专利名称：一种膝髌股关节力学测试试验机的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种膝髌股关节力学测试试验机，属于生物医学以及医疗器械制造领域。
背景技术：
膝关节为人体最大的关节，分为胫股关节和髌股骨关节两部分。髌骨是人体最大的籽骨，是伸膝结构的重要组成部分，在伸膝机制中起着重要作用，但在日常生活和体育运动中，髌骨有可能受到各种各样的创伤，如髌骨软骨症等。随着医学与科技的进步，和髌股关节有关的全膝关节置换手术实施的越来越多，全膝关节置换术后髌股关节并发症是引起术后翻修的重要因素，正确地评价人体膝髌股关节的相对运动和应力分布对于解决这些问题有着重要意义。 本实用新型在研究髌股关节运动的基础上，设计出一种膝髌股关节力学测试试验机，能测试膝关节及膝关节模型骨屈曲0° 120°范围内任意角度下的髌股关节力学数据，其目标是用于髌股关节的力学测试及力学特性分析。
实用新型内容I、目的本实用新型的目的在于提供一种膝髌股关节力学测试试验机，来实现在不同屈曲角度下的离体膝关节及膝关节模型骨髌股关节力学测试及力学特性分析。同时，该力学测试试验机是人体膝关节力学测试的基础设备，也用于髌股关节损伤修复及全膝关节置换术后膝髌股关节的力学测试，为修复与置换等术后并发症分析提供数据和方法。2、技术方案本实用新型一种膝髌股关节力学测试试验机，它包括四个部分，即支撑架，加载装置，导轨和膝关节模型骨夹持固定装置。它们之间的位置连接关系是支撑架直接放置于地面上，导轨均固定连接在支撑架上，加载装置和膝关节模型骨夹持固定装置均在导轨中运动。所述支撑架是一个框架式结构，对整个装置起支撑连接作用。通过导轨和膝关节模型骨夹持固定装置，将膝关节模型骨固定于某一固定角度。加载时，由控制系统驱动加载装置沿着导轨运动施加载荷；并能通过加载装置中的测头转动装置，调节所施加力的大小和方向；不加载时，加载装置提供向上的拉力平衡自身重力，使整个系统保持平衡。该支撑架包括底座，薄铝板外壳，支撑杆，支撑上板，支撑杆上垫板，支撑杆下垫板和三角架，它们之间的位置连接关系是底座放置在地面上，支撑杆通过支撑杆下垫板与底座固定，支撑上板通过支撑杆上垫板与支撑杆连接，薄铝板外壳固定于支撑杆上垫板和支撑杆下垫板，三角架安装在支撑杆上垫板侧面和支撑上板底面。该底座是带有四个支脚的长方体铸钢件，四个支脚处加工有圆形通孔，便于底座放置在地面上时定位，铸钢件两侧分别加工三个通孔，分别对四根支撑杆及两根圆柱导轨进行定位固定；该薄铝板外壳是用矩形板料折弯成凹形状，它固定在支撑杆外围，起挡尘护板的作用；该支撑杆是细长轴零件，支撑杆两端设计成轴肩定位，在端部加工外螺纹，通过螺母将底座和支撑上板连接在一起，其数量为4根，对称安装在底座两侧中靠近边缘的四个通孔处；该支撑上板是矩形板料，其上设置有6个圆形通孔供固定连接用；该支撑杆上垫板是矩形板料，其上设置有圆形通孔与支撑杆的端部的轴肩配合定位；该支撑杆下垫板也是矩形板料，其上设置有圆形通孔与支撑杆的端部轴肩配合定位；该三角架是在角钢的两端部位连接一钢板构成三角状，增加承载能力，角钢两端部各加工有两个通孔，对支撑架起加固作用。试验机中的气压缸导轨，测头导轨，圆柱导轨以及模型骨夹持固定装置导轨均固连于该支撑架上。所述加载装置包括气压缸，气压缸滑块，气压缸滑块垫板，气压缸活塞杆，活塞杆连接板，活塞杆连接侧板，测头滑块，测头和测头转动装置，其之间的关系是气压缸滑块、气压缸滑块垫板和气压缸上端通过螺栓螺母固定，气压缸和气压缸活塞杆配套使用，由气压缸滑块带动在支撑架的气压缸导轨内运动，活塞杆连接板由螺母固定在气压缸活塞杆下 端轴肩处，活塞杆连接侧板上端固定于活塞杆连接板侧面，活塞杆连接侧板中部与测头滑块相固定，测头转动装置通过螺栓螺母安装在活塞杆连接侧板下端，测头安装在测头转动装置的阶梯轴上。该气压缸是SMC公司生产的型号为CGl的圆筒状气压缸，为试验机提供动力；该气压缸滑块上端截面为梯形，为在气压缸导轨内滑动的部分，下端截面为长方形，为与气压缸连接的部分，下端长方体部分加工有两个沉头孔；该气压缸滑块垫板为一长方体块，加工有两个圆形通孔，起顶紧气压缸作用；该气压缸活塞杆是圆柱状轴零件，端部设计成轴肩定位，端部加工有外螺纹；该活塞杆连接板为一长方体板，上下面加工有通孔，两相对侧面各加工有两个螺纹孔；该活塞杆连接侧板为一长方形板材，上部、中部和下部分别加工有两个圆形通孔；该测头滑块与气压缸滑块类似，上端截面为梯形，为在测头导轨内滑动的部分，下端截面为长方形，为与活塞杆连接侧板相连接的部分，其下端长方体底面加工有两个螺纹孔；该测头是一圆柱杆，一端设有轴肩定位，轴肩上方加工有外螺纹，通过外螺纹与测头连接环将其固定到测头转动装置上，另一端装有一钢球，钢球与圆柱杆通过螺纹连接，该测头将力按照一定的倾斜角度传递施加到膝关节上。该测头转动装置包括测头转动装置前侧板，测头转动装置后侧板，齿轮轴，阶梯轴，轴承，圆柱齿轮，手轮，编码器，编码器垫片，连接环，弹性联轴器，连接轴，定位环，顶紧圆锥，端盖，齿轮套筒，固定环套筒，键，测头固定环和测头连接环。其之间的位置连接关系为齿轮轴和阶梯轴通过四个轴承安装在测头转动装置前侧板和后侧板之间，圆柱齿轮和测头固定环通过齿轮套筒、固定环套筒和键固定在阶梯轴上，测头连接环安装在测头固定环下端，顶紧圆锥装在阶梯轴伸出测头转动装置后侧板一端的端部，由键固定，两个端盖分别装在测头转动装置前侧板和后侧板上安装齿轮轴阶梯孔的外侧，手轮套在齿轮轴伸出测头转动装置前侧板一端的端部，由键固定，编码器通过编码器垫片、连接环、定位环固定在测头转动装置前侧板外侧，编码器的轴通过弹性联轴器、连接轴与阶梯轴伸出测头转动装置前侧板一端的螺纹孔连接。该测头转动装置前侧板和后侧板均为长方形板料，加工有安装轴承的阶梯孔和安装螺栓的通孔；该齿轮轴和阶梯轴材质均为45号钢，调质处理，阶梯轴一端端部底面加工有螺纹孔；该轴承是代号分别为16001和16005的深沟球轴承；该圆柱齿轮是渐开线齿轮，材质为45号钢，调制处理；该手轮结构类似于汽车方向盘，中部有一空心圆柱与齿轮轴相连接；该编码器是采用欧姆龙公司生产的型号为E6B2-C的增量型编码器；该编码器垫片是圆环状薄钢片，沿圆周均匀加工有三个螺纹通孔；该连接环由薄铝条弯折而成；该弹性联轴器是采用钜人公司生产的型号为G2-40T的弹性联轴器；该连接轴为一小阶梯轴，一端加工一平面与弹性联轴器连接，另一端加工外螺纹与阶梯轴连接；该定位环是带有一凸缘的圆环，圆环圆周上均匀加工有三个沉头孔和三个通孔；该顶紧圆锥是一空心圆台，加工有键槽；该端盖为一中心有圆柱凸起的圆形薄片，薄片圆周均匀加工有的四个沉头孔；该齿轮套筒和固定环套筒为空心圆柱件；该测头固定环是在一空心圆柱的圆柱面上连接一阶梯轴，阶梯轴端部底面圆周均匀加工有四个通孔，空心圆柱加工有键槽；该测头连接环为一圆柱底座中心有一圆柱凸起，圆柱底座和圆柱凸起中心加工有螺纹通孔，圆柱底座圆周均匀加工有四个圆形通孔；该键为A型平键。气压缸由控制系统驱动作为动力输入；气压缸通过气压缸活塞杆连接测头转动装置和测头，手动旋转手轮转动测头转动装置的齿轮轴，带动圆柱齿轮转动，进而调节压力的施加方向，测头转动装置的转动角度通过与阶梯轴相连的编码器获得。所述导轨部分包括圆柱导轨，气压缸导轨，测头导轨和模型骨夹持固定装置导轨。其之间的关系是圆柱导轨平行于支撑杆竖直放置，气压缸导轨，测头导轨和模型骨夹持固定装置导轨从上到下依次水平安装，气压缸导轨固定于支撑架上端的支撑上板，模型骨夹持固定装置导轨固定于支撑架下端的底座，测头导轨处于支撑架中部，沿圆柱导轨运动。该圆柱导轨同支撑杆一样是细长轴零件，圆柱导轨两端设计成轴肩定位，在端部加工外螺纹，通过螺母固定于底座和支撑上板，其数量为2根，对称安装在支撑架底座两侧中内侧的两·个通孔处，它与支撑架的支撑杆平行放置，圆柱导轨表面采用抛光处理，减少摩擦；该气压缸导轨的结构形状是燕尾槽结构的刚性型材导轨，它要承担气压缸和测头导轨与测头等的重力，为保证结构的稳定采用双导轨，双导轨并排固定，气压缸导轨与支撑架支撑上板通过螺钉连接，气压缸与气压缸滑块通过螺栓螺母相连；该测头导轨是采用X形型材导轨，为保证整体结构的平衡，该X形型材导轨将使用前后两导轨，前后使用相同的测头滑块与固连结构，测头滑块通过螺钉与活塞杆连接侧板固定连接；该模型骨夹持固定装置导轨，采用一类似于燕尾槽的水平导轨，膝关节模型骨夹持固定装置在该导轨上水平移动且能够在任意位置固定，该导轨通过螺钉定位在底座上，为不影响定位滑块正常移动，导轨底部开一通槽用来固定螺钉。试验机在实验固定住膝关节模型骨之后，气压缸给气压缸活塞杆的压力将通过其轴肩向下传递，在放置膝关节模型骨之前，测头导轨将由气压缸提供向上的拉力与其自身重力相平衡，即通过与气压缸活塞杆螺纹连接的螺母实现。测头导轨通过圆柱导轨滑块在圆柱导轨上滑动。加载时，在控制系统作用下，气压缸沿气压缸导轨移动，带动与气压缸连接的测头转动装置沿测头导轨作同步运动。其中，如图5，测头导轨与圆柱导轨相连接部分包括圆柱导轨滑块侧板，圆柱导轨滑块连接板，定位销，圆柱导轨滑块，铜套。它们之间的位置连接关系为两个圆柱导轨滑块侧板和一个圆柱导轨滑块连接板合在一起由螺钉固定在测头导轨上，定位销安装在圆柱导轨滑块连接板上，圆柱导轨滑块固定于圆柱导轨滑块连接板，铜套安装在圆柱导轨滑块的圆孔里，直接与圆柱导轨接触。该圆柱导轨滑块侧板由薄铝板弯折成“凹”形，其上下两面各加工有两个螺纹孔；该圆柱导轨滑块连接板为薄铝板弯折成“凹”形，其上下两表面各加工有两个沉头螺纹孔、四个螺纹孔，上表面还加工有一定位销孔，侧面加工有四个螺纹孔；该定位销采用GB119圆柱销，尺寸为M3*12mm ;该圆柱导轨滑块为一长方体基座上有一突出的耳片，长方体基座四个角分别加工有一个通孔，突出的耳片中心有一圆形通孔。该铜套采用锡青铜材质，耐磨性好，镶崁在圆柱导轨滑块的通孔内。所述膝关节模型骨夹持固定装置，包括小半圆柱，大半圆柱，连接底座，耳片，定位滑块，锁紧螺栓，角规和角规滑块。其之间的关系是小半圆柱与大半圆柱合在一起夹持膝关节模型骨，四个耳片将小半圆柱与大半圆柱通过螺钉连接固定，每相邻两耳片之间通过螺栓螺母固定，大半圆柱通过螺钉与连接底座相连，连接底座通过螺栓螺母与定位滑块连接，该螺栓也是连接底座的旋转轴，锁紧螺栓安装在定位滑块上；角规通过螺钉固定在角规滑块上，角规滑块安装在模型骨夹持固定装置导轨一侧的简易导轨中。该小半圆柱是一规则的空心半圆柱，两侧各加工有一平面，每个平面上加工有四个螺纹孔；该大半圆柱与小半圆柱类似，两侧各加工有一平面，每个平面上加工有四个螺纹孔，其端部是一段完整空心圆柱，完整空心圆柱底面圆周均布四个螺纹孔；该连接底座为一圆形板料，沿圆周均匀加工四个通孔，底面连接一连接环；该耳片为一长方形板材弯折成直角状，每两个耳片合在一起对小半圆柱与大半圆柱的一侧进行固定；该定位滑块下端的侧面为梯形，其上端面加工有螺纹通孔，在模型骨夹持固定装置导轨中滑动，定位滑块上端是两个突起的耳片，耳片上加工有圆形通孔；该锁紧螺栓材质为塑料，对定位滑块定位锁紧；该角规采用上海沪工公司生产的型号为320°的角规；该角规滑块中部有一凹槽，带动角规在模型骨夹持固定装置导 轨一侧的简易导轨中滑动，来测量两个膝关节模型骨之间的夹角。3、优点及功效本实用新型可以模拟膝及膝关节模型骨屈曲0° 120°范围内的任意角度，能够测量膝关节和膝关节模型骨髌股关节在连续屈曲角度下的力学特性，测量范围广。支撑架部分采用圆柱支撑杆进行连接，结构简洁紧凑，易于制造。采用双向气压缸提供动力，可以产生与自身加载装置重力相平衡的拉力，减少自身重力造成的加载误差。气压缸导轨和测头导轨均采用型材导轨，加工工艺成熟，结构稳定性好，导线精度高。采用角规测量膝关节或膝关节模型骨的屈曲角度以及采用编码器测量测头的旋转角度，保证测试力线在髌骨测点的法线方向，测试数据准确。膝关节模型骨夹持固定装置，采用螺栓定位与锁紧，结构简单，便于拆装。
图I.本实用新型一种膝髌股关节力学测试试验机结构示意图图2.本实用新型支撑架安装爆炸图图3.本实用新型气压缸与气压缸导轨连接爆炸图图4.本实用新型测头转动装置与测头导轨连接爆炸图图5.本实用新型测头导轨安装爆炸图图6.本实用新型测头转动装置安装爆炸图图7.本实用新型膝关节模型骨夹持固定装置及其导轨示意图图8.本实用新型模型骨夹持圆筒安装爆炸图其中图中标号如下I、底座；2、薄招板外壳；3、圆柱导轨；4、支撑上板；5、三角架；6、气压缸导轨；7、SMC-CGl气压缸；8、气压缸活塞杆；9、测头导轨；10、测头转动装置；11、膝关节模型骨；12、模型骨夹持固定装置导轨；13、模型骨夹持圆筒；14、支撑杆下垫板；15、支撑杆垫片；16、支撑杆；17、支撑杆上垫板；18、垫圈35-140HV ;19、六角螺母M35 ;20、内六角圆柱螺钉MlO X 20 ;21、圆柱导轨滑块；22、六角螺栓M15X130 ;23、气压缸滑块；24、气压缸滑块垫板；25、活塞杆连接板；26、六角螺母M18 ;27、六角螺母M15 ;28、垫圈15-140HV ;29、活塞杆连接侧板；30、六角螺栓MlOX 190 ;31、测头转动装置前侧板；32、螺栓套筒；33、测头转动装置后侧板;34、六角螺母MlO ;35、内六角圆柱螺钉M20X30 ;36、测头滑块；37、GB119定位销M3*10 ;38、圆柱导轨滑块侧板；39、圆柱导轨滑块连接板；40、铜套；41、欧姆龙E6B2-C编码器；42、编码器垫片；43、连接环；44、六角螺栓M3 X 16 ;45、六角螺母M3 ;46、钜人G2-40T弹性联轴器；47、连接轴；48、定位环；49、齿轮套筒；50、圆柱齿轮；51、测头固定环；52、测头连接环；53、测头；54、固定环套筒；55、阶梯轴；56、顶紧圆锥；57、垫圈24-140HV ;58、六角螺母M25 ;59、端盖;60、键;61、齿轮轴；62、代号16005轴承;63、代号16001轴承;64、手轮；65、大半圆柱；66、耳片；67、沪工320°角规；68、角规滑块；69、顶紧螺钉；70、定位滑块；71、锁紧螺栓；72、小半圆柱；73、连接底座。
具体实施方式
本实用新型一种膝髌股关节力学测试试验机，它包括四个部分，即支撑架，加载装置，导轨和膝关节模型骨夹持固定装置。它们之间的位置连接关系是支撑架直接放置于地面上，导轨均固定连接在支撑架上，加载装置和膝关节模型骨夹持固定装置均在导轨中运 动。
以下结合附图进一步说明本实用新型一种膝髌股关节力学测试试验机的具体实施方式
见图1，本实用新型包括四个部分，即支撑架，加载装置，导轨，膝关节模型骨夹持固定装置。所述支撑架部分，见图2，支撑杆16通过支撑杆垫片15，支撑杆下垫板14，支撑杆上垫板17，垫圈18和六角螺母M3519将底座I与支撑上板4连接在一起，支撑杆16两端轴肩起定位作用，端部外螺纹与螺母配合。薄铝板外壳2通过内六角圆柱螺钉M10X20 20固定在支撑杆下垫板14和支撑杆上垫板17上。支撑上板4与支撑杆上垫板17通过四个三角架5加固连接。气压缸导轨6与支撑上板4，模型骨夹持固定装置导轨12与底座I之间均用内六角圆柱螺钉M10X20 20相连接。圆柱导轨3以类似于支撑杆16的方式固定于支撑架上。所述加载装置与导轨部分，见图3 图6，加载装置包括SMC-CGl气压缸7，气压缸滑块23，气压缸滑块垫板24，气压缸活塞杆8，活塞杆连接板25，活塞杆连接侧板29，测头滑块36，测头53和测头转动装置10。SMC-CGl气压缸7与气压缸导轨6的连接见图3 =SMC-CGl气压缸7通过六角螺栓M15X 130 22，气压缸滑块垫板24，垫圈15-140HV 28和六角螺母M15 27与气压缸滑块23相固连，气压缸滑块23在气压缸导轨6中滑动。气压缸活塞杆8下端加工有螺纹，其与活塞杆连接板25通过六角螺母M18 26连接。SMC-CGl气压缸7的气压缸活塞杆8行程可以达到800mm，最大提供IMPa的压力，满足试验需求。该测头转动装置10与测头导轨9，见图4 :活塞杆连接侧板29起承上启下的作用，活塞杆连接侧板29通过内六角圆柱螺钉MlO X 20 20与活塞杆连接板25相固连，通过内六角圆柱螺钉M20X30 35与测头滑块36连接，同时，通过六角螺栓MlOX 190 30，六角螺母M1034，螺栓套筒32与测头转动装置前侧板31和测头转动装置后侧板33连在一起，测头滑块36带动测头转动装置10在测头导轨9中滑动。在气压缸活塞杆8的压力作用下，测头导轨9可沿着圆柱导轨3上下滑动。该测头导轨9与圆柱导轨3的连接见图5 :测头导轨9通过内六角圆柱螺钉M20X30 35，圆柱导轨滑块侧板38和圆柱导轨滑块连接板39与圆柱导轨滑块21相固连，GB119定位销M3*10 37在安装过程中，起定位作用。圆柱导轨滑块21通过铜套40带动测头导轨9在圆柱导轨3上滑动，减少磨损。该测头转动装置10具体结构见图6 :齿轮轴61，阶梯轴55以及代号16005轴承62和代号16001轴承63固定在测头转动装置前侧板31和测头转动装置后侧板33之间，代号16005轴承62和代号16001轴承63采用过盈配合。齿轮轴61两端靠端盖59和内六角圆柱螺钉M10X20 20固定，其一端装有手轮64，可以带动齿轮轴61转动。阶梯轴55一端加工有键槽与螺纹，通过键60与顶紧圆锥56相配合，端部通过六角螺母M25 58，垫圈24-140HV 57固定。圆柱齿轮50和测头固定环51通过键60与阶梯轴55进行周向定位，齿轮套筒49和固定环套筒54采用轴肩进行轴向定位。测头固定环51，通过测头连接环52 与测头53用六角螺栓M3X 16 44、六角螺母M3 45进行连接。阶梯轴55的另一端部钻有螺纹孔，与编码器的连接轴47螺纹连接。连接轴47，与欧姆龙E6B2-C编码器41通过钜人G2-40T弹性联轴器46相连。欧姆龙E6B2-C编码器41通过编码器垫片42，连接环43，六角螺栓M3X16 44，六角螺母M3 45和定位环48固定安装在测头转动装置前侧板31上。当调节测头转动装置10时，松开六角螺母M25 58，转动手轮64，阶梯轴55随之转动，由欧姆龙E6B2-C编码器41记录测头转动装置10转动的角度，当停止转动手轮64时，拧紧六角螺母M25 58，顶紧圆锥56随之顶紧测头转动装置后侧板33，测头转动装置10固定于所需角度。欧姆龙E6B2-C编码器41的分辨率可达2000脉冲/旋转，而试验要求测头转角在10°以内，完全满足测试要求。所述膝关节模型骨夹持固定装置及其导轨见图7和图8 :膝关节模型骨11放置于两个模型骨夹持圆筒13中进行夹紧固定，模型骨夹持圆筒13结构见图8 :小半圆柱72与大半圆柱65合在一起夹持膝关节模型骨11，大半圆柱65通过内六角圆柱螺钉MlO X 20 20与连接底座73相连。见图7，四个耳片66将小半圆柱72与大半圆柱65通过螺钉连接固定，每相邻两耳片66之间将通过螺栓螺母固定，连接底座73通过六角螺栓M15X 130 22，六角螺母Ml527与定位滑块70连接，六角螺栓M15 X 130 22也是连接底座73的旋转轴，锁紧螺栓71安装在定位滑块70上。定位滑块70在模型骨夹持固定装置导轨12中滑动，当对定位滑块70进行定位时，拧紧锁紧螺栓71，定位滑块70向上移动顶紧导轨的两侧，即可实现定位。模型骨夹持固定装置导轨12通过螺钉定位在底座I上，为不影响定位滑块70正常移动，该导轨底部开一通槽用来固定螺钉。沪工320°角规67采用螺钉固定在角规滑块68上，角规滑块68可以在模型骨夹持固定装置导轨12—侧的简易导轨中任意位置，通过顶紧螺钉69定位锁紧，两个沪工320°角规67分别用来来测量装有膝关节模型骨11的两个模型骨夹持圆筒13的旋转角度，进而计算出膝关节模型骨11的屈曲角度，沪工320°角规67的测量范围为0° 320°，试验中要求模拟膝关节模型骨11屈曲0° 120°范围内的任意角度，可以满足试验需求。
权利要求1. 一种膝髌股关节力学测试试验机，其特征在于它由支撑架，加载装置，导轨和膝关节模型骨夹持固定装置组成；支撑架直接放置于地面上，导轨均固定连接在支撑架上，加载装置和膝关节模型骨夹持固定装置均在导轨中运动； 所述支撑架是一个框架式结构，通过导轨和膝关节模型骨夹持固定装置，将膝关节模型骨固定于预定角度；该支撑架包括底座，薄铝板外壳，支撑杆，支撑上板，支撑杆上垫板，支撑杆下垫板和三角架；底座放置在地面上，支撑杆通过支撑杆下垫板与底座固定，支撑上板通过支撑杆上垫板与支撑杆连接，薄铝板外壳固定于支撑杆上垫板和支撑杆下垫板，三角架安装在支撑杆上垫板侧面和支撑上板底面；该底座是带有四个支脚的长方体铸钢件，四个支脚处加工有圆形通孔，两侧分别加工三个通孔，分别对四根支撑杆及两根圆柱导轨进行定位固定；该薄铝板外壳是用矩形板料折弯成凹形状，它固定在支撑杆外围；该支撑杆是细长轴零件，支撑杆两端设计成轴肩定位，在端部加工外螺纹，通过螺母将底座和支撑上板连接在一起，其数量为4根，对称安装在底座两侧中靠近边缘的四个通孔处；该支撑上 板是矩形板料，其上设置有6个圆形通孔供固定连接用；该支撑杆上垫板是矩形板料，其上设置有圆形通孔与支撑杆的端部的轴肩配合定位；该支撑杆下垫板也是矩形板料，其上设置有圆形通孔与支撑杆的端部轴肩配合定位；该三角架是在角钢的两端部位连接一钢板构成三角状，角钢两端部各加工有两个通孔，试验机中的气压缸导轨，测头导轨，圆柱导轨以及模型骨夹持固定装置导轨均固连于该支撑架上； 所述加载装置包括气压缸，气压缸滑块，气压缸滑块垫板，气压缸活塞杆，活塞杆连接板，活塞杆连接侧板，测头滑块，测头和测头转动装置；气压缸滑块、气压缸滑块垫板和气压缸上端通过螺栓螺母固定，气压缸和气压缸活塞杆配套使用，由气压缸滑块带动在支撑架的气压缸导轨内运动，活塞杆连接板由螺母固定在气压缸活塞杆下端轴肩处，活塞杆连接侧板上端固定于活塞杆连接板侧面，活塞杆连接侧板中部与测头滑块相固定，测头转动装置通过螺栓螺母安装在活塞杆连接侧板下端，测头安装在测头转动装置的阶梯轴上；该气压缸的型号为CGl的圆筒状气压缸；该气压缸滑块上端截面为梯形，下端截面为长方形，下端长方体部分加工有两个沉头孔；该气压缸滑块垫板为一长方体块，加工有两个圆形通孔；该气压缸活塞杆是圆柱状轴零件，端部设计成轴肩定位，端部加工有外螺纹；该活塞杆连接板为一长方体板，上下面加工有通孔，两相对侧面各加工有两个螺纹孔；该活塞杆连接侧板为一长方形板材，上部、中部和下部分别加工有两个圆形通孔；该测头滑块上端截面为梯形，下端截面为长方形，其下端长方体底面加工有两个螺纹孔；该测头是一圆柱杆，一端设有轴肩定位，轴肩上方加工有外螺纹，通过外螺纹与测头连接环将其固定到测头转动装置上，另一端装有一钢球，钢球与圆柱杆通过螺纹连接；该测头转动装置包括测头转动装置前侧板，测头转动装置后侧板，齿轮轴，阶梯轴，轴承，圆柱齿轮，手轮，编码器，编码器垫片，连接环，弹性联轴器，连接轴，定位环，顶紧圆锥，端盖，齿轮套筒，固定环套筒，键，测头固定环和测头连接环；齿轮轴和阶梯轴通过四个轴承安装在测头转动装置前侧板和后侧板之间，圆柱齿轮和测头固定环通过齿轮套筒、固定环套筒和键固定在阶梯轴上，测头连接环安装在测头固定环下端，顶紧圆锥装在阶梯轴伸出测头转动装置后侧板一端的端部，由键固定，两个端盖分别装在测头转动装置前侧板和后侧板上安装齿轮轴阶梯孔的外侧，手轮套在齿轮轴伸出测头转动装置前侧板一端的端部，由键固定，编码器通过编码器垫片、连接环、定位环固定在测头转动装置前侧板外侧，编码器的轴通过弹性联轴器、连接轴与阶梯轴伸出测头转动装置前侧板一端的螺纹孔连接；该测头转动装置前侧板、后侧板均为长方形板料，加工有安装轴承的阶梯孔和安装螺栓的通孔；该齿轮轴和阶梯轴材质均为45号钢，调质处理，阶梯轴一端端部底面加工有螺纹孔；该轴承是代号分别为16001和16005的深沟球轴承；该圆柱齿轮是渐开线齿轮，调制处理；该手轮结构类似汽车方向盘，中部有一空心圆柱与齿轮轴相连接；该编码器是型号为E6B2-C的增量型编码器；该编码器垫片是圆环状薄钢片，沿圆周均匀加工有三个螺纹通孔；该连接环由薄铝条弯折而成；该弹性联轴器是型号为G2-40T的弹性联轴器；该连接轴为一小阶梯轴，一端加工一平面与弹性联轴器连接，另一端加工外螺纹与阶梯轴连接；该定位环是带有一凸缘的圆环，圆环圆周上均匀加工有三个沉头孔和三个通孔；该顶紧圆锥是一空心圆台，加工有键槽；该端盖为一中心有圆柱凸起的圆形薄片，薄片圆周均匀加工 有的四个沉头孔；该齿轮套筒和固定环套筒为空心圆柱件；该测头固定环是在一空心圆柱的圆柱面上连接一阶梯轴，阶梯轴端部底面圆周均匀加工有四个通孔，空心圆柱加工有键槽；该测头连接环为一圆柱底座中心有一圆柱凸起，圆柱底座和圆柱凸起中心加工有螺纹通孔，圆柱底座圆周均匀加工有四个圆形通孔；该键为A型平键；该气压缸通过气压缸活塞杆连接测头转动装置和测头，手动旋转手轮转动测头转动装置的齿轮轴，带动圆柱齿轮转动，测头转动装置的转动角度通过与阶梯轴相连的编码器获得； 所述导轨部分包括圆柱导轨，气压缸导轨，测头导轨和模型骨夹持固定装置导轨；圆柱导轨平行于支撑杆竖直放置，气压缸导轨，测头导轨和模型骨夹持固定装置导轨从上到下依次水平安装，气压缸导轨固定于支撑架上端的支撑上板，模型骨夹持固定装置导轨固定于支撑架下端的底座，测头导轨处于支撑架中部，沿圆柱导轨运动；该圆柱导轨是细长轴零件，圆柱导轨两端设计成轴肩定位，在端部加工外螺纹，通过螺母固定于底座和支撑上板，其数量为2根，对称安装在支撑架底座两侧中内侧的两个通孔处，它与支撑架的支撑杆平行放置，圆柱导轨表面采用抛光处理；该气压缸导轨的结构形状是燕尾槽结构的刚性型材导轨，采用双导轨，双导轨并排固定，气压缸导轨与支撑架支撑上板通过螺钉连接，气压缸与气压缸滑块通过螺栓螺母相连；该测头导轨是采用X形型材导轨，为保证整体结构的平衡，该X形型材导轨将使用前后两导轨，前后使用相同的测头滑块与固连结构，测头滑块通过螺钉与活塞杆连接侧板固定连接；该模型骨夹持固定装置导轨，采用一燕尾槽的水平导轨，膝关节模型骨夹持固定装置在该导轨上水平移动且能够在任意位置固定，该导轨通过螺钉定位在底座上，为不影响定位滑块正常移动，导轨底部开一通槽用来固定螺钉；试验机在实验固定住膝关节模型骨之后，气压缸给气压缸活塞杆的压力将通过其轴肩向下传递，在放置膝关节模型骨之前，测头导轨将由气压缸提供向上的拉力与其自身重力相平衡，即通过与气压缸活塞杆螺纹连接的螺母实现；测头导轨通过圆柱导轨滑块在圆柱导轨上滑动；测头导轨与圆柱导轨相连接部分包括圆柱导轨滑块侧板，圆柱导轨滑块连接板，定位销，圆柱导轨滑块和铜套；两个圆柱导轨滑块侧板和一个圆柱导轨滑块连接板合在一起由螺钉固定在测头导轨上，定位销安装在圆柱导轨滑块连接板上，圆柱导轨滑块固定于圆柱导轨滑块连接板，铜套安装在圆柱导轨滑块的圆孔里，直接与圆柱导轨接触；该圆柱导轨滑块侧板由薄铝板弯折成“凹”形，其上下两面各加工有两个螺纹孔；该圆柱导轨滑块连接板为薄铝板弯折成“凹”形，其上下两表面各加工有两个沉头螺纹孔、四个螺纹孔，上表面还加工有一定位销孔，侧面加工有四个螺纹孔；该定位销采用GB119圆柱销；该圆柱导轨滑块为一长方体基座上有一突出的耳片，长方体基座四个角分别加工有一个通孔，突出的耳片中心有一圆形通孔； 所述膝关节模型骨夹持固定装置，包括小半圆柱，大半圆柱，连接底座，耳片，定位滑块，锁紧螺栓，角规和角规滑块；小半圆柱与大半圆柱合在一起夹持膝关节模型骨，四个耳片将小半圆柱与大半圆柱通过螺钉连接固定，每相邻两耳片之间通过螺栓螺母固定，大半圆柱通过螺钉与连接底座相连，连接底座通过螺栓螺母与定位滑块连接，该螺栓也是连接底座的旋转轴，锁紧螺栓安装在定位滑块上；角规通过螺钉固定在角规滑块上，角规滑块安装在模型骨夹持固定装置导轨一侧的简易导轨中；该小半圆柱是一规则的空心半圆柱，两侧各加工有一平面，每个平面上加工有四个螺纹孔；该大半圆柱与小半圆柱类同，两侧各加工有一平面，每个平面上加工有四个螺纹孔，其端部是一段完整空心圆柱，完整空心圆柱底面圆周均布四个螺纹孔；该连接底座为一圆形板料，沿圆周均匀加工四个通孔，底面连接一连接环；该耳片为一长方形板材弯折成直角状，每两个耳片合在一起对小半圆柱与大半圆柱的一侧进行固定；该定位滑块下端的侧面为梯形，其上端面加工有螺纹通孔，在模型骨夹持固定装置导轨中滑动，定位滑块上端是两个突起的耳片，耳片上加工有圆形通孔；该锁紧螺栓对定位滑块定位锁紧；该角规的型号为320°的角规；该角规滑块中部有一凹槽，带动角规在模型骨夹持固定装置导轨一侧的简易导轨中滑动，来测量两个膝关节模型骨之间的夹角。
专利摘要本实用新型一种膝髌股关节力学测试试验机，它包括四个部分，即支撑架，加载装置，导轨和膝关节模型骨夹持固定装置；支撑架直接放置于地面上，导轨均固定连接在支撑架上，加载装置和膝关节模型骨夹持固定装置均在导轨中运动。该膝髌股关节力学测试试验机是人体膝关节力学测试的基础设备，用于模拟与测试膝以及含假体膝关节模型骨屈曲0°~120°范围内任意角度下的髌股关节力学特性，也用于全膝关节置换术中置换髌骨与不置换髌骨术后随屈曲角变化髌股关节运动与力学特性的对比分析测试。它为修复与置换等术后并发症分析提供数据和方法，在生物医学以及医疗器械制造领域里具有较好的实用和参考价值。
文档编号G01N19/00GK202794002SQ20122048305
公开日2013年3月13日 申请日期2012年9月20日 优先权日2012年9月20日
发明者黄荣瑛, 卫晓东, 郑海东, 祝汉歧, 张高龙, 朱君 申请人:北京航空航天大学