仿生人工关节原位摩擦试验装置控制系统、方法及装置

本发明涉及仿生人工关节润滑，特别是涉及一种仿生人工关节原位摩擦试验装置控制系统、方法及装置。

背景技术：

1、关节是人体承受载荷最大的生物摩擦副，随着人体年龄的增长，关节软骨弹性下降，关节滑液不足，骨与骨之间发生直接接触，发生硬性摩擦，关节会出现疼痛、肿胀、骨摩擦等症状，最终导致骨关节炎的发生。我国每年人工关节置换量仅有9万套，未来我国每年关节置换例数会以15％～20％比例增加。研究关节置换物的生物摩擦学对进一步改善关节植入物使用寿命具有重要作用。除了探索置换关节材料在人体关节环境具有低摩擦磨损性能外，更研究清楚了解关于关节接触副间的作用润滑机理，以在关节环境中始终保持优良的润滑状态，避免关节间发生硬性摩擦导致骨溶解等有伤关节行为。探究人工关节润滑的机理，对于指导人工关节设计和延长人工关节使用寿命具有重要意义。

2、基于中国矿业大学团队所设计的扭动关节摩擦试验机成功实现了仿生软骨表面摩擦力的测量和磨损性能的评价，但对于其润滑行为未能进行直接表征。美国burris团队设计的原位摩擦试验机，通过所设计的悬臂梁上所固定的电容式传感器与所用的压电位移技术分别测量往复相对滑动所产生的摩擦力、仿生关节软骨的相对变形量。虽然该设备既能测关节软骨相对形变量与相对运动所产生的摩擦力，但是未能在试样运动过程中对仿生软骨材料进行原位观测，从而无法实现对仿生关节软骨材料的润滑情况进行表征。美国florida团队通过所设计的针盘式微型摩擦磨损试验机，利用三维力传感器测测量了摩擦力，同步利用荧光加共聚焦显微镜测量仿生关节软骨的相对变形量，但是该显微镜拍摄的图像较小，不能完全将整个接触区图像进行拍摄，虽然实现了对在运动过程中仿生软骨材料的原位观测，但施加载荷范围数量有限(毫牛量级)，难以开展接近关节承受真实载荷下的仿生软骨材料的摩擦学性能研究。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种仿生人工关节原位摩擦试验装置控制系统、方法及装置，将摩擦力的测量与光干涉测量系统相结合，能够更加深入探讨软骨的润滑机理，得到更准确的仿生人工关节原位摩擦试验结果。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

3、一种仿生人工关节原位摩擦试验装置控制系统，所述控制系统包括：伺服电机、旋转位移台、光干涉测量设备、三维传感器和工控机；

4、所述旋转位移台与带仿生软骨层的玻璃盘固定连接；所述带仿生软骨层的玻璃盘包括仿生软骨层和玻璃盘；所述仿生软骨层设置在所述玻璃盘的上表面；加载单元与陶瓷球连接；所述加载单元用于为所述陶瓷球提供竖直方向的载荷使得所述陶瓷球压在所述带仿生软骨层的玻璃盘的上表面并且与所述仿生软骨层接触；

5、所述伺服电机用于通过联轴器带动所述旋转位移台按照预设参数转动使得陶瓷球与所述仿生软骨层产生持续地相对往复运动；所述预设参数包括转速和方向；

6、所述工控机用于根据所述伺服电机的转子位置与预设转子位置的关系生成启动指令；所述启动指令包括开始拍照指令和停止拍照指令；所述开始拍照指令是当所述伺服电机的转子位置与所述预设起始转子位置重合时生成的；所述停止拍照指令是当所述伺服电机的转子位置与所述预设停止转子位置重合时生成的；

7、所述光干涉测量设备与所述工控机连接且设置在所述玻璃盘的下方；所述光干涉测量设备用于向所述玻璃盘发射光信号，并接收所述工控机发送的启动指令，根据所述启动指令采集光干涉图像以及将所述光干涉图像发送至所述工控机；所述光干涉图像是所述陶瓷球在多个力的作用下使得所述仿生软骨层发生形变形成的；所述多个力包括所述陶瓷球与所述仿生软骨层之间的摩擦力以及所述加载单元施加给所述陶瓷球的竖直方向的力；

8、所述三维传感器与所述陶瓷球连接；所述三维传感器用于测量所述陶瓷球受到的多个力的值并将各所述力的值转换为电压信号，以及将所述电压信号发送至所述工控机；

9、所述工控机还用于对所述光干涉图像进行处理，得到所述仿生软骨层的变形量随时间的曲线，以及根据同一时间采集的所述电压信号确定所述陶瓷球与所述仿生软骨层之间的摩擦系数随时间的曲线。

10、可选地，所述光干涉测量设备包括红绿激光源，ccd相机和图像卡；

11、所述红绿激光源用于向所述玻璃盘发射光信号；

12、所述ccd相机设置在所述干涉光的光路上；所述ccd相机用于接收干涉光，并将所述干涉光转换为电信号；所述干涉光为所述光信号经所述仿生软骨层反射后的第一反射信号和透过所述仿生软骨层后经所述玻璃盘反射后的第二反射光信号构成的干涉光；

13、所述图像卡与所述ccd相机连接；所述图像卡用于将所述电信号转换为所述光干涉图像，并将所述光干涉图像发送至所述工控机。

14、可选地，所述控制系统还包括采集模块；所述采集模块包括变送器和数据采集卡；

15、所述变送器与所述三维传感器连接；所述变送器用于将所述电压信号进行放大，得到放大后的电压信号；

16、所述数据采集卡与所述变送器连接；所述数据采集卡用于将所述放大后的电压信号进行滤波，并将滤波后的电压信号转换为数字信号，并将所述数字信号发送至所述工控机。

17、可选地，所述控制系统还包括温度传感器和电热丝；

18、所述温度传感器与所述工控机连接；所述温度传感器用于对所述带仿生软骨层的玻璃盘的温度进行检测，并将检测到的温度值发送至所述工控机；

19、所述工控机根据所述温度值与预设温度值的比较值生成加热信号；

20、所述电热丝与所述工控机连接；所述电热丝用于根据所述工控机的加热信号进行工作；所述加热信号包括开始加热和停止加热。

21、一种仿生人工关节原位摩擦试验装置控制方法，应用于上述的所述仿生人工关节原位摩擦试验装置控制系统，所述控制方法包括：

22、根据转子位置与预设转子位置的关系生成启动指令；所述启动指令包括开始拍照指令和停止拍照指令；

23、根据所述启动指令，获取光干涉图像；

24、将所述光干涉图像应用光干涉测量软件进行处理，得到所述仿生软骨层的位移随时间的变化曲线；

25、获取所述陶瓷球受到的多个力对应的电压信号，确定所述陶瓷球与所述仿生软骨层之间的摩擦系数随时间的变化曲线；

26、根据所述仿生软骨层的位移随时间的变化曲线和所述摩擦系数随时间的变化曲线，得到所述仿生软骨层的位移与所述摩擦系数之间的关系曲线。

27、可选地，根据转子位置与预设转子位置的关系生成启动指令，具体包括：

28、将电机开始转动前的转子位置作为预设转子位置，以初始交点与所述带仿生软骨层的玻璃盘的中心点的连线为起始线；所述初始交点为预设转子位置对应的所述带仿生软骨层的玻璃盘与所述陶瓷球的交点；

29、根据光干涉测量设备的拍照频率，确定拍摄一张图像的时间；

30、根据拍摄所述光干涉图像的预设数量，确定完成拍摄的时间长度；

31、根据所述电机的转速和方向以及所述时间长度，确定所述带仿生软骨层的玻璃盘转过的角度；

32、将所述角度平分，得到平分后角度；

33、当所述转子位置与所述预设转子位置之间的夹角小于所述平分后夹角时，生成开始拍照指令；

34、当所述转子位置与所述预设转子位置之间的夹角大于等于所述平分后夹角时，生成停止拍照指令。

35、本发明还提供一种仿生人工关节原位摩擦试验装置，包括：

36、主体单元，所述主体单元包括机架、电机、旋转位移台、玻璃盘、玻璃盘套筒、陶瓷球以及球杆，所述机架包括上板、下板、顶板和立杆，所述立杆连接所述顶板与所述下板，所述上板位于所述顶板与所述下板之间，且所述上板可滑动地与所述立杆相连；所述玻璃盘设置于所述玻璃盘套筒内且二者之间设置压力监测元件，所述玻璃盘套筒设置于所述旋转位移台上，所述电机与所述旋转位移台传动相连，所述旋转位移台设置于所述下板上且能够带动所述玻璃盘套筒以及所述玻璃盘转动，所述陶瓷球位于所述玻璃盘的上方且二者能够接触，所述玻璃盘与所述陶瓷球相抵的一侧设置仿生软骨层，所述球杆的一端与所述陶瓷球相连，所述球杆的另一端利用三维传感器与所述上板相连，所述玻璃盘的转动轴线以及所述球杆的轴线均平行于竖直方向，且二者不共线；

37、加载单元，所述加载单元包括加载容器和设置于所述加载容器内的加载介质，所述加载容器固定于所述顶板上，所述加载容器的出口正对所述上板设置，且所述加载容器的出口设置加载阀门，所述加载介质落到所述上板上以向所述上板施加竖直方向的载荷。

38、优选地，所述旋转位移台包括位移上台和位移下台，所述位移上台可转动地设置于所述位移下台上，所述电机利用联轴器与所述位移上台传动相连，所述位移下台可滑动地设置于所述下板上，所述位移下台与所述下板之间还设置导轨和滑块，所述导轨设置于所述下板上，所述旋转位移台以及所述电机均设置于所述滑块上，所述滑块可滑动地设置于所述导轨内，所述导轨以及所述滑块的数量为两组，两所述导轨相对于所述旋转位移台的转动轴线对称设置；

39、所述下板上还设置有调节螺钉和调节支架，所述调节支架固定于所述下板上，所述调节螺钉与所述调节支架螺纹连接，所述调节螺钉能够与所述位移下台的侧壁相抵，所述调节螺钉的长度方向平行于所述滑块的滑动方向，所述调节螺钉和所述调节支架的数量为两组，且两所述调节螺钉相对于所述旋转位移台的转动轴线对称设置。

40、优选地，所述机架还包括加载弹性件和调节元件，所述加载弹性件设置于所述上板与所述下板之间，所述调节元件设置于所述下板上且二者螺纹连接，所述加载弹性件的一端设置于所述调节元件上，所述加载弹性件的另一端与所述上板相抵；

41、所述加载容器为沙漏结构，所述加载介质为固体，所述上板上具有能够容纳所述加载介质的容纳凹槽，所述容纳凹槽正对所述加载容器的出口设置，且所述容纳凹槽的直径较所述加载容器的出口直径大。

42、优选地，所述玻璃盘套筒为筒状结构且具有阶梯安装孔，所述玻璃盘设置于所述阶梯安装孔内，所述压力监测元件设置于所述阶梯安装孔的轴向端面与所述玻璃盘之间；所述压力监测元件的数量为多个，所述压力监测元件绕所述玻璃盘的轴线周向均布；

43、所述玻璃盘的顶部依次设置有胶垫圈、刚垫圈以及压紧环，所述压紧环与所述玻璃盘套筒螺纹连接，且所述压紧环连接有压紧螺钉，所述压紧螺钉与所述压紧环螺纹连接，所述压紧螺钉的轴线平行于竖直方向；所述玻璃盘套筒还内置加热元件和温度传感器；

44、还包括光干涉测量单元，所述光干涉测量单元用于提供红绿双色光，并对试验中光干涉图像进行观察、记录；所述光干涉测量单元包括显微镜组件，所述显微镜组件包括依次相连的相机、镜筒和镜头，所述镜头位于所述玻璃盘套筒的正下方；

45、所述机架还包括底板和立柱，所述立柱连接所述底板和所述下板；所述光干涉测量单元还包括调节组件，所述调节组件包括显微镜支架、显微镜平移台、显微镜固定杆以及显微镜保持架，所述显微镜支架固定于所述底板上，所述显微镜平台设置于所述显微镜支架上，所述显微镜固定杆设置于所述显微镜平台上，所述显微镜平台能够带动所述显微镜固定杆在水平面内移动，所述显微镜保持架可滑动地设置于所述显微镜固定杆上且二者之间设置锁紧旋钮，所述显微镜组件设置于所述显微镜保持架上。

46、根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

47、本发明提供的仿生人工关节原位摩擦试验装置控制系统，通过工控机接收到的转子位置与预设起始转子位置重合时生成开始拍照指令并把该开始拍照指令发送给光干涉测量设备，光干涉测量设备接收到工控机发送的开始拍照指令后开始对接触区域进行干涉图像采集，并将干涉图像发送至所述工控机，工控机接收到的转子位置与预设停止转子位置重合时生成停止拍照指令并把该停止拍照指令发送给光干涉测量设备，光干涉测量设备接收到停止拍照指令后，停止进行干涉图像采集。工控机应用diim软件对所述接触区域的干涉图像进行处理，得到仿生软骨层的形变量随时间的曲线，根据三维传感器测量陶瓷球受到的多个力转换的随时间采集的电压信号确定陶瓷球与仿生软骨层之间的摩擦系数随时间的曲线。本发明克服了现有的关节模拟试验机只能测量摩擦力而不能原位的去观察软骨的变形量，将摩擦力的测量与光干涉测量系统相结合，能够更加深入探讨软骨的润滑机理，得到更准确的仿生人工关节原位摩擦试验结果。