一种并联式仿生膝-髋关节试验机的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明公开了一种并联式仿生膝-髋关节试验机，涉及了一种液压系统加载，并联驱动方式的并联式仿生膝-髋关节试验机。对人工膝关节材料的摩擦磨损试验采用并联的驱动方式，属于仪器科学或仿生机器人领域。
【背景技术】
[0002]人工关节是一种模拟人体关节的植入性假体，用来替代病变受损的的关节，恢复其正常功能。现在运用最广泛的是髋关节和膝关节。人工关节的磨损是临床一个重要的问题。近年来国内外学者对髋关节和膝关节的模拟试验装置相继开发研究。目前研制成功的髋关节实验装置采用销-盘磨损试验、环-盘磨损试验、四球磨损试验以及块环磨损试验等，着重于对材料的摩擦磨损性能的研究。由于结构的限制无法进行全尺寸关节副摩擦磨损试验。到目前为止，国内外研制成功的膝关节试验装置主要分为3类:球面接触型、假体力和运动直接控制型、膝关节肌肉力重建型。球类测试机如Wang等采用的圆盘和面接触的试验机以垂直轴向旋转代替以往往复的运动形式；假体力和运动直接控制型试验机主要以国外为主，Walker和Hsish等研究发现，胫骨踝窝和股骨踝窝的过渡装配才是最合理的配置形式；Pual等研制的试验机采用气动四连杆实现股骨假体前后位移，研究方向转向细微运动方向，但是仍然只能模仿部分运动；模拟膝关节肌肉力群试验机是一种用电机、气缸或者液压缸等驱动方式来模拟人体下肢与膝关节相关作用的肌肉群，力图更加准确地模拟膝关节真实的受力情况和运动状态。其中以Guess和Maletsky研制开发的堪萨斯膝迷模拟试验机最为典型，该试验机采用伺服阀控制液压缸实现运动。各个轴上的力都能实现测量和控制。股四头肌由液压缸来模拟实现，控制膝关节受力和运动以及髋部的屈曲角度，同时髌骨关节的运动也得以实现。为了更准确可靠地测试人工关节的性能。必须开发有更贴近人体关节实际运动特性和力学性能的全尺寸关节副摩擦磨损试验机。
【发明内容】
[0003]发明目的:为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种并联式仿生膝-髋关节试验机，通过机构的配合，能够更加真实地模拟模拟人体膝关节和髋关节的运动情况和运动环境，结构紧凑、安装方便、测试效果好。
[0004]技术方案:为实现上述目的，本发明采用的技术方案为:
[0005]—种并联式仿生膝-髋关节试验机，包括髋关节试验装置和膝关节试验装置，所述髋关节试验装置位于在膝关节试验装置的上面，且两者之间共用第二动平台；所述髋关节试验装置包括第一支撑柱、第一上支撑板、第二动平台、第一中间支柱、第一动平台、髋关节试验构件、髋关节液压加载系统和若干髋关节主动支链，所述第一支撑柱的一端垂直固定在第二动平台上，所述第一支撑柱的另一端支撑设置有第一上支撑板，所述第一上支撑板与第二动平台平行，所述第一上支撑板上设置有髋关节液压加载系统；所述第一中间支柱一端贯穿第二动平台固定设置在定平台上，所述第一中间支柱另一端安装有髋关节轴承基座，髋关节轴承基座上固定有髋关节试验构件，所述髋关节液压加载系统与髋关节试验构件加载连接；若干所述髋关节主动支链一端与第一动平台球铰设置，另一端与第二动平台球铰设置；所述的髋关节试验构件安装固定在第一动平台内部；所述膝关节试验装置包括第二支撑柱、第二上支撑板、定平台、第二中间支柱、第二动平台、膝关节试验构件、膝关节液压加载系统、膝关节主动支链组和膝关节连接支链组，所述第二支撑柱的一端固定在定平台上，所述第二支撑柱的另一端支撑设置有第二上支撑板，所述第二上支撑板与定平台平行，在所述第二上支撑板上设置有膝关节液压加载系统；所述第二中间支柱的一端固定在定平台上，所述第二中间支柱的另一端固定有膝关节轴承基座，膝关节轴承基座上固定有膝关节试验构件，所述膝关节液压加载系统与膝关节试验构件加载连接；所述膝关节主动支链组包括对称分布在定平台上的一对或一对以上膝关节主动支链，每个所述膝关节主动支链的一端与定平台球铰设置，每个所述膝关节主动支链的另一端与第二动平台球铰设置，所述膝关节连接支链组包括对称分布在定平台上的一对或一对以上膝关节连接支链，每个膝关节连接支链的一端与定平台固定设置，每个膝关节连接支链的另一端与第二动平台铰接；所述的膝关节试验构件安装固定在第二动平台内部。
[0006]进一步的，所述第二动平台内部嵌合设置有双列角接触球轴承，所述双列角接触球轴承内部贯穿设置有连接杆，每对所述膝关节连接支链分别与连接杆的两端铰接。
[0007]进一步的，所述膝关节主动支链与定平台平面法线的夹角为3°，所述髋关节主动支链与第二动平台平面法线的夹角为8°?10°。
[0008]进一步的，所述第一动平台是由三个均匀分布的髋关节主动支链并行驱动，所述第二动平台是由两个膝关节主动支链和两个膝关节连接支链均匀分布并行驱动，且所述膝关节主动支链和膝关节连接支链均为直线致动器。
[0009]进一步的，所述髋关节液压加载系统包括第一液压缸、第一液压活塞杆、第一导向套、第一导向块和第一力传感器，所述第一液压缸固定在第一上支撑板上，所述第一液压缸与第一液压活塞杆连接，所述第一液压活塞杆与第一导向套里的第一导向块相连，所述第一力传感器一端和第一导向块连接；所述第一力传感器另一端与第一关节窝连接，所述第一关节窝和髋关节试验构件嵌合连接，所述髋关节试验构件固定在髋关节轴承基座上，所述髋关节轴承基座安装在第一中间支柱上。
[0010]进一步的，所述膝关节液压加载系统包括第二液压缸、第二液压活塞杆、第二导向套、第二导向块、第二力传感器，所述第二液压缸固定在第二上支撑板上，所述第二液压缸与第二液压活塞杆连接，所述第二液压活塞杆与第二导向套里的第二导向块相连，所述第二力传感器一端和第二导向块连接；所述第二力传感器另一端与第二关节窝连接，所述第二关节窝和膝关节试验构件嵌合连接，所述膝关节试验构件固定在膝关节轴承基座上，所述膝关节轴承基座安装在第二中间支柱上。
[0011]进一步的，所述的髋关节轴承基座可随着第一动平台转动，所述髋关节轴承基座的球心与第一中间支撑柱轴线重合；所述膝关节轴承基座可随着第二动平台转动，所述膝关节轴承基座的球心与第二中间支撑柱轴线重合。
[0012]有益效果:本发明采用并联结构式，刚度大，结构稳定紧凑；运动环节少，不会出现积累误差。同时采用全尺寸关节副形式，结果更加接近人体真实情况。驱动方面采用伺服电机带动滚珠丝杠的传动形式，速度更易控制，精度高。
【附图说明】
[0013]图1为本发明髋关节试验装置的主视图；
[0014]图2为本发明髋关节试验装置的俯视图；
[0015]图3为本发明膝关节试验装置的主视图；
[0016]图4为本发明膝关节试验装置的侧视图；
[0017]图5为本发明中双列角接触球轴承与连接杆的设置方式结构示意图；
[0018]图6为本发明的结构示意图；
[0019]图7为本发明的运动简图。
【具体实施方式】
[0020]下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
[0021]如图6、7所示一种并联式仿生膝-髋关节试验机，包括髋关节试验装置和膝关节试验装置，所述髋关节试验装置位于在膝关节试验装置的上面，且两者之间共用第二动平台17。
[0022]如图1、2、3和4所示，所述髋关节试验装置包括第一支撑柱1、第一上支撑板3、第二动平台17、第一中间支柱14、第一动平台4、髋关节试验构件、髋关节液压加载系统和三条相同的髋关节主动支链13，所述第一支撑柱I的一端垂直固定在第二动平台19上，所述第一支撑柱I的另一端支撑设置有第一上支撑板3，所述第一上支撑板3与第二动平台17平行，所述第一上支撑板3上设置有髋关节液压加载系统；所述第一中间支柱14 一端贯穿第二动平台17固定设置在定平台33上，所述第一中间支柱14另一端安装有髋关节轴承基座12，髋关节轴承基座12上固定有髋关节试验构件，所述髋关节液压加载系统与髋关节试验构件加载连接；所述三条相同的髋关节主动支链13 —端与第一动平台4球铰设置，另一端与第二动平台17球铰设置，球铰连接方式为:第一底座2分别固定设置在第一动平台4和第二动平台17上，髋关节主动支链13的两端分别通过第一球铰链15与第一底座2铰接。所述的髋关节试件11固定在浴液盆里的球头座中，浴液盆固定和第一动平台4相连。
[0023]所述髋关节液压加载系统包括第一液压缸5、第一液压活塞杆6、第一导向套7、第一导向块8和第一力传感器9，所述第一液压缸5固定在第一上支撑板3上，所述第一液压缸活塞杆6与第一导向套7里的第一导向块8相连，所述第一力传感器9 一端和第一导向块8连接；所述第一力传感器9另一端与第一关节窝10连接，所述髋关节试验试件11及其安装固定的装置称为髋关节试验构件，髋关节试验构件固定在髋关节轴承基座12上，所述髋关节轴承基座12安装在第一中间支柱14上。
[0024]所述膝关节试验装置包括第二支撑柱16、第二上支撑板18、定平台33、第二中间支柱30、第二动平台17、膝关节试验构件、膝关节液压加载系统、膝关节主动支链组和膝关节连接支链组，所述第二支撑柱16的一端固定在定平台33上，所述第二支撑柱16的另一端支撑设置有第二上支撑板18，所述第二上支撑板18与定平台33平行，在所述第二上支撑板18上设置有膝关节液压加载系统；所述第二中间支柱30的一端固定