将图像信号放大到视网膜芯片上，适用黄斑病变患者。（3）外部摄像机将图像信号直接传送到大脑电极

产生反应。13第十章仿人体组织结构的的机械及设计第一节概述6、人工血管支架支架留在血管内放入支架支架扩张人工血管支架已经得到广泛应用，图示为机架输入血管及留在血管内示意图。14第十章仿人体组织结构的的机械及设计第一节概述二、仿生肢体人体骨骼主要指大臂骨、小臂骨、指骨、大腿骨、、小腿骨、踝骨以及脊椎骨等。主要关节有：肩关节、肘关节、腕关节和髋关节、膝关节以及踝关节。人体骨骼和关节是肢体仿生的重点肢体主要由骨骼、关节和肌肉在组成，发生损伤的部分主要是骨骼和关节。15第十章仿人体组织结构的的机械及设计第一节概述1、上假肢分类：（1）按截肢部分肩离断假肢：代替肩关节以下的手臂按照截肢部位分类大臂假肢：不含肩关节、大臂以下的手臂肘离断假肢：肘关节以下的小臂腕离断假肢：腕骨和手假手肢：个别假手指16第十章仿人体组织结构的的机械及设计第一节概述装饰假肢：为了美观按照假肢使用目的分类功能机电假肢：可控性性生物实用假肢臂专用假肢：便于劳动的假肢。第十章仿人体组织结构的的机械及设计第二节仿生关节的设计与分析一、关节组成及工作原理第二节仿生关节的设计与分析关节头：关节组成关节窝：关节软骨：关节腔：关节面：关节相当于运动副。是两个骨骼之间的可动连接。把骨骼看作构件，则运动副和关节的含义是相同的。18第十章仿人体组织结构的的机械及设计二、关节种类及简图描述1、肩关节人体大臂与身体肩胛骨之间的活动连接，可做空间360

的转动，相当于3自由度的球面运动副。第二节仿生关节的设计与分析19第十章仿人体组织结构的的机械及设计人工肩关节图为按球面副设计的几种典型的仿生人工肩关节，下方长钉固定于大臂肱骨中，上方球窝固定在锁骨中，保证二者之间的空间转动。人工肩关节产品已经标准化和系列化，是比较成熟的人工关节。

第二节仿生关节的设计与分析20第十章仿人体组织结构的的机械及设计2、肘关节肘关节是人体上肢大臂与小臂之间的连接关节，是一个复关节，由三个关节组合在同一关节囊而成。1、肱尺关节：是肘关节的主关节，由肱骨滑车与尺骨滑车组成的关节。2、肱桡关节：由肱骨小头和桡骨的关节凹构成。只能作曲伸和回旋运动。3、尺近侧关节：由桡骨环状关节面与骨上端的关节。第二节仿生关节的设计与分析21第十章仿人体组织结构的的机械及设计进行仿生设计时，往往将其简化为一个转动副，如图10-8b所示；人工肘关节如图所示。上方长钉固定于上臂肱骨中，下方长钉固定于小臂尺骨中。右图为驱动关节的人工肌肉。第二节仿生关节的设计与分析22第十章仿人体组织结构的的机械及设计3、腕关节腕关节又称桡腕关节，这是因为尺骨不参与此关节的组成。腕关节由手的舟骨、月骨和三角骨的关节面作为关节头，桡骨的腕关节面和尺骨头下方的关节盘作为关节窝而构成，是典型的椭圆形关节。关节的前、后和两侧均有韧带加强，其中掌侧韧带最为坚韧，所以腕的后伸运动受限制。桡腕关节可作屈曲、伸展、及外展运动，腕关节医学解剖图见图所示。第二节仿生关节的设计与分析23第十章仿人体组织结构的的机械及设计腕关节的运动屈曲：向手心方向运动称为屈曲，也叫掌的屈腕。伸展：仰向手背方向运动称为伸展，也叫掌的伸腕或背伸。外展：解剖位侧展手腕，称为外展或桡偏。。由于腕关节结构复杂，骨骼很多，目前市场尚无标准化的腕关节，只能根据具体患者进行人工假体骨骼置换。人工腕关节假体结构主要由两部分组成，即桡骨假体和掌骨假体，桡骨假体远端复合聚乙烯球头，与掌骨假体金属臼对应。金属部分以钛、铝、铌合金制成，可适当折弯以利掌骨假体插入，图所示为仿生人工月骨置换图。第二节仿生关节的设计与分析24第十章仿人体组织结构的的机械及设计4、髋关节髋关节是指大腿与骨盆之间的连接部分，由髋臼和股骨头组成。由于髋臼较深能容纳股骨头的2/3，而且髋关节囊及周围的肌肉又比较强厚，因此，稳固性比肩关节大。髋关节也是最容易受损的关节。人工髋关节见图示。第二节仿生关节的设计与分析25第十章仿人体组织结构的的机械及设计5、膝关节：膝关节由股骨下端的关节面，胫骨上端的关节面和髌骨关节面构成，见图所示。其对应机构简图见图所示，为简单的转动副。膝关节是最容易损伤的关节主要有：（1）膝关节骨折（2）膑腱断裂或韧带损伤（3）膝关节半月板损伤（4）关节疾病造成的损伤第二节仿生关节的设计与分析26第十章仿人体组织结构的的机械及设计针对不同损伤部位，人工膝关节可作局部修复和整体修复第二节仿生关节的设计与分析27第十章仿人体组织结构的的机械及设计人工膝关节也可以采用连杆机构关节，承载能力更大些。ABCDABCD第二节仿生关节的设计与分析28第十章仿人体组织结构的的机械及设计连杆机构型的膝关节已经规格化、系列化，以下是几种典型的连杆膝关节第二节仿生关节的设计与分析29第十章仿人体组织结构的的机械及设计6、踝关节踝关节是人类足部与小腿相连的部位，如下图。脚踝骨的组成包括7块跗骨加上足部的跖骨和小腿的胫骨与腓骨。虽然踝关节周围韧带强而有力，但踝关节负重最大，关节面较小，脚踝骨还是经常发生损伤，损伤部位经常发生在内外踝骨，特别是外踝更多。图示为仿生人工脚踝假体，相当于一个转动副连接了小腿与脚骨。第二节仿生关节的设计与分析30第十章仿人体组织结构的的机械及设计第三节仿生人体上肢的设计与分析一、仿生上假肢的机构原型设计第三节仿生人体上肢的设计与分析根据人体上肢的生物原型，肩离断上肢的生物学模型有以下几种。3R并联机构关节易控制，但尺寸大。关节电机驱动液压驱动31第十章仿人体组织结构的的机械及设计第三节仿生人体上肢的设计与分析大臂离断的上肢生物学模型有以下几种。小臂离断的上肢生物学模型有以下几种。手的自由度计算：指关节为转动副，共14个；指节为构件。共14个。32第十章仿人体组织结构的的机械及设计第三节仿生人体上肢的设计与分析8仿生手指的生物学模型以及结构如下：连杆机构型手指铰链型手指33第十章仿人体组织结构的的机械及设计第三节仿生人体上肢的设计与分析图示为另外可用的单自由度的连杆机构型手指和拇指机构图拇指机构中，构件1采用了自适应构件。即构件1可根据受力大小自动调整轴向尺寸，进而适应被夹持物体的尺寸、形状与受力大小。自适应原理也适用于其他手指的设计。自适应构件在计算机构自由度时可视为刚体。34第十章仿人体组织结构的的机械及设计第三节仿生人体上肢的设计与分析二、仿生上肢的设计仿生上肢包括手、小臂以及大臂，其设计过程已经由装饰性上肢发展到机电控制的仿生上肢，材料也由塑料发展到模拟皮肤结构的硅橡胶。控制手段也通过神经、发展到大脑控制。图示为仿生机械手，动作灵活；如果包装硅胶皮肤，更加逼真。35第十章仿人体组织结构的的机械及设计第三节仿生人体上肢的设计与分析假肢手的种类非常多，常用三指和五指假肢手。从功能应用角度出发，三指手就够用了，但从美观出发，五指手用的最多。图示给出没有佩戴硅胶手套的仿真机械手结构图。1型为一个自由度的肌电假手，机电信号控制手指动作，适用于腕关节离断的截肢患者；2型适用小臂截肢的患者，肌电信号控制手指动作，腕关节被动旋转；3、4型也适用小臂截肢的患者，但具有二个自由度，即手指转动自由度和腕关节转动自由度。36第十章仿人体组织结构的的机械及设计第三节仿生人体上肢的设计与分析图1示的假手，每个关节只有一个自由度，因此只有一个驱动电机。但手指关节用绳索代替肌肉筋腱结构，37第十章仿人体组织结构的的机械及设计第三节仿生人体上肢的设计与分析图示为机电假肢的控制模块38第十章仿人体组织结构的的机械及设计第三节仿生人体上肢的设计与分析图1示为3D打印的仿生机械手，生物相容性材料现在已经可以被打印成骨架,可生物降解的人造韧带也可以被用来取代撕裂的前交叉韧带,该机械手在电脑控制下，可以完成许多复杂的动作。如可以拿取硬币、鸡蛋、水杯、开关电器，甚至可以在黑板上写字等多种复杂动作。39第十章仿人体组织结构的的机械及设计第四节仿生人体下肢的设计与分析第四节仿生人体下肢的设计与分析一、仿生人体下肢的机构原型设计图示的下肢体示意图中，肢体相当于机构的构件，设计比较简单；相当于运动副的关节是的设计的难点。铰链关节设计最简单，但实现却比较较难。各关节采用关节电机驱动。显然，3自由度的球面髋关节很难用电机驱动。40第十章仿人体组织结构的的机械及设计第四节仿生下体上肢的设计与分析图示的髋关节采用3自由度的空间并联机构，控制则容易得多，但机构尺寸偏大。图示连杆型下假肢，采用液压或气压驱动智能化的下假肢已经问世，电源可控制系统可随身携带。41第十章仿人体组织结构的的机械及设计第四节仿生下体上肢的设计与分析下肢中。脚部结构最为复杂，其中大脚趾和小脚趾2个转动副，其余每个脚趾有3个转动度，共计13个自由度。仿生脚的工程设计中，经常对脚的机构所设计简化。柔性机械脚脚42第十章仿人体组织结构的的机械及设计第四节仿生人体下肢的设计与分析二、仿生人体下肢仿生人体下肢的设计要比上肢容易的多。这是因为上肢是人的精细操作部分，在其工作空间内，手要完成各种复杂的动作。手如可以穿针引线等多种复杂动作。因此，