CN102589998A - 并联式仿生髋关节摩擦磨损试验机 - Google Patents

Abstract

一种并联式仿生髋关节摩擦磨损试验机，采用并联式结构，具有四个或四个以上的运动自由度，含有三个转动自由度和一个平动自由度；定平台上均布有多个定平台球铰链与对应主动支链的下端链接；动平台上均布有多个动平台球铰链与对应主动支链的上端链接；支撑柱固定在定平台上；定平台内的铰链安装半径与动平台内铰链安装半径的比值范围为1.3到1.8；主动支链采用直线致动器；座圈、球头基座的球面中心与上关节窝的球面中心三心重合；支撑柱的轴心通过球头基座的球面球心；加载装置提供试验加载力，垂直加载；压力传感器测量试验加载力的大小。本发明具有精度高、承载能力大、刚度高、结构简单和控制方式灵活等优点。

Description

并联式仿生髋关节摩擦磨损试验机

技术领域

本发明涉及一种摩擦磨损试验机，尤其是一种并联式仿生髋关节摩擦磨损试验机，属于仪器科学或仿生机器人领域。

背景技术

人工关节是一类重要的人体替换器官，它是模拟人体关节而制成的植入性假体，以代替病变或损伤的关节并恢复其功能。人工关节包括髋、膝、肩、肘、腕、踝等关节，其中以髋关节和膝关节为主。人工关节的磨损, 尤其是人工髋关节的磨损, 是一个重要的临床问题。人工关节的磨损不仅能造成关节假体本身的破坏而引起机械性失效, 还会产生大量磨损颗粒诱导假体周围骨溶解。在评价人工关节的副生物材料的摩擦磨损特性，以及验证理论计算结果与实际的吻合程度时往往需进行摩擦学试验。而摩擦学试验的结果在很大程度上受到试验设备的影响。因此，所选用试验机的主要性能应尽力模拟实际工况条件的特点，如偶件接触方式、运动状态、载荷、速度、温度及环境介质等。近年来, 研究者相继开发了关节模拟试验装置, 采用销一盘磨损实验、环一盘磨损实验、四球磨损实验以及块环磨损实验等, 但试验设备由于结构限制无法进行全尺寸关节副摩擦磨损试验, 而且在试件偶副接触方式提供的运动形式以及载荷性质上, 都与关节的实际工况相距甚远，这将导致实际人体髋关节与试验机的运动机理不相同。因此，应重新规划人工髋关节试验机的模拟运动轨迹，使之尽可能的模拟实际人体髋关节的运动特性，根据实际人体的接触力学特性，使人工髋关节试验机具有变载荷加载功能，并正确调整加载方向，使之尽可能的模拟实际人体髋关节的动力特性，要求新的模拟试验机在实验室环境中能够更真实地模拟人体髋关节的运动情况及运动环境，为不同髋关节假体材料的临床应用提供较为准确可靠的试验数据。

发明内容

技术问题：本发明的目的是要克服已有技术中的不足之处，提供一种结构紧凑、安装方便、测试效果好的并联式仿生髋关节摩擦磨损试验机。

技术方案：本发明的并联式仿生髋关节摩擦磨损试验机，包括定平台、设在定平台中部的支撑柱，支撑柱周围均布有三个定平台球铰链，定平台的两侧对角上对称设有立柱，立柱上设有横梁，横梁上开有中心线与支撑柱轴心线相重合的通孔，通孔内设有导向套，导向套上方设有固定在横梁上的立式液压缸，立式液压缸的活塞杆经导向套穿过横梁，导向套内设有与活塞杆相连作垂直运动的导向块；导向块的下部设有压力传感器，压力传感器的下部设有上关节窝或上关节头；支撑柱的顶部设有座圈，座圈上设有球头基座，球头基座上倾斜设有与上关节窝相配合的下关节头或设有与上关节头相配合的斜面下关节窝，所述的下关节头经与其锥面自锁连接的安装螺栓倾斜角度α设置在球头基座上；所述球头基座与座圈的相对摆角为γ；球头基座的外缘上设有关节窝基体，关节窝基体上设有动平台，关节窝基体的轴线与动平台相垂直；动平台的底面设有与三个定平台球铰链位置相对应的三个动平台球铰链，三个定平台球铰链与三个动平台球铰链之间倾斜设有主动支链。

所述的座圈与支撑柱紧密配合；所述的关节窝基体与动平台固连；所述的安装螺栓上设有防松螺母；所述的支撑柱上端安装座圈的端面上设有多个拆卸孔；所述的安装螺栓倾斜角度α为25°～35°；所述球头基座与座圈的相对摆角γ为40°～60°；所述三个动平台球铰链的中心距小于三个定平台球铰链的中心距。

有益效果：本发明以人体关节构型为基准，从结构仿生、运动仿生和功能仿生角度出发，以多个自由度并联仿生机构代替人体髋关节，以多个驱动支链的运动模拟人腿肌肉群的驱动功能；人体的髋关节是典型的球面副结构，其中上关节窝与下关节头配合构成球面副相当于人体的股骨头与髋臼窝构成的髋关节。支撑柱的高度调节可方便试件的安装和拆卸，以及试件中心的调高，同时起到使主动支链卸载和提高机构整体刚度的作用。由于并联仿生髋关节试验机可实现多种运动轨迹以及动力加载的模拟，选择确定机构模拟其在人体中的位置、姿态，可使其输出空间的形状、位置完全覆盖人体股骨腿杆的实际运动范围。采用并联式结构具有高精度、高速以及承载能力大等优点，既提高了仿生试验机的驱动能力和操作能力，又使仿生髋关节试验机的运动更加快速、灵活、平滑连续，更加接近人体髋关节运动的实际情况。具有如下优点：

（1）试验机采用并联式机构，具有的刚度大、结构更加稳定；承载能力强、运动惯性小；位姿逆解求解较易，利于反馈控制；试验机结构更紧凑，为实现模块化、系列化、标准化打下基础。

（2）试验机采用4自由度或者5自由度或者6自由度并联机构作为主体部件，与6自由度以上的并联机构相比具有结构简单、驱动元件少、控制比较容易、造价低、结构紧凑等优点，具有较高的实用价值，应用前景广阔。

（3）试验机采用并联仿生机构可实现多种运动轨迹以及动力加载的模拟，运动灵活、快速、平滑连续，输出空间的形状、位置可完全覆盖人体股骨腿杆的实际运动范围，较好的反映髋关节在跑步、散步以及其它一些运动方式中的相应生物运动学与动力学特性。

（4）试验机的运动环节少，加工安装误差不会出现积累，模拟运动误差小；整台试验机模块化设计，将试验机分为四个模块，可根据需要选用相应的模块进行组装，功能切换方便，模块在试验机底板上的结构布置合理，易于加工，安装方便。

附图说明

图1并联式仿生髋关节摩擦磨损试验机的结构图。

图2 关节头在上关节窝在下的加载方式示意图。

图3 关节窝在上关节头在下的加载方式示意图。

图中：1.定平台，2.定平台球铰链，3.立柱，4.主动支链，5.座圈，6.球头基座，7.关节窝基体，8.动平台球铰链，9.动平台，10.横梁，11. 立式液压缸，12.导向套，13.导向块，14.压力传感器，15.上关节窝，16.下关节头，17.防松螺母，18.安装螺栓，19支撑柱，20.上关节头，21.下关节窝。

具体实施方式

下面结合附图对发明的一个实施例作进一步的描述：

实施例一、

如图1所示，本发明的并联式仿生髋关节摩擦磨损试验机，主要由定平台1、动平台9、主动支链4和承载部件四部分组成。定平台1的中部设有支撑柱19，支撑柱19的尾端与定平台1固连为一体，支撑柱19的轴线与定平台1平面垂直，支撑柱19主要起承受压力的作用。支撑柱19周围均布有三个定平台球铰链2，定平台1的两侧对角上对称设有立柱3，立柱3上设有横梁10，横梁10上开有中心线与支撑柱19轴心线相重合的通孔，通孔内设有导向套12，导向套12上方设有固定在横梁10上的立式液压缸11，立式液压缸11的活塞杆经导向套12穿过横梁10，导向套12内设有与活塞杆相连作垂直运动的导向块13；导向块13的下部设有压力传感器14，压力传感器14的下部设有上关节窝15；支撑柱19的顶部设有座圈5，所述的支撑柱19固定在定平台1上，支撑柱19上端安装平面与支撑柱19其的轴线垂直，座圈5安装孔的轴线与支撑柱19的轴线重合。所述的支撑柱19的轴心通过座圈5和球头基座6的球心；座圈5安装在支撑柱19上端的安装孔内，两者采用紧配合连接，并辅助一定的防松措施，如在两者结合面处打防松顶丝等。支撑柱19上端安装平面上布置有4个拆卸孔。座圈5与支撑柱19紧密配合，支撑柱19安装座圈5的端面上设有多个拆卸孔。座圈5上设有球头基座6，球头基座6与座圈5相接触，构成转动副，两者摩擦接触面都为球面，并且两者的球面半径相同；球头基座6与座圈5的相对摆角为40°~60°，具体值根据动平台9的实际所需翻转角确定。球头基座6上倾斜设有与上关节窝15相配合的下关节头16，下关节头16通过锥面与安装螺栓18连接，安装螺栓18通过螺纹与球头基座6连接，并采用防松螺母17紧固，如图2所示。压力传感器14连接上关节窝15和下关节头16构成球面副进行加载，主动支链4按照预定的运动规律运动，三根主动支链驱动动平台9围绕其中心点作翻转与扭转运动，从而动平台9带动下关节头16围绕上关节窝15的球心作相对摩擦运动，从而模拟人体髋关节运动。所述的下关节头16经与其锥面自锁连接的安装螺栓18倾斜角度α设置在球头基座6上；所述的座圈5和球头基座6相接触，并且两者的球面球心重合；所述的球头基座6与座圈5相对摩擦表面由耐磨材料制成，如表面镀硬铬；座圈5采用偏软材料，如锡青铜，作为损耗件。基座6与座圈5构成球面运动副。球头基座6与座圈5的相对摆角γ为40°～60°；安装螺栓18倾斜角度α为25°～35°。球头基座6的外缘上设有关节窝基体7，关节窝基体7上设有动平台9，关节窝基体7与动平台9固连。关节窝基体7与球头基座6连接，关节窝基体7的轴心线通过球头基座6球面的球心。关节窝基体7与动平台9形成不动连接，关节窝基体7的轴线垂直于动平台9平面。关节窝基体7的轴线与动平台9相垂直；动平台9的底面设有与三个定平台球铰链2位置相对应的三个动平台球铰链8，所述三个动平台球铰链8的中心距小于三个定平台球铰链2的中心距，三个定平台球铰链2与三个动平台球铰链8之间倾斜设有主动支链4。主动支链4通过定平台球铰链2与定平台1连接，定平台球铰链2采用单伸出杆的球头关节轴承，其最大摆角范围为-40°~+40°。定平台球铰链2围绕支撑柱19的轴线均布，相邻两铰链之间的夹角为120°，定平台1上加工出的定平台球铰链2安装孔的轴线与竖直方向的夹角为5°~10°。主动支链4的尾端与定平台球铰链2用螺纹连接，并采用一定的防松措施，定平台球铰链2伸出杆的轴线与相应主动支链4的轴线重合。主动支链4采用电动驱动或液压或气动驱动，其伸出杆头部分别与动平台球铰链8的杆端连接，主动支链4的轴线与对应动平台球铰链8杆端的轴线重合。三个动平台球铰链8与动平台9连接，三个球铰链在动平台9上围绕平台中心均匀分布，动平台球铰链8在动平台9上的安装位置加工成沉孔或凸台，沉孔的轴线或凸台的平面法线与动平台9的平面法线之间的夹角为0°~10°。定平台1与动平台9上的球铰链安装半径比值为1.3~1.8，根据动平台所需的实际翻转角度确定，比值越大动平台翻转角度越大。动平台球铰链8的球头中心与上关节窝15的中心在同一平面内，座圈5的球面球心、球头基座6的球面球心与上关节窝15的球心在同一点。定平台1分别通过多个铰链和对应主动支链4的下端链接；动平台9分别通过多个铰链和对应主动支链4的下端链接；支撑柱19固定在定平台1上；座圈5与支撑柱19上端安装孔紧密配合；关节窝基体7与球头基座6连接；关节窝基体7与动平台9固连；下关节头16与上关节窝15配合构成球面副。所述的动平台上多个铰链的安装平面与关节窝的球面中心在同一个平面内；所述的球头基座9的球面中心与关节窝的球面中心重合；所述的定平台1上铰链的安装半径和动平台9内铰链安装半径的比值范围为1.3~1.8；所述的主动支链4采用直线致动器。所述动平台9上动平台球铰链8的安装平面与动平台9平面的夹角为0～30°；定平台1上的定平台球铰链2的安装平面与定平台1平面的夹角为0～30°。

实施例2、

与实施例1基本相同，相同之处略，不同之处是压力传感器14的下部设有上关节头20；球头基座6上倾斜设有与上关节头20相配合的斜面下关节窝21，如图3所示。将下关节窝21安装在球头基座6上，下关节窝21的斜面与球头基座6平面之间夹角β为30°。上关节头20通过锥面与压力传感器14连接。下关节窝21的球面球心与动平台球铰链8的球头球心在同一个平面内，并且下关节窝21的球面球心与球头基座6的球面球心重合。

Claims (8)

1.一种并联式仿生髋关节摩擦磨损试验机，其特征在于：它包括定平台（1）、设在定平台（1）中部的支撑柱（19），支撑柱（19）周围均布有三个定平台球铰链（2），定平台（1）的两侧对角上对称设有立柱（3），立柱（3）上设有横梁（10），横梁（10）上开有中心线与支撑柱（19）轴心线相重合的通孔，通孔内设有导向套（12），导向套（12）上方设有固定在横梁（10）上的立式液压缸（11），立式液压缸（11）的活塞杆经导向套（12）穿过横梁（10），导向套（12）内设有与活塞杆相连作垂直运动的导向块（13）；导向块（13）的下部设有压力传感器（14），压力传感器（14）的下部设有上关节窝（15）或上关节头（20）；支撑柱（19）的顶部设有座圈（5），座圈（5）上设有球头基座（6），球头基座（6）上倾斜设有与上关节窝（15）相配合的下关节头（16）或设有与上关节头（20）相配合的斜面下关节窝（21），所述的下关节头（16）经与其锥面自锁连接的安装螺栓（18）倾斜角度α设置在球头基座（6）上；所述球头基座（6）与座圈（5）的相对摆角为γ；球头基座（6）的外缘上设有关节窝基体（7），关节窝基体（7）上设有动平台（9），关节窝基体（7）的轴线与动平台（9）相垂直；动平台（9）的底面设有与三个定平台球铰链（2）位置相对应的三个动平台球铰链（8），三个定平台球铰链（2）与三个动平台球铰链（8）之间倾斜设有主动支链（4）。

2.根据权利要求1所述的并联式仿生髋关节摩擦磨损试验机，其特征在于：所述的座圈（5）与支撑柱（19）紧密配合。

3.根据权利要求1所述的并联式仿生髋关节摩擦磨损试验机，其特征在于：所述的关节窝基体（7）与动平台（9）固连。

4.根据权利要求1所述的并联式仿生髋关节摩擦磨损试验机，其特征在于：所述的安装螺栓（18）上设有防松螺母（17）。

5.根据权利要求1所述的并联式仿生髋关节摩擦磨损试验机，其特征在于：所述的支撑柱（19）安装座圈（5）的端面上设有多个拆卸孔。

6.根据权利要求1所述的并联式仿生髋关节摩擦磨损试验机，其特征在于：所述的安装螺栓（18）倾斜角度α为25°～35°。

7.根据权利要求1所述的并联式仿生髋关节摩擦磨损试验机，其特征在于：所述球头基座（6）与座圈（5）的相对摆角γ为40°～60°。

8.根据权利要求1所述的并联式仿生髋关节摩擦磨损试验机，其特征在于：所述三个动平台球铰链（8）的中心距小于三个定平台球铰链（2）的中心距。

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