生物力学冲击试验台的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种机电系统技术领域的装置，具体是一种生物力学冲击试验台。
【背景技术】
[0002]由于车祸、高处坠落等高能量冲击导致骨折的损伤机制研宄是目前人体生物医学领域研宄的重点与热点。患者常因救治延误或内出血无法获得及时救助导致死亡，据统计，由于车祸等冲击导致的死亡率高达40%，占用大量的医疗资源，对个人和社会造成巨大的损失，因此如何根据撞击部位、撞击方向等参数迅速判断患者伤情，并及时采取有效治疗措施成为挽救生命的重要课题。由于人体结构的复杂性及冲击方向、损伤部位造成的创伤类型不同，在研宄特定解剖部位的创伤机制时需要大量的力学实验提供基础数据。
[0003]由于人体结构复杂、损伤部位程度不一，使得研宄其损伤机制的学者们只能根据所研宄部位进行专用设备设计。比如王以进等1991年在《颅脑冲击试验机》(医疗卫生设备，1991年第3期:1-3) —文中详述了采用液压伺服控制系统设计的可模拟颅脑及头颈部损伤的实验装置，该装置可模拟给定的载荷单峰作用曲线，试件安装座椅可实现360°旋转；陈运钦等于1995年进行了《CZZ_型人体撞击试验机的研制》(中国临床解剖学杂志，1995年第三卷第一期，62-64)，采用拉伸弹簧作为驱动力，带动冲击头进行人体碰撞试验，最大速度可达28.95m/so随着人体生物力学的发展，测量精度及模拟仿真度要求的不断提高，很多学者转而采用材料试验机进行力学试验，主要是根据《夏比V型冲击试验标准》，通过金属材料的冲击性能进行研制，并改进前期试验机设计中的不足，主要型式为摆锤式或者落锤式。如邓永红等在《JLW-800型屏显示落锤冲击试验机的设计》(四川理工学院学报，2012 (25) 6:40-43) —文中采用机械与电测系统设计的冲击试验机，可实现电磁捕捉冲击头的功能以防止产生二次冲击现象；薛飞等(薛飞，张炜，跌落冲击试验机的控制和数据采集处理系统，包装工程，2013，34(23):54-59)于2013年采用跌落式试验机进行缓冲材料的缓冲性能测试，将冲击过程中的速度简化为匀速运动，并实现了试验机的控制和数据采集处理系统设计。此外，为了充分利用试验机提供的动能，减小摩擦与损耗，还有大量学者与工程技术人员采用滑轨式冲击试验机进行功能实现与模拟。Etheridge等于2005年设计了滑轨式气动冲击试验机，可实现垂直向预加载功能(Brandon S.Etheridge, DavidP.Beasonj Robert R.Lopez et al.Effects of trochanteric soft tissue and bonedensity on fracture of the female pelvis in experimental side impacts.Annalsof B1mechanical Engineering, 2005, 33 (2): 248-254)以模拟驾乘人员坐姿下受到冲击的状态；Erik J.Carlson 等人(Erik J.Carlasonj Yasuhiro Tominagaj Paul C.1vancicet al., Dynamic vertebral artery elongat1n during frontal and side impacts, TheSpine Journal, 2007, 7:222-228)在2007年设计的滑道式颈椎伸长测定装置中测量了动脉的伸长量，为研究在颈椎部受到创伤后动脉由于伸长导致血管破裂提供了宝贵的资料。在机动车检测行业，采用滑车式试验机进行假人试验，以模拟车辆行驶中可能造成对人体的伤害，这些测试数据为新车开发、防护装置设计等提供了宝贵的研究基础。
[0004]综合以上分析可以看出，试验机的设计主要为了实现对试验标本的冲击性能进行测试与分析，而现存的医学工程用冲击试验机只能实现一个方位的冲击:或者水平，或者垂直，而且其固定形式只能是采用牙托粉或骨水泥的形式进行完全固定，无法重现现实情况如汽车碰撞中人体有一定活动度的情形。
【发明内容】
[0005]本发明针对上述现有冲击试验机设计的不足，提供一种生物力学冲击试验装置，可实现人体不同部位的冲击模拟，通过机械与电子控制技术模拟人体特定解剖部位撞击的过程，在此过程中采用光学测量仪器对冲击过程中的运动学和动力学参数进行测定，从而为今后医疗救治指导及防护用具的设计提供宝贵的原始数据。
[0006]为达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下:
[0007]一种生物力学冲击试验台，包括控制系统、横向冲击系统和纵向冲击系统，横向冲击系统包括横向电机、横向滚珠丝杠、横向压缩弹簧、前滑台、后滑台、横向冲击头、横向导轨、升降式工作台；纵向冲击系统包括纵向电机、纵向滚珠丝杠、纵向电磁搭扣、纵向压缩弹簧、上滑台、下滑台、纵向冲击头；在所述横向冲击系统中，横向冲击头安装于前滑台，前滑台能够在横向导轨上滑行，前滑台与后滑台之间可控连接，并同时安装于横向滚珠丝杠上，横向滚珠丝杠通过链传动与横向电机相连，启动横向电机后，通过链传动将动力传至横向滚珠丝杠，带动前滑台平移，同时横向滚珠丝杠上方两侧平行放置横向导杆，其上装有横向压缩弹簧，当升降式工作台达到规定工作位置后，释放横向压缩弹簧，前滑台带动横向冲击头沿横向导轨向升降式工作台以一定加速度运动，冲击被实验物体，；在所述纵向冲击系统中，纵向冲击头安装于下滑台上，下滑台与上滑台之间可控连接，并同时安装于纵向滚珠丝杠上，纵向滚珠丝杠通过链传动与纵向电机相连，所述纵向滚珠丝杠两侧各配置纵向导杆，其上装有纵向压缩弹簧，当上滑台带着纵向冲击头随着纵向滚珠丝杠旋转移动到预定位置时，下滑台与上滑台之间可控连接断开，纵向冲击头加速下落，实现冲击过程。
[0008]所述前滑台与后滑台之间、所述下滑台与上滑台之间的可控连接分别是通过后滑台和上滑台上的电磁铁搭扣来实现，所述电磁铁搭扣的夹紧和释放是通过控制系统来控制的。
[0009]所述前滑台包括鞍板、连接环、垫块和固定块、力传感器，鞍板安装在横向导轨上，并与横向压缩弹簧接触，所述横向传感器与鞍板固定连接，垫块和固定块联合使用以保证横向压缩弹簧在横向导杆上的支撑刚度，所述连接环与后滑台上的电磁搭扣相连。
[0010]所述前滑台包括压力传感器，通过螺纹连接与横向冲击头相连。
[0011]所述下滑台与所述前滑台结构相同。
[0012]所述上滑台与所述后滑台结构相同。
[0013]所述升降式工作台包括:底板、导向柱、支撑台、工作台手轮、压簧、螺旋杆、平行四边形机构与工作台台面，其中:支撑台与机床底部采用螺纹连接相连，导向柱通过开口锁紧套筒与螺纹连接与底板相连，工作台手轮与螺旋杆相连，转动工作台手轮时十字形螺母拉动平行四边形机构变形，以产生上下移动，导向柱将安装于其上的工作台升起与降落。
[0014]所述横向冲击系统还包括防二次冲击机构，所述防二次冲击机构利用安装在鞍板侧方的平面棘轮与安装于机架上的棘爪的齿面接触阻止前滑台反弹。
[0015]所述纵向冲击系统还包括防二次冲击机构，与所述横向冲击系统的防二次冲击机构的结构相同。
[0016]所述纵向冲击系统还包括纵向冲击系统位置调节装置，所述纵向冲击系统位置调节装置包括:纵向手轮、调整块、调整轴承及其固定座、滑体组成，纵向手轮是螺纹杆，转动后可带动调整块及滑体一起移动，纵向冲击系统与滑体固定连接，从而实现位置调节。
[0017]所述控制系统包括:光纤传感器、电磁铁控制器和电机编码器，其中:光纤传感器安装在机架上并与前滑台上的金属片共同构成传感装置，以感测前滑台的初始位置并限制横向压缩弹簧的极限位置，电磁铁控制器安装在后滑台上，电机编码器与横向电机相连接，采用PLC程序控制。
[0018]本装置在试验时被冲击物体固定于工作台上，根据不同的冲击部分进行固定，电磁铁搭扣释放后，前滑台或下滑台在弹簧的弹力作用下以进行水平方向或垂直方向的冲压。
[0019]本发明不仅能够完成不同人体部位的冲击试验过程，还能结合运动学测量设备完成在冲击过程中的运动参数捕捉，从而获得综合、完整、有效的冲击过程运动学和动力学原始数据采集。
【附图说明】
[0020]图1是本发明所提供的试验台正视图；
[0021]图2是图1的俯视图；
[0022]图3是图1中前滑台或下滑台正视图；
[0023]图4是图1中纵向冲击系统正视图；
[0024]图5是图1中纵向冲击系统俯视图；
[0025]图6是图1中升降式工作台主视图；
[0026]图7是图5的俯视图。
【具体实施方式】
[0027]下面对本发明的技术方案作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下面的实施例。
[0028]如图1?图7所示，本发明所提供的生物力学冲击试验台，包括:机架23、侧支架10、纵向冲击系统(包括纵向冲击头16、纵向压力传感器42、下滑台49、纵向压缩弹簧44、纵向导轨45、上滑台48、纵向滚珠丝杠43、纵向链传动18、纵向电机47、纵向减速器46)、纵向冲击系统位置调整系统(包括纵向手轮19、调整轴承17、纵向冲击调整滑块16)、升降式工作台15、横向冲击系统(包括横向冲击头14、压力传感器13、前滑台12、横向压缩弹簧4、横向导轨11、后滑台5、横向滚珠丝杠20、横向链传动7、横向电机9、横向减速器8)防二次冲击机构2、触摸屏3、控制箱6。其中:横向冲击头14通过压力传感器13与前滑台12连接，前滑台12通过T型槽在横向导轨11上滑行，其后部的连接环26与后滑台5的电磁铁搭扣25相连接后即可通过与后滑台5相连的横向滚珠丝杠20转动实现水平移动