专利名称：一种基于钢丝绳传动的髋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，尤其是一种能够在试验室环境中正确模拟人体 髋关节的实际运动工况，并能可靠地测试人工关节材料的生物摩擦学特性参数的基于钢丝 绳传动的人工关节试验机。
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。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，这对于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。目前髋关节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)。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。赫尔辛基技术大学研制的摆轴型HUT-BRM hip-joint simulator试验机，由于条件的限制，设计者省略了在横截面上的运动。中国矿业大学摩擦 学与可靠性工程研究所设计并制造的第一代人工髋关节模拟试验机按结构和运动原理也 属于摆轴型试验机。销盘型摩擦磨损试验机是人工关节摩擦学常规试验设备，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，通常采用三种接触方式，但这类试验机的接触方式与 人体髋关节的运动方式差别较大。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。英国Leeds大学和Durham大学的MK系制造了多轴型人 工髋关节模拟实验机，设计中同样省略了冠状面上的摆动。
发明内容
本发明的目的是要克服已有技术中的不足之处，提供一种结构紧凑、性能稳定、价 格低廉的能够实现交叉状多向复合运动的基于钢丝绳传动的髋关节试验机，该试验机在原 理上属于多轴型人工关节模拟实验机。为实现上述目的，本发明的基于钢丝绳传动的髋关节试验机，包括由顶板、底板和 连接在顶、底板之间的支柱构成的框架，框架内设有支撑架，支撑架内设有上下两端别固定 在支撑架与底板上的传动轴，传动轴上依次设有下凸轮、涡轮涡杆、中凸轮、上凸轮，传动轴
3的两端设有分别固定在底板和支撑架上的轴承座，支撑架的上方设有弧面轴承座，弧面轴 承座上设有与其弧面相吻合的球面基座，球面基座上设有溶液盆，溶液盆内设有嵌装在球 面基座内的关节球头球座，溶液盆上设有与其盆缘相固定的动平台，动平台的边缘上设有 分别与上、中、下凸轮相连接的钢丝绳牵引装置；顶板上设有与液压系统相连的液压缸，液 压缸的活塞杆穿过顶板，其上设有导向滑块和扣在关节球头上的关节窝，导向滑块与关节 窝之间设有柱式压力传感器；顶板与动平台之间设有弹簧装置；顶板上设有控制溶液盆内 温度的温度控制器；底板上设有顶在转动轴上的球头顶销。所述的弧面轴承座由开有凹形槽的座套、与座套的凹形槽过渡配合的推力轴承座 圈构成；所述的丝绳牵引装置包括固定在动平台底部的钢丝绳紧固器、水平设在支撑架内 侧的凸轮挡杆，凸轮挡杆上设有压缩弹簧，凸轮挡杆的尾部与钢丝绳紧固器之间连接有钢 丝绳，支撑架的外侧设有钢丝绳定滑轮；所述的弹簧装置包括固定在动平台上的弹簧座、 设在弹簧座上的弹簧，弹簧上部设有固定在顶板底部的弹簧导套，弹簧顶部设有固定在顶 板上的微调螺栓；所述的动平台为正三角形板式结构；所述的溶液盆为底端封闭的阶梯结 构。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，利用凸轮、 定滑轮、弹簧及钢丝绳等传统机械零件来替代价格昂贵的进口电动缸，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，不同的关节球 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球头同心，可 使关节球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，可通过调 节微调螺栓和钢丝绳紧固器来对动平台进行调平；利用凸轮的外轮廓轨迹来模拟人的运动 曲线，当须增大动平台的摆角时，只须增大凸轮的偏心距，如需模拟不同工况条件下的关节 运动，只须更换不同外轮廓的凸轮即可；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。利用凸轮、定滑轮、弹簧及钢丝绳等传统机械零件来替代价格昂贵的 进口电动缸，可有效降低试验成本及维护成本，增加试验机的适用性。
图1是本发明的结构示意图；图2是本发明的动平台结构俯视示意图。图中1-凸轮挡杆，2-下凸轮，3-轴承座，4-球头顶销，5-涡轮涡杆，6-底板，7_支 柱，8-步进电机，9-中凸轮，10-压缩弹簧，11-定滑轮，12-上凸轮，13-轴承顶圈，14-座套， 15-推力轴承座圈，16-钢丝绳，17-螺钉，18-钢丝绳紧固器，19-动平台，20-螺栓，21-紧定 螺钉，22-顶板，23、24-螺栓，25-圆柱销，26-液压缸，27-导向套，28-导向螺钉，29-微调螺 栓，30-导向块，31-温控器，32-弹簧导套，33-拉伸弹簧，34-柱式压力传感器，35-紧定螺 钉，36-弹簧座，37-钢丝固定轴，38-关节窝，39-溶液盆，40-关节球头，41-关节球头球座， 42-紧定螺钉，43-球面基座，44-紧固螺母，45-支撑架，46-传动轴。
具体实施例方式下面结合附图中的实施例对本发明作进一步的描述
图1所示，基于钢丝绳传动的髋关节试验机主要由框架、设在框架内的动平台19， 动平台19下方的传动轴46、凸轮、涡轮涡杆传动机构、支撑架45、溶液盆39、球头座41，动 平台19上方的柱式压力传感器34、导向块30、液压缸26、弹簧装置构成，框架由顶板22、底 板6和连接在顶、底板之间的支柱7构成。涡轮涡杆传动机构主要由步进电机8、与步进电 机8相连的涡轮涡杆5构成。支撑架45固定在框架的底板6上，支撑架45内设有立式传 动轴46，传动轴46的上、下两端分别经轴承座3固定在支撑架45和底板6上，传动轴46上 依次设有下凸轮2、涡轮涡杆5、中凸轮9、上凸轮12 ；下凸轮2的下端和上凸轮12的上端分 别设有挡圈，涡轮涡杆传动机构的涡轮下端和中凸轮9的上端分别设有紧固螺母44 ；支撑 架45的上方设有弧面轴承座，弧面轴承座由开有凹形槽的座套14、与座套14的凹形槽过 渡配合的推力轴承座圈15构成。弧面轴承座15上设有与其弧面相吻合的球面基座43，球 面基座43上设有溶液盆39，溶液盆39为底端封闭的阶梯结构，溶液盆39内装有嵌装在球 面基座43内的关节球头球座41，并装有将关节球头球座41固定的紧定螺钉42，关节球头 球座41经螺钉与球面基座43固定在一起，关节球头球座41上设置关节球头40，溶液盆39 上设有与其端面相固定的动平台19，动平台19为正三角形板式结构。动平台19的三个角 边缘上设有分别与上、中、下凸轮12、9、2相连接的钢丝绳牵引装置，动平台19的三个顶角 分别开有T型槽，钢丝固定轴37固定在T型槽中，可实现钢丝绳16的快速拆卸。且三个拉 伸弹簧33的连接孔在动平台19上均勻布置。丝绳牵引装置包括固定在动平台19底部的 钢丝绳紧固器18、水平设在支撑架45内侧的凸轮挡杆1，凸轮挡杆1上设有压缩弹簧10，凸 轮挡杆1的尾部与钢丝绳紧固器18之间连接有钢丝绳16，支撑架45的外侧设有钢丝绳定 滑轮11。顶板22上设有与液压系统相连的液压缸26，液压缸26的活塞杆穿过顶板22，其 上设有导向滑块30和扣在关节球头40上的关节窝38，导向滑块30与关节窝38之间设有 型号为MCL-Z5的柱式压力传感器34，柱式压力传感器34的两端分别通过紧定螺钉35与关 节窝38和导向块30相固定，导向块30与液压缸26外部设有导向套27，导向套27上设有 导向螺钉28，导向滑块30外壁上开有导向槽；液压缸26通过螺栓27固定在顶板22上，液 压缸26的伸出端与导向块30以螺纹连接，紧定螺钉21起到防转作用，导向套27通过阶梯 孔及圆柱销25固定在顶板22上，导向螺钉28固定在导向套27的侧壁上，与导向块30侧 壁上的导槽一起完成液压缸26伸出端的导向功能。顶板22与动平台19之间设有弹簧装 置，弹簧装置包括固定在动平台19上的弹簧座36、设在弹簧座36上的拉伸弹簧33，拉伸弹 簧33上部设有固定在顶板底部的弹簧导套32，拉伸弹簧33顶部设有固定在顶板上的微调 螺栓29，拉伸弹簧33下端通过弹簧底座36固定在动平台19上，上端通过弹簧导套32顶在 微调螺栓29上，微调螺栓29以螺纹连接在顶板25上，可通过紧固螺母及弹簧垫圈对拉伸 弹簧33进行微调，进而实现动平台19的调平。钢丝绳16通过定滑轮11及压缩弹簧10与 凸轮挡杆1连接，步进电机8通过涡轮蜗杆传动机构带动上、中、下凸轮以特定的轨迹转动。 顶板22上设有控制溶液盆39内温度的温控器31 ；底板6上设有顶在转动轴46上的球头 顶销4。钢丝绳16的一端通过钢丝绳紧固器18与钢丝绳固定轴36与动平台19相连，钢 丝绳紧固器18可对钢丝绳16进行调节，钢丝绳固定轴37可使钢丝绳16迅速完成拆卸，钢 丝绳19的另一端通过定滑轮11固定在凸轮挡杆1上，凸轮挡杆1通过压缩弹簧10紧贴在 凸轮上，凸轮的转动便可带动钢丝绳16作上下往复运动。在三条钢丝绳的共同作用下，便 可实现动平台19的交叉状多向复合运动。传动轴46的两端通过轴承固定在轴承座3内，轴承座3分别固定在支撑架46下表面和底板6上，三个凸轮及涡轮分别以平键、轴承顶圈 13、紧固螺母44以及轴肩端面固定在传动轴46上，蜗杆通过联轴器与步进电机8相连，步 进电机8即可带动上、中、下三个凸轮以相同的速率转动，凸轮的外轮廓可根据实际要求的 运动轨迹进行加工，当须增大动平台19的摆角时，只须增大凸轮的偏心距，在模拟不同工 况条件下的关节运动时，只须更换不同外轮廓的凸轮。关节球头40以螺纹连接在关节球头 座41上，紧定螺钉42起到防转作用，关节球头座41与溶液盆39过渡配合，溶液盆39与推 力轴承的球面基座43过渡配合，再以螺钉将三者固定，溶液盆39为底面封闭式结构，可有 效防止润滑液的泄露，球面基座43与推力轴承座圈15滑动配合，同时，关节球头40的球心 与球面基座43的外球面球心在同一位置，以保证在工作过程中，液压缸26施加的载荷正好 通过关节球头40的球心，且在非竖直方向上载荷为零。
权利要求
一种基于钢丝绳传动的髋关节试验机，其特征在于它包括由顶板(22)、底板(6)和连接在顶、底板之间的支柱(7)构成的框架，框架内设有支撑架(45)，支撑架(45)内设有上下两端别固定在支撑架(45)与底板(6)上的传动轴(46)，传动轴(46上依次设有下凸轮(2)、涡轮涡杆(5)、中凸轮(9)、上凸轮(12)，传动轴(46)的两端设有分别固定在底板(6)和支撑架(45)上的轴承座(3)，支撑架(45)的上方设有弧面轴承座，弧面轴承座上设有与其弧面相吻合的球面基座(43)，球面基座(43)上设有溶液盆(39)，溶液盆(39)内设有嵌装在球面基座(43)内的关节球头球座(41)，溶液盆(39)上设有与其盆缘相固定的动平台(19)，动平台(19)的边缘上设有分别与上、中、下凸轮(12、9、2)相连接的钢丝绳牵引装置；顶板(22)上设有与液压系统相连的液压缸(26)，液压缸(26)的活塞杆穿过顶板(22)，其上设有导向滑块(30)和扣在关节球头(40)上的关节窝(38)，导向滑块(30)与关节窝(38)之间设有柱式压力传感器(34)；顶板(22)与动平台(19)之间设有弹簧装置；顶板(22)上设有控制溶液盆(39)内温度的温度控制器(31)；底板上设有顶在转动轴(46)上的球头顶销(4)。
2.根据权利要求1所述的基于钢丝绳传动的髋关节试验机，其特征在于所述的弧面 轴承座由开有凹形槽的座套(14)、与座套(14)的凹形槽过渡配合的推力轴承座圈(15)构 成。
3.根据权利要求1所述的基于钢丝绳传动的髋关节试验机，其特征在于所述的丝绳 牵引装置包括固定在动平台(19)底部的钢丝绳紧固器(18)、水平设在支撑架(45)内侧的 凸轮挡杆(1)，凸轮挡杆(1)上设有压缩弹簧(10)，凸轮挡杆(1)的尾部与钢丝绳紧固器 (18)之间连接有钢丝绳(16)，支撑架(45)的外侧设有钢丝绳定滑轮(11)。
4.根据权利要求1所述的基于钢丝绳传动的髋关节试验机，其特征在于所述的弹簧 装置包括固定在动平台(19)上的弹簧座(36)、设在弹簧座(36)上的拉伸弹簧(33)，拉伸 弹簧(33)上部设有固定在顶板底部的弹簧导套(32)，拉伸弹簧(33)顶部设有固定在顶板 上的微调螺栓(29)。
5.根据权利要求1所述的基于钢丝绳传动的髋关节试验机，其特征在于所述的动平 台(22)为正三角形板式结构。
6.根据权利要求1所述的基于钢丝绳传动的髋关节试验机，其特征在于所述的溶液 盆(39)为底端封闭的阶梯结构。
全文摘要
一种基于钢丝绳传动的髋关节试验机，集机、电、液技术于一体，适用于准确、可靠地测试人工关节材料的生物摩擦学特性参数，为医学临床应用提供指导性试验数据。试验机主要由支撑部分、机械传动部分、液压加载系统以及温控部分组成，其中机械传动由伸缩及拉伸弹簧、凸轮、定滑轮及钢丝绳组成，钢丝绳连在动平台上，关节球头及推力轴承的球面基座与动平台连接固定，钢丝绳在凸轮的共同作用下带动平台及关节球头完成交叉状的多向复合滑动及旋转运动；液压加载系统由固定于顶板上的加载油缸导向带动关节窝向关节球头施加载荷；试验机的顶板上设有温控器。其结构紧凑，价格低廉，操作方便，能模拟人体髋关节的实际运动工况。
文档编号G01N3/02GK101975707SQ20101050184
公开日2011年2月16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