專利名稱：一種多軸型人工關(guān)節(jié)試驗機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種人工關(guān)節(jié)試驗機，尤其是一種適用于模擬人體髖關(guān)節(jié)實際運 動、對人工關(guān)節(jié)材料進行摩擦磨損試驗多軸型人工關(guān)節(jié)試驗機。
背景技術(shù)：
隨著人類社會步入高齡化階段，各種與高齡有關(guān)的關(guān)節(jié)疾病，如大腿骨骨折、關(guān)節(jié) 炎等病癥，將會大量發(fā)生，因此對人工關(guān)節(jié)的需求也會日益增加。目前，全球已有約3000萬 人植入了人工關(guān)節(jié)，每年的置換量約為200萬例。人工關(guān)節(jié)在體內(nèi)受力是相當(dāng)惡劣的，如人 工髖關(guān)節(jié)，每年要經(jīng)受約3. 6X IO6次可能數(shù)倍于人體體重的載荷沖擊和磨損。同時由于正 常人的骨骼在造骨細胞和噬骨細胞的復(fù)雜平衡中不斷調(diào)整其外型，來自假體摩擦表面的碎 屑在關(guān)節(jié)附近積聚，會造成身體中的噬骨細胞增加，打破噬骨細胞和成骨細胞之間的平衡， 使假體松動，因此，磨損和磨損顆粒播散仍是影響人工髖關(guān)節(jié)耐久性的主要問題。為研究這 一問題，工程人員采用人工關(guān)節(jié)試驗機對人工關(guān)節(jié)材料進行摩擦磨損試驗，通過實驗數(shù)據(jù) 分析人工關(guān)節(jié)材料的摩擦磨損性能，以提高人工關(guān)節(jié)的使用質(zhì)量，延長其臨床壽命和減輕 患者痛苦具有重要的現(xiàn)實意義。目前模擬試驗機按照所模擬運動方式的不同，大致可分為三類(1) 擺軸型(Biaxial-Hip-Simulator) ； (2)銷盤型(Pin-on-Disk) ； (3)多軸型 (Multi-Hip-Simulator)，。其中擺軸型主要是依靠基座與斜面底座之間的相對運動來模擬 髖關(guān)節(jié)在三個不同平面的擺動動作，為早期的試驗機；銷盤型摩擦磨損試驗機是以滑動接 觸方式進行摩擦磨損試驗，通過圓盤與加工成銷狀的試驗樣品之間所形成的相對運動來研 究材料的摩擦性能和滑液的潤滑性能，是目前人工關(guān)節(jié)摩擦學(xué)常用試驗機，這兩類試驗機 雖然能夠模擬人體髖關(guān)節(jié)的運動，但其模擬方式與人體髖關(guān)節(jié)的實際運動方式差別較大。 多軸型主要是通過將不同軸系所形成的單個運動進行合成來模擬人工髖關(guān)節(jié)的運動形態(tài)， 其模擬方式與人體髖關(guān)節(jié)的實際運動方式較為接近，如英國Leeds大學(xué)和Durham大學(xué)制造 的多軸型人工髖關(guān)節(jié)模擬實驗機等，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價高。同時，經(jīng)多方調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，國 內(nèi)尚未見到此類人工髖關(guān)節(jié)模擬試驗機研制方面的相關(guān)報道。發(fā)明內(nèi)容技術(shù)問題本實用新型的目的是要克服現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，提供一種結(jié)構(gòu)簡單、 造價低、能夠?qū)崿F(xiàn)交叉狀多向復(fù)合運動的多軸型人工關(guān)節(jié)模擬實驗機。技術(shù)方案為實現(xiàn)上述目的，本實用新型的多軸型人工關(guān)節(jié)試驗機，包括由頂板、 支柱和底板連接構(gòu)成的框形支架，框形支架的中部設(shè)有固定在底板上的中心支架，中心支 架上設(shè)有弧面座圈，弧面座圈上設(shè)有與其弧面相吻合的球面基座，球面基座上設(shè)有底部嵌 裝在其內(nèi)的溶液盆，溶液盆內(nèi)套裝有設(shè)置關(guān)節(jié)頭的球頭座，溶液盆的盆沿上固定有動平臺， 動平臺的底部設(shè)有多個上球鉸鏈，底板上設(shè)有與上球鉸鏈相對應(yīng)的多個下球鉸鏈，上球鉸 鏈與下球鉸鏈之間傾斜連接有電動缸；球頭座上方設(shè)有與關(guān)節(jié)頭相吻合的關(guān)節(jié)白，關(guān)節(jié)臼上方設(shè)有導(dǎo)向塊，關(guān)節(jié)臼與導(dǎo)向塊之間連接有拉力傳感器，導(dǎo)向塊設(shè)在一導(dǎo)向套內(nèi)，導(dǎo)向套 經(jīng)圓柱定位銷固定在頂板上，導(dǎo)向套上設(shè)有固定在頂板上方的液壓缸，液壓缸的活塞桿與 導(dǎo)向塊相連接；溶液盆內(nèi)設(shè)有加熱裝置，頂板上設(shè)在與溫度傳感器相連接的溫控器。所述的多個上球鉸鏈和與其相對應(yīng)的多個下球鉸鏈的個數(shù)為2 4個；所述的固 定在底板上的下球鉸鏈沿軸心線向內(nèi)傾斜約5°。有益效果本實用新型利用液壓系統(tǒng)提供模擬人步行時髖關(guān)節(jié)所受的載荷，并通 過壓力傳感器對施加載荷加以檢測和反饋，進一步修正所施加的載荷。球頭座為快換零件， 不同的關(guān)節(jié)頭，只需更換不同的球頭座即可與試驗機相連接。推力軸承的球面基座與關(guān)節(jié) 頭同心，可使關(guān)節(jié)頭在做復(fù)合運動的過程中，其非垂直方向上的載荷為零。非工作狀態(tài)下， 關(guān)節(jié)頭的球心與電動缸的上球鉸的球心在同一水平面內(nèi)，可保證模擬運動的準(zhǔn)確性。電動 缸與底板連接所用的下球鉸，傾斜5°安裝，可有效增大動平臺的擺角，同時可防止死角。用 于盛潤滑液的溶液盆其底端封閉，可防止生物潤滑液的泄漏。溫控部分溫控器、加熱裝置及 溫度傳感器，可使溶液盆內(nèi)的生物潤滑劑的試驗溫度保持在37士 1°C。其結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，操 作方便，模擬效果好，造價低，能在試驗室環(huán)境中正確模擬人體髖關(guān)節(jié)的實際運動工況。
圖1是本實用新型多軸型人工關(guān)節(jié)試驗機的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本實用新型的動平臺俯視結(jié)構(gòu)示意圖。圖中1-底板，2-支柱，3-電動缸，4-座圈，5-連接頭，6-上球鉸鏈，7-動平臺， 8-上支持板，9-圓柱定位銷，10-液壓缸，11-導(dǎo)向套，12-導(dǎo)向螺釘，13-溫控器，14-導(dǎo)向 塊，15-柱式拉力傳感器，16-緊定螺釘，17-關(guān)節(jié)白，18-溶液盆，19-關(guān)節(jié)頭，20-球頭座， 21-緊定螺釘，22-球面基座，23-支架，24-下球鉸鏈。
具體實施方式

以下結(jié)合附圖對本實用新型的一個實施例作進一步的描述圖1所示，本實用新型的多軸型人工關(guān)節(jié)試驗機主要由框形支架、電動缸3、中心 支架23、溶液盆18、動平臺7、上球鉸鏈6、下球鉸鏈M構(gòu)成，框形支架包括頂板8、與頂板 8相對應(yīng)的底板1，頂?shù)装逯g設(shè)有將其螺栓固定為一體的支柱9?？蛐沃Ъ艿牡装?中部 經(jīng)螺釘固定有的中心支架23，中心支架23的外側(cè)縱向上均勻布置了三條加強筋，中心支架 23上嵌裝有弧面座圈4，弧面座圈4上設(shè)有與其弧面相吻合的球面基座22，弧面座圈4中 部開有有助于球面基座22拆卸的通孔；球面基座22上設(shè)有底部嵌裝在其內(nèi)的溶液盆18， 溶液盆18內(nèi)套裝有設(shè)置關(guān)節(jié)頭19的球頭座20，溶液盆18的盆沿上固定有動平臺7，底板 1上設(shè)有與上球鉸鏈6個數(shù)相同的多個下球鉸鏈M，多個下球鉸鏈M沿軸心線向內(nèi)傾斜約 5°。多個上球鉸鏈6和與其相對應(yīng)的多個下球鉸鏈M的個數(shù)為2 4個，上下球鉸鏈的 型號為SRJ024C。動平臺7為三角形，如圖2所示，其三角形底面的三個角上分別設(shè)有一個 上球鉸鏈6，三個上球鉸鏈6與三個下球鉸鏈M之間傾斜連接有型號為GSM30-1002的電 動缸3，三個電動缸10呈正三角形均勻布置，均以球形鉸與底板1和動平臺7連接，通過獨 立編程控制，電動缸3可模擬人的運動頻率，并輸出相應(yīng)位移，從而帶動動平臺7完成交叉 狀復(fù)合運動模式，電動缸3與底板1連接的球形鉸6，與水平方向呈5°夾角，可有效增大動平臺的擺角，同時可防止運動中的死角。電動缸3活塞桿與上球鉸鏈6之間設(shè)有連接頭5 ； 球頭座20上方設(shè)有與關(guān)節(jié)頭19相吻合的關(guān)節(jié)白17，關(guān)節(jié)白17上方設(shè)有導(dǎo)向塊14，關(guān)節(jié)臼 17與導(dǎo)向塊14之間連接有型號為MCL-Z5的拉力傳感器15，拉力傳感器15的兩頭分別通 過緊定螺釘16與關(guān)節(jié)臼17、導(dǎo)向塊14固定在一起，導(dǎo)向塊14設(shè)在導(dǎo)向套11內(nèi)，導(dǎo)向套11 經(jīng)圓柱定位銷9固定在頂板8上，導(dǎo)向套11上設(shè)有固定在頂板8上方的液壓缸10，液壓缸 10的活塞桿頭部嵌裝在導(dǎo)向塊14內(nèi)，經(jīng)沉頭螺釘緊固連接在一起，導(dǎo)向塊14與導(dǎo)向套11 相配合的外圓面上設(shè)有開有導(dǎo)槽，導(dǎo)向套11上設(shè)有伸入導(dǎo)槽內(nèi)的導(dǎo)向螺釘12，與導(dǎo)向塊14 外圓面上的導(dǎo)槽一起完成液壓缸伸出端的導(dǎo)向功能。溶液盆33內(nèi)設(shè)有可使溶液盆33內(nèi)的 生物潤滑劑的試驗溫度保持在37 士 1°C的加熱裝置，頂板8上設(shè)在與溫度傳感器相連接的 溫控器13。關(guān)節(jié)頭19以螺紋連接在球頭座20上，緊固螺釘21起到防轉(zhuǎn)作用，球頭座20與 溶液盆18過渡配合，溶液盆18與球面基座22過渡配合，再經(jīng)螺釘固定，溶液盆18為底面 封閉式結(jié)構(gòu)，可有效防止?jié)櫥旱男孤?，球面基?2與座圈4滑動配合，同時，關(guān)節(jié)頭19的 球心與球面基座22的外球面球心在同一位置上，可保證在工作過程中，液壓缸施加的載荷 正好通過關(guān)節(jié)頭19的球心，且在非豎直方向上載荷為零。
權(quán)利要求1.一種多軸型人工關(guān)節(jié)試驗機，其特征在于它包括由頂板(8)、支柱(9)和底板(1) 連接構(gòu)成的框形支架，框形支架的中部設(shè)有固定在底板(1)上的中心支架(23)，中心支架 (23)上設(shè)有弧面座圈G)，弧面座圈(4)上設(shè)有與其弧面相吻合的球面基座(22)，球面基 座0 上設(shè)有底部嵌裝在其內(nèi)的溶液盆(18)，溶液盆(18)內(nèi)套裝有設(shè)置關(guān)節(jié)頭(19)的 球頭座(20)，溶液盆(18)的盆沿上固定有動平臺(7)，動平臺(7)的底部設(shè)有多個上球鉸 鏈(6)，底板(1)上設(shè)有與上球鉸鏈(6)相對應(yīng)的多個下球鉸鏈(M)，上球鉸鏈(6)與下球 鉸鏈04)之間傾斜連接有電動缸(3)；球頭座OO)上方設(shè)有與關(guān)節(jié)頭(19)相吻合的關(guān)節(jié) 臼(17)，關(guān)節(jié)臼(17)上方設(shè)有導(dǎo)向塊(14)，關(guān)節(jié)臼(17)與導(dǎo)向塊(14)之間連接有拉力傳 感器(15)，導(dǎo)向塊(14)設(shè)在一導(dǎo)向套(11)內(nèi)，導(dǎo)向套(11)經(jīng)圓柱定位銷(9)固定在頂板 ⑶上，導(dǎo)向套(11)上設(shè)有固定在頂板⑶上方的液壓缸(10)，液壓缸(10)的活塞桿與導(dǎo) 向塊(14)相連接；溶液盆(3 內(nèi)設(shè)有加熱裝置，頂板(8)上設(shè)在與溫度傳感器相連接的溫 控器(13)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多軸型人工關(guān)節(jié)試驗機，其特征在于所述的多個上球鉸鏈 (6)和與其相對應(yīng)的多個下球鉸鏈04)的個數(shù)為2 4個。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多軸型人工關(guān)節(jié)試驗機，其特征在于所述的固定在底板(1) 上的下球鉸鏈04)沿軸心線向內(nèi)傾斜約5°。
專利摘要一種多軸型人工關(guān)節(jié)試驗機，包括框形支架，框形支架的中部設(shè)有中心支架，中心支架上設(shè)有弧面座圈，弧面座圈上設(shè)有球面基座，球面基座上設(shè)有溶液盆，溶液盆內(nèi)套裝有球頭座，溶液盆的盆沿上固定有動平臺，動平臺的底部設(shè)有多個上球鉸鏈，底板上設(shè)有與上球鉸鏈相對應(yīng)的多個下球鉸鏈，上球鉸鏈與下球鉸鏈之間傾斜連接有電動缸；球頭座上方設(shè)有與關(guān)節(jié)頭相吻合的關(guān)節(jié)臼，關(guān)節(jié)臼上方設(shè)有導(dǎo)向塊，關(guān)節(jié)臼與導(dǎo)向塊之間連接有拉力傳感器，導(dǎo)向塊設(shè)在一導(dǎo)向套內(nèi)，導(dǎo)向套上設(shè)有液壓缸，液壓缸的活塞桿與導(dǎo)向塊相連接；溶液盆內(nèi)設(shè)有加熱裝置，頂板上設(shè)有溫控器。其結(jié)構(gòu)簡單、模擬效果好，緊湊，操作方便，造價低。
文檔編號G01N3/02GK201837569SQ201020554428
公開日2011年5月18日 申請日期2010年9月27日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月27日
發(fā)明者劉金龍, 程剛, 葛世榮, 陳烜 申請人:中國礦業(yè)大學(xué)