專利名稱：并聯(lián)式仿生髖關(guān)節(jié)摩擦磨損試驗機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種摩擦磨損試驗機，尤其是一種并聯(lián)式仿生髖關(guān)節(jié)摩擦磨損試驗機，屬于儀器科學或仿生機器人領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
人工關(guān)節(jié)是一類重要的人體替換器官，它是模擬人體關(guān)節(jié)而制成的植入性假體， 以代替病變或損傷的關(guān)節(jié)并恢復其功能。人工關(guān)節(jié)包括髖、膝、肩、肘、腕、踝等關(guān)節(jié)，其中以髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)為主。人工關(guān)節(jié)的磨損，尤其是人工髖關(guān)節(jié)的磨損，是一個重要的臨床問題。人工關(guān)節(jié)的磨損不僅能造成關(guān)節(jié)假體本身的破壞而引起機械性失效，還會產(chǎn)生大量磨損顆粒誘導假體周圍骨溶解。在評價人工關(guān)節(jié)的副生物材料的摩擦磨損特性，以及驗證理論計算結(jié)果與實際的吻合程度時往往需進行摩擦學試驗。而摩擦學試驗的結(jié)果在很大程度上受到試驗設(shè)備的影響。因此，所選用試驗機的主要性能應(yīng)盡力模擬實際工況條件的特點，如偶件接觸方式、運動狀態(tài)、載荷、速度、溫度及環(huán)境介質(zhì)等。近年來，研究者相繼開發(fā)了關(guān)節(jié)模擬試驗裝置，采用銷一盤磨損實驗、環(huán)一盤磨損實驗、四球磨損實驗以及塊環(huán)磨損實驗等，但試驗設(shè)備由于結(jié)構(gòu)限制無法進行全尺寸關(guān)節(jié)副摩擦磨損試驗，而且在試件偶副接觸方式提供的運動形式以及載荷性質(zhì)上，都與關(guān)節(jié)的實際工況相距甚遠，這將導致實際人體髖關(guān)節(jié)與試驗機的運動機理不相同。因此，應(yīng)重新規(guī)劃人工髖關(guān)節(jié)試驗機的模擬運動軌跡，使之盡可能的模擬實際人體髖關(guān)節(jié)的運動特性，根據(jù)實際人體的接觸力學特性， 使人工髖關(guān)節(jié)試驗機具有變載荷加載功能，并正確調(diào)整加載方向，使之盡可能的模擬實際人體髖關(guān)節(jié)的動力特性，要求新的模擬試驗機在實驗室環(huán)境中能夠更真實地模擬人體髖關(guān)節(jié)的運動情況及運動環(huán)境，為不同髖關(guān)節(jié)假體材料的臨床應(yīng)用提供較為準確可靠的試驗數(shù)據(jù)。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明的目的是要克服已有技術(shù)中的不足之處，提供一種結(jié)構(gòu)緊湊、安裝方便、測試效果好的并聯(lián)式仿生髖關(guān)節(jié)摩擦磨損試驗機。技術(shù)方案本發(fā)明的并聯(lián)式仿生髖關(guān)節(jié)摩擦磨損試驗機，包括定平臺、設(shè)在定平臺中部的支撐柱，支撐柱周圍均布有三個定平臺球鉸鏈，定平臺的兩側(cè)對角上對稱設(shè)有立柱， 立柱上設(shè)有橫梁，橫梁上開有中心線與支撐柱軸心線相重合的通孔，通孔內(nèi)設(shè)有導向套，導向套上方設(shè)有固定在橫梁上的立式液壓缸，立式液壓缸的活塞桿經(jīng)導向套穿過橫梁，導向套內(nèi)設(shè)有與活塞桿相連作垂直運動的導向塊；導向塊的下部設(shè)有壓力傳感器，壓力傳感器的下部設(shè)有上關(guān)節(jié)窩或上關(guān)節(jié)頭；支撐柱的頂部設(shè)有座圈，座圈上設(shè)有球頭基座，球頭基座上傾斜設(shè)有與上關(guān)節(jié)窩相配合的下關(guān)節(jié)頭或設(shè)有與上關(guān)節(jié)頭相配合的斜面下關(guān)節(jié)窩，所述的下關(guān)節(jié)頭經(jīng)與其錐面自鎖連接的安裝螺栓傾斜角度a設(shè)置在球頭基座上；所述球頭基座與座圈的相對擺角為Y ;球頭基座的外緣上設(shè)有關(guān)節(jié)窩基體，關(guān)節(jié)窩基體上設(shè)有動平臺，關(guān)節(jié)窩基體的軸線與動平臺相垂直；動平臺的底面設(shè)有與三個定平臺球鉸鏈位置相對應(yīng)的三個動平臺球鉸鏈，三個定平臺球鉸鏈與三個動平臺球鉸鏈之間傾斜設(shè)有主動支鏈。所述的座圈與支撐柱緊密配合；所述的關(guān)節(jié)窩基體與動平臺固連；所述的安裝螺栓上設(shè)有防松螺母；所述的支撐柱上端安裝座圈的端面上設(shè)有多個拆卸孔；所述的安裝螺栓傾斜角度α為25° 35° ;所述球頭基座與座圈的相對擺角Y為40° 60° ;所述三個動平臺球鉸鏈的中心距小于三個定平臺球鉸鏈的中心距。有益效果本發(fā)明以人體關(guān)節(jié)構(gòu)型為基準，從結(jié)構(gòu)仿生、運動仿生和功能仿生角度出發(fā)，以多個自由度并聯(lián)仿生機構(gòu)代替人體髖關(guān)節(jié)，以多個驅(qū)動支鏈的運動模擬人腿肌肉群的驅(qū)動功能；人體的髖關(guān)節(jié)是典型的球面副結(jié)構(gòu)，其中上關(guān)節(jié)窩與下關(guān)節(jié)頭配合構(gòu)成球面副相當于人體的股骨頭與髖白窩構(gòu)成的髖關(guān)節(jié)。支撐柱的高度調(diào)節(jié)可方便試件的安裝和拆卸，以及試件中心的調(diào)高，同時起到使主動支鏈卸載和提高機構(gòu)整體剛度的作用。由于并聯(lián)仿生髖關(guān)節(jié)試驗機可實現(xiàn)多種運動軌跡以及動力加載的模擬，選擇確定機構(gòu)模擬其在人體中的位置、姿態(tài)，可使其輸出空間的形狀、位置完全覆蓋人體股骨腿桿的實際運動范圍。 采用并聯(lián)式結(jié)構(gòu)具有高精度、高速以及承載能力大等優(yōu)點，既提高了仿生試驗機的驅(qū)動能力和操作能力，又使仿生髖關(guān)節(jié)試驗機的運動更加快速、靈活、平滑連續(xù)，更加接近人體髖關(guān)節(jié)運動的實際情況。具有如下優(yōu)點
(I)試驗機采用并聯(lián)式機構(gòu)，具有的剛度大、結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定；承載能力強、運動慣性??； 位姿逆解求解較易，利于反饋控制；試驗機結(jié)構(gòu)更緊湊，為實現(xiàn)模塊化、系列化、標準化打下基礎(chǔ)。(2)試驗機采用4自由度或者5自由度或者6自由度并聯(lián)機構(gòu)作為主體部件，與 6自由度以上的并聯(lián)機構(gòu)相比具有結(jié)構(gòu)簡單、驅(qū)動元件少、控制比較容易、造價低、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點，具有較高的實用價值，應(yīng)用前景廣闊。(3)試驗機采用并聯(lián)仿生機構(gòu)可實現(xiàn)多種運動軌跡以及動力加載的模擬，運動靈活、快速、平滑連續(xù)，輸出空間的形狀、位置可完全覆蓋人體股骨腿桿的實際運動范圍，較好的反映髖關(guān)節(jié)在跑步、散步以及其它一些運動方式中的相應(yīng)生物運動學與動力學特性。(4)試驗機的運動環(huán)節(jié)少，加工安裝誤差不會出現(xiàn)積累，模擬運動誤差小；整臺試驗機模塊化設(shè)計，將試驗機分為四個模塊，可根據(jù)需要選用相應(yīng)的模塊進行組裝，功能切換方便，模塊在試驗機底板上的結(jié)構(gòu)布置合理，易于加工，安裝方便。


圖I并聯(lián)式仿生髖關(guān)節(jié)摩擦磨損試驗機的結(jié)構(gòu)圖。圖2關(guān)節(jié)頭在上關(guān)節(jié)窩在下的加載方式示意圖。圖3關(guān)節(jié)窩在上關(guān)節(jié)頭在下的加載方式示意圖。圖中1.定平臺，2.定平臺球鉸鏈，3.立柱，4.主動支鏈，5.座圈，6.球頭基座， 7.關(guān)節(jié)窩基體，8.動平臺球鉸鏈，9.動平臺，10.橫梁，11.立式液壓缸，12.導向套，13.導向塊，14.壓力傳感器，15.上關(guān)節(jié)窩，16.下關(guān)節(jié)頭，17.防松螺母，18.安裝螺栓，19支撐柱，20.上關(guān)節(jié)頭，21.下關(guān)節(jié)窩。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對發(fā)明的一個實施例作進一步的描述實施例一、
如圖I所示，本發(fā)明的并聯(lián)式仿生髖關(guān)節(jié)摩擦磨損試驗機，主要由定平臺I、動平臺9、 主動支鏈4和承載部件四部分組成。定平臺I的中部設(shè)有支撐柱19，支撐柱19的尾端與定平臺I固連為一體，支撐柱19的軸線與定平臺I平面垂直，支撐柱19主要起承受壓力的作用。支撐柱19周圍均布有三個定平臺球鉸鏈2，定平臺I的兩側(cè)對角上對稱設(shè)有立柱3，立柱3上設(shè)有橫梁10，橫梁10上開有中心線與支撐柱19軸心線相重合的通孔，通孔內(nèi)設(shè)有導向套12，導向套12上方設(shè)有固定在橫梁10上的立式液壓缸11，立式液壓缸11的活塞桿經(jīng)導向套12穿過橫梁10，導向套12內(nèi)設(shè)有與活塞桿相連作垂直運動的導向塊13 ;導向塊13 的下部設(shè)有壓力傳感器14，壓力傳感器14的下部設(shè)有上關(guān)節(jié)窩15 ;支撐柱19的頂部設(shè)有座圈5，所述的支撐柱19固定在定平臺I上，支撐柱19上端安裝平面與支撐柱19其的軸線垂直，座圈5安裝孔的軸線與支撐柱19的軸線重合。所述的支撐柱19的軸心通過座圈5 和球頭基座6的球心；座圈5安裝在支撐柱19上端的安裝孔內(nèi)，兩者采用緊配合連接，并輔助一定的防松措施，如在兩者結(jié)合面處打防松頂絲等。支撐柱19上端安裝平面上布置有4 個拆卸孔。座圈5與支撐柱19緊密配合，支撐柱19安裝座圈5的端面上設(shè)有多個拆卸孔。 座圈5上設(shè)有球頭基座6，球頭基座6與座圈5相接觸，構(gòu)成轉(zhuǎn)動副，兩者摩擦接觸面都為球面，并且兩者的球面半徑相同；球頭基座6與座圈5的相對擺角為40°飛0°，具體值根據(jù)動平臺9的實際所需翻轉(zhuǎn)角確定。球頭基座6上傾斜設(shè)有與上關(guān)節(jié)窩15相配合的下關(guān)節(jié)頭16，下關(guān)節(jié)頭16通過錐面與安裝螺栓18連接，安裝螺栓18通過螺紋與球頭基座6連接，并采用防松螺母17緊固，如圖2所示。壓力傳感器14連接上關(guān)節(jié)窩15和下關(guān)節(jié)頭16 構(gòu)成球面副進行加載，主動支鏈4按照預定的運動規(guī)律運動，三根主動支鏈驅(qū)動動平臺9圍繞其中心點作翻轉(zhuǎn)與扭轉(zhuǎn)運動，從而動平臺9帶動下關(guān)節(jié)頭16圍繞上關(guān)節(jié)窩15的球心作相對摩擦運動，從而模擬人體髖關(guān)節(jié)運動。所述的下關(guān)節(jié)頭16經(jīng)與其錐面自鎖連接的安裝螺栓18傾斜角度a設(shè)置在球頭基座6上；所述的座圈5和球頭基座6相接觸，并且兩者的球面球心重合；所述的球頭基座6與座圈5相對摩擦表面由耐磨材料制成，如表面鍍硬鉻； 座圈5采用偏軟材料，如錫青銅，作為損耗件?；?與座圈5構(gòu)成球面運動副。球頭基座 6與座圈5的相對擺角Y為40° 60° ;安裝螺栓18傾斜角度a為25° 35°。球頭基座6的外緣上設(shè)有關(guān)節(jié)窩基體7，關(guān)節(jié)窩基體7上設(shè)有動平臺9，關(guān)節(jié)窩基體7與動平臺 9固連。關(guān)節(jié)窩基體7與球頭基座6連接，關(guān)節(jié)窩基體7的軸心線通過球頭基座6球面的球心。關(guān)節(jié)窩基體7與動平臺9形成不動連接，關(guān)節(jié)窩基體7的軸線垂直于動平臺9平面。 關(guān)節(jié)窩基體7的軸線與動平臺9相垂直；動平臺9的底面設(shè)有與三個定平臺球鉸鏈2位置相對應(yīng)的三個動平臺球鉸鏈8，所述三個動平臺球鉸鏈8的中心距小于三個定平臺球鉸鏈2 的中心距，三個定平臺球鉸鏈2與三個動平臺球鉸鏈8之間傾斜設(shè)有主動支鏈4。主動支鏈 4通過定平臺球鉸鏈2與定平臺I連接，定平臺球鉸鏈2采用單伸出桿的球頭關(guān)節(jié)軸承，其最大擺角范圍為-40° +40°。定平臺球鉸鏈2圍繞支撐柱19的軸線均布，相鄰兩鉸鏈之間的夾角為120°，定平臺I上加工出的定平臺球鉸鏈2安裝孔的軸線與豎直方向的夾角為 5° ^lO0。主動支鏈4的尾端與定平臺球鉸鏈2用螺紋連接，并采用一定的防松措施，定平臺球鉸鏈2伸出桿的軸線與相應(yīng)主動支鏈4的軸線重合。主動支鏈4采用電動驅(qū)動或液壓或氣動驅(qū)動，其伸出桿頭部分別與動平臺球鉸鏈8的桿端連接，主動支鏈4的軸線與對應(yīng)動平臺球鉸鏈8桿端的軸線重合。三個動平臺球鉸鏈8與動平臺9連接，三個球鉸鏈在動平臺9上圍繞平臺中心均勻分布，動平臺球鉸鏈8在動平臺9上的安裝位置加工成沉孔或凸臺，沉孔的軸線或凸臺的平面法線與動平臺9的平面法線之間的夾角為0° ^lO0。定平臺 I與動平臺9上的球鉸鏈安裝半徑比值為I. 3^1. 8，根據(jù)動平臺所需的實際翻轉(zhuǎn)角度確定， 比值越大動平臺翻轉(zhuǎn)角度越大。動平臺球鉸鏈8的球頭中心與上關(guān)節(jié)窩15的中心在同一平面內(nèi)，座圈5的球面球心、球頭基座6的球面球心與上關(guān)節(jié)窩15的球心在同一點。定平臺I分別通過多個鉸鏈和對應(yīng)主動支鏈4的下端鏈接；動平臺9分別通過多個鉸鏈和對應(yīng)主動支鏈4的下端鏈接；支撐柱19固定在定平臺I上；座圈5與支撐柱19上端安裝孔緊密配合；關(guān)節(jié)窩基體7與球頭基座6連接；關(guān)節(jié)窩基體7與動平臺9固連；下關(guān)節(jié)頭16與上關(guān)節(jié)窩15配合構(gòu)成球面副。所述的動平臺上多個鉸鏈的安裝平面與關(guān)節(jié)窩的球面中心在同一個平面內(nèi)；所述的球頭基座9的球面中心與關(guān)節(jié)窩的球面中心重合；所述的定平臺I上鉸鏈的安裝半徑和動平臺9內(nèi)鉸鏈安裝半徑的比值范圍為I. 3^1. 8 ;所述的主動支鏈4采用直線致動器。所述動平臺9上動平臺球鉸鏈8的安裝平面與動平臺9平面的夾角為O 30° ;定平臺I上的定平臺球鉸鏈2的安裝平面與定平臺I平面的夾角為O 30°。 實施例2、
與實施例I基本相同，相同之處略，不同之處是壓力傳感器14的下部設(shè)有上關(guān)節(jié)頭20 ； 球頭基座6上傾斜設(shè)有與上關(guān)節(jié)頭20相配合的斜面下關(guān)節(jié)窩21，如圖3所示。將下關(guān)節(jié)窩 21安裝在球頭基座6上，下關(guān)節(jié)窩21的斜面與球頭基座6平面之間夾角β為30°。上關(guān)節(jié)頭20通過錐面與壓力傳感器14連接。下關(guān)節(jié)窩21的球面球心與動平臺球鉸鏈8的球頭球心在同一個平面內(nèi)，并且下關(guān)節(jié)窩21的球面球心與球頭基座6的球面球心重合。
權(quán)利要求
1.一種并聯(lián)式仿生髖關(guān)節(jié)摩擦磨損試驗機，其特征在于它包括定平臺(I)、設(shè)在定平臺(I)中部的支撐柱(19 )，支撐柱(19 )周圍均布有三個定平臺球鉸鏈(2 )，定平臺(I)的兩側(cè)對角上對稱設(shè)有立柱(3)，立柱(3)上設(shè)有橫梁(10)，橫梁(10)上開有中心線與支撐柱(19)軸心線相重合的通孔，通孔內(nèi)設(shè)有導向套(12)，導向套(12)上方設(shè)有固定在橫梁(10) 上的立式液壓缸(11)，立式液壓缸(11)的活塞桿經(jīng)導向套(12)穿過橫梁(10)，導向套(12) 內(nèi)設(shè)有與活塞桿相連作垂直運動的導向塊(13);導向塊(13)的下部設(shè)有壓力傳感器(14)， 壓力傳感器(14)的下部設(shè)有上關(guān)節(jié)窩(15)或上關(guān)節(jié)頭(20);支撐柱(19)的頂部設(shè)有座圈 (5 )，座圈(5 )上設(shè)有球頭基座(6 )，球頭基座(6 )上傾斜設(shè)有與上關(guān)節(jié)窩(15)相配合的下關(guān)節(jié)頭(16)或設(shè)有與上關(guān)節(jié)頭(20)相配合的斜面下關(guān)節(jié)窩(21 )，所述的下關(guān)節(jié)頭(16)經(jīng)與其錐面自鎖連接的安裝螺栓(18)傾斜角度α設(shè)置在球頭基座(6)上；所述球頭基座(6)與座圈(5)的相對擺角為Y ;球頭基座(6)的外緣上設(shè)有關(guān)節(jié)窩基體(7)，關(guān)節(jié)窩基體(7)上設(shè)有動平臺(9)，關(guān)節(jié)窩基體(7)的軸線與動平臺(9)相垂直；動平臺(9)的底面設(shè)有與三個定平臺球鉸鏈(2 )位置相對應(yīng)的三個動平臺球鉸鏈(8 )，三個定平臺球鉸鏈(2 )與三個動平臺球鉸鏈(8 )之間傾斜設(shè)有主動支鏈(4 )。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的并聯(lián)式仿生髖關(guān)節(jié)摩擦磨損試驗機，其特征在于所述的座圈(5)與支撐柱(19)緊密配合。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的并聯(lián)式仿生髖關(guān)節(jié)摩擦磨損試驗機，其特征在于所述的關(guān)節(jié)窩基體(7)與動平臺(9)固連。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的并聯(lián)式仿生髖關(guān)節(jié)摩擦磨損試驗機，其特征在于所述的安裝螺栓(18)上設(shè)有防松螺母(17)。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的并聯(lián)式仿生髖關(guān)節(jié)摩擦磨損試驗機，其特征在于所述的支撐柱(19)安裝座圈(5)的端面上設(shè)有多個拆卸孔。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的并聯(lián)式仿生髖關(guān)節(jié)摩擦磨損試驗機，其特征在于所述的安裝螺栓(18)傾斜角度α為25° 35°。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的并聯(lián)式仿生髖關(guān)節(jié)摩擦磨損試驗機，其特征在于所述球頭基座(6)與座圈(5)的相對擺角Y為40° 60°。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的并聯(lián)式仿生髖關(guān)節(jié)摩擦磨損試驗機，其特征在于所述三個動平臺球鉸鏈(8)的中心距小于三個定平臺球鉸鏈(2)的中心距。
全文摘要
一種并聯(lián)式仿生髖關(guān)節(jié)摩擦磨損試驗機，采用并聯(lián)式結(jié)構(gòu)，具有四個或四個以上的運動自由度，含有三個轉(zhuǎn)動自由度和一個平動自由度；定平臺上均布有多個定平臺球鉸鏈與對應(yīng)主動支鏈的下端鏈接；動平臺上均布有多個動平臺球鉸鏈與對應(yīng)主動支鏈的上端鏈接；支撐柱固定在定平臺上；定平臺內(nèi)的鉸鏈安裝半徑與動平臺內(nèi)鉸鏈安裝半徑的比值范圍為1.3到1.8；主動支鏈采用直線致動器；座圈、球頭基座的球面中心與上關(guān)節(jié)窩的球面中心三心重合；支撐柱的軸心通過球頭基座的球面球心；加載裝置提供試驗加載力，垂直加載；壓力傳感器測量試驗加載力的大小。本發(fā)明具有精度高、承載能力大、剛度高、結(jié)構(gòu)簡單和控制方式靈活等優(yōu)點。
文檔編號G01N3/56GK102589998SQ201210022190
公開日2012年7月18日 申請日期2012年2月1日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月1日
發(fā)明者于敬利, 劉金龍, 程剛, 葛世榮, 顧偉 申請人:中國礦業(yè)大學