Page 30 - 《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

0 引言 法。在受力较大的牵引机构上，基于气动人工肌肉
结构、热力学、气体动力学以及机构动力学等，建
股骨干骨折是下肢常见的高能量损伤，若未能 立牵引机构的动态特性数学模型，引入滑模变结构
得到及时有效的治疗，易引发器官、组织损伤，进而 控制理论，提出牵引机构的滑模控制策略。而对于
导致患肢畸形、功能障碍，甚至不可逆残疾。目前， 绕股骨周向旋转及骨折断端正侧位复位的旋转机
骨折外科治疗已突破传统石膏及夹板外固定模式， 构，本文设计了自适应模糊PID控制器，骨折复位
转向以生物学接骨术（biological osteosynthesis, BO） 机器人控制框架如图1所示。
为核心的微创治疗体系 [1-2] 。BO遵循“保护血运、 q −
微创操作”的原则，其交锁髓内钉内固定术通过间 轨迹规划 q d 滑模控制器 u 股骨干骨折
+ 复位机器人
接复位技术避免剥离骨膜及软组织，结合低弹性模
量内固定材料实现生物学固定，显著促进骨痂自然 参考轨迹点 模糊PID控制器
生长。相较于传统钢板偏心固定，中心固定方式具 关节位置控制器
有更优的应力分散特性，且远离骨折部位的固定操 图1 骨折复位机器人控制框架
Fig.1 Control block diagram of fracture reduction robot
作有效保护局部血运环境。髓内钉内固定技术采用
1.1 牵引机构的变结构滑模控制器设计
肌体闭合复位，骨折部位受肌群及软组织牵制导致
1.1.1 系统建模
复位精度调控困难、操作效率受限且复位状态维持
（1）气动人工肌肉输出力模型。
稳定性不足，术中多次透视导致医患双方累计辐射
气动人工肌肉作为牵引机构的驱动设备，本文
暴露时间较长 [3-4] ，显著增加了手术风险与患者的
选用的型号为DMSP-20-405-RM-CM。针对该型气
心理压力。
[10]
动驱动器的数学建模，本文采用TONDU等 基于
随着机器人学和骨科医学的交叉融合，机器人
虚功原理和能量守恒原理建立的理论模型。
被应用到外科领域辅助医生开展骨科手术 [5-6] 。其
图2所示为气动人工肌肉的理想几何关系。
凭借提升手术精度、降低身体负荷及减少组织创伤
等优势，为骨折复位技术带来革命性突破。特别是 轴取纤维线 展开纤维线
远程操控技术的运用，使术者在安全区域即可完成
l
复位操作，有效降低辐射暴露风险。 nπD 0 nπD
θ
基于上述现状，本文研制了一种刚－柔结合股 D
骨干骨折复位机器人系统，主要针对横形等分段式 θ 0 θ
骨折。机器人主体结构采用分体式机构方案，由自 L L
L 0
[7]
[8]
动牵引旋转复位装置 和气动柔性夹持装置 构
图2 气动人工肌肉的理想几何关系
成，通过多单元协同动作实现骨折断端闭合复位。
Fig.2 Ideal geometric relationship of the PAM
气动柔性驱动器具有良好的仿生性和柔顺性，利用
气动人工肌肉工作时单向收缩，其收缩率为：
其作为骨折复位机器人的驱动部分与患者实现软接
L 0 − L cosθ
触，减轻了骨折复位过程的医源性二次伤害。本文 ε = = 1− (1)
L 0 cosθ 0
针对机器人的复位运动轨迹和控制系统展开研究， 式中：L 为气动人工肌肉的标称长度；L为气动人
0
以保证复位系统的柔顺性和鲁棒性。 工肌肉的实际长度；θ为纤维线的编织角；θ 为纤
0
1 骨折复位机器人控制器设计 维线编织角初值。
由虚功原理得到气动人工肌肉输出力模型为：
骨折复位治疗时，沿股骨干轴向的牵引力可达 2
F = (P s − P e )[a(1−ε) −b] (2)
505 N ，其缩短位移量大，复位困难。牵引机构
[9]
式中：P 为气动人工肌肉腔体内的绝对压力；P 为
s
e
采 用 气 动 人 工 肌 肉 （ pneumatic artificial muscle, 3πD 2 0 πD 2 0
PAM）作为执行器，具有高功率/质量比、高顺应 空气压力； a = 2 ， b = 2 ，D 为气动人
0
4tan θ 0 4sin θ 0
性等优良性能，可满足骨折复位牵引柔顺性的需 工肌肉外径初值。
求。但系统非线性及迟滞特性问题容易造成控制精 （2）充放气过程能量方程。
度差。为此，本文对机器人系统采用分层式控制方 以单体气动人工肌肉为对象，其内部的气体质
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