专利名称：一种多轴型人工关节试验机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种人工关节试验机，尤其是一种适用于模拟人体髋关节实际运动、 对人工关节材料进行摩擦磨损试验多轴型人工关节试验机。
背景技术：
随着人类社会步入高龄化阶段，各种与高龄有关的关节疾病，如大腿骨骨折、关节 炎等病症，将会大量发生，因此对人工关节的需求也会日益增加。目前，全球已有约3000万 人植入了人工关节，每年的置换量约为200万例。人工关节在体内受力是相当恶劣的，如人 工髋关节，每年要经受约3. 6X IO6次可能数倍于人体体重的载荷冲击和磨损。同时由于正 常人的骨骼在造骨细胞和噬骨细胞的复杂平衡中不断调整其外型，来自假体摩擦表面的碎 屑在关节附近积聚，会造成身体中的噬骨细胞增加，打破噬骨细胞和成骨细胞之间的平衡， 使假体松动，因此，磨损和磨损颗粒播散仍是影响人工髋关节耐久性的主要问题。为研究这 一问题，工程人员采用人工关节试验机对人工关节材料进行摩擦磨损试验，通过实验数据 分析人工关节材料的摩擦磨损性能，以提高人工关节的使用质量，延长其临床寿命和减轻 患者痛苦具有重要的现实意义。目前模拟试验机按照所模拟运动方式的不同，大致可分为三类(1) 摆轴型(Biaxial-Hip-Simulator) ； (2)销盘型(Pin-on-Disk) ； (3)多轴型 (Multi-Hip-Simulator)，。其中摆轴型主要是依靠基座与斜面底座之间的相对运动来模拟 髋关节在三个不同平面的摆动动作，为早期的试验机；销盘型摩擦磨损试验机是以滑动接 触方式进行摩擦磨损试验，通过圆盘与加工成销状的试验样品之间所形成的相对运动来研 究材料的摩擦性能和滑液的润滑性能，是目前人工关节摩擦学常用试验机，这两类试验机 虽然能够模拟人体髋关节的运动，但其模拟方式与人体髋关节的实际运动方式差别较大。 多轴型主要是通过将不同轴系所形成的单个运动进行合成来模拟人工髋关节的运动形态， 其模拟方式与人体髋关节的实际运动方式较为接近，如英国Leeds大学和Durham大学制造 的多轴型人工髋关节模拟实验机等，但其结构复杂，造价高。同时，经多方调查研究发现，国 内尚未见到此类人工髋关节模拟试验机研制方面的相关报道。
发明内容
技术问题本发明的目的是要克服现有技术的不足之处，提供一种结构简单、造价 低、能够实现交叉状多向复合运动的多轴型人工关节模拟实验机。技术方案为实现上述目的，本发明的多轴型人工关节试验机，包括由顶板、支柱 和底板连接构成的框形支架，框形支架的中部设有固定在底板上的中心支架，中心支架上 设有弧面座圈，弧面座圈上设有与其弧面相吻合的球面基座，球面基座上设有底部嵌装在 其内的溶液盆，溶液盆内套装有设置关节头的球头座，溶液盆的盆沿上固定有动平台，动平 台的底部设有多个上球铰链，底板上设有与上球铰链相对应的多个下球铰链，上球铰链与 下球铰链之间倾斜连接有电动缸；球头座上方设有与关节头相吻合的关节白，关节白上方
3设有导向块，关节臼与导向块之间连接有拉力传感器，导向块设在一导向套内，导向套经圆 柱定位销固定在顶板上，导向套上设有固定在顶板上方的液压缸，液压缸的活塞杆与导向 块相连接；溶液盆内设有加热装置，顶板上设在与温度传感器相连接的温控器。所述的多个上球铰链和与其相对应的多个下球铰链的个数为2 4个；所述的固 定在底板上的下球铰链沿轴心线向内倾斜约5°。有益效果本发明利用液压系统提供模拟人步行时髋关节所受的载荷，并通过压 力传感器对施加载荷加以检测和反馈，进一步修正所施加的载荷。球头座为快换零件，不同 的关节头，只需更换不同的球头座即可与试验机相连接。推力轴承的球面基座与关节头同 心，可使关节头在做复合运动的过程中，其非垂直方向上的载荷为零。非工作状态下，关节 头的球心与电动缸的上球铰的球心在同一水平面内，可保证模拟运动的准确性。电动缸与 底板连接所用的下球铰，倾斜5°安装，可有效增大动平台的摆角，同时可防止死角。用于盛 润滑液的溶液盆其底端封闭，可防止生物润滑液的泄漏。温控部分温控器、加热装置及温度 传感器，可使溶液盆内的生物润滑剂的试验温度保持在37士 1°C。其结构简单、紧凑，操作方 便，模拟效果好，造价低，能在试验室环境中正确模拟人体髋关节的实际运动工况。
图1是本发明多轴型人工关节试验机的结构示意图；图2是本发明的动平台俯视结构示意图。图中1_底板，2-支柱，3-电动缸，4-座圈，5-连接头，6-上球铰链，7-动平台， 8-上支持板，9-圆柱定位销，10-液压缸，11-导向套，12-导向螺钉，13-温控器，14-导向 块，15-柱式拉力传感器，16-紧定螺钉，17-关节白，18-溶液盆，19-关节头，20-球头座， 21-紧定螺钉，22-球面基座，23-支架，24-下球铰链。
具体实施例方式0011]下面结合附图对本发明的一个实施例作进一步的描述图1所示，本发明的多轴型人工关节试验机主要由框形支架、电动缸3、中心支架 23、溶液盆18、动平台7、上球铰链6、下球铰链24构成，框形支架包括顶板8、与顶板8相对 应的底板1，顶底板之间设有将其螺栓固定为一体的支柱9。框形支架的底板1中部经螺钉 固定有的中心支架23，中心支架23的外侧纵向上均勻布置了三条加强筋，中心支架23上 嵌装有弧面座圈4，弧面座圈4上设有与其弧面相吻合的球面基座22，弧面座圈4中部开有 有助于球面基座22拆卸的通孔；球面基座22上设有底部嵌装在其内的溶液盆18，溶液盆 18内套装有设置关节头19的球头座20，溶液盆18的盆沿上固定有动平台7，底板1上设 有与上球铰链6个数相同的多个下球铰链24，多个下球铰链24沿轴心线向内倾斜约5°。 多个上球铰链6和与其相对应的多个下球铰链24的个数为2 4个，上下球铰链的型号为 SRJ024C。动平台7为三角形，如图2所示，其三角形底面的三个角上分别设有一个上球铰链 6，三个上球铰链6与三个下球铰链24之间倾斜连接有型号为GSM30-1002的电动缸3，三个 电动缸10呈正三角形均勻布置，均以球形铰与底板1和动平台7连接，通过独立编程控制， 电动缸3可模拟人的运动频率，并输出相应位移，从而带动动平台7完成交叉状复合运动模 式，电动缸3与底板1连接的球形铰6，与水平方向呈5°夹角，可有效增大动平台的摆角，同时可防止运动中的死角。电动缸3活塞杆与上球铰链6之间设有连接头5 ；球头座20上 方设有与关节头19相吻合的关节臼17，关节臼17上方设有导向块14，关节臼17与导向块 14之间连接有型号为MCL-Z5的拉力传感器15，拉力传感器15的两头分别通过紧定螺钉16 与关节臼17、导向块14固定在一起，导向块14设在导向套11内，导向套11经圆柱定位销 9固定在顶板8上，导向套11上设有固定在顶板8上方的液压缸10，液压缸10的活塞杆头 部嵌装在导向块14内，经沉头螺钉紧固连接在一起，导向块14与导向套11相配合的外圆 面上设有开有导槽，导向套11上设有伸入导槽内的导向螺钉12，与导向块14外圆面上的导 槽一起完成液压缸伸出端的导向功能。溶液盆33内设有可使溶液盆33内的生物润滑剂的 试验温度保持在37士 1°C的加热装置，顶板8上设在与温度传感器相连接的温控器13。关 节头19以螺纹连接在球头座20上，紧固螺钉21起到防转作用，球头座20与溶液盆18过 渡配合，溶液盆18与球面基座22过渡配合，再经螺钉固定，溶液盆18为底面封闭式结构， 可有效防止润滑液的泄露，球面基座22与座圈4滑动配合，同时，关节头19的球心与球面 基座22的外球面球心在同一位置上，可保证在工作过程中，液压缸施加的载荷正好通过关 节头19的球心，且在非竖直方向上载荷为零。
权利要求
一种多轴型人工关节试验机，其特征在于它包括由顶板(8)、支柱(9)和底板(1)连接构成的框形支架，框形支架的中部设有固定在底板(1)上的中心支架(23)，中心支架(23)上设有弧面座圈(4)，弧面座圈(4)上设有与其弧面相吻合的球面基座(22)，球面基座(22)上设有底部嵌装在其内的溶液盆(18)，溶液盆(18)内套装有设置关节头(19)的球头座(20)，溶液盆(18)的盆沿上固定有动平台(7)，动平台(7)的底部设有多个上球铰链(6)，底板(1)上设有与上球铰链(6)相对应的多个下球铰链(24)，上球铰链(6)与下球铰链(24)之间倾斜连接有电动缸(3)；球头座(20)上方设有与关节头(19)相吻合的关节臼(17)，关节臼(17)上方设有导向块(14)，关节臼(17)与导向块(14)之间连接有拉力传感器(15)，导向块(14)设在一导向套(11)内，导向套(11)经圆柱定位销(9)固定在顶板(8)上，导向套(11)上设有固定在顶板(8)上方的液压缸(10)，液压缸(10)的活塞杆与导向块(14)相连接；溶液盆(33)内设有加热装置，顶板(8)上设在与温度传感器相连接的温控器(13)。
2.根据权利要求1所述的多轴型人工关节试验机，其特征在于所述的多个上球铰链 (6)和与其相对应的多个下球铰链(24)的个数为2 4个。
3.根据权利要求1所述的多轴型人工关节试验机，其特征在于所述的固定在底板(1) 上的下球铰链(24)沿轴心线向内倾斜约5°。
全文摘要
一种多轴型人工关节试验机，包括框形支架，框形支架的中部设有中心支架，中心支架上设有弧面座圈，弧面座圈上设有球面基座，球面基座上设有溶液盆，溶液盆内套装有球头座，溶液盆的盆沿上固定有动平台，动平台的底部设有多个上球铰链，底板上设有与上球铰链相对应的多个下球铰链，上球铰链与下球铰链之间倾斜连接有电动缸；球头座上方设有与关节头相吻合的关节臼，关节臼上方设有导向块，关节臼与导向块之间连接有拉力传感器，导向块设在一导向套内，导向套上设有液压缸，液压缸的活塞杆与导向块相连接；溶液盆内设有加热装置，顶板上设有温控器。其结构简单、模拟效果好，紧凑，操作方便，造价低。
文档编号G01N3/56GK101984338SQ20101050183
公开日2011年3月9日 申请日期2010年9月27日 优先权日2010年9月27日
发明者刘金龙, 程刚, 葛世荣, 陈烜 申请人:中国矿业大学