Page 18 - 《中国医疗器械杂志》2026年第2期

Chinese Journal of Medical Instrumentation 2026年 第50卷 第2期

医 疗 机 器 人

3 样机研制与实验 3.3 实验结果
骨折断端在肌肉牵拉力的作用下会发生短缩移
3.1 实验平台搭建 位，复位手术的操作流程也影响着骨折治疗效果，
骨折复位操作复杂，良好的人机操作模式是获 骨折复位模拟实验具体操作步骤如下。
得预期复位效果、提高操作安全性的保障。本文通 首先，将下肢模型骨和机器人摆放在合适的位
过股骨干骨折模拟复位实验来评价刚柔结合骨折复 置，通过肌牵引模块牵引骨折远端，防止骨折短缩
位机器人系统的可操作性和复位效果。 移位带来的干扰。其次，绕股骨周向旋转移位消除
实验前，将股骨干骨折模型放置在支撑架上， 后，给TPU软体气囊通入压缩空气，进行AP和
在髋骨和骨折近端处与支撑架固定连接，套筒单元 LT的复位。最后，纠正过牵。其中，骨折断端内
覆盖在骨折断端处，足部采用医用绷带在踝关节处
部放置的内窥镜可实时观察骨折模型复位过程，如
缠紧，并将足部整体固定在脚板上。
图5所示。
在股骨干骨折模型的外上踝处安装姿态传感器，
图6和图7为两组复位实验中骨折远端位姿变化
用以实时获取骨折远端的位姿；采用激光位移传感
情况。实验结果显示，刚柔结合骨折复位机器人操
器实时监测股骨轴向位移，此传感器固定在股骨外
作简单，运行顺畅。由于橡皮管调节误差以及恢复
侧，激光挡板安装在胫腓骨处；骨折断端正位和侧
骨折状态的差异性，第一组实验中模拟的相同肌肉
位误差由安装在模型骨髓腔内的内窥镜实时监测。
牵拉力稍有波动。
整个复位过程中，牵拉力值通过安装在脚板和
旋转机构之间的拉力传感器获取。运动控制和信息
交互通过PC机与下位机的实时通信实现。为便于
说明复位结果，实验中设置机器人系统参考坐标
(a) 初始状态 (b) 牵引/旋转移位
系，骨折复位模拟实验平台如图4所示。 (a) Initial state (b) Traction/rotational displacement

肌牵引模块 旋转机构 PC机 姿态传感器 股骨干骨折模型
z
y
x
拉力传感器 膝关节 套筒单元
下位机
激光位移传感器 (c) AP位对齐 (d) LT位对齐
(c) Reduction in AP direction (d) Reduction in LT direction
电源
图5 骨折复位过程
升降模块 Fig.5 The process of fracture reduction

气源 −30 20
期望角度 期望角度
实际角度−136 N 15 实际角度−136 N
实际角度−138 N
实际角度−138 N
图4 骨折复位模拟实验平台 角度/(°) −60 实际角度−129 N 角度/(°) 实际角度−129 N
实际角度−127 N
实际角度−127 N
Fig.4 Experimental platform for fracture reduction simulation 10

3.2 实验分组 −90 0 3 6 5 0 3 6
为检测骨折复位机器人的可重复性和可靠性， 时间/min 时间/min
股骨干骨折模拟复位实验分为两组。第一组实验测 (a) 骨折远端绕x轴旋转角度变化曲线 (b) 骨折远端绕y轴旋转角度变化曲线
(b) Rotation angle curve of the distal
(a) Rotation angle curve of the distal
试刚柔结合骨折复位机器人的可重复性，第二组实 fracture segment about the x-axis fracture segment about the y-axis
验测试其可靠性。具体实验内容为：第一组实验 35 期望角度 100
实际角度−136 N 80
中，在保持同一牵拉力状态下进行4次机器人复位 角度/(°) 30 实际角度−138 N 位移/mm 60 期望角度
实际角度−129 N
实际角度−127 N
实际角度−138 N
测试，并观察骨折远端状态；第二组实验则通过调 25 40 实际角度−136 N
实际角度−129 N
实际角度−127 N
节橡皮管的组合方式和固定长度，测试机器人在 20 0 3 6 20 0 3 6
4种不同牵拉力状态下的复位情况。 时间/min 时间/min
(c) 骨折远端绕z轴旋转角度变化曲线 (d) 骨折远端沿x轴位移变化曲线
实验开始前，首先进行人工徒手复位，并记录 (c) Rotation angle curve of the distal (d) Displacement curve of the distal
各传感器的复位参考值。随后解除徒手复位姿态， fracture segment about the z-axis fracture segment along the x-axis
恢复股骨断端为任意的骨折状态。最后，通过 图6 第一组实验骨折远端位姿变化情况
Fig.6 Changes in the position and orientation of the distal fracture
PC机远程控制机器人系统完成骨折复位工作。 fragment in the first group of experiments
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