一种多运动模式人工关节摩擦磨损实验装置

1.本发明涉及人工关节领域，是一种摩擦磨损测试装置，能够针对人工髋、膝关节进行多运动模式摩擦磨损实验测试。


背景技术：

2.自人工关节技术引进以来，人工关节得到了广泛的运用，为广大关节病患者带来了福音，减轻了患者的病痛。但是与之同时带来了诸多技术问题。人工关节模拟试验机已有的类型较多，其中摆轴式依靠基座与倾斜底座之间的相对运动来模拟髋关节在三个平面的摆动动作，但是该类实验机在各个方向的摆角是不同的，且无法进行合成运动；多轴式摆动角度由不同的轴系控制，可以进行不同角度调整，但多轴也导致机构设计复杂，从而增加很多额外因素，导致实验准确性降低；销盘式实验机能较好分析试验样品的摩擦磨损性能，但同样无法达到运动合成,且不能测试那种运动对人工关节损伤最大。为此目前需要一种人工关节摩擦磨损实验装置，能进行合成运动，能测量单一运动模式的摩擦磨损，减少过多轴系带来的其他因素干扰。目前摩擦磨损实验机只针对单一关节进行实验测试，不能做到膝关节，髋关节等不同部位摩擦磨损测试等一系列技术问题。


技术实现要素：

3.为解决现有的技术问题，本发明的目的在于提供一种多运动模式摩擦磨损实验装置，该装置关节屈曲传动模块能模拟人工关节矢状面的屈曲和冠状面的外展内收；关节内外旋微动模块能模拟人工关节横截面的旋转；加载模块调节装置运动方式，多运动或单一运动的切换；各大模块协同耦合，能实现多运动模式下人工关节摩擦磨损实验测试。既能测试单一运动模式下摩擦磨损最严重的磨损方式，又能测量多运动模式的摩擦磨损情况。能测试不同角度，在不同受力大小下的摩擦磨损情况，具有极强的综合性能，为人工关节摩擦磨损试验提供可靠实验数据。同时通过此装置观察其磨损状况，在不同润滑条件下，探究其摩擦状况，多运动模式的同时进行摩擦实验更具有科学性和现实性。
4.为达到上述目的，本发明的设计思路是：
5.一种多运动模式人工关节摩擦磨损实验装置，其特征在于：包括机架(e)、关节屈曲传动模块(a)、关节内外旋微动模块(c)、加载模块 (b)和控制系统(d)；
6.所述关节屈曲传动模块由步进电机(a-1)、无级调速伸缩杆 (a-2)、连杆(a-3)、支撑轨道(a-4)、关节球头试件(a-5)和气压缸(a-6) 构成，这些构件形成曲柄摇杆机构，所述无级调速伸缩杆(a-2)将步进电机(a-1)的动力传至连杆(a-3)，连杆(a-3)带动气压缸(a-6)沿支撑轨道(a-4)摆动，实现关节屈曲运动模式；
7.所述关节内外旋微动模块由臼杯(c-1)、夹持板(c-2)、臼杯支撑台(c-3)、推力轴承(c-4)、传动轴(c-5)、旋转平台减速器(c-6)和变速电机(c-7)构成，所述夹持板(c-2)与臼杯支撑台(c-3)采用螺栓连接，调节螺栓位置，移动夹持板(c-2)，能替换不同规格的臼杯(c-1),所述变速电机(c-7)与旋转平台减速器(c-6)联接，将动力输出给传动轴 (c-5)，带
动臼杯支撑台(c-3)做往复微动，实现关节内外旋运动模式；
8.所述加载模块由固定装置(b-1)、连接器(b-2)和压力感应器(b-3) 构成，所述压力感应器(b-3)安装在气压缸(a-6)侧面，所述固定装置 (b-1)内设连接器(b-2)，当仅模拟人工关节内外旋运动时，可将连接器(b-1)与气压缸(a-6)相连，使气压缸(a-6)固定，当仅模拟人工关节屈曲运动或人工关节屈曲和内外旋合成运动时，将连接器(b-2)与气压缸(a-6)分开，气压缸(a-6)可进行摆动，实现多运动模式的切换；
9.所述控制系统包括控制台(d-1)、温控箱(d-2)和照明灯(d-3)，所述温控箱(d-2)为人工关节提供工作环境温度，所述照明灯(d-3)提供照明，便于观察，所述控制台(d-1)经控制电路协同及控制整个设备的运转；
10.所述的一种多运动模式下人工关节摩擦磨损实验装置，其特征在于：所述连杆(a-3)长度为165mm，无级调速伸缩杆(a-2)的伸缩范围在35～80mm，气压缸(a-6)摆动幅度范围为0～110
°
，从而实现人工关节摆动不同角度时的摩擦磨损实验测试。
11.所述的一种多运动模式下人工关节摩擦磨损实验装置，其特征在于：所述关节球头试件(a-5)的直径范围在18～28mm，用于模拟身体不同部位的关节，调节气压缸(a-6)的压力大小，从而实现人工关节承受不同载荷压力时的摩擦磨损实验测试。
12.所述的一种多运动模式下人工关节摩擦磨损实验装置，其特征在于：所述支撑轨道(a-4)能限定气压缸(a-6)滑动轨迹，且保障压力能传至关节球头试件(a-5)，支撑轨道(a-4)设有角度刻度，当气压缸(a-6) 摆动时，支撑轨道(a-4)上能对应显示角度。
13.所述的一种多运动模式下人工关节摩擦磨损实验装置，其特征在于：所述变速电机(c-7)可调节微动频率和振幅，从而模拟髋关节 0
°
～60
°
的内外旋，也可模拟膝关节0
°
～5
°
的内外旋。
14.与现有技术相比，本发明的优点在于：所述装置可进行不同关节部位的摩擦磨损实验测试；所述装置可进行多运动模式下的摩擦磨损实验测试，实现人工关节冠状面，矢状面和横截面的运动模拟；所述装置可模拟一定角度内的横截面的摩擦磨损状况，相较于整周旋转更加真实的模拟人工关节的运动状况；以上功能协同耦合，能测试单一运动方式对人工关节的摩擦磨损情况，又能将屈曲、内外旋和伸展进行运动合成，测试多运动模式下的摩擦磨损情况，因此能够测试不同关节的摩擦磨损情况，适用范围更广，普适性强。
附图说明
15.图1是多运动模式下人工关节摩擦磨损实验装置的结构示意图
16.图2是关节屈曲传动模块结构示意图
17.图3是伸缩杆结构示意图
18.图4是关节内外旋微动模块结构示意图
19.图5是臼杯支撑台和夹持装置结构示意图
20.图6是固定装置及连接器结构示意图
21.图中标记为：a-1变速电机；a-2无级调速伸缩杆；a-3连杆； a-4支撑轨道；a-5关节球头试件；a-6气压缸；b-1固定装置；b-2 连接器；b-3压力感应器；c-1臼杯；c-2夹持板；c-3臼杯支撑台； c-4推力轴承；c-5传动轴；c-6旋转平台减速器；c-7变速电机； d-1控制台；d-2温控箱；d-3照明灯；e机架。
具体实施方式
22.根据上述的发明构思，本发明采用下述实施方式：
23.一种多运动模式下人工关节摩擦磨损实验装置，如图1所示，包括机架(e)、关节屈曲传动模块(a)、关节内外旋微动模块(c)、加载模块(b)和控制系统(d)；
24.所述关节屈曲传动模块(a)如图2所示，由步进电机(a-1)、无级调速伸缩杆(a-2)、连杆(a-3)、支撑轨道(a-4)、关节球头试件(a-5) 和气压缸(a-6)构成，这些构件可形成曲柄摇杆机构，所述步进电机 (a-1)做整周旋转，动力经无级调速伸缩杆(a-2)传至连杆(a-3)，连杆(a-3)带动整个气压缸(a-6)进行摆动，调节活塞杆位置可更换不同规格的关节球头试件(a-5)，实现关节球头试件的屈曲运动模拟。
25.所述关节内外旋微动模块(c)由臼杯(c-1)、夹持板(c-2)、臼杯支撑台(c-3)、推力轴承(c-4)、传动轴(c-5)、旋转平台减速器(c-6)和变速电机(c-7)构成，如图4所示，变速电机(c-7)连接旋转平台减速器 (c-6)，带动传动轴(c-5)及臼杯支撑台(c-3)进行往复微动，如图5所示，夹持板(c-2)固定臼杯(c-1)，实现人工关节内外旋的运动模拟。
26.所述加载模块由固定装置(b-1)、连接器(b-2)和压力感应器(b-3) 构成，所述压力感应器(b-3)安装在气压缸(a-6)侧面，如图6所示，所述固定装置(b-1)内设连接器(b-2)，当仅模拟人工关节内外旋运动时，可将连接器(b-1)与气压缸(a-6)相连，使气压缸(a-6)固定，当仅模拟人工关节屈曲运动或人工关节屈曲运动和内外旋运动时，将连接器(b-2)与气压缸(a-6)分开，气压缸(a-6)可进行摆动，从而实现多运动模式的切换；
27.所述控制系统包括控制台(d-1)、温控箱(d-2)和照明灯(d-3)，所述温控箱(d-2)为人工关节提供工作环境温度，所述控制台(d-1)经控制电路协同及控制整个设备的运转，包括关节内外旋微动模块(c)中变速电机(c-7)的往复微动控制及关节屈曲传动模块(a)中无级调速伸缩杆(a-2)的长度调节。
28.本发明不局限于上述实施方式，任何人应得知在本发明的启示下做出的与本发明具有相同或相近的技术方案，均落入本发明的保护范围之内。
29.本发明未详细描述的技术、形状、构造部分均为公知技术。