專利名稱：一種多軸型人工關(guān)節(jié)試驗(yàn)機(jī)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(yàn)機(jī)，尤其是一種適用于模擬人體髖關(guān)節(jié)實(shí)際運(yùn)動(dòng)、 對(duì)人工關(guān)節(jié)材料進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)多軸型人工關(guān)節(jié)試驗(yàn)機(jī)。
背景技術(shù)：
隨著人類社會(huì)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(huì)大量發(fā)生，因此對(duì)人工關(guān)節(jié)的需求也會(huì)日益增加。目前，全球已有約3000萬(wàn) 人植入了人工關(guān)節(jié)，每年的置換量約為200萬(wàn)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(shí)由于正 常人的骨骼在造骨細(xì)胞和噬骨細(xì)胞的復(fù)雜平衡中不斷調(diào)整其外型，來(lái)自假體摩擦表面的碎 屑在關(guān)節(jié)附近積聚，會(huì)造成身體中的噬骨細(xì)胞增加，打破噬骨細(xì)胞和成骨細(xì)胞之間的平衡， 使假體松動(dòng)，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(wèn)題。為研究這 一問(wèn)題，工程人員采用人工關(guān)節(jié)試驗(yàn)機(jī)對(duì)人工關(guān)節(jié)材料進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)其臨床壽命和減輕 患者痛苦具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。目前模擬試驗(yàn)機(jī)按照所模擬運(yùn)動(dòng)方式的不同，大致可分為三類(1) 擺軸型(Biaxial-Hip-Simulator) ； (2)銷盤(pán)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(duì)運(yùn)動(dòng)來(lái)模擬 髖關(guān)節(jié)在三個(gè)不同平面的擺動(dòng)動(dòng)作，為早期的試驗(yàn)機(jī)；銷盤(pán)型摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)是以滑動(dòng)接 觸方式進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)，通過(guò)圓盤(pán)與加工成銷狀的試驗(yàn)樣品之間所形成的相對(duì)運(yùn)動(dòng)來(lái)研 究材料的摩擦性能和滑液的潤(rùn)滑性能，是目前人工關(guān)節(jié)摩擦學(xué)常用試驗(yàn)機(jī)，這兩類試驗(yàn)機(jī) 雖然能夠模擬人體髖關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)，但其模擬方式與人體髖關(guān)節(jié)的實(shí)際運(yùn)動(dòng)方式差別較大。 多軸型主要是通過(guò)將不同軸系所形成的單個(gè)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行合成來(lái)模擬人工髖關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)形態(tài)， 其模擬方式與人體髖關(guān)節(jié)的實(shí)際運(yùn)動(dòng)方式較為接近，如英國(guó)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(shí)驗(yàn)機(jī)等，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)高。同時(shí)，經(jīng)多方調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，國(guó) 內(nèi)尚未見(jiàn)到此類人工髖關(guān)節(jié)模擬試驗(yàn)機(jī)研制方面的相關(guān)報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問(wèn)題本發(fā)明的目的是要克服現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià) 低、能夠?qū)崿F(xiàn)交叉狀多向復(fù)合運(yùn)動(dòng)的多軸型人工關(guān)節(jié)模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)。技術(shù)方案為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的多軸型人工關(guān)節(jié)試驗(yàn)機(jī)，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(dòng)平臺(tái)，動(dòng)平 臺(tái)的底部設(shè)有多個(gè)上球鉸鏈，底板上設(shè)有與上球鉸鏈相對(duì)應(yīng)的多個(gè)下球鉸鏈，上球鉸鏈與 下球鉸鏈之間傾斜連接有電動(dòng)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)白上方
3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(gè)上球鉸鏈和與其相對(duì)應(yīng)的多個(gè)下球鉸鏈的個(gè)數(shù)為2 4個(gè)；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°。有益效果本發(fā)明利用液壓系統(tǒng)提供模擬人步行時(shí)髖關(guān)節(jié)所受的載荷，并通過(guò)壓 力傳感器對(duì)施加載荷加以檢測(cè)和反饋，進(jìn)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(yàn)機(jī)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(yùn)動(dòng)的過(guò)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(dòng)缸的上球鉸的球心在同一水平面內(nèi)，可保證模擬運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確性。電動(dòng)缸與 底板連接所用的下球鉸，傾斜5°安裝，可有效增大動(dòng)平臺(tái)的擺角，同時(shí)可防止死角。用于盛 潤(rùn)滑液的溶液盆其底端封閉，可防止生物潤(rùn)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(rùn)滑劑的試驗(yàn)溫度保持在37士 1°C。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，操作方 便，模擬效果好，造價(jià)低，能在試驗(yàn)室環(huán)境中正確模擬人體髖關(guān)節(jié)的實(shí)際運(yùn)動(dòng)工況。


圖1是本發(fā)明多軸型人工關(guān)節(jié)試驗(yàn)機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明的動(dòng)平臺(tái)俯視結(jié)構(gòu)示意圖。圖中1_底板，2-支柱，3-電動(dòng)缸，4-座圈，5-連接頭，6-上球鉸鏈，7-動(dòng)平臺(tái)， 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(shí)施例方式0011]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例作進(jìn)一步的描述圖1所示，本發(fā)明的多軸型人工關(guān)節(jié)試驗(yàn)機(jī)主要由框形支架、電動(dòng)缸3、中心支架 23、溶液盆18、動(dòng)平臺(tái)7、上球鉸鏈6、下球鉸鏈24構(gòu)成，框形支架包括頂板8、與頂板8相對(duì) 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(qiáng)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(kāi)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(dòng)平臺(tái)7，底板1上設(shè) 有與上球鉸鏈6個(gè)數(shù)相同的多個(gè)下球鉸鏈24，多個(gè)下球鉸鏈24沿軸心線向內(nèi)傾斜約5°。 多個(gè)上球鉸鏈6和與其相對(duì)應(yīng)的多個(gè)下球鉸鏈24的個(gè)數(shù)為2 4個(gè)，上下球鉸鏈的型號(hào)為 SRJ024C。動(dòng)平臺(tái)7為三角形，如圖2所示，其三角形底面的三個(gè)角上分別設(shè)有一個(gè)上球鉸鏈 6，三個(gè)上球鉸鏈6與三個(gè)下球鉸鏈24之間傾斜連接有型號(hào)為GSM30-1002的電動(dòng)缸3，三個(gè) 電動(dòng)缸10呈正三角形均勻布置，均以球形鉸與底板1和動(dòng)平臺(tái)7連接，通過(guò)獨(dú)立編程控制， 電動(dòng)缸3可模擬人的運(yùn)動(dòng)頻率，并輸出相應(yīng)位移，從而帶動(dòng)動(dòng)平臺(tái)7完成交叉狀復(fù)合運(yùn)動(dòng)模 式，電動(dòng)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(dòng)平臺(tái)的擺角，同時(shí)可防止運(yùn)動(dòng)中的死角。電動(dòng)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)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之間連接有型號(hào)為MCL-Z5的拉力傳感器15，拉力傳感器15的兩頭分別通過(guò)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(kāi)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(rùn)滑劑的 試驗(yàn)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(guò) 渡配合，溶液盆18與球面基座22過(guò)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旱男孤叮蛎婊?2與座圈4滑動(dòng)配合，同時(shí)，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(guò)程中，液壓缸施加的載荷正好通過(guò)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
一種多軸型人工關(guān)節(jié)試驗(yàn)機(jī)，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(4)，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(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(dòng)平臺(tái)(7)，動(dòng)平臺(tái)(7)的底部設(shè)有多個(gè)上球鉸鏈(6)，底板(1)上設(shè)有與上球鉸鏈(6)相對(duì)應(yīng)的多個(gè)下球鉸鏈(24)，上球鉸鏈(6)與下球鉸鏈(24)之間傾斜連接有電動(dòng)缸(3)；球頭座(20)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(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)的活塞桿與導(dǎo)向塊(14)相連接；溶液盆(33)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(yàn)機(jī)，其特征在于所述的多個(gè)上球鉸鏈 (6)和與其相對(duì)應(yīng)的多個(gè)下球鉸鏈(24)的個(gè)數(shù)為2 4個(gè)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多軸型人工關(guān)節(jié)試驗(yàn)機(jī)，其特征在于所述的固定在底板(1) 上的下球鉸鏈(24)沿軸心線向內(nèi)傾斜約5°。
全文摘要
一種多軸型人工關(guān)節(jié)試驗(yàn)機(jī)，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(dòng)平臺(tái)，動(dòng)平臺(tái)的底部設(shè)有多個(gè)上球鉸鏈，底板上設(shè)有與上球鉸鏈相對(duì)應(yīng)的多個(gè)下球鉸鏈，上球鉸鏈與下球鉸鏈之間傾斜連接有電動(dòng)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(jiǎn)單、模擬效果好，緊湊，操作方便，造價(jià)低。
文檔編號(hào)G01N3/56GK101984338SQ20101050183
公開(kāi)日2011年3月9日 申請(qǐng)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(qǐng)人:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)