CN107530107A

CN107530107A - 人字形固定器

Info

Publication number: CN107530107A
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: 2018-01-02
Anticipated expiration: 2035-08-03
Also published as: JP6556247B2; EA201790793A1; CN107530107B; EA034003B1; JP2018509961A; WO2016159901A1

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。

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孔洞，并且所述安排具有三个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模块类型为所述机器人安排提供六自由度运动，所述两种类型基本上是通过两个环和三个λ模块的组装而得到的。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上方(1)和下方(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Taylor空间框架相比，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Taylor空间框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Taylor系统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，Taylor系统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。

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Taylor空间框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Taylor系统的结构中，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Taylor空间框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Taylor系统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。

参考文献

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Claims

1.本发明是一种外部固定器，其特征在于作为六自由度模块化平行机器人安排的基本特征，所述平行机器人安排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(1)环，另一个环是下方(2)环，所述环具有按照有序的方式放置在优选地至少两个同心圆上的孔洞，所述结构单元是以λ形式(人字形)构造的，并且被称作λ模块。

2.权利要求1中所提到的λ模块的特征在于以下主要特征：所述λ模块是通过把圆柱形部件彼此接合而构造的，所述圆柱形部件被定义成长足和短足并且既具有固定长度(10)节段也具有移动可变长度(11)节段，所述圆柱形部件的接合点位于长足的固定长度节段上。

3.权利要求1和权利要求2的λ模块的特征还在于以下特征，所述λ模块可以通过八种不同的可能方式连接权利要求1的上方(1)-下方(2)环，其中长足的可变长度节段(11)可以处于上方环侧同时固定长度(10)节段则处于下方环侧，或者可变长度节段(11)可以处于下方环侧同时固定长度(10)节段处于上方环侧，此外短足可以从左侧或右侧接合到长足，此外短足的自由端可以与上方或下方环接合。

4.权利要求1的平行机器人安排的特征在于另一特征：由于其结构具有三个λ模块，因此通过使用在权利要求3中表达的特征有可能通过五百一十二(512)种不同方式对其进行设置。

5.根据权利要求2、3、4，构成权利要求1的模块化平行机器人安排的第一基本类型的λ模块的特征在于以下主要特征：所述λ模块是基本结构单元，其中存在分别处于长足的每一个末端处的具有围绕三个独立轴旋转的能力的两个球形接头(7，8)，在长足与短足的彼此连接点处存在一个一自由度简单转动接头，在短足的自由端处存在另一个三自由度球形接头，并且存在分别处于长足和短足的每一个移动可变长度节段处的两个螺钉-螺帽对。

6.根据权利要求2、3、4，构成权利要求1的平行机器人安排的第二基本类型的λ模块的特征在于以下主要特征：所述λ模块是基本结构单元，其中在长足的两端处存在两个三自由度球形接头，存在两个两自由度万向(卡登)接头，其中一个处在短足的自由端处并且另一个处在与长足的连接点处，并且在长足和短足全部二者的移动可变长度节段处存在两个螺钉-螺帽对。

7.根据权利要求2、3、4，构成权利要求1的平行机器人安排的第二种类的第一基本类型的λ模块的特征在于以下主要特征：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，通过把短足轴线从处于权利要求5的第一基本类型的λ模块的相同平面内的长轴线和短轴线当中偏移到经过长足轴上的一点的一条线，允许获得较宽的操控区域。

8.根据权利要求2、3、4，构成权利要求1的平行机器人安排的第二种类的第二基本类型的λ模块的特征在于以下主要特征：通过把长足与短足的连接点处的万向接头在垂直于长足轴的径向方向上向外偏移，拓宽了权利要求6中所描述的第二基本λ模块中的短足的操控区域。

9.根据权利要求1的平行机器人安排设置，其借助于在权利要求3中给出的细节并且使用在权利要求2中给出其主要特征的λ模块，所述λ模块包括在权利要求5中定义的第一种类的第一类型(第一基本类型)和/或在权利要求6中解释的第一种类的第二类型(第二基本类型)和/或在权利要求7中解释的第二种类的第一类型和/或在权利要求8中解释的第二种类的第二类型，其特征在于以下特征，有可能获得被称作(3-6)类型的固定器设置，其中在上方(1)环上的三个点处存在三个接头，并且在下方(2)环上的六个点处存在六个接头。

10.根据权利要求1的平行机器人安排设置，其借助于在权利要求3中给出的细节并且使用在权利要求2中给出其主要特征的λ模块，所述λ模块包括在权利要求5中定义的第一种类的第一类型(第一基本类型)和/或在权利要求6中解释的第一种类的第二类型(第二基本类型)和/或在权利要求7中解释的第二种类的第一类型和/或在权利要求8中解释的第二种类的第二类型，其特征在于另一特征：有可能获得被称作(4-5)类型的固定器设置，其中在上方(1)环上的四个点处存在四个接头，并且在下方(2)环上的五个点处存在五个接头。

11.根据权利要求1的平行机器人安排设置，其借助于在权利要求3中给出的细节并且使用在权利要求2中给出其主要特征的λ模块，所述λ模块包括在权利要求5中定义的第一种类的第一类型(第一基本类型)和/或在权利要求6中解释的第一种类的第二类型(第二基本类型)和/或在权利要求7中解释的第二种类的第一类型和/或在权利要求8中解释的第二种类的第二类型，其特征在于另一特征：有可能获得被称作(5-4)类型的固定器设置，其中在上方(1)环上的五个点处存在五个接头，并且在下方(2)环上的四个点处存在四个接头。

12.根据权利要求1的平行机器人安排设置，其借助于在权利要求3中给出的细节并且使用在权利要求2中给出其主要特征的λ模块所述λ模块包括在权利要求5中定义的第一种类的第一类型(第一基本类型)和/或在权利要求6中解释的第一种类的第二类型(第二基本类型)和/或在权利要求7中解释的第二种类的第一类型和/或在权利要求8中解释的第二种类的第二类型，其特征在于另一特征：有可能获得被称作(6-3)类型的固定器设置，其中在上方(1)环上的六个点处存在六个接头，并且在下方(2)环上的三个点处存在三个接头。

13.根据权利要求1、2、3、5和7的平行机器人安排设置，特征在于另一项特征：在固定器结构中一共有九个三自由度球形接头、六个螺钉-螺帽对以及三个一自由度简单转动接头。

14.根据权利要求1、2、3、6和8的平行机器人安排设置，特征在于另一项特征：在固定器结构中一共有六个三自由度球形接头、六个两自由度万向接头以及六个螺钉-螺帽对。

15.根据权利要求1和3设置的模块化平行安排，可以使用在权利要求5、6、7和8中定义的四个不同λ模块，其特征还在于以下特征，依照所有其他权利要求有可能获得三万二千七百六十八(32768)种不同的外部固定器设置。

16.特别是在权利要求2中限定的在前权利要求中所提到的所有类型的λ模块的总体结构的特征还在于以下特征，反映出长足和短足的结构的固定长度(10)和移动可变长度(11)圆柱形部件通过螺帽(3)彼此连接。

17.存在于权利要求16中所提到的λ模块的结构中的螺帽(3)的特征在于以下特征，连同在其上切割出装配螺纹的圆柱形部件(11)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；在其具有最大直径的圆柱分段上具有滚花表面以便于手动旋转，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，从而把螺帽(3)连接到中空圆柱形部件(10)。

18.在权利要求2、16和17中提到的中空圆柱形部件(10)的特征在于以下特征，所述中空圆柱形部件(10)具有以下各项：放置在其下方分段中的用于很容易地附着两自由度或三自由度接头的固定螺钉孔洞；上侧的相反方向上的两个球形沟槽，具有适当规格的球可以被接座在其中，以及被切割成允许方便地附着螺帽(3)的环座；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，并且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。

19.在权利要求18中解释的中空圆柱形部件(10)与在权利要求16、17中给出其特征的螺帽(3)的组装的特征在于以下特征，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。

20.螺帽被安放到的圆柱形部件(10)的组装的特征还在于以下特征，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。

21.连接上方(1)环与下方(2)环的λ模块的长足的组装形式的特征在于以下特征，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)；螺帽(3)通过环附着，并且中间连接工件(4)或(12)，通过螺栓和螺帽附着。

22.根据权利要求2和21的对于构造权利要求5中定义的λ模块所必要的中间连接工件(4)的特征在于以下特征，其本身承载转动接头的销钉将穿过其中的孔洞；其把长足和短足的轴线保持在垂直于转动接头孔洞轴的相同单一平面内；其通过使用螺栓和螺帽把转动接头的位置固定在长足轴的固定长度节段(10)上的一点处。

23.在权利要求21中提到的中间连接工件(12)的特征在于以下特征，其由突出圆柱、两自由度万向接头的固定连接轴以及在权利要求7中解释的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。

24.在权利要求5中定义的第一基本λ模块的特征还在于以下特征，所述λ模块是通过使用在权利要求22中定义的中间连接工件(4)连接长足与短足而构造的，其中通过在权利要求21中解释其组装形式的螺帽(3)调节长足的长度，短足具有与长足类似的结构特征，所述中间连接工件(4)通过固定螺钉孔洞(6)和中间工件(5)上的适当固定螺钉附着到短足的末端，从而使得不会发生相对旋转。

25.在权利要求7中定义的第二种类的第一基本类型的λ模块的特征还在于以下特征，所述λ模块是通过使用在权利要求23中定义的中间连接工件(12)连接长足与短足而构造的，其中通过在权利要求21中解释其组装形式的螺帽(3)调节长足的长度，短足具有与长足类似的结构特征，所述中间连接工件(12)通过固定螺钉孔洞(6)和中间工件(5)上的适当固定螺钉附着到短足的末端，从而使得不会发生相对旋转。

26.在权利要求6和8中定义的第二类型的λ模块的特征还在于以下特征，在分开90度角的两种不同配置中对把长足与短足彼此连接的中间连接工件(12)进行评估。

27.在权利要求6和8中定义的第二类型的λ模块中所使用的两自由度万向接头的特征在于以下特征，其通过连接螺钉紧密地附着到环，从而使得在连接点处不会发生相对旋转。

28.在权利要求5-8中定义的所有类型的λ模块中所使用的三自由度万向接头的特征在于以下特征，把万向接头接合到环的连接螺钉提供有关于环旋转的能力，这是通过调节螺纹长度从而在螺栓头与环的接触表面之间留出一些净空。

29.在权利要求5-8中定义的所有类型的λ模块的特征在于以下共同特征，其中每一个λ模块的自身结构根据权利要求2是模块化的，通过借助于适当的固定螺钉评估在权利要求22、23、23、25和26中解释其功能的中间连接工件(4)、(5)、(6)、(12)可以改变短足末端处的接头，从而有可能从一种模块类型转变到另一种模块类型。