專利名稱：一種基于鋼絲繩傳動的髖關(guān)節(jié)試驗機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種人工關(guān)節(jié)試驗機，尤其是一種能夠在試驗室環(huán)境中正確模擬人體 髖關(guān)節(jié)的實際運動工況，并能可靠地測試人工關(guān)節(jié)材料的生物摩擦學特性參數(shù)的基于鋼絲 繩傳動的人工關(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。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，這對于提高人工關(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。目前髖關(guān)節(jié)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)。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。赫爾辛基技術(shù)大學研制的擺軸型HUT-BRM hip-joint simulator試驗機，由于條件的限制，設(shè)計者省略了在橫截面上的運動。中國礦業(yè)大學摩擦 學與可靠性工程研究所設(shè)計并制造的第一代人工髖關(guān)節(jié)模擬試驗機按結(jié)構(gòu)和運動原理也 屬于擺軸型試驗機。銷盤型摩擦磨損試驗機是人工關(guān)節(jié)摩擦學常規(guī)試驗設(shè)備，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，通常采用三種接觸方式，但這類試驗機的接觸方式與 人體髖關(guān)節(jié)的運動方式差別較大。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)。英國Leeds大學和Durham大學的MK系制造了多軸型人 工髖關(guān)節(jié)模擬實驗機，設(shè)計中同樣省略了冠狀面上的擺動。

發(fā)明內(nèi)容
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、性能穩(wěn)定、價 格低廉的能夠?qū)崿F(xiàn)交叉狀多向復合運動的基于鋼絲繩傳動的髖關(guān)節(jié)試驗機，該試驗機在原 理上屬于多軸型人工關(guān)節(jié)模擬實驗機。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的基于鋼絲繩傳動的髖關(guān)節(jié)試驗機，包括由頂板、底板和 連接在頂、底板之間的支柱構(gòu)成的框架，框架內(nèi)設(shè)有支撐架，支撐架內(nèi)設(shè)有上下兩端別固定 在支撐架與底板上的傳動軸，傳動軸上依次設(shè)有下凸輪、渦輪渦桿、中凸輪、上凸輪，傳動軸
3的兩端設(shè)有分別固定在底板和支撐架上的軸承座，支撐架的上方設(shè)有弧面軸承座，弧面軸 承座上設(shè)有與其弧面相吻合的球面基座，球面基座上設(shè)有溶液盆，溶液盆內(nèi)設(shè)有嵌裝在球 面基座內(nèi)的關(guān)節(jié)球頭球座，溶液盆上設(shè)有與其盆緣相固定的動平臺，動平臺的邊緣上設(shè)有 分別與上、中、下凸輪相連接的鋼絲繩牽引裝置；頂板上設(shè)有與液壓系統(tǒng)相連的液壓缸，液 壓缸的活塞桿穿過頂板，其上設(shè)有導向滑塊和扣在關(guān)節(jié)球頭上的關(guān)節(jié)窩，導向滑塊與關(guān)節(jié) 窩之間設(shè)有柱式壓力傳感器；頂板與動平臺之間設(shè)有彈簧裝置；頂板上設(shè)有控制溶液盆內(nèi) 溫度的溫度控制器；底板上設(shè)有頂在轉(zhuǎn)動軸上的球頭頂銷。所述的弧面軸承座由開有凹形槽的座套、與座套的凹形槽過渡配合的推力軸承座 圈構(gòu)成；所述的絲繩牽引裝置包括固定在動平臺底部的鋼絲繩緊固器、水平設(shè)在支撐架內(nèi) 側(cè)的凸輪擋桿，凸輪擋桿上設(shè)有壓縮彈簧，凸輪擋桿的尾部與鋼絲繩緊固器之間連接有鋼 絲繩，支撐架的外側(cè)設(shè)有鋼絲繩定滑輪；所述的彈簧裝置包括固定在動平臺上的彈簧座、 設(shè)在彈簧座上的彈簧，彈簧上部設(shè)有固定在頂板底部的彈簧導套，彈簧頂部設(shè)有固定在頂 板上的微調(diào)螺栓；所述的動平臺為正三角形板式結(jié)構(gòu)；所述的溶液盆為底端封閉的階梯結(jié) 構(gòu)。有益效果本發(fā)明利用液壓系統(tǒng)提供模擬人步行時髖關(guān)節(jié)所受的載荷，利用凸輪、 定滑輪、彈簧及鋼絲繩等傳統(tǒng)機械零件來替代價格昂貴的進口電動缸，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)球 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)球頭同心，可 使關(guān)節(jié)球頭在做復合運動的過程中，其非垂直方向上的載荷為零。非工作狀態(tài)下，可通過調(diào) 節(jié)微調(diào)螺栓和鋼絲繩緊固器來對動平臺進行調(diào)平；利用凸輪的外輪廓軌跡來模擬人的運動 曲線，當須增大動平臺的擺角時，只須增大凸輪的偏心距，如需模擬不同工況條件下的關(guān)節(jié) 運動，只須更換不同外輪廓的凸輪即可；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。利用凸輪、定滑輪、彈簧及鋼絲繩等傳統(tǒng)機械零件來替代價格昂貴的 進口電動缸，可有效降低試驗成本及維護成本，增加試驗機的適用性。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明的動平臺結(jié)構(gòu)俯視示意圖。圖中1-凸輪擋桿，2-下凸輪，3-軸承座，4-球頭頂銷，5-渦輪渦桿，6-底板，7_支 柱，8-步進電機，9-中凸輪，10-壓縮彈簧，11-定滑輪，12-上凸輪，13-軸承頂圈，14-座套， 15-推力軸承座圈，16-鋼絲繩，17-螺釘，18-鋼絲繩緊固器，19-動平臺，20-螺栓，21-緊定 螺釘，22-頂板，23、24-螺栓，25-圓柱銷，26-液壓缸，27-導向套，28-導向螺釘，29-微調(diào)螺 栓，30-導向塊，31-溫控器，32-彈簧導套，33-拉伸彈簧，34-柱式壓力傳感器，35-緊定螺 釘，36-彈簧座，37-鋼絲固定軸，38-關(guān)節(jié)窩，39-溶液盆，40-關(guān)節(jié)球頭，41-關(guān)節(jié)球頭球座， 42-緊定螺釘，43-球面基座，44-緊固螺母，45-支撐架，46-傳動軸。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖中的實施例對本發(fā)明作進一步的描述
圖1所示，基于鋼絲繩傳動的髖關(guān)節(jié)試驗機主要由框架、設(shè)在框架內(nèi)的動平臺19， 動平臺19下方的傳動軸46、凸輪、渦輪渦桿傳動機構(gòu)、支撐架45、溶液盆39、球頭座41，動 平臺19上方的柱式壓力傳感器34、導向塊30、液壓缸26、彈簧裝置構(gòu)成，框架由頂板22、底 板6和連接在頂、底板之間的支柱7構(gòu)成。渦輪渦桿傳動機構(gòu)主要由步進電機8、與步進電 機8相連的渦輪渦桿5構(gòu)成。支撐架45固定在框架的底板6上，支撐架45內(nèi)設(shè)有立式傳 動軸46，傳動軸46的上、下兩端分別經(jīng)軸承座3固定在支撐架45和底板6上，傳動軸46上 依次設(shè)有下凸輪2、渦輪渦桿5、中凸輪9、上凸輪12 ；下凸輪2的下端和上凸輪12的上端分 別設(shè)有擋圈，渦輪渦桿傳動機構(gòu)的渦輪下端和中凸輪9的上端分別設(shè)有緊固螺母44 ；支撐 架45的上方設(shè)有弧面軸承座，弧面軸承座由開有凹形槽的座套14、與座套14的凹形槽過 渡配合的推力軸承座圈15構(gòu)成?；∶孑S承座15上設(shè)有與其弧面相吻合的球面基座43，球 面基座43上設(shè)有溶液盆39，溶液盆39為底端封閉的階梯結(jié)構(gòu)，溶液盆39內(nèi)裝有嵌裝在球 面基座43內(nèi)的關(guān)節(jié)球頭球座41，并裝有將關(guān)節(jié)球頭球座41固定的緊定螺釘42，關(guān)節(jié)球頭 球座41經(jīng)螺釘與球面基座43固定在一起，關(guān)節(jié)球頭球座41上設(shè)置關(guān)節(jié)球頭40，溶液盆39 上設(shè)有與其端面相固定的動平臺19，動平臺19為正三角形板式結(jié)構(gòu)。動平臺19的三個角 邊緣上設(shè)有分別與上、中、下凸輪12、9、2相連接的鋼絲繩牽引裝置，動平臺19的三個頂角 分別開有T型槽，鋼絲固定軸37固定在T型槽中，可實現(xiàn)鋼絲繩16的快速拆卸。且三個拉 伸彈簧33的連接孔在動平臺19上均勻布置。絲繩牽引裝置包括固定在動平臺19底部的 鋼絲繩緊固器18、水平設(shè)在支撐架45內(nèi)側(cè)的凸輪擋桿1，凸輪擋桿1上設(shè)有壓縮彈簧10，凸 輪擋桿1的尾部與鋼絲繩緊固器18之間連接有鋼絲繩16，支撐架45的外側(cè)設(shè)有鋼絲繩定 滑輪11。頂板22上設(shè)有與液壓系統(tǒng)相連的液壓缸26，液壓缸26的活塞桿穿過頂板22，其 上設(shè)有導向滑塊30和扣在關(guān)節(jié)球頭40上的關(guān)節(jié)窩38，導向滑塊30與關(guān)節(jié)窩38之間設(shè)有 型號為MCL-Z5的柱式壓力傳感器34，柱式壓力傳感器34的兩端分別通過緊定螺釘35與關(guān) 節(jié)窩38和導向塊30相固定，導向塊30與液壓缸26外部設(shè)有導向套27，導向套27上設(shè)有 導向螺釘28，導向滑塊30外壁上開有導向槽；液壓缸26通過螺栓27固定在頂板22上，液 壓缸26的伸出端與導向塊30以螺紋連接，緊定螺釘21起到防轉(zhuǎn)作用，導向套27通過階梯 孔及圓柱銷25固定在頂板22上，導向螺釘28固定在導向套27的側(cè)壁上，與導向塊30側(cè) 壁上的導槽一起完成液壓缸26伸出端的導向功能。頂板22與動平臺19之間設(shè)有彈簧裝 置，彈簧裝置包括固定在動平臺19上的彈簧座36、設(shè)在彈簧座36上的拉伸彈簧33，拉伸彈 簧33上部設(shè)有固定在頂板底部的彈簧導套32，拉伸彈簧33頂部設(shè)有固定在頂板上的微調(diào) 螺栓29，拉伸彈簧33下端通過彈簧底座36固定在動平臺19上，上端通過彈簧導套32頂在 微調(diào)螺栓29上，微調(diào)螺栓29以螺紋連接在頂板25上，可通過緊固螺母及彈簧墊圈對拉伸 彈簧33進行微調(diào)，進而實現(xiàn)動平臺19的調(diào)平。鋼絲繩16通過定滑輪11及壓縮彈簧10與 凸輪擋桿1連接，步進電機8通過渦輪蝸桿傳動機構(gòu)帶動上、中、下凸輪以特定的軌跡轉(zhuǎn)動。 頂板22上設(shè)有控制溶液盆39內(nèi)溫度的溫控器31 ；底板6上設(shè)有頂在轉(zhuǎn)動軸46上的球頭 頂銷4。鋼絲繩16的一端通過鋼絲繩緊固器18與鋼絲繩固定軸36與動平臺19相連，鋼 絲繩緊固器18可對鋼絲繩16進行調(diào)節(jié)，鋼絲繩固定軸37可使鋼絲繩16迅速完成拆卸，鋼 絲繩19的另一端通過定滑輪11固定在凸輪擋桿1上，凸輪擋桿1通過壓縮彈簧10緊貼在 凸輪上，凸輪的轉(zhuǎn)動便可帶動鋼絲繩16作上下往復運動。在三條鋼絲繩的共同作用下，便 可實現(xiàn)動平臺19的交叉狀多向復合運動。傳動軸46的兩端通過軸承固定在軸承座3內(nèi)，軸承座3分別固定在支撐架46下表面和底板6上，三個凸輪及渦輪分別以平鍵、軸承頂圈 13、緊固螺母44以及軸肩端面固定在傳動軸46上，蝸桿通過聯(lián)軸器與步進電機8相連，步 進電機8即可帶動上、中、下三個凸輪以相同的速率轉(zhuǎn)動，凸輪的外輪廓可根據(jù)實際要求的 運動軌跡進行加工，當須增大動平臺19的擺角時，只須增大凸輪的偏心距，在模擬不同工 況條件下的關(guān)節(jié)運動時，只須更換不同外輪廓的凸輪。關(guān)節(jié)球頭40以螺紋連接在關(guān)節(jié)球頭 座41上，緊定螺釘42起到防轉(zhuǎn)作用，關(guān)節(jié)球頭座41與溶液盆39過渡配合，溶液盆39與推 力軸承的球面基座43過渡配合，再以螺釘將三者固定，溶液盆39為底面封閉式結(jié)構(gòu)，可有 效防止?jié)櫥旱男孤叮蛎婊?3與推力軸承座圈15滑動配合，同時，關(guān)節(jié)球頭40的球心 與球面基座43的外球面球心在同一位置，以保證在工作過程中，液壓缸26施加的載荷正好 通過關(guān)節(jié)球頭40的球心，且在非豎直方向上載荷為零。
權(quán)利要求
一種基于鋼絲繩傳動的髖關(guān)節(jié)試驗機，其特征在于它包括由頂板(22)、底板(6)和連接在頂、底板之間的支柱(7)構(gòu)成的框架，框架內(nèi)設(shè)有支撐架(45)，支撐架(45)內(nèi)設(shè)有上下兩端別固定在支撐架(45)與底板(6)上的傳動軸(46)，傳動軸(46上依次設(shè)有下凸輪(2)、渦輪渦桿(5)、中凸輪(9)、上凸輪(12)，傳動軸(46)的兩端設(shè)有分別固定在底板(6)和支撐架(45)上的軸承座(3)，支撐架(45)的上方設(shè)有弧面軸承座，弧面軸承座上設(shè)有與其弧面相吻合的球面基座(43)，球面基座(43)上設(shè)有溶液盆(39)，溶液盆(39)內(nèi)設(shè)有嵌裝在球面基座(43)內(nèi)的關(guān)節(jié)球頭球座(41)，溶液盆(39)上設(shè)有與其盆緣相固定的動平臺(19)，動平臺(19)的邊緣上設(shè)有分別與上、中、下凸輪(12、9、2)相連接的鋼絲繩牽引裝置；頂板(22)上設(shè)有與液壓系統(tǒng)相連的液壓缸(26)，液壓缸(26)的活塞桿穿過頂板(22)，其上設(shè)有導向滑塊(30)和扣在關(guān)節(jié)球頭(40)上的關(guān)節(jié)窩(38)，導向滑塊(30)與關(guān)節(jié)窩(38)之間設(shè)有柱式壓力傳感器(34)；頂板(22)與動平臺(19)之間設(shè)有彈簧裝置；頂板(22)上設(shè)有控制溶液盆(39)內(nèi)溫度的溫度控制器(31)；底板上設(shè)有頂在轉(zhuǎn)動軸(46)上的球頭頂銷(4)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于鋼絲繩傳動的髖關(guān)節(jié)試驗機，其特征在于所述的弧面 軸承座由開有凹形槽的座套(14)、與座套(14)的凹形槽過渡配合的推力軸承座圈(15)構(gòu) 成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于鋼絲繩傳動的髖關(guān)節(jié)試驗機，其特征在于所述的絲繩 牽引裝置包括固定在動平臺(19)底部的鋼絲繩緊固器(18)、水平設(shè)在支撐架(45)內(nèi)側(cè)的 凸輪擋桿(1)，凸輪擋桿(1)上設(shè)有壓縮彈簧(10)，凸輪擋桿(1)的尾部與鋼絲繩緊固器 (18)之間連接有鋼絲繩(16)，支撐架(45)的外側(cè)設(shè)有鋼絲繩定滑輪(11)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于鋼絲繩傳動的髖關(guān)節(jié)試驗機，其特征在于所述的彈簧 裝置包括固定在動平臺(19)上的彈簧座(36)、設(shè)在彈簧座(36)上的拉伸彈簧(33)，拉伸 彈簧(33)上部設(shè)有固定在頂板底部的彈簧導套(32)，拉伸彈簧(33)頂部設(shè)有固定在頂板 上的微調(diào)螺栓(29)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于鋼絲繩傳動的髖關(guān)節(jié)試驗機，其特征在于所述的動平 臺(22)為正三角形板式結(jié)構(gòu)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于鋼絲繩傳動的髖關(guān)節(jié)試驗機，其特征在于所述的溶液 盆(39)為底端封閉的階梯結(jié)構(gòu)。
全文摘要
一種基于鋼絲繩傳動的髖關(guān)節(jié)試驗機，集機、電、液技術(shù)于一體，適用于準確、可靠地測試人工關(guān)節(jié)材料的生物摩擦學特性參數(shù)，為醫(yī)學臨床應(yīng)用提供指導性試驗數(shù)據(jù)。試驗機主要由支撐部分、機械傳動部分、液壓加載系統(tǒng)以及溫控部分組成，其中機械傳動由伸縮及拉伸彈簧、凸輪、定滑輪及鋼絲繩組成，鋼絲繩連在動平臺上，關(guān)節(jié)球頭及推力軸承的球面基座與動平臺連接固定，鋼絲繩在凸輪的共同作用下帶動平臺及關(guān)節(jié)球頭完成交叉狀的多向復合滑動及旋轉(zhuǎn)運動；液壓加載系統(tǒng)由固定于頂板上的加載油缸導向帶動關(guān)節(jié)窩向關(guān)節(jié)球頭施加載荷；試驗機的頂板上設(shè)有溫控器。其結(jié)構(gòu)緊湊，價格低廉，操作方便，能模擬人體髖關(guān)節(jié)的實際運動工況。
文檔編號G01N3/02GK101975707SQ20101050184
公開日2011年2月16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