關節的案例
案例分享：肘關節有限元分析
四、分析結果
關節面接觸應力分析 沿肱骨縱軸軸向加壓，加載應力的大小設定為100 N，對加載后的模型進行應力分析，得到各模型的應力分布情況。
關節面接觸位移變化 在肘關節模型、帶穩定器的肘關節模型，內側副韌帶模型上分別施加100 N的應力，得到有限元模型關節面的位移變化云圖。
利用HyperMesh 構建自然膝關節模型
全膝關節置換術后通過對股四頭肌肌力 進行計算分析來改善患者的膝關節屈曲度
行業：醫療/生物力學
挑戰：如何使用計算分析來量化評估 膝關節屈曲/伸展過程中髕骨扣 狀物厚度對股四頭肌肌力變化所造成的影響。
Altair 解決方案：利用AltairHyperMesh構建出極為精細的膝關節3D模型后進行 有限元分析。
優點：能夠構建代表人體真實膝關節 結構的基本3D模型。
背景介紹
膝前疼痛是全膝關節置換術(TKA)的主要術后并發癥。患者膝關節無法自由伸 展/屈曲，對其行走、抬腿或從座位站起等日常活動造成顯著影響。這種膝關節活動嚴重受限的情況是需要進TKA翻修術最常見的適應癥之一。導致這一狀況的原因是手術過程中膝關節髕骨組件尺寸欠佳——這一“紐扣狀”組件的作用是改善股四頭肌伸展力的機械性能。克萊姆森大學生物工程系生物力學研究組通過應用基于HyperWorks的有限元分析，評估了髕骨扣狀物厚度對股四頭肌肌力變化程度造成的影響。
50多年來，克萊姆森大學生物工程系始終注重對學生、教師和研究人員進行 培養，為他們在理論知識、專業技能和個人發展上提供了諸多寶貴機遇。所有教師均擁有豐富的本科生和研究生科研指導經驗，在他們的帶領下，生物工程系的學生能夠有效利用工程原理來了解和治療疾病。此外，該系還與多名醫師和企業家展開合作，確保其研究課題始終著眼于高優先級的醫療挑戰。在系主任MartineLaBerge 博士的領導下，克萊姆森大學和南卡羅來納醫科大學還在南卡羅來納州的查爾斯頓共同啟動了生物工程項目，這使雙方的合作關系進一步加強。
展開 內馬爾遭10次犯規 - 有限元助力膝關節保護及傷后恢復
其中膝關節是球員最容易受傷的部位。研究膝關節的生物力學行為，獲得膝關節骨組織和軟骨組織在生理載荷作用下的應力分布對于認識膝關節損傷機理和保護膝關節具有重要意義。通過建立膝關節三維有限元模型并進行計算分析，可以很好的實現對膝關節的研究。
首先，我們需要建立有限元模型，將三維實體模型導入到有限元分析軟件Abaqus中，設置單元類型和材料屬性，劃分網格，最終得到膝關節三維有限元模型。計算模型中包括骨質結構17864個單元、軟骨88691個單元、半月板4485個單元及韌帶34033個單元，得到包括股骨、脛骨、腓骨、髕骨、軟骨、半月板以及關節韌帶的全膝關節有限元模型。
表1：膝關節有限元模型中各組成部分單元類型及材料參數
有限元模型與邊界條件
全膝關節模型中股骨與股骨軟骨、脛骨與脛骨軟骨定義為綁定接觸。股骨軟骨分別于脛骨軟骨和半月板相接觸，并且將半月板前腳和后腳固定于脛骨平臺。根據膝關節解剖結構，將韌帶與相應的韌帶附著點進行綁定約束，韌帶包括前（后）交叉韌帶、髕韌帶、內側副韌帶、外側副韌帶。腳踝處采取固定約束，其他位置均不采取任何約束限制，完全依靠韌帶約束膝關節運動，在股骨頭處施加集中力載荷，載荷方向沿力線方向，人體單腳站立時，股骨頂端收到上半身對其的壓力為體重的62%，考慮單腳站立和雙腳站立兩種載荷工況，單腳站立時，集中力大小為403N，雙腳站立時，集中力大小為202N。
展開 人工髖關節股骨柄有限元仿真計算
孟德松 劉乾
摘要：本文根據《ISO 7206-4/6 人工髖關節疲勞性能》要求，通過 Inspire 易用化有限元分析軟件對人工髖關節股骨柄進行有限元計算，在計算結果解析時，以位移及 VonMises 應力結果作為評判股骨柄剛度及強度性能的依據。本研究體現了 Inspire 軟件在該類仿真中設置便捷性、功能易用性、結果可靠性的特點。
0. 引言
人工髖關節股骨柄是髖關節置換術中核心組件，其性能直接影響假體在體內的功能及使用壽命。為了保證股骨柄在植入患者體內后的安全有效，需要對人工股骨柄柄身進行嚴格的耐久性試驗。為適應不同體型患者的需求，同一系列人工股骨柄通常具有多種不同型號，如若對所有產品進行逐一耐久性試驗，需要占用巨大的設備資源及資金投入。為了滿足人工股骨柄使用安全性驗證要求同時最大化節省試驗成本，將有限元方法最大風險規格的篩查和實際物理測試相結合是目前的最佳手段。
本研究按照《ISO 7206-4/6》人工髖關節植入體的耐久性和疲勞試驗方法，利用有限元分析軟件進行逐一評價，找出同一系列不同型號中力學性能最差產品（worse case），而后將 worse case 用于實際耐久性試驗。
由于人工髖關節股骨柄幾何特征復雜，如若使用傳統有限元軟件仿真，經常出現因網格質量問題導致計算失敗的問題，加之該類產品型號眾多求解設置復雜，從而提高了工作難度。因此使用一款自動化程度高、可靠性強的有限元軟件是極其重要的。
Inspire 是 Altair 開發的一款易用化有限元仿真工具[1]。
展開 
髖關節假體設計,CAE仿真幫大忙~
但閉上眼睛片刻想象一下，假如你是數百萬受關節炎引起的髖關節嚴重衰弱影響的人之一，已經無法正常行走。在這種糟糕的情況下，你現在認為理所當然的簡單事情，如起床、爬樓梯、走向市場、跑步等將會變得復雜而又痛苦，你可能還會依賴拐杖或緩解疼痛的藥物。甚至在更嚴重的情況下，你將逐漸失去行走的能力，這對我們任何人來說都是一個可怕的場景。
髖關節為多軸性關節，能作屈曲、伸直、內收、外展、內旋、外旋等動作，在支撐身體和下肢活動的走、跑、跳躍等方面起著極其重要的作用。當出現髖關節部位病變時，往往伴有髖關節活動范圍的改變，不同程度的活動受限。幸運的是，對于嚴重髖部衰弱的患者，才華橫溢且技術嫻熟的外科醫生設計用假肢代替髖關節。目前，全球每年共有超過60萬個髖關節置換手術，在美國大約進行了18萬次。在大多數情況下，這些手術是成功的，可以讓患者恢復活動能力，獨立性和生活質量。
設計假肢的生物醫學工程師使用許多工具作為他們工藝的一部分，他們使用的工具之一是CAE仿真軟件。CAE仿真軟件用于髖關節假體設計階段的測試，從而減少物理原型的數量以及成本和時間，以便將產品送到制造階段并最終進入手術室，其中假肢可以植入患者體內。
CAE仿真如何幫助設計？
每一個患者的體重都是不同的，他們有不同的身體比例，以及有不同的行走習慣。因此，必須通過CAE仿真來模擬各種各樣的壓力，包括它們的運動方向、運動幅度情況、運動受力情況、每天的運動重復次數以及假肢使用壽命分析（沒有人想重復髖關節置換手術）。此外，由于行走是重復的活動，因此必須考慮摩擦的影響。只有某些材料與組織和骨骼具有生物相容性，并且具有可靠的化學穩定性和安全性，因此任何模擬都必須允許準確的材料假設。
展開 《自然·通訊》中山大學陳永明和劉利新團隊在聚合物材料抑制類風濕性關節炎的研究中取得重要進展
類風濕性關節炎（Rheumatoid Arthritis, RA）是一種常見的慢性自身免疫疾病，其發病率約占世界人口1%。自身抗原激起免疫系統釋放的細胞因子侵蝕關節骨和軟骨，導致骨變形、關節腫脹，嚴重影響患者生活和工作。目前其臨床治療主要是采用包括甲氨喋呤等抗風濕藥物（DMARD）和抗TNF-a抗體等抗體類生物藥物，但存在毒副作用、影響免疫系統、價格昂貴等嚴重問題，因此尋求新的治療RA策略依然是重大挑戰。近年的研究表明，患者關節積液中的cfDNA濃度異常高，而游離核酸又可被免疫細胞的TLR樣受體識別，產生非正常的免疫反應。
中山大學材料科學與工程學院功能生物醫用材料團隊陳永明和劉利新團隊利用陽離子聚合物材料結合游離核酸，發現聚合物材料可以抑制患者自身游離核酸引起的原代細胞炎癥反應，觀察到納米材料可以通過炎癥導致的高血管通透性富集到動物模型關節部位，從而顯著抑制關節的腫脹、骨和軟骨的破壞，并且恢復動物活動能力。研究發現，陽離子聚合物納米粒子cNP與cfDNA的結合能力強，能很好地抑制cfDNA對免疫細胞TLR9的激活，能有效抑制cfDNA引起的RA病人關節積液單核細胞及滑膜樣細胞的炎癥反應。對慢性大鼠關節炎模型進行靜脈注射cNP以后，其關節中的積液及軟組織的水腫顯著減少，關節骨質破壞程度降低，關節滑膜處的炎癥細胞浸潤變少，說明cNP對于類風濕性關節炎有明顯的療效。治療后模型大鼠的行動力得以恢復，表明cNP還能有效解決RA后期面臨的關節僵硬而行動不便的問題。
圖1. cfDNA引起關節腔炎癥反應和聚合物抑制免疫反應的原理示意圖。
圖2. cNP治療后大鼠模型的軟組織（a. 后掌MRI影像）、骨質量（b. 踝關節microCT影像）和炎癥浸潤改善（c. HE染色）的結果。
展開 人形機器人關節電機設計“寶典”
宇樹A1機器人關節電機簡介
（本圖來源于宇樹官網）
宇樹A1機器人關節電機是一款高性能電機，專為智能機器人設計，主要用于關節和機械臂。它配備高精度編碼器，支持精確角度控制和流暢運動，具備高扭矩輸出，適應復雜操作。
接下來，我們根據宇樹A1官網（https://www.unitree.com/cn/a1motor）提供的電機設計方案，采用“一鍵多場耦合分析”軟件仿真這款電機的各種性能。
b. 宇樹A1機器人關節電機設計方案
通過截取宇樹A1官網的磁密云圖并導入CAD，簡單量測可得到初步實施方案。
展開 膝內、外翻畸形對膝關節影響的平面有限元計算分析和光彈實驗研究
采用有限元和光彈的實驗方法,研究膝內、外翻畸形對膝關節生物力學影響。方法利用膝關節影像資料在Super-Sap軟件上建立平面有限元模型,在內翻30°～外翻30°之間,按每2°加載受力,計算模型中各節點的應力應變情況。按膝關節彈性模量,制成各種膝關節畸形的環氧樹脂模型,加載后置于偏振光場中觀察應力光圖。結果①正常膝關節內、外側均為壓應力。②膝內翻:內翻12°～18°開始顯著變化,應力集中于脛骨平臺內側。③膝外翻:角度逐漸增加,外翻20°后應力顯著變化,集中于外側脛骨平臺。結論膝內翻12°和膝外翻20°為膝關節應力集中的臨界角度
膝內、外翻畸形對膝關節影響的平面有限元計算分析和光彈實驗研究.pdf
展開 新型滾動式關節軸承的研制
相對傳統關節軸承，此新型軸承可實現高速擺動運動，具有摩擦系數低、使用壽命長和額定載荷相對低等特點。滾針軸承為擺動運動的關鍵支撐部件，價格便宜且市面上普遍可購買到，當滾針軸承發生磨損失效后可進行拆卸更換。
4 總結
簡單介紹了一種新型滾動式關節軸承的結構，具有結構簡單、摩擦系數低、使用壽命長和零件可更換等特點，可替代傳統的關節軸承實現擺動運動。
作者： 蘇漢業
單位： 西脈國際醫療股份有限公司
來源：《金屬加工（冷加工）》雜志
機器人關節如何做到精準控制的，原來內部結構這么復雜！
現在工業機器人的自動化程度讓人嘆為觀止，5軸6軸機器人具有如此多的關節，還能夠做到運動和指令的精確傳輸，各部位緊密配合完成復雜的工作，讓人不禁好奇它們的傳動系統到底是怎樣的，關節到底是什么結構的呢?
▲日本安川機器人揮刀削豌豆
關節是工業機器人最重要的基礎部件之一，也是運動的核心部件：精密減速機。這是一種精密的動力傳達機構，其利用齒輪的速度轉換器，將電機的回轉數減速到所要的回轉數，并得到較大轉矩的裝置，從而降低轉速，增加轉矩。
機器人關節處的減速傳動，要求傳動鏈短、體積小、功率大、質量輕和易于控制，同時，對于中高載荷的工業機器人，還需要足夠的剛度、回轉精度和運動精度穩定性。
目前全球能夠提供規模化且性能可靠的精密減速器生產企業不多，絕大多數市場份額都被日本企業占據：
Nabtesco的RV減速器約占60%，Harmonica的諧波減速器約占15%，還有住友重工(SUMITOMO，未查到比例)。尤其在機器人領域的應用比例，是壓倒性的。
▲拆解精密減速機的內部結構
Nabtesco(納博特斯克)是由帝人精機和納博克(1956年生產了日本第一個自動門)這兩家日本公司強強合并組成。作為運動控制系統和零部件的生產商，這兩家公司都在其特定的業務領域，掌握了高端核心技術，控制著很大的市場份額。
作為世界上最大的精密擺線針輪減速機制造商，Nabtesco生產高性能減速機、中空軸減速機，以及單軸伺服執行器和控制器。
展開 【5/17更新】機器人關節如何做到精準控制的，原來內部結構這么復雜！
現在工業機器人的自動化程度讓人嘆為觀止，5軸6軸機器人具有如此多的關節，還能夠做到運動和指令的精確傳輸，各部位緊密配合完成復雜的工作，讓人不禁好奇它們的傳動系統到底是怎樣的，關節到底是什么結構的呢?
▲日本安川機器人揮刀削豌豆
關節是工業機器人最重要的基礎部件之一，也是運動的核心部件：精密減速機。這是一種精密的動力傳達機構，其利用齒輪的速度轉換器，將電機的回轉數減速到所要的回轉數，并得到較大轉矩的裝置，從而降低轉速，增加轉矩。
機器人關節處的減速傳動，要求傳動鏈短、體積小、功率大、質量輕和易于控制，同時，對于中高載荷的工業機器人，還需要足夠的剛度、回轉精度和運動精度穩定性。
目前全球能夠提供規模化且性能可靠的精密減速器生產企業不多，絕大多數市場份額都被日本企業占據：Nabtesco的RV減速器約占60%，Harmonica的諧波減速器約占15%，還有住友重工(SUMITOMO，未查到比例)。尤其在機器人領域的應用比例，是壓倒性的。
▲拆解精密減速機的內部結構
Nabtesco(納博特斯克)是由帝人精機和納博克(1956年生產了日本第一個自動門)這兩家日本公司強強合并組成。作為運動控制系統和零部件的生產商，這兩家公司都在其特定的業務領域，掌握了高端核心技術，控制著很大的市場份額。
作為世界上最大的精密擺線針輪減速機制造商，Nabtesco生產高性能減速機、中空軸減速機，以及單軸伺服執行器和控制器。
展開 
重慶大學胡陳果&中科院王中林Nano Energy: 摩擦納米發電機用于指關節屈伸運動的量化傳感
該論文報道了采用摩擦納米發電技術設計的關節旋轉量化傳感器（joint motion triboelectric quantization sensor, jmTQS），采用復合柵格滑動模式產生正/負脈沖分別代表手指屈/伸過程，通過對單位時間內產生的脈沖計數來量化手指屈伸的角度及速度，并以此為基礎構建了人手-機械手的同步控制系統。該研究的亮點為利用摩擦納米發電機結構的靈活設計產生正/負脈沖實現對手指屈/伸角度、速度和方向的直接量化，由于手指的任一彎曲角度均對應一個絕對數值，因此基于該傳感器的機械手同步控制系統可以在運動過程中從任意斷點恢復操作而無需回到起始位置。
【圖文導讀】
（注：以下所有插圖均來自文后文獻）
圖一：jmTQS的結構
(a) jmTQS的多層結構；
(b) 電極層的復合柵格結構和滑動層的復合柵格結構；
(c) 可調節的固定裝置設計、實物圖及佩戴演示。
圖二：手指關節屈伸運動通過jmTQS傳感的生理學基礎
(a) 人手指骨結構；
(b) 模擬指關節屈/伸運動的鉸鏈模型；
(c) 鉸鏈模型的驗證；
(d) 驗證指關節旋轉角度和關節處的拉伸位移間的線性關系。
展開 《AM》浦項科技大學：高分子聚集體水凝膠清除一氧化氮和藥物釋放組合治療類風濕性關節炎
摘要
用納米清除劑選擇性消耗過量產生的一氧化氮
(NO) 是治療類風濕性關節炎 (RA)、預防氧化/亞硝化應激和免疫細胞上調的一種很有前景的方法。然而，由于關節內注射和不必要的脫靶 NO 消耗之間的最小時間間隔，其實際應用受到限制。
最近
，
浦項科技大學
Won Jong Kim
教授
團隊
通過結合“可點擊的”NO 可裂解交聯劑（DA），
合理設計可注射的原位聚合物聚集體包含的混合 NO 清除和順序藥物釋放（M-NO）凝膠平臺
，用于聯合治療 RA-NOCCL) 報告。該網絡與聚合物聚集體結合在一起，以實現粘性補充和按需雙重藥物（親水性和疏水性）釋放特性的自愈能力，具
體取決于
NO 濃度。此外，連續的
NO 清除作用降低了體外脂多糖刺激的巨噬細胞系中的促炎細胞因子水平。
最后，在動物模型中，關節內注射的 M-NO 凝膠與抗炎地塞米松顯著減輕了 RA 的癥狀，毒性可忽略不計。相信這種新型 M-NO 凝膠平臺將為 RA 和各種 NO 相關疾病的組合治療提供指導。
相關論文以題為
Polymeric
Aggregate-Embodied Hybrid Nitric-Oxide-Scavenging and Sequential Drug-Releasing Hydrogel for Combinatorial Treatment of Rheumatoid Arthritis
發表在《
A
dvanced Materials
》上。
主圖導讀
圖1
用于組合治療類風濕性關節炎的聚合物聚集體包含的混合一氧化氮清除“點擊”水凝膠。
展開 人形機器人關節「心臟」大揭秘！特斯拉 / 小米 / 宇樹核心技術哪家強？
人形機器人的核心動作能力高度依賴于關節電機的性能。這些電機不僅要提供動力，還要精準控制動作。目前，人形機器人關節電機的主流技術方案主要包括無框力矩電機與空心杯電機、諧波減速器與行星減速器、力傳感器與電流環控制等。本文將對這些技術方案進行對比分析，并探討未來的發展趨勢。
（一）關節電機技術方案對比
無框力矩電機 VS 空心杯電機
諧波減速器 VS 行星減速器
力傳感器 VS 電流環
（二）技術路線分析
總的來說，特斯拉目前追求工業級性能，適合未來工廠、家庭助手等高端場景，但成本較高；宇樹則平衡性能與價格，瞄準教育、娛樂等中端市場；小米以低價推動普及，通過生態鏈擴展應用（如智能家居聯動）。隨著《人形機器人電驅動一體化關節接口規范》標準2025年立項，電機與減速器的兼容性將提升，國產替代加速。而軸向磁通電機、更高精度傳感器的應用，可能進一步突破現有技術瓶頸。
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展開 透骨消痛顆粒治療膝骨性關節炎骨內高壓的成分模擬分析
目的預測透骨消痛顆粒對膝骨性關節炎骨內高壓的影響。方法采用主成分分析、描述符計算等計算機方法來研究透骨消痛顆粒中分子和與血液循環系統相關藥物分子／類藥分子的化學空間。結果透骨消痛顆粒中分子有良好的多樣性，具有類藥性質，存在與血液循環系統作用的分子。結論透骨消痛顆粒可通過改善血液循環來達到防治膝骨性關節炎骨內高壓。
透骨消痛顆粒治療膝骨性關節炎骨內高壓的成分模擬分析.pdf
