CN107530107B

CN107530107B - 人字形固定器

Info

Publication number: CN107530107B
Application number: CN201580078096.6A
Authority: CN
Inventors: 易卜拉欣·丹尼兹·阿卡利; 侯赛因·穆特鲁; 埃尔坎·阿维萨; 艾哈迈德·艾登
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2015-04-03
Filing date: 2015-08-03
Publication date: 2021-01-29
Anticipated expiration: 2035-08-03
Also published as: EA201790793A1; JP6556247B2; WO2016159901A1; JP2018509961A; EA034003B1; CN107530107A

Abstract

人字形固定器基本上由通过被称作λ模块的三个主要结构单元彼此连接的两个环构成，所述环至少具有双排孔洞。一共有四种不同的λ模块，其中两种是基本类型，其他的则是基本类型的子类。在第一基本类型中存在末端处的三个球形接头、把长足连接到短足的简单转动接头以及用于改变足部长度的两个螺钉‑螺帽对。在第二基本类型中存在长足末端处的两个球形接头、短足的每一个末端处的两个万向接头以及改变足部长度的两个螺钉‑螺帽对。通过使用仅仅一种λ模块有可能通过512种不同方式设置固定器。

Description

人字形固定器

技术领域

本发明的标题是“人字形固定器(Lambda Fixator)”。

本发明属于工程技术与医学中的整形外科实践交会的多学科技术领域。

本发明的使用领域是整形外科。

本发明的主题是一种允许在外部把骨骼碎片带到所期望的位置的模块化系统，以便克服例如肢体骨折、畸形等医学中的整形外科问题。

背景技术

整形外科外部固定规程中的最常用的工具是例如铰链(hinge)、连杆(rod)和销钉(pin)之类的简单设备以及被称作销钉固定器的经典框架系统。对于这种框架存在多种实例，比如单侧、单面双侧、双面单侧(Donald等人，1982年；Seligson等人，1982年；Fernandez，1985年；Fernandez，1992年)。尽管其架构简单，但是这些框架的一个显著缺点是在耗时并且复杂的规划之后为具有六个空间自由度的骨骼碎片提供所需的平移和旋转，这对于整形外科医师来说是很大的负担。作为外部固定器应用中的新的一步接受了环状固定器的提议，这是因为环状固定器提供所有方向上的受控移动(Illizarov，1992年)。近年来，以来自美国的J.C.Taylor为先驱并且以他的姓名命名为Taylor空间框架固定器的固定器类型(有时被称作环状固定器当中的“六足架(hexapod)”)受到了欢迎(Taylor等人，1999年；Seide等人，2004年；Simpson等人，2008年；Taylor，2015年)。有许多专利是基于Taylor框架并且给出了促进使用的方法(Austin等人，2004年；Koo等人，2002年)。在这种固定器类型中，通过把六个连杆附着到十二个固定点而把两个环互连，其中六个点处于顶部框架上，六个点处于底部框架上。在先前的一项研究中已表明，在没有进行奇异性分析的情况下，这种结构无法被安全地使用(

等人，2014年)。此外，所附着的连杆很可能会在X射线图像上遮挡骨折线上的碎片。此外，对于整形外科医师存在一些挑战性和限制性的条件，比如顶部环和底部环在初始或最终位置处彼此平行，并且在某些操作之前需要预先规划或预先测量。其他的专利提出了改变架构参数和预先加载，以便解决不合期望的复杂性以及X射线图像中的污染问题(Karidis和Stevens，2009年；Karidis，2009年)。据报道，一种被称作“Storm”的系统在英国被用于发生骨折的胫骨和股骨碎片的对准(Ogrodnik，2007年)。但是由于这种系统较为笨重，因此会把患者约束在病床上。

专利文献中的较新的研究体现在两个文献中，(Wong，K-M，2011年)以及(Tamer，I.，2012年)。第一个是衍生自所谓的六足架类型机器人安排的“整形外科外部固定器设备”，其6个足部通过对称安排的12个连接点与具有单排孔洞的两个环连接(Wong，K-M，2011年)。该设备的明显缺点是，可能需要更长的设置时间，奇异性风险以及组件对于X-射线胶片的高的阻挡可能性。另一个(Tamer，I.，2012年)涉及“具有垂直边缘几何结构安排的装置”，其具有由16个边缘限定的不变的架构形式。在该装置中，存在由8个螺钉对激活的8个臂状物，以在两个特定板之间得到六自由度相对运动。由于16个接头的位置是预先固定的事实，加之太多部件被包括在物理系统中，对于整形外科医生而言，其结构导致在设置装置中的许多限制以及并发问题，而且为达到使用目的，要求整形外科医生不必要地花费更多成本、更多时间以及更多工作量。

发明内容

本发明旨在解决的问题是形成将被利用在整形外科领域中的用户友好的外部固定器设备替换方案，以便在合乎期望的轴上把骨骼碎片带到一起，所述替换方案使得奇异性问题最小化，往往会尽可能减轻计算负担，留下不受遮挡的区段从而在X射线胶片中得到清晰的碎片图像，并且产生具有结构上的潜能和灵活性的多方向设施。

本发明基本上是一种通过连接两个平坦的光面环而构成的具有六个自由度的模块化平行机器人安排，其中一个环是下方环，另一个环是上方环，所述环具有优选地放置在至少两个同心圆上的有序均匀孔洞，并且所述安排具有不多于三个且不少于三个而恰好是三个特定的λ(人字形)形状的结构单元，也就是λ模块。λ模块由被定义成长足和短足的两个圆柱形部件构成。长足和短足都具有移动的可变和固定长度节段。这些足部彼此连接，从而使得连接点处于长足的固定长度节段上。有可能把长足的一端连接到上方环，把另一端连接到下方环，并且把短足的自由端连接到上方环或下方环。这些基本属性允许单一λ模块按照八种不同方式连接上方环和下方环。长足的可变长度节段可以处于上方环侧并且固定长度节段可以处于下方环侧，或者相反，长足的可变长度节段可以处于下方环侧并且固定长度节段可以处于上方环侧。除了长足的一端总是连接到其中一个环并且另一端连接到另一个环的事实之外，短足的自由端可以从长足的左侧或右侧连接到上方环或下方环。因此，具有三个模块作为外部固定器的机器人应用将提供8³＝512种不同的设置，这意味着巨大的构造灵活性和多样性。

另一方面，有两种基本的λ模块类型当短足和长足的长度变化(被激活)时为所述机器人安排提供六自由度运动，以及当短足和长足的长度固定(不活动)时不提供运动，所述两种类型基本上是通过由不少于三个且不多于三个而恰好是三个λ模块连接的两个平坦的光面环组装而得到的。第一基本λ模块类型是具有以下各项的结构单元：长足的全部两端处的能够围绕三个独立轴旋转的球形接头，长足与短足的连接点处的具有一个自由度的简单转动接头(revolute joint)，以及短足的自由端处的具有三个自由度的球形接头(图1)。第二种基本λ模块类型是具有以下各项的结构单元：长足的全部两端处的具有三个自由度的球形接头，以及长足与短足的连接点处和短足的自由端处的具有两个自由度的万向(卡登)接头(图2)。

附图说明

为了确保很好地理解作为本专利的主题的外部固定器设备的各个部件、工件和特征而给出了下面列出的附图，这些附图及其解释如下：

图1——第一基本λ模块类型

图2——第二基本λ模块类型

图3——第二种类的第一基本λ模块类型

图4——第二种类的第二基本λ模块类型

图5——通过使用第一基本λ模块类型获得的(3-6)类型固定器的实例

图6——通过使用第二种类的第一基本λ模块类型而构造的(3-6)类型固定器的实例

图7——通过使用第二基本λ模块类型而获得的(3-6)类型固定器的实例

图8——通过使用第二种类的第二基本λ模块类型而构造的(3-6)类型固定器的实例

图9——具有双排孔洞的上方(1)和下方(2)环

图10——编号为(3)的部件

图11——编号为(4)的中间工件

图12——编号为(5)和(6)的工件

图13——编号为(7)和(8)的部件

图14——编号为(10)的部件

图15——圆柱形部件(10)与附着到其末端的螺帽(3)的组装

图16——编号为(11)的部件

图17——λ模块的长足的组装形式

图18——与各种基本λ模块一起使用的中间连接工件编号(12)

图19——通过使用第一种类的第一λ模块类型而构造的(3-6)系统

图20——通过使用第一种类的第一λ模块类型而构造的(4-5)系统

图21——通过使用第一种类的第一λ模块类型而构造的(5-4)系统

图22——通过使用第一种类的第一λ模块类型而构造的(6-3)系统

图23——通过使用第二种类的第一λ模块类型而构造的(3-6)系统

图24——通过使用第二种类的第一λ模块类型而构造的(4-5)系统

图25——通过使用第二种类的第一λ模块类型而构造的(5-4)系统

图26——通过使用第二种类的第一λ模块类型而构造的(6-3)系统

图27——通过使用第一种类的第二λ模块类型而构造的(3-6)系统

图28——通过使用第二种类的第一λ模块类型而构造的(4-5)系统

图29——通过使用第一种类的第二λ模块类型而构造的(5-4)系统

图30——通过使用第一种类的第二λ模块类型而构造的(6-3)系统

图31——通过使用第二种类的第二λ模块类型而构造的(3-6)系统

图32——通过使用第二种类的第二λ模块类型而构造的(4-5)系统

图33——通过使用第二种类的第二λ模块类型而构造的(5-4)系统

图34——通过使用第二种类的第二λ模块类型而构造的(6-3)系统

图35——通过使用第一种类的第一λ模块类型而构造的(3-6)系统，其中所有短足都从左侧连接

图36——通过使用第一种类的第一λ模块类型而构造的(4-5)系统，其中所有短足都从左侧连接

图37——通过使用第一种类的第一λ模块类型而构造的(5-4)系统，其中所有短足都从左侧连接

图38——通过使用第一种类的第一λ模块类型而构造的(6-3)系统，其中所有短足都从左侧连接

图39——通过使用第二种类的第一λ模块类型而构造的(3-6)系统，其中所有短足都从左侧连接

图40——通过使用第二种类的第一λ模块类型而构造的(4-5)系统，其中所有短足都从左侧连接

图41——通过使用第二种类的第一λ模块类型而构造的(5-4)系统，其中所有短足都从左侧连接

图42——通过使用第二种类的第一λ模块类型而构造的(6-3)系统，其中所有短足都从左侧连接

图43——通过使用第一种类的第二λ模块类型而构造的(3-6)系统，其中所有短足都从左侧连接

图44——通过使用第一种类的第二λ模块类型而构造的(4-5)系统，其中所有短足都从左侧连接

图45——通过使用第一种类的第二λ模块类型而构造的(5-4)系统，其中所有短足都从左侧连接

图46——通过使用第一种类的第二λ模块类型而构造的(6-3)系统，其中所有短足都从左侧连接

图47——通过使用第二种类的第二λ模块类型而构造的(3-6)系统，其中所有短足都从左侧连接

图48——通过使用第二种类的第二λ模块类型而构造的(4-5)系统，其中所有短足都从左侧连接

图49——通过使用第二种类的第二λ模块类型而构造的(5-4)系统，其中所有短足都从左侧连接

图50——通过使用第二种类的第二λ模块类型而构造的(6-3)系统，其中所有短足都从左侧连接

图5和6中的各个部件、工件都已被编号，并且下面给出其描述：

(1)——上方环

(2)——下方环

(3)——螺帽

(4)——中间工件

(5)——中间连接工件

(6)——中间工件编号(5)上的固定螺钉孔洞

(7)——连接到螺钉(11)的球形接头的部分

(8)——连接到环的球形接头的部分

(9)——λ模块的短足的自由端

(10)——中空圆柱形部件

(11)——螺纹圆柱形部件

(12)——各种λ模块中的中间工件

具体实施方式

在外部固定器的机器人安排中，第一基本λ模块类型(图1)可以与具有单排孔洞的环一起使用；这是因为λ模块的短足和长足连同其轴线处在垂直于将其连接起来的转动接头的旋转轴的单一平面上。存在于同一平面上的短足和长足可能会对于短足的长度以及这一长度的改变的数量引入小的限制。可以通过图3中所见的第二种类的第一基本λ模块的克服这一情况。通过使得转动接头的旋转轴经过长足的轴上的一点，通过该第二种类满足了使得短足取得更大长度的条件(图3)。在这种情况下，λ模块的短足和长足的轴线处在彼此平行并且同时垂直于转动接头的旋转轴的两个分开的平面上。因此，第二种类(图3)的接头特征关于第一基本类型没有改变；但是当沿着转动接头的旋转轴在垂直于长足轴的径向方向上向外看去时，通过把短足轴线偏移到经过长足轴上的一点的一条线，获得了较大的操控区域。在设置具有第二种类的第一基本模块的固定器时，在实践中将提供使用具有双排孔洞的环来连接短足的自由端的便利。

在第二基本λ模块上也施加修改，所述修改类似于为了获得第二种类的第一基本λ模块所施加的修改。图4示出了第二种类的第二基本λ模块，其中连接第二基本λ模块的短足与长足的具有两个自由度的万向接头被侧向偏移。在拓宽第二基本λ模块的短足的操控区域的同时，这一修改还将帮助把更长的圆柱形部件装配到该区域中。

考虑在上方环的三个点处具有三个接头并且在下方环的六个点处具有六个接头的系统(也就是(3-6)类型)作为基础，在图5、6、7和8中分别示出了通过使用在图1、2、3和4中提到的四个不同的λ模块所获得的外部固定器设备选项。在图5中给出了通过用第一基本类型的三个λ模块连接上方环与下方环而获得的(3-6)类型的固定器，其中长足的移动可变长度节段处于上方环侧并且短足都从右侧连接。在图6中看到类似地构造的(3-6)类型的固定器设备，其不同之处在于使用了第二种类的第一基本λ模块。在图7和8中分别给出了通过使用三个第一和第二种类的第二基本λ模块类型组装上方环和下方环而获得的(3-6)类型固定器设备的实例。

将通过图1中示出的第一基本类型的λ模块来解释λ模块的细节，其中参照从该模块构造的图5中示出的(3-6)类型的固定器的整体。首先，在图9中给出了具有通过图5的第一基本λ模块彼此连接的双排孔洞的平坦的光面上方(1)和平坦的光面下方(2)环。这里所讨论的λ模块是通过使用编号为(4)、(5)和(6)的工件组装长足与短足而构成的，其中通过编号为(3)的螺帽调节长足的长度，并且短足具有与长足类似的结构特征。λ模块的长足通过由编号为(7)和(8)的部件构成的具有三个自由度的万向接头连接到上方(1)环，并且通过具有类似属性的接头连接到下方(2)环。编号为(9)的λ模块的短足的自由端也使用具有三个自由度的接头从右侧连接到下方(2)环。编号为(10)和(11)的圆柱形部件反映出所有λ模块的长足和短足的结构，并且通过编号为(3)的螺帽彼此连接。

图10中示出的编号为(3)的部件连同在其上切割出装配螺纹的编号为(11)的圆柱形部件在其最窄分段中形成一个螺钉-螺帽对，以供利用来改变足部的长度。编号为(3)的部件在其具有最大直径的圆柱分段上具有滚花表面(knurled surface)以便于手动旋转，并且在其上方外侧分段上具有适当切割的平面以配合标准扳手，圆柱形孔洞同时垂直于螺帽(3)轴和切割平面，并且在其内部下方分段上具有圆柱形空间，在所述圆柱形空间中雕刻出沟槽以作为用于环的接座(seat)，从而把螺帽(3)连接到中空圆柱形部件(10)。

在图11中示出了编号为(4)的中间连接工件的详细图示，所述中间连接工件一方面把λ模块的长足和短足的轴线保持在垂直于转动接头的旋转轴的相同单一平面内，并且本身承载转动接头的销钉穿过其中的孔洞，另一方面还通过连接螺栓和螺帽把转动接头的位置固定在长足的固定长度节段(10)的轴上的一点处。在图12中给出了接座在编号为(4)的工件上的处于转动接头的短侧的编号为(5)的部件的图示，其中编号为(4)的工件与编号为(6)的固定螺钉孔洞一起被用来把该部件连接到短足的螺钉末端，从而使得不会发生相对旋转。在图13中示出了由编号为(7)的部件和编号为(8)的部件构成的万向接头的图示，其中编号为(7)的部件通过固定螺钉连接到λ模块的长足的螺纹(11)末端从而使得不会发生相对旋转，编号为(8)的部件通过适当的螺钉连接到上方环。

在图14中描绘出同时存在于长足和短足的结构中的用以表示固定长度节段的编号为(10)的中空圆柱形部件。在该部件的下方分段上存在用以附着具有两个或三个自由度的万向接头的固定螺钉孔洞，并且在上侧的相反方向上存在两个球形沟槽，具有适当规格的球可以被接座在其中，并且还存在被切割成允许方便地附着螺帽(3)的环座。此外，圆柱形部件(10)的上方末端处的分段被圆锥化，从而使得可以很容易地安放螺帽(3)和环。此外，如图14所示还存在根据线性尺度分度的平行于圆柱(10)轴的开槽，其被用于测量λ模块足部的长度。在图15中绘制出中空圆柱形部件(10)与螺帽(3)的组装，其中螺帽(3)通过所述环被装配到其接座中，从而使其可以旋转但是不被允许轴向平移，所述球通过螺旋弹簧被压在圆柱形部件(10)的表面上的球形沟槽上，所述螺旋弹簧被插入在属于螺帽(3)并且在末端处具有端盖的圆柱形孔洞中。

如图16所示，存在于λ模块的长足和短足的一般结构中并且表示移动可变长度节段的是编号为(11)的圆柱形部件。在圆柱形部件(11)的上方末端处切割出针对螺帽(3)的装配螺纹，并且在具有减小的直径的阶梯分段的侧面生成将使得连接固定螺钉的末端被接座在该处的平坦表面，从而使得相对于该部件所连接到的接头单元不会发生旋转。如图16所示，在所述部件(11)的下方末端处存在螺钉孔洞，所述螺钉孔洞是在垂直于圆柱轴的方向上钻出的，具有适当尺寸的指示销钉将被安放到其中。

在图17中，作为两个相互垂直的方向上的视图以及作为沿着长轴的剖面给出了把上方环与下方环彼此连接的λ模块的长足的组装形式。两端处的三自由度万向接头(7)通过固定螺钉附着到上侧的螺钉(11)，并且同样通过固定螺钉附着到下侧的具有长度尺度的中空圆柱形部件(10)。此外，在长足的固定长度圆柱形节段(10)上存在通过环附着的螺帽(3)以及中间连接工件((4)或(12))，其中短足通过螺栓和螺帽连接到所述中间连接工件。中间连接工件(12)由突出圆柱、两自由度万向接头的固定连接轴以及第二种类的第一基本λ模块的简单一自由度转动接头的旋转轴构成，这是通过借助于螺栓和螺帽连接到所述突出圆柱轴与之垂直的圆柱(10)轴。通过固定螺钉把指示销钉放置在螺钉(11)的末端，从而使其规格与在圆柱(10)上切割出的带尺度开槽的规格相配合。从图17有可能理解，通过围绕圆柱形部件(10)的轴旋转螺帽将使得连接到螺帽(3)的螺钉(11)沿着圆柱轴平移，并且导致长足的可变长度节段中的长度改变。所述球在弹簧的作用下完成充当锁定机制的任务，从而通过每当螺帽(3)转动半周时接座在球形沟槽的表面上而固定足部长度。通过这种方式，将有可能以等于一半螺距的分辨率缩短或加长λ模块的足部尺寸。

关于图17中的长足的结构和长度改变的解释对于短足也是有效的，在卸下末端处的三自由度接头的固定螺钉的情况下，替换地安放相关的接头，并且去除固定长度节段中的中间连接工件(12)。如果末端处的接头和中间连接工件(4或12)被排除，则长足与短足的组装基本上是通过把中空圆柱形部件(10)与螺帽(3)接合而实现的。

到现在为止，从两种基本λ模块开始已经阐述了所有四种不同种类和类型的λ模块的共同特征。现在将解释存在差异的元素。其中一项是在两种第一基本λ模块之间。这里所讨论的差异在于，在第一种类的λ模块中存在图5中的编号为(4)的工件(其细节在图11中示出)，而在第二种类的λ模块中则存在图6中的编号为(12)的工件(其详细图示在图18中给出)。图18中的同一工件被利用在全部两种第二基本λ模块中以把长足与短足彼此连接，这是通过在彼此分开90度角的两个不同位置处对其进行评估。从图2、4、7和8可以清楚地观察到这种情况。在λ模块之间形成差异的另一个原因在于，尽管在结构上存在相似性，但是如图5中的编号为(8)的部件的情况中的具有三个自由度的万向接头连同连接螺栓关于环具有围绕孔洞轴的旋转自由，而在图2、4、7和8中观察到的附着到短足的末端的具有两个自由度的万向接头则不具有关于其所连接的部件的旋转自由。为此目的，把接头连接到环的螺栓在两自由度万向接头的情况中被刚性地安放，而在三自由度万向接头的情况中，通过调节螺纹部分的长度在螺钉头与环的接触表面之间留出净空，从而使得螺钉关于环发生相对旋转。

通过审视基本λ模块的显著结构特征，将会更好地认识到经典固定器设备与可以利用所讨论的λ模块按照几何上多样的方式形成的新的设备架构之间的差异。基本上，第一基本λ模块具有三个三自由度球形接头、一个单自由度转动接头以及两个一自由度螺钉对，第二基本λ模块具有两个三自由度球形接头、两个两自由度万向(卡登)接头以及两个单自由度螺钉对。这里的两个模块的共同之处在于，在全部两个模块的长足的末端处存在三自由度接头，并且在全部两个模块中有四个实质主体可以相对于彼此移动。在本身可以很容易被认知为模块化结构的两个基本模块中，通过适当的固定螺钉并且通过评估图11、12、18中的中间工件可以调节短足末端处的接头这一特征将使得很容易在四个不同的λ模块种类之间从一种转变到另一种。这里所提到的这一模块化结构特征将促进在非常分度化的尺度中设置可以利用所述模块构造的新的固定器设备。

在从第一模块衍生出的平行机器人结构中，实质上有总共九个三自由度球形接头连同六个一自由度螺钉-螺帽对和三个一自由度转动接头。另一方面，在从第二模块衍生出的平行机器人安排中存在六个三自由度球形接头、六个螺钉-螺帽对和六个两自由度万向(卡登)接头。这样，由上方环与下方环之间的三种旋转和三种平移构成的基本上六自由度的相对运动得到由两个模块形成的新的固定器架构。通过这一结果提供了按照期望来定位附着到环上的骨骼碎片的设施。

通过加长或缩短足部长度，从前面阐述的原理框架内的两个模块所获得的平行机器人安排使得固定器有可能实现通过外部装置把骨骼碎片保持在稳定平衡条件下以及遵照医疗约束对其进行移动的功能。此外，系统的有效自由度等于活跃螺钉-螺帽对的数目。因此，通过保持所有螺钉-螺帽对不活跃(锁定)，系统被保持在稳定静态平衡下。

如前所述，通过在两个方向上把一个单一λ模块围绕三个正交轴旋转近似180度，有可能通过2³＝8种不同方式使得单一λ模块连接上方环与下方环。从这一事实出发，对于通过相同类型的三个λ模块建立的固定器结构有可能获得8³＝512种不同的设置。如果将从四个不同种类的λ模块形成新颖的设备结构，则一共有4³x512＝32768种不同的可能性来设置固定器。这种情况清楚表明所申请专利的新颖模块化系统具有非常灵活的结构。

作为对应于前面提到的512种设置的实例，后面将给出可以利用四种不同类型的λ模块形成的各种固定器架构。在图19中描绘出仅通过第一种类的第一λ模块构造的(3-6)系统，其中所有短足都从右侧连接到长足。如果图19中的系统的其中一个λ模块中的短足末端处的其中一个球形-万向接头(三自由度)与下方环断开并且连接到上方环，则将得到图20中示出的(4-5)系统。当图19中的λ模块的短足末端处的其中两个球形-万向接头与下方环断开并且连接到上方环时，此时获得图21中描绘的(5-4)系统。如果图19中的所有λ模块的短足末端处的全部三个球形-万向接头都连接到上方环，则得到图22中所见的(6-3)系统。在图19、20、21和22中，λ模块的长足的螺纹可变长度部件被保持得更靠近上方环，其固定长度部件则靠近下方环。当按照使得长足的螺纹可变长度部件更靠近下方环并且其固定长度部件更靠近上方环的方式构造所述平行机器人结构时，尽管所得到的架构与之前的架构并无基本上的不同，但是相关联的直接和逆运动学计算将发生改变。为此，应当适当地讨论使用每一种λ模块设置固定器系统的八种不同方式。在这里只选择了来自拥有不同架构的那些系统的实例。

在图23、24、25、26中分别给出了被称作(3-6)、(4-5)、(5-4)和(6-3)系统的固定器设备架构，所述架构分别在上方环上的三个、四个、五个和六个点处具有球形-万向接头，并且在下方环上的六个、五个、四个和三个点处具有球形-万向接头，其中所有的λ模块都是第二种类的第一类型，所有的短足都从右侧连接到长足。在图27、28、29、30中分别给出了被称作(3-6)、(4-5)、(5-4)和(6-3)系统的那些固定器设备架构，所述架构分别在上方环上的三个、四个、五个和六个点处具有球形-万向接头，并且在下方环上的六个、五个、四个和三个点处具有球形-万向接头，其中所有的λ模块都是第一种类的第二类型，所有的短足都从右侧连接到长足。对于第二种类的第二类型的λ模块，如果设置固定器的规程被应用于其中所有短足都从右侧连接到长足的情况，则可以分别在图31、32、33和34中看到所得到的被称作(3-6)、(4-5)、(5-4)和(6-3)系统的固定器设备架构。

如果构造固定器设备的规程被应用于第一种类的第一类型的λ模块，其中短足从右侧连接到长足，从而形成上方环上的三个、四个、五个和六个连接点以及下方环上的六个、五个、四个和三个连接点，则在图35、36、37、38中分别按顺序给出了被称作(3-6)、(4-5)、(5-4)和(6-3)系统的所得到的设备架构。当利用第二种类的第一类型的λ模块实施构造规程并且所有其他条件保持相同时，将得到分别在图39、40、41和42中描绘出的被称作(3-6)、(4-5)、(5-4)和(6-3)系统的固定器设备架构。当在相同的其他条件下利用第一种类的第二类型的λ模块实施构造规程时，将得到分别在图43、44、45、46中描绘出的被称作(3-6)、(4-5)、(5-4)和(6-3)系统的固定器设备架构。在所有其他条件都相同的情况下，如果将被利用来实施构造规程的λ模块被选择成第二种类的第二类型，则将得到分别在图47、48、49和50中看到的被称作(3-6)、(4-5)、(5-4)和(6-3)系统的固定器设备架构。

因此，与六足架(Taylor空间框架，Taylor等，1999年，2015年以及Wong框架，Wong，2011年)相比，所述λ模块以及由这些λ模块构成并且从而具有非常灵活的结构的外部固定器拥有许多结构优越性。首先，所申请专利的系统具有在总数为九个点处连接上方环与下方环的结构，而六足架则具有在总数为十二个点处连接两个环的结构。这一点在整形外科实践中的意义在于，在组装过程中要使用更多接头来设置六足架从而需要更多时间和工作量，而设置所申请专利的新系统所花费的时间和工作量则更少。具有模块化结构的新系统的另一项优越性在于，六足架只具有一种单一设置，而在只利用一个种类的一种类型的λ模块的情况下有可能具有512种不同的设置，并且通过使用4个不同的模块则一共有32768种不同的设置。

从目前提出的解释来看，应当清楚的是λ-固定器是使用两个平坦的光面环与不多于三个且不少于三个即恰好是三个λ模块自由连接而构造的。与“具有垂直边缘几何结构安排的装置”(Tamer，I.，2012年)相比，λ-固定器也在许多方面具有优越性。在λ-固定器中有总共18个用于连接基本上14个相对移动的固体物体的不同接头，而在该装置(Tamer，I.，2012年)中，总共有24个接头用来连接18个移动物体。在所述装置(Tamer，I.，2012年)中，板具有特定的几何形状，该几何形状具有4个彼此之间具有90度间隔的突出分段，其上所有12个接头的位置是固定且不变化的，整形外科医生受条件影响，而在λ-固定器的情况下，当根据医疗条件设置固定器时，整形外科医生完全可以自由选择λ-固定器的2个平坦的光面环上的任何9个孔洞。在所述装置(Tamer，I.，2012年)中，有8个装备有8个螺钉对的臂状物以支撑在板之间产生六自由度运动的致动器，这意味着不是所有的8个输入运动都是独立的。另一方面，λ-固定器具有六个臂状物，该臂状物具有产生其本该是恰好六自由度运动的六个螺钉对。与所述装置(Tamer，I.，2012年)相比，λ-固定器的一个重要优越性在于，仅有一个针对所述装置的架构设置，而λ-固定器基于仅仅一种类型的λ模块就有形成512种不同的架构设置的可能性；而且使用4个不同的模块则可以获得32768种不同的设置。

所申请专利的新固定器的其中一个最重要的优点在于，潜藏在六足架的结构中的大部分潜在的奇异性风险在新系统中并不存在。举例来说，在六足架的结构中，在治疗过程的任何阶段期间导致系统处于不稳定平衡位置的平行四边形形成的发生概率涉及

个平面，而新系统中的此类平面的数目仅仅是

个。同样地，在治疗的任何阶段期间，具有奇异框架配置(其中在远端环上有效的四个方向的力经过一个共同点)的概率涉及

种情况，而这样的概率在新系统中简单地为零。在新系统中，如果采取使得上方(1)和下方(2)环的半径不相等的简单措施，并且此外在开始时只有三对长足被构造成不包含任何平行四边形，则遇到不合期望的奇异性的风险被降低到零。

其总体结构类似(6-6)类型的Stewart平台的六足架的解析精确解需要巨量计算(Dhingra等人，2000年；Lee等人，2001年)，而所申请专利的新系统则涉及相对非常少量的计算，这是因为可以通过将其简化到其中计算量已被证明是合理的(3-3)类型的Stewart平台而对其精确地求解(

和Mutlu，2006年)。

在所申请专利的新系统中，由于仅有三个长足，因此骨骼碎片的图像与框架构件的图像发生重合的概率非常低，而在六足架中由于存在六个足部，因此六个足部的图像在骨折部位处重叠在骨骼图像上的概率较高。此外，由于基于一种类型的λ模块有512种不同的固定器设置从而由于其模块化结构很容易从一种设置转变到另一种，因此非常容易获得可以在其中产生清晰图像的不受遮挡的区段。

作为结论，可以说通过作为外部控制的机械装置的所申请专利的外部固定器，在各种整形外科问题(比如骨骼碎片在其解剖轴上的对准、骨骼畸形的矫正以及骨骼加长处理)中提供了用以克服所述整形外科问题的极好的使用视觉和便利性，从而将获得几种远离奇异性问题的解决方案设施，并且具有基于极少计算量的精确计算能力，从而通过给出非常多的不同设置的机会而确保X射线胶片中的不受遮挡的图像区域，所述不同设置由于所存在的部件数目更少而具有结构上的灵活性。

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Claims

1.一种外部固定器设备，其作为模块化机器人结构，能够提供涉及三种旋转和三种平移构成的6自由度的运动，

所述模块化机器人结构是通过用三个结构单元连接两个环而构成的，其中一个环是上方环（1），另一个环是下方环（2），所述上方环和所述下方环的半径不相等，并且所述上方环和所述下方环具有按照有序的方式放置在至少两个同心圆上的孔洞，所述结构单元是以λ形式构造的，并且被称作λ模块；所述上方环和所述下方环与仅三个λ 模块自由连接，

每个 λ 模块包括两个互连圆柱形部件，一个定义为长足，而另一个定义为短足，两者均具有固定长度节段（10）和移动可变长度节段（11），其中

所述长足和所述短足在所述长足的固定长度节段（10）通过可互换接头彼此连接，每个所述λ 模块的模块类型为第一基本λ模块类型、第二基本λ模块类型、第二种类的第一基本λ模块类型和第二种类的第二基本λ模块类型中的任意一种：

所述第一基本λ模块类型的每个λ模块还包括：

a、所述长足的全部两端处的能够围绕三个独立轴旋转的球形接头（7，8），

b、所述长足与短足的连接点处的具有一个自由度的简单转动接头，使得所述长足和所述短足的轴向线位于垂直于连接它们的转动接头的旋转轴的单个平面上，

c、所述短足的自由端处的具有三个自由度的球形接头，和

d、分别处于所述长足和所述短足的每一个移动可变长度节段处的两个螺钉-螺帽对；

所述第二基本λ模块类型的每个λ模块还包括：

a、所述长足的全部两端处的具有三个自由度的球形接头（7，8），

b、所述长足与所述短足的连接点处和所述短足的自由端处的具有两个自由度的万向卡登接头，和

c、分别处于所述长足和所述短足的每一个移动可变长度节段处的两个螺钉-螺帽对；

在所述第二种类的第一基本λ模块类型的每个λ模块中，当沿着转动接头的旋转轴在垂直于长足轴的径向方向上向外看去时，通过把短足轴线偏移到经过长足轴上的一点的一条线，相比所述第一基本λ模块类型的λ模块获得了更大的操控区域；

在所述第二种类的第二基本λ模块类型的每个λ模块中，通过把所述长足与所述短足的连接点处的具有两个自由度的万向卡登接头在垂直于长足轴的径向方向上向外偏移，相比所述第二基本λ模块类型的λ模块获得了更大的操控区域；

其中每个 λ 模块的所述短足能够从所述长足的左手侧或从所述长足的右手侧与上方环（1）或与下方环（2）连接，使得每个 λ 模块的所述长足的固定长度节段（10）能够与上方环（1）或与下方环（2）连接，其中

所述连接通过所述上方环（1）的自由选择的孔洞借助于 3 到 6 个可互换接头并且对应地通过所述下方环（2）的自由选择的孔洞借助于 6 到 3 个可互换接头确保以形成数量至少为512种的3-6、4-5、5-4、6-3类型的可变架构，其中

依据所述可变架构的所述类型，足部的端部在所述同心圆的自由选择的孔洞中能够与所述上方环（1）和所述下方环（2）连接。

2.根据权利要求1所述的外部固定器设备，包括至少一个所述第一基本λ模块类型的λ模块和至少一个所述第二基本λ模块类型的λ模块。

3.根据权利要求 1 所述的外部固定器设备，其中所述3-6类型是所述上方环（1）的三个自由选择的孔洞中的所述三个λ模块的足部的三个端部的连接和所述下方环（2）的六个自由选择的孔洞中的所述三个λ模块的足的六个端部的连接。

4.根据权利要求 1 所述的外部固定器设备，其中所述4-5类型是所述上方环（1）的四个自由选择的孔洞中的所述三个 λ 模块的足部的四个端部的连接和所述下方环（2）的五个自由选择的孔洞中的所述三个λ模块的足的五个端部的连接。

5.根据权利要求1所述的外部固定器设备，其中所述5-4类型是所述上方环（1）的五个自由选择的孔洞中的所述三个 λ 模块的足部的五个端部的连接和所述下方环（2）的四个自由选择的孔洞中的所述三个λ模块的足的四个端部的连接。

6.根据权利要求 1 所述的外部固定器设备，其中所述6-3类型是所述上方环（1）的六个自由选择的孔洞中的所述三个 λ 模块的足部的六个端部的连接和所述下方环（2）的三个自由选择的孔洞中的所述三个λ模块的足的三个端部的连接。

7.根据权利要求 2 所述的外部固定器设备，特征在于，两个环通过它们的 3 至 6 个自由选择的孔洞在三个λ模块的末端由总共九个万向接头相互连接，每个万向接头允许绕三个独立轴进行三种旋转，其中总共有六个螺钉-螺帽对沿着三个长足和三个短足的轴线嵌入，其中三个长足和三个短足之间的三个连接是借助于总共三个转动接头来确保的。

8.根据权利要求 3 所述的外部固定器设备，其特征在于，两个环通过它们的 3 至 6个自由选择的孔洞在三个λ模块的三个长足的六个末端由各自允许绕三个独立轴进行三种旋转的总共六个万向接头以及在三个短足的三个末端由各自允许绕两个独立轴进行两种旋转的总共三个万向接头相互连接，其中总共有六个螺钉-螺帽对沿着三个长足和三个短足的轴线嵌入，其中三个长足和三个短足之间的三个连接是借助于各自允许绕两个独立轴进行两种旋转的总共三个万向接头来确保的。