專利名稱：矯形模擬器的作業(yè)周期載荷的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
0001對(duì)矯形器械的測(cè)試需求是不斷增漲的。需要這種測(cè)試來鑒定 器械。例如，脊骨植入物的磨損測(cè)試要遵守ISO和ASTM標(biāo)準(zhǔn)。在脊骨 磨損植入物的示例中，測(cè)試程序限定了鉸接部件之間的相對(duì)角度運(yùn)動(dòng)， 并且指定了施加的力的型式、測(cè)試的速度和測(cè)試期間、用于整個(gè)椎間 脊骨盤假體的磨損測(cè)試的樣本結(jié)構(gòu)和測(cè)試環(huán)境。例如，系統(tǒng)可以提供 六個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)和力的測(cè)試。雖然測(cè)試方法關(guān)注磨損測(cè)試，但是可 能需要如疲勞測(cè)試的附加機(jī)械測(cè)試和其他的測(cè)試。脊骨植入物僅是矯 形器械的一種類型。其他的類型包括，例如，髖關(guān)節(jié)假體、膝關(guān)節(jié)等 等。
0002將力和運(yùn)動(dòng)施加于測(cè)試試樣(例如，脊骨植入物)的機(jī)械裝 置的結(jié)構(gòu)可能對(duì)測(cè)試的準(zhǔn)確性和測(cè)試速度有很大影響。具有一些相關(guān) 聯(lián)的連桿機(jī)構(gòu)、在不同的方向施加運(yùn)動(dòng)和力的機(jī)械裝置可能產(chǎn)生干涉， 這降低了測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確度。進(jìn)一步，在這種結(jié)構(gòu)中很難實(shí)現(xiàn)單個(gè)機(jī) 械裝置之間的準(zhǔn)確相位控制。影響性能并且也可能影響測(cè)試儀的耐久 性的機(jī)械裝置結(jié)構(gòu)的另一個(gè)方面是機(jī)械裝置被相對(duì)于一個(gè)(多個(gè))測(cè) 試試樣被物理布置的方式。
0003正常地驅(qū)動(dòng)矯形模擬的機(jī)械裝置(例如，脊骨植入物磨損測(cè) 試儀)從而根據(jù)正弦曲線施加運(yùn)動(dòng)和力。在磨損測(cè)試中依照這些曲線 而施加力和運(yùn)動(dòng)被重復(fù)成千上萬(wàn)個(gè)周期。雖然這種測(cè)試可以滿足測(cè)試 標(biāo)準(zhǔn)，但是脊骨植入物或者其他的矯形器械一旦植入在體內(nèi)在實(shí)際使 用的期間將不會(huì)受到這種恒定的運(yùn)動(dòng)和力。取而代之，在正常的人類 活動(dòng)期間例如脊骨植入物的矯形器械將受到不規(guī)則的力。舉例來說， 伴隨著包括行走和睡覺階段的間歇活動(dòng)階段，人類可以在某時(shí)持續(xù)地 坐幾個(gè)小時(shí)。常規(guī)的模擬器不提供對(duì)人類活動(dòng)的準(zhǔn)確模擬，因此，不 能在近似地重現(xiàn)器械在植入體內(nèi)之后將受到的磨損條件的狀況下測(cè)試 矯形器械。

發(fā)明內(nèi)容
0004需要一種帶機(jī)械裝置的矯形模擬器，該機(jī)械裝置被設(shè)置為以 提供更準(zhǔn)確地模擬實(shí)際磨損條件的方式將運(yùn)動(dòng)和力施加于例如脊骨植 入物試樣的測(cè)試試樣上。
0005本發(fā)明的實(shí)施例將滿足上述需要和其他需要，本發(fā)明的實(shí)施 例提供一種帶機(jī)械裝置的矯形模擬器，該機(jī)械裝置被設(shè)置為將運(yùn)動(dòng)和 力施加于測(cè)試試樣。提供一個(gè)控制器，該控制器被設(shè)置為控制機(jī)械裝 置來施加帶作業(yè)周期載荷(duty clcye loading)的運(yùn)動(dòng)和力。在某 些實(shí)施例中，作業(yè)周期載荷包括周期性的過載狀態(tài)。
0006本發(fā)明的實(shí)施例滿足之前提出的需要和其他需要，本發(fā)明的 實(shí)施例提供一種帶機(jī)械裝置和控制器的矯形模擬器，其中所述機(jī)械裝 置被設(shè)置為將運(yùn)動(dòng)和力施加于測(cè)試試樣，所述控制器被設(shè)置為控制機(jī) 械裝置來選擇性地施加根據(jù)正弦和非正弦曲線的運(yùn)動(dòng)和力。
0007本發(fā)明的實(shí)施例滿足之前提出的需要和其他需要，本發(fā)明的 實(shí)施例提供一種在矯形模擬器磨損測(cè)試機(jī)器中測(cè)試矯形器械的方法。 該方法包含控制機(jī)械裝置來將運(yùn)動(dòng)和力施加于測(cè)試試樣的步驟，其中 控制運(yùn)動(dòng)和力從而選擇性地施加根據(jù)正弦和非正弦曲線的運(yùn)動(dòng)和力。
0008由下面的詳細(xì)闡述和附圖，公開的實(shí)施例的前述的和其他的 特征、方面以及優(yōu)點(diǎn)將變得更明顯。


0009圖l是根據(jù)本發(fā)明的某些實(shí)施例的矯形模擬器的正面透視圖， 為了展示的目的移去外部殼體，并且示意性地圖示了力。
0010圖2是圖1的矯形模擬器的俯視圖；圖2b是正視圖；圖2c是仰 視圖；圖2d是側(cè)視圖。
0011圖3是類似于圖1、展示了試樣裝納模塊的可移動(dòng)性的視圖。
0012圖4圖示了組裝的試樣裝納模塊的示例性的實(shí)施例。
0013圖5是圖4的試樣裝納模塊的分解圖。
0014圖6是圖4的試樣裝納模塊的側(cè)面、局部截面圖。
0015圖7是圖4的試樣裝納模塊的基座的俯視圖。
0016圖8是用于使溫度控制流體在溫度控制環(huán)路中循環(huán)的循環(huán)回路 實(shí)施例的示意性圖示。
0017圖9圖示了兩個(gè)測(cè)試臺(tái)，其中一個(gè)測(cè)試臺(tái)具有可釋放地附連在 其上的試樣裝納模塊。
0018圖10示意性地圖示了循環(huán)液池流體的示例性的布置。0019圖11圖示了在安裝位置內(nèi)的試樣裝納模塊的一個(gè)實(shí)施例。0020圖12是帶有屈曲和伸展運(yùn)動(dòng)指示的、圖l的矯形模擬器的透視 圖。
0021圖13是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的屈曲/伸展運(yùn)動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)的一部分 的截面圖。
0022圖14是帶有繞旋轉(zhuǎn)軸線橫向彎曲運(yùn)動(dòng)指示的、圖l的矯形模擬 器的透視圖。
0023圖15是圖1的矯形模擬器的后部透視圖。0024圖16是帶有前/后和橫向平移運(yùn)動(dòng)指示的、圖l的矯形模擬器 的透視圖。
0025圖17圖示了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的x-y滑動(dòng)組件的一部分。0026圖18是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的x-y滑動(dòng)組件的透視圖。0027圖19是圖18的x-y滑動(dòng)組件的分解圖。
0028圖20是帶有在垂直方向上的載荷指示的、圖l的矯形模擬器的 透視圖。
0029圖21是獨(dú)立地示出的致動(dòng)器實(shí)施例的透視圖。0030圖22是圖21的致動(dòng)器的俯視圖。0031圖23是圖21的致動(dòng)器的側(cè)視圖。0032圖24是圖21的致動(dòng)器的截面圖。
0033圖25是圖1的矯形模擬器的透視圖，其帶有軸向旋轉(zhuǎn)連桿機(jī)構(gòu) 和提供在測(cè)試試樣上的力矩的標(biāo)示。
0034圖26是圖1的矯形模擬器的后部透視圖，其展示了根據(jù)本發(fā)明 實(shí)施例的中心集流腔的實(shí)施例。
0035圖27-29示意性地圖示了構(gòu)建連桿機(jī)構(gòu)的不同方法。
0036圖30示意性地圖示了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的力的嵌套順序。
0037圖31示出了根據(jù)示例性的曲線組的、施加于用于腰部區(qū)域的
測(cè)試試樣的所需力。
0038圖32示出了與圖31相同的信息，但用于頸部的數(shù)據(jù)。0039圖33示出了根據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施例的非正弦輸入數(shù)據(jù)的曲 線。
0040圖34圖示了在殼體內(nèi)的矯形模擬器。
具體實(shí)施例方式
0041可以將本發(fā)明的矯形模擬器用作，例如，脊骨植入物磨損測(cè) 試機(jī)器。在這種結(jié)構(gòu)中，滿足IS018192的要求。設(shè)計(jì)準(zhǔn)確的且具有增 大的速度的矯形模擬器。
0042在下面的闡述中，假定矯形模擬器是脊骨植入物磨損測(cè)試機(jī) 器，但是對(duì)本領(lǐng)域的技術(shù)人員顯而易見的是，這僅是示例性的。在下 面的圖和闡述中所示的特征、概念和設(shè)計(jì)可以用于其他類型的機(jī)器和 矯形模擬器。
0043本發(fā)明實(shí)施例說明和解決涉及準(zhǔn)確模擬正常生活中實(shí)際發(fā)生 的磨損條件的問題，而不是對(duì)被測(cè)試矯形器械施加簡(jiǎn)單的循環(huán)正弦載 荷。通過帶有配置為將運(yùn)動(dòng)和力施加于測(cè)試試樣的機(jī)械裝置的矯形模 擬器至少部分上解決了這個(gè)問題和其他的問題。提供一個(gè)控制器，該 控制器被設(shè)置為控制機(jī)械裝置從而施加帶作業(yè)周期載荷的運(yùn)動(dòng)和力。 在某些實(shí)施例中，作業(yè)周期載荷包括周期性過載狀態(tài)。在某些其他的 實(shí)施例中，提供一個(gè)矯形模擬器，其包含設(shè)置為將運(yùn)動(dòng)和力施加于測(cè) 試試樣的機(jī)械裝置和設(shè)置為控制機(jī)械裝置從而選擇性地施加根據(jù)正弦 和非正弦曲線的運(yùn)動(dòng)和力的控制器。某些實(shí)施例提供在矯形模擬器磨 損測(cè)試機(jī)器中測(cè)試矯形器械的方法，該方法包含控制機(jī)械裝置從而將 運(yùn)動(dòng)和力施加于測(cè)試試樣，其中控制運(yùn)動(dòng)和力從而選擇性地施加根據(jù) 正弦和非正弦曲線的運(yùn)動(dòng)和力。
0044圖1圖示了用于測(cè)試矯形器械的測(cè)試試樣的矯形模擬器10。矯 形模擬器10具有多個(gè)測(cè)試臺(tái)12。在所示實(shí)施例中，有六個(gè)測(cè)試臺(tái)12和 一個(gè)控制臺(tái)14，試樣在測(cè)試臺(tái)12內(nèi)受到機(jī)器10所施加的力，控制臺(tái)14 使試樣不受到所有的其他測(cè)試臺(tái)12提供的力。
0045矯形模擬器10能夠提供如圖l圖示的在x、 y、 z方向的力Fx、
Fy和Fz，其中在一個(gè)測(cè)試臺(tái)12展示了x、 y和z軸線。另外，如圖示的， 可以繞x、 y、 z軸線施加扭矩。在圖l中未示出測(cè)試試樣以避免使本發(fā) 明不突出。在根據(jù)本發(fā)明某些實(shí)施例的脊骨植入物磨損測(cè)試機(jī)器中， 試樣裝納模塊被提供用來容納浸泡測(cè)試試樣的流體。上和下適配件18 (僅在為了說明目的移除了一個(gè)測(cè)試臺(tái)12中的試樣腔室處可以清楚地 看到)將測(cè)試試樣保持在試樣裝納模塊16內(nèi)的上適配器和下適配器之 間。
0046連桿機(jī)構(gòu)20提供在x方向上的力，連桿機(jī)構(gòu)22提供在y方向上 的力。萬(wàn)向節(jié)24被連接到上適配件18并且可以繞x軸線和y軸線運(yùn)動(dòng)從 而提供繞x和y軸線的力矩。
0047如圖1所示，垂直負(fù)載致動(dòng)器26提供沿z軸線的力所表示的垂 直負(fù)載。雖然可以使用不同類型的致動(dòng)器，但是優(yōu)選無摩擦軸向致動(dòng) 器以提供無摩擦軸向/扭轉(zhuǎn)致動(dòng)系統(tǒng)。垂直負(fù)載致動(dòng)器26沿z軸線通過 部件28經(jīng)過下適配件18向測(cè)試試樣施加垂直載荷。在后面將更詳細(xì)描 述的所示實(shí)施例中，部件28包括x-y滑動(dòng)桌臺(tái)和測(cè)壓元件。
0048希望的是，提供一種具有高扭轉(zhuǎn)剛度、幾乎不產(chǎn)生會(huì)導(dǎo)致i^ 的偏轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)扭矩傳送。同時(shí)，低的軸向剛度是所期望的，這樣在垂直載荷 上幾乎沒有干擾(cross-talk)并且在測(cè)壓元件上看不到干擾。軸向旋轉(zhuǎn)連 桿機(jī)構(gòu)30被聯(lián)結(jié)到垂直負(fù)載致動(dòng)器26。如圖l所圖示的，軸向旋轉(zhuǎn)連桿機(jī)構(gòu) 30的運(yùn)動(dòng)是繞垂直軸線z的。雖然在圖1的底部圖示了軸向旋轉(zhuǎn)連桿30，但是
對(duì)本領(lǐng)域的技術(shù)人員顯而易見的是，圖l中所圖示的結(jié)構(gòu)被垂直地懸掛以便軸 向旋轉(zhuǎn)連桿機(jī)構(gòu)30會(huì)g夠自由旋轉(zhuǎn)。這點(diǎn)在后面闡述的圖中將變得更明顯。0049圖2a-2d圖示了矯形模擬器10的可選擇視圖。圖2a是最佳地展 示了帶有萬(wàn)向節(jié)24的連桿機(jī)構(gòu)20的配置的俯視圖。十字頭32被提供， 其最佳視圖可以見圖2d。圖2a是俯視圖，圖2b是正視圖，圖2c是仰視 圖，圖2d是側(cè)視圖。
0050圖3圖示了圖1的矯形模擬器的透視圖，其帶有遠(yuǎn)離矯形模擬 器10的試樣裝納模塊16。試樣裝納模塊16可以可釋放地可附連到測(cè)試 臺(tái)12。每個(gè)試樣裝納模塊16的可釋放附連特征使得測(cè)試試樣的工作臺(tái) 頂端的準(zhǔn)備工作在遠(yuǎn)離矯形模擬器30環(huán)境的地方進(jìn)行。這個(gè)在遠(yuǎn)程加 載和準(zhǔn)備的能力允許小心地移除和插入精密的測(cè)試試樣。進(jìn)一步，這
個(gè)配置有利于單件試樣的安裝。
一個(gè)重要的考慮是，遠(yuǎn)程將試樣安裝
在試樣裝納模塊內(nèi)減小了潛在產(chǎn)生的污染。試樣裝納模塊16也包括被 設(shè)計(jì)為具有屈曲性的、易于生產(chǎn)且成本低的適配件18。
0051圖4獨(dú)立地示出了試樣裝納模塊16的示例性實(shí)施例，并在圖5 中示出了分解視圖。試樣裝納模塊包括基座34和上連接件37，上連接 件37與測(cè)試臺(tái)12面接(interface)并且在該面接處試樣裝納模塊16可 釋放地附連到矯形模擬器IO。當(dāng)腔室36被插入基座34的圍槽38中時(shí)， 腔室36與基座34形成流體容器。圖示了帶有下部40a和上部40b的測(cè)試 試樣40。但是，某些測(cè)試試樣也可以是單件試樣。
0052可以利用例如翼形螺釘?shù)目舍尫啪o固件42將試樣裝納模塊16 可釋放地附連到矯形模擬器IO。如在下面的圖中將更詳細(xì)闡述的，使 用流體聯(lián)接器44以提供流體。
0053圖6是圖4和5的試樣裝納模塊16的側(cè)視、局部截面圖。如圖6 中所示，展示了帶有聯(lián)結(jié)在一起的上部和下部的測(cè)試試樣40。
0054圖7是基座34的俯視圖。提供包括兩個(gè)銷48的試樣安裝平臺(tái)46， 其中一個(gè)銷可導(dǎo)引，而另一個(gè)銷與在下適配件18a上的槽相互作用從而 阻止旋轉(zhuǎn)。圖示了螺紋孔50并且可以利用螺紋孔50從而使試樣具有下 壓功能(hold down function)。
0055基座34也包括能夠與在矯形模擬器10上的銷54相互作用的凹 槽52。這提供了試樣裝納模塊16的可滑動(dòng)安裝。在基座內(nèi)提供管道回 路56從而提供對(duì)浸泡有測(cè)試試樣40的液池的溫度控制。如將要更詳細(xì) 闡述的，使溫度控制流體經(jīng)由管道回路56循環(huán)從而準(zhǔn)確地控制液池的 溫度。溫度控制流體不與液池流體混和。溫度探測(cè)器60提供關(guān)于液池 溫度的反饋并且能夠被用于控制溫度控制流體。來自溫度探測(cè)器60的 信號(hào)作為反饋信號(hào)被提供給加熱器(未在圖7中示出)。
0056提供用于翼形螺釘或者其他可釋放緊固件的凹槽58從而將試 樣裝納模塊16固定于矯形模擬器10。如將在后面關(guān)于圖9更詳細(xì)的闡 述，液池流體循環(huán)管62用于使液池流體在基座34和腔室36形成的流體 容器內(nèi)循環(huán)。
0057圖8圖示了用于使溫度控制流體在溫度控制環(huán)路中循環(huán)的循環(huán) 回路。見圖7，溫度控制流體在每個(gè)試樣裝納模塊16中經(jīng)由管道回路56
循環(huán)。管道回路56被連接到單一循環(huán)回路64，單一循環(huán)回路64使例如 水的溫度控制流體經(jīng)由封閉的回路系統(tǒng)循環(huán)。雖然水是一種示例性的 溫度控制流體，但是在不同的實(shí)施例中可以將其他的流體用作溫度控 制介質(zhì)。溫水經(jīng)由熱交換器在每個(gè)試樣裝納模塊16的液池中循環(huán)。加 熱器66提供溫水的準(zhǔn)確控制和循環(huán)。加熱器66接收來自溫度探測(cè)器60 的溫度信號(hào)并利用這些信息控制溫度控制流體的溫度，因而控制在每 個(gè)試樣裝納模塊16內(nèi)的液池的溫度。
0058在圖8中圖示的鏈環(huán)(daisy-chained)方法在每個(gè)試樣裝納 模塊16的液池中產(chǎn)生非常穩(wěn)定的溫度。除了穩(wěn)定性，由于整個(gè)循環(huán)回 路64達(dá)到了平衡溫度，所以實(shí)現(xiàn)了從臺(tái)12到臺(tái)12溫度的一致性。而且， 也可以利用單一加熱器以降低成本。
0059圖9圖示了兩個(gè)測(cè)試臺(tái)，其中一個(gè)測(cè)試臺(tái)具有可釋放地附連在 其上的試樣裝納模塊16。在靠近腔室36的桿70上提供例如在檢測(cè)技術(shù) 領(lǐng)域公知的非接觸液面?zhèn)鞲衅?8，可在箭頭72的方向內(nèi)沿立柱70調(diào)整 非接觸液面?zhèn)鞲衅?8的高度。這允許準(zhǔn)確地調(diào)整腔室36內(nèi)的期望流體 高度。非接觸液面?zhèn)鞲衅?8將它的信號(hào)提供到填充控制器74，示意性 地表示了填充控制器74被連接到非接觸液面?zhèn)鞲衅?8?；趶姆墙佑| 液面?zhèn)鞲衅?8接收的信號(hào)，填充控制器74確定是否需要補(bǔ)充在試樣裝 納模塊16中的流體。例如，如遲緩液體(bovine fluid)的測(cè)試流體 可能會(huì)產(chǎn)生某種程度地蒸發(fā)，因而增大了流體的濃度。蒸餾水在填充 控制器74的控制下流經(jīng)填充管75。雖然在優(yōu)選的實(shí)施例中每個(gè)測(cè)試臺(tái) 12都具有其自己的填充管75，但是為了說明的目的在圖9中僅(示意性 地)圖示了一個(gè)填充管75。所以，能夠分別地控制在每個(gè)各自的測(cè)試 臺(tái)12上的流體濃度。
0060實(shí)際上，設(shè)置非接觸液面?zhèn)鞲衅?8以測(cè)量液池的初始高度并將 流體液面信號(hào)提供給填充控制器74。由于在任何蒸發(fā)之前液池在初始 流體液面處具有初始濃度，所以可以將流體液面視作與液池的流體濃 度有關(guān)的參數(shù)。當(dāng)發(fā)生蒸發(fā)時(shí)，液池的液面將下降。液池的濃度將增 大。流體液面從初始流體液面的下降與濃度的增大有關(guān)。為了保持或 者維持在期望液面處的濃度，即初始濃度，填充控制器74使得蒸餾水 重新填充試樣容器直到液池的流體液面達(dá)到初始流體液面。這使得液
池的濃度保持在它的初始值。
0061監(jiān)視每個(gè)測(cè)試臺(tái)12并使用與上面所述相同的方式維持流體的 濃度從而提供從測(cè)試臺(tái)12到測(cè)試臺(tái)12的一致性。雖然已闡述了將流體 液面作為被監(jiān)視的參數(shù)的實(shí)施例，但是這種實(shí)施例僅是示例性的，可 以考慮使用其他參數(shù)，并且這也可能取決于液池的類型。例如，在探 測(cè)液池中的某些化學(xué)制品的濃度的實(shí)施例中可以使用化學(xué)制品檢測(cè)元 件。示例性的實(shí)施例利用了非接觸液面?zhèn)鞲衅?，由于其具有在不污?液池的情況下檢測(cè)流體的液面的能力所以是優(yōu)選的。在發(fā)明的其他實(shí) 施例中利用其他類型的液面?zhèn)鞲衅?，例如接觸傳感器。
0062圖10圖示了液池流體循環(huán)的一種配置。與溫度控制流體不同， 為了將每個(gè)測(cè)試試樣和液池維持在它們自己的環(huán)境中，優(yōu)選使用單獨(dú) 回路。換句話說，通過提供每個(gè)試樣模塊的單獨(dú)回路從而避免了磨損 微粒的交叉污染。在某些實(shí)施例中，每個(gè)單獨(dú)回路利用了蠕動(dòng)泵76。 提供了攪動(dòng)動(dòng)作。
0063圖11展示了在矯形模擬器10內(nèi)的處于安裝位置的試樣裝納模 塊16 (為了說明的目的沒有腔室36)的實(shí)施例。試樣裝納模塊在其基 座34處可釋放地附連到測(cè)壓元件模塊78上。測(cè)壓元件模塊被設(shè)計(jì)為容
納單軸或者多軸的力換能器。在所說明的實(shí)施例中圖示了單軸換能器。0064圖12圖示了矯形模擬器10并例示了屈曲/伸展運(yùn)動(dòng)。連桿機(jī)構(gòu) 20的線性致動(dòng)器20a沿軸向方位來回地伸展，致使連接連桿20b沿軸向 方向平移。這致使在測(cè)試臺(tái)12上的內(nèi)部萬(wàn)向節(jié)24移動(dòng)并繞圖12圖示的 旋轉(zhuǎn)軸線旋轉(zhuǎn)。連接連桿20b是實(shí)心的橫梁，這提供了不引入附加的關(guān) 節(jié)誤差的優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)槊總€(gè)萬(wàn)向節(jié)24被獨(dú)立地連接到連接連桿20b。這個(gè) 方面將關(guān)于圖27-29更詳細(xì)地闡述。
0065雖然未展示，連接連桿20b和與內(nèi)部萬(wàn)向節(jié)24的連接利用了高 品質(zhì)的軸承，例如在關(guān)鍵部位使用的長(zhǎng)壽命的滾針軸承。該設(shè)計(jì)確保 了長(zhǎng)壽命和低沖擊，使得精密的機(jī)器可以長(zhǎng)期使用。所圖示的低的移 動(dòng)質(zhì)量的連桿機(jī)構(gòu)(low moving mass linkage)使性能最大化并且被 設(shè)計(jì)為易于維護(hù)。
0066圖13圖示了屈曲/伸展運(yùn)動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)的截面部分。圖示了連接 到上試樣適配件18b的內(nèi)部萬(wàn)向節(jié)24。固定的軸承殼體80容納前面提到
的滾針軸承。在兩個(gè)地方提供徑向滾針軸承84以及滾針推力軸承82。 管狀軸86準(zhǔn)許萬(wàn)向節(jié)24的旋轉(zhuǎn)。
0067圖14圖示了繞旋轉(zhuǎn)軸線的橫向彎曲運(yùn)動(dòng)。通過連接連桿88聯(lián) 結(jié)移動(dòng)十字頭32 (同樣見圖2a-2d)，線性致動(dòng)器90使連接連桿88以上 下運(yùn)動(dòng)的方式移動(dòng)。這致使內(nèi)部萬(wàn)向節(jié)24繞旋轉(zhuǎn)軸線旋轉(zhuǎn)。
0068圖15提供了矯形模擬器10的后視圖。展示了延伸越過矯形模 擬器10的移動(dòng)十字頭32。在圖中也展示了將在下面更詳細(xì)討論的中心 集流腔92。對(duì)于屈曲/延伸連桿機(jī)構(gòu)，在橫向彎曲運(yùn)動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵 部位優(yōu)選使用長(zhǎng)壽命的、具有高品質(zhì)的滾針軸承。這些設(shè)計(jì)確保長(zhǎng)壽 命和低沖擊，使得精密的機(jī)器可以長(zhǎng)期使用。低的移動(dòng)質(zhì)量十字頭組 件使性能最大化。例如，十字頭組件32可以由鋁制成從而提供非常輕 重量的移動(dòng)質(zhì)量。在運(yùn)動(dòng)中，移動(dòng)十字頭32繞圖15所圖示的x軸線轉(zhuǎn)動(dòng)。
0069圖16展示了矯形模擬器并圖示了前/后和橫向平移運(yùn)動(dòng)。在這 個(gè)圖中示出了平移臺(tái)架96。平移臺(tái)架包括將在下面的圖中看到的x-y滑 動(dòng)組件。圖17圖示了x-y滑動(dòng)組件100的一部分，其展示了帶有間隙104 的線性滑塊102，提供間隙104以放置產(chǎn)生期望的偏壓力的彈簧。
0070圖18是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例構(gòu)建的x-y滑動(dòng)站100的透視圖。圖 19展示了x-y滑動(dòng)站100的分解圖。x-y滑動(dòng)組件100形成非常緊密的組
裝件，其具有非常輕重量的組件。組件具有高的扭轉(zhuǎn)和剪切能力并且 每個(gè)x-y滑動(dòng)組件100具有高的軸向動(dòng)態(tài)載荷率。由于每個(gè)滑動(dòng)組件的 有效設(shè)計(jì)使得每個(gè)滑動(dòng)組件100也具有高的扭矩載荷率。該設(shè)計(jì)提供了 線性靜摩擦和動(dòng)摩擦的極低系數(shù)。雙排/雙側(cè)小型滾柱軸承減小或者消 除了摩擦腐蝕?？梢蕴峁?rùn)滑油以幫助消除摩擦腐蝕并進(jìn)一步降低摩 擦系數(shù)和起動(dòng)"摩擦阻力"。
0071本發(fā)明的x-y滑動(dòng)組件100可以包括三種不同的操作模式。這 包括自由浮動(dòng)以自動(dòng)定心測(cè)試試樣；正半軸鎖定在動(dòng)態(tài)范圍；以及在 每個(gè)軸線產(chǎn)生較大值的靜態(tài)剪切力以用作試樣的同時(shí)切平面載荷的能 力。x軸線平移板具有內(nèi)置的(built-in)使上試樣工具徑向地對(duì)準(zhǔn)測(cè) 壓元件的能力。
0072本發(fā)明的x-y滑動(dòng)組件100克服了特殊的缺陷。例如，在矯形 模擬器中的其他的這種組件在滑動(dòng)設(shè)計(jì)中使用了球軸承，這使得當(dāng)平
移的時(shí)候它們自身摩擦腐蝕和打滑。本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)包括在小型設(shè) 計(jì)中產(chǎn)生同時(shí)的橫向剪切，且產(chǎn)生無摩擦的臺(tái)架浮動(dòng)，但是可無限地
鎖定在動(dòng)態(tài)范圍。在所有的六個(gè)測(cè)試臺(tái)12產(chǎn)生Mz旋轉(zhuǎn)的最低慣性組件。 x-y滑動(dòng)組件100的設(shè)計(jì)可以承受較大磅值的壓力。進(jìn)一步，x-y滑動(dòng)組 件100是能夠從Fz致動(dòng)器26中輕易移除的平移組件。也提供一種平移組 件，該平移組件具有產(chǎn)生過轉(zhuǎn)力矩的能力從而對(duì)抗側(cè)面負(fù)載所引起的 力矩，所述側(cè)面負(fù)載是偏心載荷。
0073在本發(fā)明的機(jī)械裝置中，當(dāng)處于上面闡述的彈簧加載的結(jié)構(gòu) 時(shí)，F(xiàn)x和Fy運(yùn)動(dòng)和力發(fā)生在x-y滑動(dòng)組件100內(nèi)。調(diào)整系統(tǒng)允許操作者 設(shè)置在每個(gè)x軸線和y軸線內(nèi)的力的值。這不是受控的自由度，而是如 果外力克服彈簧設(shè)定則可以自由地平移。對(duì)于被定位成與機(jī)器的Mx、 My和Mz中心一致的簡(jiǎn)單的球狀關(guān)節(jié)(ball-in-socket joint)的脊骨 植入物，未使用彈簧。但是， 一些試樣將產(chǎn)生在Fx/Fy或者Fz軸線內(nèi)的 干擾載荷。這個(gè)彈簧約束力允許使用者模擬圍繞試樣的軟組織，或者 有意地側(cè)面加載植入物從而模擬錯(cuò)誤的植入。
0074x-y滑動(dòng)組件100包括下平移板100和上平移板112。在某些實(shí) 施例中，下平移板110沿x軸線平移，而上平移板112沿y軸線平移?；?座114支撐x-y滑動(dòng)組件并且可以安裝在之前圖示的測(cè)壓元件上。提供 銷116并將其壓入基座114和下平移板110中。銷116輔助最先安裝的滑 塊/軌道在每個(gè)軸線上的組裝并確保第一軌道組裝到鎖定螺桿的垂直 度，并建立在狹小的螺釘間隙的限制內(nèi)的軸向平臺(tái)之間的正交性。提 供螺釘118和暗銷120。提供用于線性軌道124的線性軌道軸承122。
0075圖20圖示了矯形模擬器10并且展示了由垂直負(fù)載致動(dòng)器26沿 箭頭128方向提供的在z方向上的載荷(Fz)。 一體致動(dòng)器26本質(zhì)上是 完整的并且在某些優(yōu)選實(shí)施例中可能是精密的、未密封的致動(dòng)器設(shè)計(jì)。 活塞桿浮動(dòng)在油膜上，并且近似零的摩擦使載荷準(zhǔn)確性最大化?？梢?利用低質(zhì)量桿從而使軸向旋轉(zhuǎn)和垂直負(fù)載通道的性能最大化。單獨(dú)測(cè) 試臺(tái)12具有各自的開關(guān)閥。圖21圖示了獨(dú)立的致動(dòng)器26的透視圖。圖 22圖示了致動(dòng)器26的俯視圖，并且圖23圖示了致動(dòng)器26的側(cè)視圖。圖 24圖示了致動(dòng)器26的截面圖，圖24a展示了圖24中一個(gè)部分的放大圖。
0076在某些優(yōu)選實(shí)施例中，每個(gè)致動(dòng)器26具有在致動(dòng)器26外側(cè)的
操作內(nèi)置液壓閥的手柄130，該內(nèi)置液壓閥允許使用者單獨(dú)地關(guān)閉任何 臺(tái)。因而，如果使用者期望對(duì)少于六個(gè)的測(cè)試試樣進(jìn)行操作，或者試 樣在測(cè)試過程中中途失效并因此期望將試樣從剩余的測(cè)試周期移除， 則可以在不停止機(jī)器10的操作和其他的測(cè)試試樣的測(cè)試的情況下獨(dú)立 于其他測(cè)試臺(tái)12關(guān)閉單獨(dú)的測(cè)試臺(tái)12。最佳視圖見圖24，致動(dòng)器26包 括可以軸向地移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)的活塞132。液壓致動(dòng)器26包括底端蓋134和 頂端蓋136。提供液壓軸承138和140。當(dāng)裝置關(guān)閉時(shí)，推力軸承142提 供對(duì)測(cè)試臺(tái)12的支撐。在這種情況下，測(cè)試臺(tái)能夠被移除并且在非運(yùn) 轉(zhuǎn)的測(cè)試臺(tái)12不影響其他測(cè)試臺(tái)12的情況下操作機(jī)器。0077在端口144提供壓力從而使活塞132沿z軸線伸展，而在端口146 提供壓力從而使活塞132撤回。
0078在優(yōu)選實(shí)施例中在返回端口 (return port) 144、 146內(nèi)的液 壓壓力連接到中心集流腔92并由中心集流腔92供應(yīng)(見圖15)。液壓 致動(dòng)器26是液壓靜力的并且完全地沒有密封，所述密封包括高壓活塞 密封。液壓靜力軸承使活塞桿"浮動(dòng)(float)"并也提供一些過轉(zhuǎn)力 矩的能力。獨(dú)特的設(shè)計(jì)提供了沒有(如在典型的液壓致動(dòng)器中的)密 封阻力的致動(dòng)器，這致使裝置具有極低的線性和扭轉(zhuǎn)摩擦。摩擦僅由 粘性潤(rùn)滑油剪切力產(chǎn)生。對(duì)于這個(gè)設(shè)計(jì)，相等的Fz力被提供跨過所有 的七個(gè)致動(dòng)器。
0079在每個(gè)端蓋134、 136的末端提供推力軸承。上端蓋136具有推
力軸承，推動(dòng)致動(dòng)器桿的潤(rùn)滑油泄露會(huì)潤(rùn)滑所述推力軸承。如果一個(gè) 試樣在其他的試樣之前失效，操作者可以關(guān)閉臺(tái)12。致動(dòng)器26撤回并
且組件將被安放在推力軸承上以繼續(xù)Mz運(yùn)動(dòng)。對(duì)于在六個(gè)測(cè)試臺(tái)12上 的所有六個(gè)Fz致動(dòng)器26， Mz運(yùn)動(dòng)是公共的。為了控制目的作為負(fù)載和 浸入臺(tái)進(jìn)行操作的第七測(cè)試臺(tái)14未連接到Mz驅(qū)動(dòng)設(shè)備。0080例如在圖26圖示的中心集流腔92為多個(gè)連接提供了一體集流 腔并且為矯形模擬器提供了流體管道。中心一體集流腔的使用很大程 度地減少了管件，并且由于流體的更好的平衡和所需管件的減少而提 供了改進(jìn)的性能，使得尺寸縮小、成本降低并且也起到結(jié)構(gòu)構(gòu)件的作 用。換句話說，中心集流腔92為矯形模擬裝置10提供了堅(jiān)固的橫條。 管件的示例包括將流體提供到垂直負(fù)載致動(dòng)器26的延伸和收回流體連
接。中心集流腔92也提供潤(rùn)滑流體的循環(huán)。
0081圖25展示了矯形模擬器10并著重展示了最初在圖1展示的軸向 旋轉(zhuǎn)連桿機(jī)構(gòu)30。軸向旋轉(zhuǎn)連桿機(jī)構(gòu)30提供測(cè)試試樣的力矩Mz。現(xiàn)在 參考展示了矯形模擬器10的后視圖的圖26，線性致動(dòng)器150通過連接連 桿152提供使軸向旋轉(zhuǎn)連桿機(jī)構(gòu)30繞z軸線旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)力。
0082所期望的是，提供幾乎不產(chǎn)生會(huì)導(dǎo)致誤差的偏轉(zhuǎn)的、具有高扭轉(zhuǎn) 剛度的驅(qū)動(dòng)扭矩的傳送。同時(shí)，低的軸向剛度是所期望的，這樣在垂直載荷 端幾乎沒有干擾并且在測(cè)壓元件上看不到干擾。軸向旋轉(zhuǎn)連桿機(jī)構(gòu)包括聯(lián)結(jié) 到連接連桿152的旋轉(zhuǎn)傳遞連桿154。連接連桿152以線性方式的移動(dòng)致使 旋轉(zhuǎn)傳遞連桿154繞z軸線在軸承上自由地旋轉(zhuǎn)。具有扭轉(zhuǎn)岡勝也具有軸向 適應(yīng)性的屈曲組件156聯(lián)結(jié)到垂直負(fù)載致動(dòng)器26的活塞132的底部。屈曲組 件具有扭轉(zhuǎn)剛性從而在旋轉(zhuǎn)傳遞連桿154和致動(dòng)器26的活塞132之間 剛性地傳遞扭矩。實(shí)際的旋轉(zhuǎn)連桿機(jī)構(gòu)30和無摩擦垂直力致動(dòng)器26 的結(jié)合提供了無摩擦軸向/扭轉(zhuǎn)致動(dòng)。在運(yùn)轉(zhuǎn)中，通過沿z軸線移動(dòng)活 塞132，垂直負(fù)載致動(dòng)器26將負(fù)載沿z軸線施加到測(cè)試試樣40。由線 性致動(dòng)器150經(jīng)由連接連桿152驅(qū)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)傳遞連桿154和屈曲組件 156有助于使剛性扭矩傳遞到活塞132直至在測(cè)試臺(tái)12上的測(cè)試，(未示 出)。由于軸向旋轉(zhuǎn)連桿機(jī)構(gòu)30的屈曲組件156劍共高的軸向適應(yīng)性，所以 允許活塞132沿它的軸線自由地平移。
0083圖27-29圖示了連桿機(jī)構(gòu)的布局并著重展示了本發(fā)明實(shí)施例與 提供更大的關(guān)節(jié)串行誤差(joint serialization error)的可選擇連 桿機(jī)構(gòu)布局之間的不同。在圖27中，為屈曲/延伸(My)和軸向旋轉(zhuǎn)(Mz) 提供了公共副連桿機(jī)構(gòu)從而在每個(gè)試樣之間、在位移測(cè)量器械和每個(gè) 測(cè)試試樣之間以及在驅(qū)動(dòng)致動(dòng)器和每個(gè)測(cè)試試樣之間創(chuàng)建最少的公共 關(guān)節(jié)數(shù)目。用這種方式，最小化了可變性。圖27圖示了在本發(fā)明中提 供的布局?？梢钥闯?，實(shí)心橫梁160將來自致動(dòng)機(jī)械裝置164的力一次 地提供給所有的連桿機(jī)構(gòu)162。在所示的示例性實(shí)施例中，連接連桿24 形成實(shí)心橫梁160以連接到萬(wàn)向節(jié)24從而用很少的關(guān)節(jié)提供屈曲/延伸 運(yùn)動(dòng)(My)。類似地，連接連桿152形成軸向旋轉(zhuǎn)(Mz)的實(shí)心橫梁160。 通過對(duì)比，圖28利用了由兩個(gè)連桿168連接的三個(gè)獨(dú)立的連接桿件166。 因而，在圖28左側(cè)的那些測(cè)試試樣具有比圖27最左側(cè)試樣的關(guān)節(jié)數(shù)(4)
更多的關(guān)節(jié)數(shù)(8)。這增加了從一個(gè)測(cè)試臺(tái)12到另一個(gè)測(cè)試臺(tái)12施加 到測(cè)試試樣的力和運(yùn)動(dòng)的可變性。圖29提供了類似的可變性，其中很 多關(guān)節(jié)被提供給許多測(cè)試臺(tái)，每個(gè)測(cè)試臺(tái)具有不同數(shù)目的關(guān)節(jié)。因而， 本發(fā)明的配置減小了從一個(gè)臺(tái)12到另一個(gè)臺(tái)12力和運(yùn)動(dòng)施加的可變性。
0084圖30示意性地圖示了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的力的嵌套順序。遍 及本申請(qǐng)的圖所圖示的連桿機(jī)構(gòu)的布置實(shí)現(xiàn)了力的這個(gè)嵌套順序。0085機(jī)械裝置系統(tǒng)在矯形器械(例如，多個(gè)椎間盤植入物)的下 (下級(jí))部分和上(上級(jí))部分之間產(chǎn)生相對(duì)的運(yùn)動(dòng)和力，同時(shí)地產(chǎn) 生在類似的隨時(shí)間衰減的運(yùn)動(dòng)和力的作用下在假體的承受表面上的磨 損。機(jī)械裝置以最大化準(zhǔn)確性、測(cè)試速度和連桿機(jī)構(gòu)的耐久性的方式 施加這些運(yùn)動(dòng)和力。自由連桿機(jī)構(gòu)的全部的六個(gè)自由度如圖30所示被 嵌套從而最大化性能和準(zhǔn)確度。在常規(guī)系統(tǒng)中的典型脊骨植入物測(cè)試， 與橫向彎曲(Mx)和軸向旋轉(zhuǎn)(Mz)運(yùn)動(dòng)相比在屈曲/延伸方向(My) 上需要更大的位移。通常在共有或者相似的頻率和波形下執(zhí)行這些運(yùn) 動(dòng)。因此，屈曲/伸展運(yùn)動(dòng)代表要求最苛求的性能。但是，本發(fā)明的機(jī) 械裝置系統(tǒng)被嵌套(nest)以便將帶有最高需求的性能的副機(jī)械裝置 順序地放置到最靠近試樣處。因此這最小化了移動(dòng)質(zhì)量和任何相關(guān)的 由慣性引發(fā)的誤差。因而，如圖30所示，示意性指示的試樣由參考數(shù) 字170指示。順序地最靠近測(cè)試試樣170的上級(jí)(上)部分的副機(jī)械裝 置是屈曲/延伸(My)副機(jī)械裝置。如圖30所示，橫向彎曲(Mx)順續(xù) 地進(jìn)一步遠(yuǎn)離試樣170的上級(jí)部分。最后，Mx和My力的驅(qū)動(dòng)器順續(xù)地最 遠(yuǎn)地遠(yuǎn)離測(cè)試試樣170。
0086對(duì)于所示的示例性實(shí)施例，聯(lián)結(jié)到萬(wàn)向節(jié)24的連接連桿20b形 成最靠近測(cè)試試樣170的上級(jí)部分的副機(jī)械裝置。屈曲/延伸副機(jī)械裝 置是具有最高需求性能的副機(jī)械裝置。在所示實(shí)施例中，移動(dòng)十字頭 32代表橫向彎曲副機(jī)械裝置(Mx)。如在圖15中可以看到的，例如， 由于線性致動(dòng)器20a將連接連桿20b連接到十字頭32，所以移動(dòng)十字頭 32位于比萬(wàn)向節(jié)24和連接連桿20b更遠(yuǎn)離測(cè)試試樣的位置。連桿機(jī)構(gòu)22 和20代表Mx和My運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)器并且該驅(qū)動(dòng)器還要更遠(yuǎn)離測(cè)試試樣170。
0087對(duì)于測(cè)試試樣170的下(或者下級(jí))部分，在y方向上的力Fy
是自由的、固定的或者被偏壓的，并且具有最小化的移動(dòng)質(zhì)量并具有
最高需求性能。然后在x方向的力Fx嵌套在比力Fy更遠(yuǎn)離試樣170的位 置。致動(dòng)器26提供的垂直力Fz還要更遠(yuǎn)離測(cè)試試樣170的下級(jí)部分，此 時(shí)嵌套布置內(nèi)提供的繞z軸線的力矩Mz還要更遠(yuǎn)離測(cè)試試樣170。如所 示的，提供所有這些力矩的驅(qū)動(dòng)器。在所示的示例性實(shí)施例中，當(dāng)處 于上述的彈簧加載結(jié)構(gòu)中時(shí)，F(xiàn)x和Fy運(yùn)動(dòng)和力發(fā)生在x-y滑動(dòng)桌臺(tái)100 內(nèi)。調(diào)整系統(tǒng)允許操作者設(shè)置在每個(gè)x和y軸線上的力的值。這不是受 控的自由度，而是如果外力克服彈簧設(shè)定將自由地平移。對(duì)于與機(jī)器 的Mx、 My和Mz中心一致被定位的簡(jiǎn)單的球狀關(guān)節(jié)的脊骨植入物，則彈 簧未接合。但是， 一些試樣將產(chǎn)生在Fx/Fy或者Fz軸線內(nèi)的干擾載荷。 這個(gè)彈簧約束力允許使用者模擬圍繞試樣的軟組織，或者有意地側(cè)面
加載植入物從而模擬錯(cuò)誤的植入。
0088在所示的示例性實(shí)施例中，更遠(yuǎn)離測(cè)試試樣的下級(jí)部分放置 的是施加Fz力的垂直負(fù)載致動(dòng)器26。還要更遠(yuǎn)離的是用于Mz運(yùn)動(dòng)的、 包括連接連桿152和旋轉(zhuǎn)傳遞連桿154的副機(jī)械裝置。Mz副機(jī)械裝置(軸 向旋轉(zhuǎn)副機(jī)械裝置)的驅(qū)動(dòng)器包括線性致動(dòng)器150并且其位于更遠(yuǎn)離測(cè) 試試樣的位置。
0089雖然圖30圖示了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的嵌套順序，但是由于在 不偏離本發(fā)明范圍的情況下可以使用其他的嵌套順序，所以可以理解 的是，這個(gè)嵌套順序僅是示例性的。例如，假定Fx需要更高的性能， 則Fx和Fy力在嵌套順序中可以相互交換。
0090本發(fā)明機(jī)械裝置所施加的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的歐拉順序是屈曲/伸展-〉 橫向彎曲->軸向旋轉(zhuǎn)。在脊骨植入物的測(cè)試領(lǐng)域，機(jī)械裝置的這個(gè)順 序提升了最大性能并最小化附加關(guān)節(jié)誤差。連桿機(jī)構(gòu)的獨(dú)立性減小或 者消除了干擾并且允許準(zhǔn)確控制單獨(dú)的機(jī)械裝置之間的相位。這對(duì)于 創(chuàng)建測(cè)試試樣170的期望的和受控的載荷是重要的。
0091圖31展示了根據(jù)示例性曲線組的旨在用于腰椎區(qū)域的施加到 脊骨植入物的測(cè)試試樣的所需力。類似地，圖32展示了頸部數(shù)據(jù)的同 樣信息。作業(yè)周期載荷包含將大負(fù)載和位移活動(dòng)加入到更典型的重復(fù) 活動(dòng)中，例如，周期性地抬舉重的箱子。這允許加入周期的過載狀態(tài)。 公知地，這種過載狀態(tài)潛在地引起損傷，但是是相對(duì)稀少的，因此應(yīng)
該考慮到它們的稀少性并且當(dāng)包括過載狀態(tài)時(shí)過載狀態(tài)應(yīng)該被放入到 其他的日?；顒?dòng)中。除了作業(yè)周期載荷，本發(fā)明實(shí)施例可用于重建更 準(zhǔn)確模擬的(例如，"行走模擬")任何正弦或者非正弦曲線。本發(fā) 明實(shí)施例允許輸入帶變化的相位、幅值和頻率成分的非正弦數(shù)據(jù)，例
如真實(shí)的行走輪廓。如圖33所展示的這些曲線可以重復(fù)很多個(gè)周期， 并因而產(chǎn)生疲勞和磨損。如本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員將很容易地認(rèn)識(shí)到， 活動(dòng)的表現(xiàn)并不限于行走，而可以以連續(xù)的或者重復(fù)的方式用于模擬 許多反復(fù)的活動(dòng)。因此，僅在圖1中示出的控制器200用于獨(dú)立地和分 別地控制每個(gè)運(yùn)動(dòng)器械。因而，通過使用控制軟件和矯形模擬器10提 供的機(jī)械裝置可以控制測(cè)試試樣170的屈曲/伸展、橫向彎曲、旋轉(zhuǎn)和 載荷成為任何期望的曲線。這允許矯形器械的測(cè)試，其模擬矯形器械 將受到的實(shí)際狀況而不是圖31和32中圖示的在千萬(wàn)個(gè)周期期間施加的 恒定力。例如，測(cè)試可以代表人的典型的一天。這一天可以包括在某 時(shí)段持續(xù)坐幾個(gè)小時(shí)，并且?guī)в邪ㄐ凶吆退X階段的間歇活動(dòng)階段。 也可以較好地為劇烈的身體活動(dòng)建模，例如為運(yùn)動(dòng)員。因此，控制器 200更準(zhǔn)確地使矯形模擬器10模擬對(duì)于典型的植入物接受者而言脊骨 植入物或者其他的矯形器械實(shí)際上應(yīng)該承受的力。
0092圖34圖示了在殼體178內(nèi)的矯形模擬器10。殼體178的使用防 止污染并減少在環(huán)境內(nèi)的油。開關(guān)180允許測(cè)試臺(tái)非?？焖俚仃P(guān)閉從而 防止當(dāng)個(gè)別的測(cè)試臺(tái)12在運(yùn)轉(zhuǎn)中經(jīng)受阻礙時(shí)測(cè)試的失效。
0093本發(fā)明實(shí)施例提供使矯形測(cè)試試樣受到更準(zhǔn)確模擬現(xiàn)實(shí)情況 的情況中的配置和方法。通過使用控制器來實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的，所述控制 器被設(shè)置為控制運(yùn)動(dòng)器械從而重建任何正弦或者非正弦曲線。用這種 方式，矯形器械可以經(jīng)受代表人的典型的一天的測(cè)試，人的典型的一 天包括例如坐、睡覺、行走或者參加運(yùn)動(dòng)的活動(dòng)。能夠提供作業(yè)周期 載荷，其中大負(fù)載和位移活動(dòng)被加入到典型的重復(fù)活動(dòng)中，例如，重 復(fù)地抬舉重的箱子。
0094雖然已經(jīng)詳細(xì)地闡述和說明了本發(fā)明，但是很明顯的是，通 過說明和實(shí)例的方式闡述和說明本發(fā)明并且不作為限制。
權(quán)利要求
1. 一種矯形模擬器，其包括被設(shè)置為將力和運(yùn)動(dòng)施加于一個(gè)測(cè)試試樣的機(jī)械裝置；以及被設(shè)置為控制所述機(jī)械裝置從而施加帶作業(yè)周期載荷的運(yùn)動(dòng)和力的控制器。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的模擬器，其中，所述作業(yè)周期載荷包括 至少一個(gè)周期性過載或者過量運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的模擬器，其中，所述控制器控制所述機(jī) 械裝置從而施加根據(jù)正弦曲線的運(yùn)動(dòng)和力，并在指定間隔插入所述周 期性過載狀態(tài)或者過量運(yùn)動(dòng)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的模擬器，其中，所述機(jī)械裝置施加的所 述運(yùn)動(dòng)和力帶有六個(gè)自由度，并且運(yùn)動(dòng)和力被施加到所述六個(gè)自由度 中的至少一些自由度。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的模擬器，其中，所述機(jī)械裝置包括施加 所述運(yùn)動(dòng)和力的多個(gè)運(yùn)動(dòng)器械，其中所述控制器被設(shè)置為分別地和獨(dú) 立地控制所述運(yùn)動(dòng)器械中的至少一些運(yùn)動(dòng)器械。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的模擬器，其中，所述測(cè)試試樣是脊骨植 入物，并且所述運(yùn)動(dòng)器械包括屈曲/伸展、橫向彎曲和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)器械。
7. —種矯形模擬器，其包括被設(shè)置為將運(yùn)動(dòng)和力施加到一個(gè)測(cè)試試樣的機(jī)械裝置；以及 被設(shè)置為控制所述機(jī)械裝置從而選擇性地施加根據(jù)正弦和非正弦 曲線的運(yùn)動(dòng)和力的控制器。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的模擬器，其中，所述控制器被設(shè)置為可 變地控制所述正弦和非正弦曲線的相位、幅值和頻率成分。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的模擬器，其中，所述正弦和非正弦曲線代表反復(fù)的活動(dòng)。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的模擬器，其中，所述測(cè)試試樣是脊骨植 入物，并且所述運(yùn)動(dòng)和力包括屈曲/伸展、橫向彎曲和旋轉(zhuǎn)。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的模擬器，其中，所述機(jī)械裝置施加的 所述運(yùn)動(dòng)和力帶有六個(gè)自由度，并且運(yùn)動(dòng)和力被施加到所述六個(gè)自由 度中的至少一些自由度。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的模擬器，其中，所述機(jī)械裝置包括施 加所述運(yùn)動(dòng)和力的多個(gè)運(yùn)動(dòng)器械，其中所述控制器被設(shè)置為分別地和 獨(dú)立地控制所述運(yùn)動(dòng)器械中的至少一些運(yùn)動(dòng)器械。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的模擬器，其中，所述控制器被設(shè)置為 控制所述運(yùn)動(dòng)器械從而施加帶作業(yè)周期載荷的運(yùn)動(dòng)和力。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的模擬器，其中，所述正弦和非正弦曲 線代表根據(jù)實(shí)際的人類活動(dòng)的模型施加到一個(gè)測(cè)試試樣的力和運(yùn)動(dòng)。
15. —種在矯形模擬器磨損測(cè)試機(jī)器上測(cè)試矯形器械的方法，其包 括步驟控制機(jī)械裝置從而將運(yùn)動(dòng)和力施加到一個(gè)測(cè)試試樣； 其中，控制所述運(yùn)動(dòng)和力從而選擇性地施加根據(jù)正弦和非正弦曲 線的運(yùn)動(dòng)和力。
16. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中，控制所述運(yùn)動(dòng)和力從而 控制所述非正弦曲線的相位、幅值和頻率成分。
17. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中，所述測(cè)試試樣是脊骨植 入物，并且所述運(yùn)動(dòng)和力包括屈曲/伸展、橫向彎曲和旋轉(zhuǎn)。
18. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中，所述機(jī)械裝置包括施加 所述運(yùn)動(dòng)和力的多個(gè)運(yùn)動(dòng)器械，并且進(jìn)一步包括分別地和獨(dú)立地控制 每個(gè)所述運(yùn)動(dòng)器械以便施加根據(jù)所述正弦和非正弦曲線的運(yùn)動(dòng)和力。
19. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，進(jìn)一步包括施加帶作業(yè)周期載 荷的運(yùn)動(dòng)和力。
20. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中，所述正弦和非正弦曲線 代表現(xiàn)實(shí)的人類活動(dòng)的模型。
全文摘要
提供裝備有機(jī)械裝置和控制器的矯形模擬器，其中所述機(jī)械裝置被配置為將運(yùn)動(dòng)和力施加到測(cè)試試樣(例如脊骨植入物)，所述控制器被配置為控制所述機(jī)械裝置從而選擇性地施加根據(jù)正弦和非正弦曲線的運(yùn)動(dòng)和力。
文檔編號(hào)G01L3/00GK101379379SQ200780004026
公開日2009年3月4日 申請(qǐng)日期2007年1月10日 優(yōu)先權(quán)日2006年1月13日
發(fā)明者B·D·舒爾茨, L·E·約翰遜 申請(qǐng)人:Mts系統(tǒng)公司