[發(fā)明專利]仿生股骨頭模型及設(shè)計(jì)方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710238356.2
• 申請(qǐng)日: 2017-04-13
• 公開（公告）號(hào): CN106943209B
• 公開（公告）日: 2019-02-01
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 閻軍;郭金隴;王靖元;范少迪;尹權(quán)一
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 大連理工大學(xué)
• 主分類號(hào): G06T17/00
• 分類號(hào): G06T17/00;A61F2/28
• 代理公司: 大連理工大學(xué)專利中心 21200
• 代理人: 溫福雪;侯明遠(yuǎn)

1.一種仿生股骨頭模型，其特征在于，所述的仿生股骨頭模型為由桿件和節(jié)點(diǎn)組裝成的半球點(diǎn)陣支架結(jié)構(gòu)，分為內(nèi)半球點(diǎn)陣支架結(jié)構(gòu)和外半球點(diǎn)陣支架結(jié)構(gòu)兩部分；

外半球點(diǎn)陣支架結(jié)構(gòu)從上到下依次分為頂層、第二層、第三層和底層四部分，從上到下相鄰兩層間的間距依次增加；頂層分為頂點(diǎn)和下表面，即頂點(diǎn)和下圓，下圓采用節(jié)點(diǎn)16等分；第二層、第三層和底層，每層分為上表面和下表面，即上圓和下圓；上圓和下圓均采用節(jié)點(diǎn)16等分，各層間節(jié)點(diǎn)位置相互對(duì)應(yīng)；

內(nèi)半球點(diǎn)陣支架結(jié)構(gòu)從上到下依次分為頂層和底層兩部分，從上到下相鄰兩層間的間距依次增加；頂層分為頂點(diǎn)和下表面，即頂點(diǎn)和下圓，下圓采用節(jié)點(diǎn)8等分；底層分為上表面和下表面，即上圓和下圓；上圓和下圓均采用節(jié)點(diǎn)8等分，各層間節(jié)點(diǎn)位置相互對(duì)應(yīng)；

外半球點(diǎn)陣支架結(jié)構(gòu)和內(nèi)半球點(diǎn)陣支架結(jié)構(gòu)中，第二層、第三層和底層的上圓的相鄰兩節(jié)點(diǎn)、下圓的相鄰兩節(jié)點(diǎn)、上圓與下圓相對(duì)應(yīng)的兩節(jié)點(diǎn)、上圓的節(jié)點(diǎn)與下圓對(duì)應(yīng)相鄰的兩節(jié)點(diǎn)間相連；頂層的下圓各節(jié)點(diǎn)均與頂點(diǎn)相連；各節(jié)點(diǎn)間采用連桿連接；

內(nèi)半球點(diǎn)陣支架結(jié)構(gòu)中的底層下圓上的節(jié)點(diǎn)分別與外半球點(diǎn)陣支架結(jié)構(gòu)底層下圓上的對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)、對(duì)應(yīng)相鄰的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)連接；內(nèi)半球點(diǎn)陣支架結(jié)構(gòu)中的底層下圓上的節(jié)點(diǎn)分別與外半球點(diǎn)陣支架結(jié)構(gòu)底層上圓上的對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)、對(duì)應(yīng)相鄰的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)連接；

內(nèi)半球點(diǎn)陣支架結(jié)構(gòu)中的頂層下圓上的節(jié)點(diǎn)分別與外半球點(diǎn)陣支架結(jié)構(gòu)第二層下圓上的對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)、對(duì)應(yīng)相鄰的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接；內(nèi)半球點(diǎn)陣支架結(jié)構(gòu)中的頂層下圓上的節(jié)點(diǎn)分別與外半球點(diǎn)陣支架結(jié)構(gòu)第二層上圓上的對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)、對(duì)應(yīng)相鄰的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接；

內(nèi)半球點(diǎn)陣支架結(jié)構(gòu)中的頂層下圓上的節(jié)點(diǎn)分別與外半球點(diǎn)陣支架結(jié)構(gòu)第三層下圓上的對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)、對(duì)應(yīng)相鄰的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接；

內(nèi)半球點(diǎn)陣支架結(jié)構(gòu)中的底層下圓上的節(jié)點(diǎn)與底層下圓上的圓心進(jìn)行連接；

內(nèi)半球點(diǎn)陣支架結(jié)構(gòu)的頂點(diǎn)與外半球點(diǎn)陣支架結(jié)構(gòu)的頂點(diǎn)進(jìn)行連接。

2.一種仿生股骨頭模型的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，步驟如下：

(1)建立球坐標(biāo)系，即點(diǎn)的坐標(biāo)為r代表半徑，θ代表x-y平面上點(diǎn)跟原點(diǎn)的連線與x軸的夾角，代表球坐標(biāo)系中的點(diǎn)跟原點(diǎn)的連線與x-y平面的夾角；

(2)建立內(nèi)層桿和內(nèi)層與外層之間的連桿

(2.1)首先選定過原點(diǎn)的初平面S1平面，最初設(shè)為x-y平面；在S1平面上建立半徑為a的圓上相鄰的三個(gè)點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)與圓心所成圓心角為45度，設(shè)第一個(gè)點(diǎn)為p1；再建立以半徑為2a的圓上相鄰的三個(gè)點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)與圓心所成圓心角為22.5度；

(2.2)再改變?yōu)?2.5度，在此平面上建立半徑為2a的圓上相鄰的三個(gè)點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)與圓心所成圓心角為22.5度；再改變?yōu)?5度，在此平面上建立半徑為a的圓上相鄰的三個(gè)點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)與圓心所成圓心角為45度；再建立與不在S1平面上本步驟中的六個(gè)點(diǎn)關(guān)于S1平面鏡像對(duì)稱的六個(gè)對(duì)應(yīng)點(diǎn)，將p1與步驟(2)其余所有點(diǎn)進(jìn)行連接；如果p1的θ值為180度，則其余點(diǎn)的θ值也為180度的點(diǎn)不與p1連接；

將p1的θ值增加45度，則此點(diǎn)即為p2，重復(fù)步驟(2)建立過程，以此類推，共重復(fù)2次；

(3)連接半球底層下圓剩余的桿件

(3.1)在S1平面上，在半徑為a的圓上建立一個(gè)點(diǎn)，設(shè)為p4；在半徑為2a的圓上也建立一個(gè)點(diǎn)；

(3.2)旋轉(zhuǎn)工作平面，使為22.5度，在半徑為2a的圓上建立一個(gè)點(diǎn)；旋轉(zhuǎn)工作平面，使為45度，在半徑為a的圓上建立一個(gè)點(diǎn)；再建立與不在S1平面上本步驟中的兩個(gè)點(diǎn)關(guān)于S1平面鏡像對(duì)稱的兩個(gè)對(duì)應(yīng)點(diǎn)；將p4與步驟(3)其余點(diǎn)進(jìn)行連接；上述所建立的各點(diǎn)的θ值都為0；

(3.3)同樣，在S1平面上，在半徑為a的圓上建立一個(gè)點(diǎn)，設(shè)為p5；在半徑為2a的圓上也建立一個(gè)點(diǎn)；

(3.4)旋轉(zhuǎn)工作平面，使為22.5度，在半徑為2a的圓上建立一個(gè)點(diǎn)；旋轉(zhuǎn)工作平面，使為45度，在半徑為a的圓上建立一個(gè)點(diǎn)；再建立與不在S1平面上本步驟中的兩個(gè)點(diǎn)關(guān)于S1平面鏡像對(duì)稱的兩個(gè)點(diǎn)；將p5與其余點(diǎn)進(jìn)行連接；上述所建立的各點(diǎn)的θ值都為180；

(4)連接處于半球邊線的桿件

(4.1)在S1平面上，在半徑為a的圓上建立一個(gè)θ值為0的點(diǎn)，設(shè)為p6；在半徑為2a的圓上建立一個(gè)θ值為22.5的點(diǎn)；

(4.2)然后旋轉(zhuǎn)工作平面，使為22.5度，在半徑為2a的圓上建立一個(gè)θ值為22.5的點(diǎn)；同樣，再做關(guān)于S1平面鏡像對(duì)稱的一個(gè)點(diǎn)；將p6與步驟(4)其余點(diǎn)進(jìn)行連接；

(5)連接處于半球邊線的桿件

(5.1)在S1平面上，在半徑為a的圓上建立一個(gè)θ值為180的點(diǎn)，設(shè)為p7；在半徑為2a的圓上建立一個(gè)θ值為167.5的點(diǎn)；

(5.2)然后旋轉(zhuǎn)工作平面，使為22.5度，在半徑為2a的圓上建立一個(gè)θ值為167.5的點(diǎn)；同樣，再做關(guān)于S1平面鏡像對(duì)稱的一個(gè)點(diǎn)；將p7與步驟(5)其余點(diǎn)進(jìn)行連接；

(6)將S1平面繞z軸旋轉(zhuǎn)45度，此平面即為S2平面，重復(fù)步驟(2)-(5)，以此類推，共重復(fù)3次；

(7)連接最外層半球的桿件

首先選定過原點(diǎn)的初平面S5平面，最初設(shè)為x-y平面；在S5平面上建立半徑為2a上相鄰的三個(gè)點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)與圓心所成圓心角為22.5度，設(shè)第一個(gè)點(diǎn)為n1；再改變使為22.5度，在S5平面上建立半徑為2a上相鄰的三個(gè)點(diǎn)，同樣每個(gè)點(diǎn)與圓心所成圓心角為22.5度；同樣，再建立相同的與S1平面鏡像對(duì)稱的三個(gè)點(diǎn)；將n1與步驟(7)其余點(diǎn)進(jìn)行連接；如果p6的θ值為180度，則其余點(diǎn)中θ值也為180度的點(diǎn)不與n1連接；

然后將n1的θ值增加22.5度，則此點(diǎn)即為n2，重復(fù)步驟(2)建立過程，以此類推，重復(fù)6次；

(8)連接半球底面剩余的桿件

(8.1)在S5平面上，在半徑為2a的圓上建立一個(gè)點(diǎn)，設(shè)為n8；

(8.2)然后旋轉(zhuǎn)工作平面，使為22.5度，在半徑為2a的圓上建立一個(gè)點(diǎn)；同樣，再做關(guān)于S5平面鏡像對(duì)稱的一個(gè)點(diǎn)；將n8與步驟(8)其余點(diǎn)進(jìn)行連接；上述所建立的各點(diǎn)的θ值都為0度；

(8.3)同樣，將工作平面重新旋轉(zhuǎn)到S5平面，在半徑為2a的圓上建立一個(gè)點(diǎn)，設(shè)為n9；

(8.4)然后旋轉(zhuǎn)工作平面，使為22.5度，在半徑為2a的圓上建立一個(gè)點(diǎn)；同樣，再做關(guān)于S5平面鏡像對(duì)稱的一個(gè)點(diǎn)；將n9與步驟(8)其余點(diǎn)進(jìn)行連接；上述所建立的各點(diǎn)的θ值都為180度；

(9)將S5平面繞z軸旋轉(zhuǎn)22.5度，將此平面設(shè)置為S6平面，重復(fù)(7)-(8)步驟，以此類推，共重復(fù)7次；

(10)連接最內(nèi)層的桿件

將工作平面初始化為x-y平面，建立半徑為a，θ值為22.5度和45度的各兩個(gè)點(diǎn)；然后繞z軸旋轉(zhuǎn)工作平面，使為45，重復(fù)上述點(diǎn)的建立，共重復(fù)8次，將建立的所有點(diǎn)與原點(diǎn)進(jìn)行連接；最后將x-y平面上，θ值為90度的點(diǎn)與原點(diǎn)進(jìn)行連接。