CN102525691A

CN102525691A - 一种气缸自复位型髋关节试验机

Info

Publication number: CN102525691A
Application number: CN2012100224728A
Authority: CN
Inventors: 刘金龙; 陈煊; 程刚
Original assignee: China University of Mining and Technology CUMT
Current assignee: China University of Mining and Technology CUMT
Priority date: 2012-02-01
Filing date: 2012-02-01
Publication date: 2012-07-04
Anticipated expiration: 2032-02-01
Also published as: CN102525691B; WO2013113199A1

Abstract

一种气缸自复位型髋关节试验机，包括由顶板、底板和支柱构成的框架，框架内设有支撑架，支撑架内设有固定有传动轴，传动轴上依次设有下下凸轮、涡轮、中凸轮、上凸轮，支撑架的上方设有弧面轴承座，弧面轴承座上设有与其弧面相吻合的球面基座，球面基座上设有溶液盆，溶液盆内设有嵌装在球面基座内的关节头球头座，溶液盆上设有与其盆缘相固定的动平台，动平台通过钢丝绳牵引装置和气压传动装置分别与三个凸轮相连；顶板上设有液压缸，液压缸的活塞杆穿过顶板，顶板上设有控制溶液盆内温度的温度控制器；底板上设有顶在传动轴上的球头顶销。结构紧凑，价格低廉，操作方便，能在试验室环境中正确模拟人体髋关节的实际运动工况。

Description

一种气缸自复位型髋关节试验机

技术领域

本发明涉及一种人工关节试验机，尤其是一种能够在试验室环境中正确模拟人体髋关节的实际运动工况，并能可靠地测试人工关节材料的生物摩擦学特性参数的气缸自复位型髋关节试验机。

背景技术

随着人类社会步入高龄化阶段，各种与高龄有关的关节疾病，如大腿骨骨折、关节炎等病症，将会大量发生，因此对人工关节的需求也会日益增加。目前，全球已有约3000万人植入了人工关节，每年的置换量约为200万例。人工关节在体内受力是相当恶劣的，如人工髋关节，每年要经受约

Figure 2012100224728100002DEST_PATH_IMAGE001

次可能数倍于人体体重的载荷冲击和磨损。同时由于正常人的骨骼在造骨细胞和噬骨细胞的复杂平衡中不断调整其外型，来自假体摩擦表面的碎屑在关节附近积聚，会造成身体中的噬骨细胞增加，打破噬骨细胞和成骨细胞之间的平衡，使假体松动，因此，磨损和磨损颗粒播散仍是影响人工髋关节耐久性的主要问题。人工关节试验机对人工关节材料进行摩擦磨损试验，通过实验数据分析人工关节材料的摩擦磨损性能，这对于提高人工关节的使用质量，延长其临床寿命和减轻患者痛苦具有重要的现实意义。

目前髋关节模拟试验机按照所模拟运动方式的不同，大致可分为三类：(1)摆轴型（Biaxial-Hip-Simulator）；(2)销盘型（Pin-on-Disk）；(3)多轴型（Multi-Hip-Simulator）。摆轴型主要是依靠基座与斜面底座之间的相对运动来模拟髋关节在三个不同平面的摆动动作。赫尔辛基技术大学研制的摆轴型HUT-BRM hip-joint simulator试验机，由于条件的限制，设计者省略了在横截面上的运动。中国矿业大学摩擦学与可靠性工程研究所设计并制造的第一代人工髋关节模拟试验机按结构和运动原理也属于摆轴型试验机。销盘型摩擦磨损试验机是人工关节摩擦学常规试验设备，以滑动接触方式进行摩擦磨损试验，通过圆盘与加工成销状的试验样品之间所形成的相对运动来研究材料的摩擦性能和滑液的润滑性能，通常采用三种接触方式，但这类试验机的接触方式与人体髋关节的运动方式差别较大。多轴型主要是通过将不同轴系所形成的单个运动进行合成来模拟人工髋关节的运动形态。英国Leeds大学和Durham大学的MK系制造了多轴型人工髋关节模拟试验机，但设计中省略了冠状面上的摆动，另外中国矿业大学葛世荣，刘金龙等人设计了一种以弹簧传动的多轴型人工髋关节模拟试验机，但由于弹簧本身的特性，存在传动不平稳，随着使用时间的增加，弹簧塑性变形增大，弹簧力减小，且弹簧力的大小不易测量。

发明内容

技术问题：本发明的目的是克服已有技术中的不足之处，提供一种结构紧凑、性能稳定、价格低廉的能够实现交叉状多向复合运动的气缸自复位型髋关节试验机。

技术方案：本发明的气缸自复位型髋关节试验机，包括由顶板、底板和连接在顶、底板之间的支柱构成的框架，框架内设有支撑架，支撑架内设有上下两端别固定在支撑架与底板上的传动轴，传动轴上依次设有下下凸轮、涡轮、中凸轮、上凸轮，传动轴的两端设有分别固定在底板和支撑架上的轴承座，支撑架的上方设有弧面轴承座，弧面轴承座上设有与其弧面相吻合的球面基座，球面基座上设有溶液盆，溶液盆内设有嵌装在球面基座内的关节头球头座，溶液盆上设有与其盆缘相固定的动平台，所述的动平台通过钢丝绳牵引装置和气压传动装置分别与三个凸轮相连；所述的顶板上设有与液压系统相连的液压缸，液压缸的活塞杆穿过顶板，其上设有导向滑块和扣在关节头上的关节臼，导向滑块与关节臼之间设有MCL-Z5柱式压力传感器；顶板上设有控制溶液盆内温度的温度控制器；底板上设有顶在传动轴上的球头顶销。

所述的弧面轴承座由开有凹形槽的座套、与座套的凹形槽过渡配合的推力轴承座圈构成。

所述的钢丝绳牵引装置包括固定在动平台角端的钢丝绳紧固器、钢丝绳、竖直固定在支撑架外壁上的定滑轮组，钢丝绳通过定滑轮组改变传动方向，其左端通过钢丝绳紧固器连接在动平台上，右端通过圆形接头连接在TQGA.2双活塞杆气缸的左伸出杆上。

所述的气压传动装置包括固定在支撑架顶部的TQGA单作用气缸、固定在支撑架侧壁的TQGA.2双活塞杆气缸，TQGA单作用气缸通过SQ78-RS杆端关节轴承与动平台连接固定，TQGA.2双活塞杆气缸的左端进气口通过导气管与其对应的TQGA单作用气缸下端进气口相联，并通入压缩气体，TQGA.2双活塞杆气缸右端气压以及TQGA单作用气缸上端气压均为0，TQGA.2双活塞杆气缸的右伸出杆在气压的作用下始终压紧在三个凸轮的外轮廓上，TQGA单作用气缸在气压的作用下完成动平台的复位，并保证钢丝绳始终处于拉紧状态。

所述的支撑架为Y型结构。

所述的动平台为正三角形板式结构。

所述的溶液盆为底端封闭的阶梯结构。

有益效果：本发明基于气缸传动，集机、电、液于一体，适用于准确、可靠地测试人工关节材料的生物摩擦学特性参数,为临床应用提供指导性试验数据。设备主要由框架、自复位系统、液压加载系统以及温控部分组成。关节球头试件通过球头座固定于推力轴承的球面基座上；所述自复位系统，包括钢丝绳牵引装置和气压传动装置，由单、双活塞杆气缸、凸轮、定滑轮及钢丝绳组成，关节球头及推力轴承的球面基座与动平台连接固定，单活塞杆通过杆端轴承与动平台连接固定，同时，钢丝绳通过定滑轮组分别连接动平台的顶端与双活塞杆的左端，双活塞杆的左端进气口与单活塞杆下端进气口相联，在压缩气体的作用下，单活塞杆气缸完成动平台的复位，同时双活塞杆气缸的右端始终压在凸轮轮廓上，三条钢丝绳与三个单活塞杆气缸在凸轮及双活塞杆气缸的共同作用下，利用杠杆原理，即可带动动平台及关节球头完成交叉状的多向复合滑动及旋转运动；液压加载系统由固定于顶板的加载油缸通过导向部分及压力测量部分带动关节窝向关节球头施加载荷；试验机的上支持板上设有温控器。利用液压系统提供模拟人步行时髋关节所受的载荷，利用凸轮、定滑轮、气缸及钢丝绳等传统机械部件来替代价格昂贵的进口电动缸或传动不平稳的弹簧，并通过压力传感器对施加载荷加以检测和反馈，进一步修正所施加的载荷。球头座为快换零件，不同的关节球头，只需更换不同的球头座即可与试验机相连接。推力轴承的球面基座与关节球头同心，可使关节球头在做复合运动的过程中，其非垂直方向上的载荷为零。TQGA.2双活塞杆气缸的左端进气口通过导气管与其对应的TQGA单作用气缸下端进气口相联，并通入压缩气体，TQGA.2双活塞杆气缸右端气压以及TQGA单作用气缸上端气压均为0，TQGA.2双活塞杆气缸的右伸出杆在气压的作用下始终压紧在三个凸轮的外轮廓上，TQGA单作用气缸在气压的作用下完成动平台的复位，并保证钢丝绳始终处于拉紧状态；非工作状态下，还可通过调节气体的压力值和钢丝绳紧固器来对动平台进行调平；利用凸轮的外轮廓轨迹来模拟人的运动曲线，当须增大动平台的摆角时，只须增大凸轮的偏心距，如需模拟不同工况条件下的关节运动，只须更换不同外轮廓的凸轮即可；用于盛润滑液的溶液盆其底端封闭，可防止生物润滑液的泄漏。温控部分温控器、加热装置及温度传感器，可使溶液盆内的生物润滑剂的试验温度保持在37±1℃。利用凸轮、定滑轮、气缸及钢丝绳等传统机械部件来替代价格昂贵的进口电动缸，可有效降低试验成本及维护成本，增加试验机的适用性。另外相较于使用弹簧传动时，弹簧力不可控、不可测的特点，使用气缸传动可方便的测量出气缸的压力值，随时可进行补充和调整，且气缸固定在支撑架上，解决了弹簧传动时传动不平稳的问题。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的动平台结构俯视示意图；

图3是本发明的支撑架机构俯视示意图。

图中：1-Ⅰ内六角圆柱头螺钉，2-底板，3-TQGA.2双活塞杆气缸，4-圆形接头，5-下凸轮，6-轴承套，7-6404滚动轴承，8-球头顶销，9-轴端紧固螺钉，10- B60轴端挡圈，11-轴承顶圈，12-紧固螺母，13-步进电机，14-支撑架，15-支柱，16-联轴器，17-涡轮，18-蜗杆，19-Ⅱ内六角圆柱头螺钉，20-气缸固定块，21-LB底座，22-座套，23-推力轴承座圈，24-FB法兰， 25-六角头铰制孔用螺栓组件，26－溶液盆，27-紧固板，28-钢丝绳紧固器，29-动平台，30-Ⅰ开槽圆柱头螺钉，31-顶板，32-Ⅱ开槽圆柱头螺钉，33、34-六角头铰制孔用螺栓组件，35-Ⅰ紧定螺钉，36-圆柱定位销，37-液压缸，38-导向套，39-导向螺钉，40-导向滑块，41-Ⅱ紧定螺钉，42-温度控制器，43- 柱式压力传感器，44-关节臼，45-密封圈，46-关节头，47-钢丝固定轴，48-SQ78-RS杆端关节轴承，49-钢丝绳，50-连接头，51-开槽防转螺钉，52-球头座，53-球面基座，54-TQGA单作用气缸，55-Ⅰ平键，56-上凸轮，57-中凸轮，58-导气管，59-定滑轮组，60-传动轴，61-Ⅱ平键，62-六角头铰制孔用螺栓组件。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的一个实施例作进一步的描述：

本发明的气缸自复位型髋关节试验机，主要由框架、设在框架内呈三角形的动平台29、动平台29下方的传动轴60、凸轮、涡轮涡杆传动机构、支撑架14、溶液盆26、球头座52、动平台29上方的柱式压力传感器43、导向滑块40、液压缸37、钢丝绳牵引装置、气压传动装置等部件构成。框架内设有支撑架14，支撑架14为Y型结构，支撑架14内设有上下两端别固定在支撑架14与底板2上的传动轴60，传动轴60上依次设有下下凸轮5、涡轮17、中凸轮57、上凸轮56，传动轴60的两端设有分别固定在底板2和支撑架14上的轴承座6，支撑架14的上方设有弧面轴承座，弧面轴承座由开有凹形槽的座套22、与座套22的凹形槽过渡配合的推力轴承座圈23构成。弧面轴承座上设有与其弧面相吻合的球面基座53，球面基座53上设有溶液盆26，溶液盆26为底端封闭的阶梯结构，溶液盆26内设有嵌装在球面基座53内的关节头球头座52，溶液盆26上设有与其盆缘相固定的动平台29，所述的动平台29通过钢丝绳牵引装置和气压传动装置分别与三个凸轮5、57、56相连；所述的钢丝绳牵引装置包括固定在动平台29角端的钢丝绳紧固器28、钢丝绳49、竖直固定在支撑架14外壁上的定滑轮组59，钢丝绳49通过定滑轮组59改变传动方向，其左端通过钢丝绳紧固器28连接在动平台29上，右端通过圆形接头4连接在TQGA.2双活塞杆气缸3的左伸出杆上。所述的气压传动装置包括固定在支撑架14顶部的TQGA单作用气缸54、固定在支撑架14侧壁的TQGA.2双活塞杆气缸3，TQGA单作用气缸54通过SQ78-RS杆端关节轴承48与动平台29连接固定，所述的动平台29为正三角形板式结构。TQGA.2双活塞杆气缸3的进气口通过导气管58与TQGA单作用气缸54下端进气口相联，TQGA.2双活塞杆气缸3的右伸出杆在气压的作用下始终压紧在三个凸轮5、57、56的外轮廓上，TQGA单作用气缸54在气压的作用下完成动平台29的复位，并保证钢丝绳49始终处于拉紧状态。所述的顶板31上设有与液压系统相连的液压缸37，液压缸37的活塞杆穿过顶板31，其上设有导向滑块40和扣在关节头46上的关节臼44，导向滑块30与关节臼44之间设有MCL-Z5柱式压力传感器43；顶板31上设有控制溶液盆26内温度的温度控制器42；底板2上设有顶在传动轴60上的球头顶销8。框架由顶板31、底板2以及通过Ⅰ内六角圆柱头螺钉1连接在顶、底板之间的支柱15构成。顶板31上设有控制溶液盆26内温度的温度控制器42,可使溶液盆内的生物润滑剂的试验温度保持在37±1℃；顶板31中部设有通过六角头铰制孔用螺栓组件34与液压系统相连的液压缸37，液压缸37的活塞杆穿过顶板31，其上设有导向滑块40和扣在关节头46上的关节臼44，导向滑块40与关节臼44之间设有型号为MCL-Z5的柱式压力传感器43，柱式压力传感器43的两端分别通过Ⅱ紧定螺钉41与关节臼44和导向滑块40相固定，导向滑块40与液压缸37外部设有导向套38，导向套38外壁上设有导向螺钉39，导向滑块40外壁上开有与导向螺钉39头相配合的导向槽；液压缸37通过六角头铰制孔用螺栓34固定在顶板31上，液压缸37的伸出端与导向滑块40以螺纹连接，Ⅰ紧定螺钉35固定导向套38，起到防转作用，导向套38通过阶梯孔及圆柱定位销36固定在顶板31上，导向螺钉39固定在导向套38的侧壁上，与导向滑块40侧壁上的导槽一起完成液压缸37伸出端的导向功能。涡轮涡杆传动机构主要由步进电机13、与电机13相连的联轴器16、与联轴器16相连的涡杆18和涡轮17构成。支撑架14用螺钉固定在框架的底板2上，支撑架14内设有立式传动轴60，传动轴60上依次设有下凸轮5、涡轮17、中凸轮57、上凸轮56、上、下两端分别连接有6404滚动轴承7；涡轮17和中凸轮57以Ⅰ平键55、轴肩端面以及两端设置的紧固螺母12固定在传动轴60上，上凸轮56和下凸轮5以Ⅱ平键61、轴肩端面以及两端设置的轴承顶圈11固定在传动轴60上；6404滚动轴承7通过轴端紧固螺钉9、B60轴端挡圈10以及设在下凸轮5的下端和上凸轮56的上端的轴承顶圈11安放在轴承座6内，轴承座6通过螺钉分别固定在支撑架14的下表面和底板2上，底板2上设有顶在转动轴60上的球头顶销8，起辅助支撑作用。支撑架14的上方设有弧面轴承座，弧面轴承座由开有凹形槽的座套22、与座套22的凹形槽过渡配合的推力轴承座圈23构成。推力轴承座圈23上设有与其弧面相吻合的球面基座53，球面基座53上设有溶液盆26，球面基座53与溶液盆26之间以紧固板27连接固定，溶液盆26为底端封闭的阶梯结构，可有效防止实验过程中组织液的泄漏，球头座52嵌装在溶液盆26内，以Ⅱ开槽圆柱头螺钉32连接固定，关节头46嵌装在球头座52内，其侧壁上的开槽防转螺钉51起到防转作用，球面基座53与推力轴承座圈23滑动配合，同时，关节头46的球心与球面基座53的外球面球心在同一位置，以保证在工作过程中，液压缸37施加的载荷正好通过关节头46的球心，且在非竖直方向上载荷为零。溶液盆26上设有通过六角头铰制孔用螺栓组件33与其端面相固定的动平台29，溶液盆26与动平台29接触面设有密封圈45，动平台29为正三角形板式结构，三个顶角分别开有双向T型槽。动平台29的三个双向T型槽内设有分别与上、中、下3个凸轮相连接的钢丝绳牵引装置，钢丝绳牵引装置包括分别固定在动平台29的三个双向T型槽内的钢丝固定轴47、固定在动平台29底部的钢丝绳紧固器28、钢丝绳49以及固定在支撑架14外侧的定滑轮组59，钢丝绳49一端通过钢丝固定轴47固定在双向T型槽中，可实现钢丝绳49的快速拆卸，另一端通过圆型接头4与气压传动装置中TQGA.2双活塞杆气缸3的左伸出杆相连。气压传动装置的连接孔在动平台29上均匀布置，气压传动装置包括经六角头铰制孔用螺栓组件25固定在支撑架14顶部的TQGA单作用气缸54、固定在支撑架14侧壁的TQGA.2双活塞杆气缸3，TQGA单作用气缸54通过FB法兰24以六角头铰制孔用螺栓25固定在支撑架14上，TQGA.2双活塞杆气缸3通过LB底座21、气缸固定块20以Ⅱ内六角圆柱头螺钉19固定在支撑架14的外壁上，气缸固定块20通过六角头铰制孔用螺栓组件62与TQGA.2双活塞杆气缸3相固定，TQGA单作用气缸54通过连接头50、Ⅰ开槽圆柱头螺钉30以及SQ78-RS杆端关节轴承48与动平台29连接固定，TQGA.2双活塞杆气缸3的左伸出杆通过圆形接头4与凸轮外轮廓相连，TQGA.2双活塞杆气缸3的左端进气口通过导气管58与其对应的TQGA单作用气缸54下端进气口相联，并通入压缩气体，TQGA.2双活塞杆气缸3右端气压以及TQGA单作用气缸54上端气压均为0。蜗杆18通过联轴器16与步进电机13相连，步进电机13即可带动上、中、下三个凸轮以相同的速率转动。当凸轮转动时，以中凸轮57为例，TQGA.2双活塞杆气缸3的活塞在气压的作用下向右运动，右伸出杆的通过圆型接头4始终压紧在三个凸轮5、57、56的外轮廓上，由于钢丝绳49作用在动平台29上的力矩大于TQGA单作用气缸54作用在动平台29上的力矩，左伸出杆通过圆型接头及钢丝绳49可带动动平台29向下运动，TQGA单作用气缸54活塞向下运动，TQGA.2双活塞杆气缸3左端压力增大，进一步迫使TQGA.2双活塞杆气缸3右伸出杆通过圆型接头4压紧在三个凸轮5、57、56的外轮廓上，当凸轮继续转动时，TQGA.2双活塞杆气缸3的活塞在凸轮轮廓的作用下向左运动，TQGA单作用气缸54活塞在气压的作用向上运动，完成动平台29的复位，由于TQGA单作用气缸54的作用点在动平台29的中部，根据比例关系可知，钢丝绳49能始终处于拉紧状态。在三套钢丝绳牵引装置和气压传动装置的共同作用下，凸轮的转动便可带动动平台29实现交叉状多向复合运动。非工作状态下，还可通过调节气体的压力值和钢丝绳紧固器28来对动平台进行调平，凸轮的外轮廓可根据实际要求的运动轨迹进行加工，当须增大动平台29的摆角时，只须增大凸轮的偏心距，在模拟不同工况条件下的关节运动时，只须更换不同外轮廓的凸轮。溶液盆26为底端封闭的阶梯结构，可有效防止实验过程中组织液的泄漏。

Claims

1. 一种气缸自复位型髋关节试验机，包括由顶板（31）、底板（2）和连接在顶、底板之间的支柱（15）构成的框架，框架内设有支撑架（14），支撑架（14）内设有上下两端别固定在支撑架（14）与底板（2）上的传动轴（60），传动轴（60）上依次设有下下凸轮（5）、涡轮（17）、中凸轮（57）、上凸轮（56），传动轴（60）的两端设有分别固定在底板（2）和支撑架（14）上的轴承座（6），支撑架（14）的上方设有弧面轴承座，弧面轴承座上设有与其弧面相吻合的球面基座（53），球面基座（53）上设有溶液盆（26），溶液盆（26）内设有嵌装在球面基座（53）内的关节头球头座（52），溶液盆（26）上设有与其盆缘相固定的动平台（29），其特征在于：所述的动平台（29）通过钢丝绳牵引装置和气压传动装置分别与三个凸轮（5、57、56）相连；所述的顶板（31）上设有与液压系统相连的液压缸（37），液压缸（37）的活塞杆穿过顶板（31），其上设有导向滑块（40）和扣在关节头（46）上的关节臼（44），导向滑块（30）与关节臼（44）之间设有MCL-Z5柱式压力传感器（43）；顶板（31）上设有控制溶液盆（26）内温度的温度控制器（42）；底板（2）上设有顶在传动轴（60）上的球头顶销（8）。

2.根据权利要求1所述的气缸自复位型髋关节试验机，其特征在于：所述的弧面轴承座由开有凹形槽的座套（22）、与座套（22）的凹形槽过渡配合的推力轴承座圈（23）构成。

3.根据权利要求1所述的气缸自复位型髋关节试验机，其特征在于：所述的钢丝绳牵引装置包括固定在动平台（29）角端的钢丝绳紧固器（28）、钢丝绳（49）、竖直固定在支撑架（14）外壁上的定滑轮组（59），钢丝绳（49）通过定滑轮组（59）改变传动方向，其左端通过钢丝绳紧固器（28）连接在动平台（29）上，右端通过圆形接头（4）连接在TQGA.2双活塞杆气缸（3）的左伸出杆上。

4.根据权利要求1所述的气缸自复位型髋关节试验机，其特征在于：所述的气压传动装置包括固定在支撑架（14）顶部的TQGA单作用气缸（54）、固定在支撑架（14）侧壁的TQGA.2双活塞杆气缸（3），TQGA单作用气缸（54）通过SQ78-RS杆端关节轴承（48）与动平台（29）连接固定，TQGA.2双活塞杆气缸（3）的进气口通过导气管（58）与TQGA单作用气缸（54）下端进气口相联，TQGA.2双活塞杆气缸（3）的右伸出杆在气压的作用下始终压紧在三个凸轮（5、57、56）的外轮廓上，TQGA单作用气缸（54）在气压的作用下完成动平台（29）的复位，并保证钢丝绳（49）始终处于拉紧状态。

5.根据权利要求1所述的气缸自复位型髋关节试验机，其特征在于：所述的支撑架（14）为Y型结构。

6.根据权利要求1所述的气缸自复位型髋关节试验机，其特征在于：所述的动平台（29）为正三角形板式结构。

7.根据权利要求1所述的气缸自复位型髋关节试验机，其特征在于：所述的溶液盆（26）为底端封闭的阶梯结构。