CN102680344A - 六自由度并联与摆动导杆机构组合膝关节置换假体磨损机 - Google Patents

Abstract

六自由度并联与摆动导杆机构组合膝关节置换假体磨损机，它由右部件、左部件及底座组成，右部件在本磨损机右侧，是驱动结构；左部件在本磨损机左侧，是执行结构；右部件里的飞轮，通过连接件与左部件里的滑块、导杆相连接，右部件和左部件都安装固定在底座上。本发明克服了现有技术的不足，能实现模拟人体膝关节运动特性的膝关节假体磨损测试，用于假体关节面磨损预测的检测及新假体形面的磨损测试，为全膝关节置换手术提供技术与数据。它在生物医学以及医疗器械制造领域里具有较好的实用价值和广阔的应用前景。

Description

六自由度并联与摆动导杆机构组合膝关节置换假体磨损机

技术领域：

本发明涉及一种六自由度并联与摆动导杆机构组合膝关节置换假体磨损机，属于生物医学以及医疗器械制造领域。

背景技术：

膝关节是人体中最大、最重要、最复杂的关节，它起着支撑体重，平衡、传递及协调运动的作用；同时，还具有关节润滑与轻度损伤修复作用。但因膝关节的外裸性极易损伤。损伤后的关节通过全膝关节置换手术恢复膝关节功能。

膝关节损伤人群来自疲劳损伤（老年人）、交通事故、极限运动及自然灾害（例如：地震、飓风等）等。现代化进程及较优越生活，促使社会的老龄化，交通繁忙及自然灾害，引起交通及天然事故发生频繁，都促使关节置换人群增长迅速，导致膝关节假体制造业及全膝置换手术逐渐成为社会关注的焦点问题，同时，也成为国民经济的新增长点。但术后含膝假体的使用状况却不尽如意。由膝关节置换术后的随访调查表明：术后假体磨损导致植入假体失效造成二次手术、假体磨损产生关节失稳及假体磨屑堵塞关节软骨组织细胞，引起其它类的关节疾病。由此，术后假体的磨损问题成为关节假体制造与应用领域的亟待解决的关键问题。

与广阔的市场及迫切需求不相适应的是国内没有膝关节假体磨损检测的成型设备，也缺乏假体磨损测试实验器械，对假体磨损的研究也不广泛，因此，本申请应用六自由度并联与摆动导杆机构组合设计出膝关节置换假体磨损机，能模拟人体关节伸屈运动的旋转、翻转及位移运动及关节面间的运动磨损，目标是实现胫骨假体聚乙烯衬垫的磨损测试，为假体关节面间的磨损实验及新假体形面的磨损性能提供实验器械。

发明内容

1、目的：本发明的目的是为了提供一种六自由度并联与摆动导杆机构组合膝关节置换假体磨损机，它克服了现有技术的不足，能实现模拟人体膝关节运动特性的膝关节假体磨损测试，用于假体关节面磨损预测的检测及新假体形面的磨损测试。为全膝关节置换手术提供技术与数据。

2、技术方案：为了达到上述目的，本发明是这样构思的：并联机构具有刚度大，承载能力强，精度高，结构简洁，累积误差小等优势。利用六自由度并联机构动平台可以模拟实现人体膝关节股骨在运动屈曲的过程中，胫骨相对于股骨作内旋、外旋、内翻、外翻、前移、后移等复杂的动作。同时利用摆动导杆机构把电机的回转运动转化为摆动运动，以驱动股骨作屈曲运动，这样通过设定初始参数，以实现股骨、胫骨运动耦合，达到同步协调运动的目的。

本发明一种六自由度并联与摆动导杆机构组合膝关节置换假体磨损机，它由右部件、左部件及底座组成，它们之间的位置连接关系是：右部件在本磨损机右侧，是本发明的驱动结构；左部件在本磨损机左侧，是本发明的执行结构；右部件里的可调曲柄——即飞轮，通过连接件与左部件里的滑块、导杆相连接，右部件和左部件都安装固定在底座上。

所述右部件，见图1，包含电机、电机减速器、电机支撑平台和飞轮；它们之间的位置连接关系是：电机与电机减速器同心连接并固定在电机支撑平台上，飞轮的圆柱凸台端安装在电机减速器的输出轴上。该电机是是底脚安装型齿轮减速三相异步电动机；该电机减速器型号是YCJ120-170-B3；该电机支撑平台是由型材制成的丌字型的金属结构支架；该飞轮是带圆柱凸台的圆盘状件。

所述左部件，见图1，包含支撑架、液压缸、上、下球铰、球铰盖板、球铰底座、液压缸连接板、长轴、配重、动平台、股骨楔块、胫骨平台锅、导杆和滑块；它们之间的位置连接关系是：股骨楔块设置在长轴中部，配重安装在长轴上并位于股骨楔块两侧，导杆和滑块套接并装在长轴的右端部位，长轴穿过两支撑架，而支撑架固定在底座上；胫骨平台锅置于股骨楔块的下方，胫骨平台锅下面与动平台上平面连接，动平台下平面通过螺栓、螺母与球铰底座连接，球铰底座下面依照次序是球铰盖板、上球铰、液压缸、液压缸连接板、下球铰、球铰盖板、球铰底座和底座，它们通过螺栓、螺母，彼此相连。该支撑架是由型材制成的倒T字型的金属结构支架；该液压缸是SMC公司生产的型号为CHN液压缸；该上、下球铰是按需选购的市购件；该球铰盖板是与上、下球铰配套使用的法兰盘状件；该球铰底座是与球铰盖板配套使用的两端带法兰盘状件；该液压缸连接板是与液压缸配套使用的凹形金属结构件；该长轴是其上开有键槽的普通台阶轴；该配重是其上设置有安装孔的“8”字形金属块，如图13所示；该动平台是一块其上设置有连接孔的圆形板料；该股骨楔块是其上设置有连接孔和沟槽的六面体件；该胫骨平台锅是带底板的圆环状件，由上而下依次包含股骨假体、胫骨聚乙烯衬垫、胫骨平台和胫骨平台锅固定板；其通过螺钉固定在动平台上平面，锅内可以加入类似于人体内环境的关节液或是润滑液；该股骨假体、胫骨聚乙烯衬垫以及胫骨平台是北京市春立正达医疗器械股份有限公司生产的T-Free膝关节假体产品；该胫骨平台锅固定板是L形状连接件；该导杆是一端设置有安装孔的普通圆轴；该滑块是其内安装有四排滚珠的四面体件，滑块是由上半滑块、下半滑块、滑块挡板和螺钉组合而成。

所述底座是一块矩形板料。

其中，在底座上，加工六个圆形凹槽，这六个圆形凹槽成对称分布，每个圆形凹槽加工三个螺纹孔，用以固定球铰底座，其特征在于，六个圆形凹槽对称分布在圆周上，如图9所示，两两圆形凹槽对称轴成120度夹角。同时在底座上加工出支撑架、电机支撑平台凹槽以及相应的螺纹孔，以固定支撑架和电机支撑平台。

其中，球铰底座安装在底座1上，其特征在于，球铰底座与水平面之间成60度夹角，为了使球铰活动空间范围更大，如图10所示，球铰底座轴线与球铰的轴线重合。球铰能够沿球铰底座轴线顶角为60度的圆锥体范围内活动。球铰底座与动平台6的安装固定则与其和底座安装的方向相反，使得动平台在初始位置能与底座保持平行。上下球铰则分别与相应的球铰底座相连，并且用球铰盖板固定球铰。将SMC公司生产的CHN液压缸连接在两球铰上，此液压缸内径为32mm，能够提供7MPa压力。

其中，将胫骨平台锅通过胫骨平台锅支架板及螺钉固定在动平台上，这样能够使胫骨平台锅随着动平台实现空间六自由度运动、即胫骨相对股骨的内旋、外旋、内翻、外翻、前移、后移等运动特性。

其中，将配重块5固定在长轴的两侧，其特征在于配重块制成下粗上细的“8”字形结构，以模拟膝关节承受的载荷，使力能够更好的加载于股骨与胫骨平台接触面上，股骨屈曲摆动更稳定，并且配重可以根据需要选择不同的重量，可调范围在400-1600N。

其中，股骨的摆动通过电机驱动实现。其特征在于使用摆动导杆机构可以把电动机的回转运动转化为股骨的摆动，即屈曲运动，使整个装置结构更加紧凑。其特征也在于摆动导杆机构的曲柄由于较短，为了便于安装和制造及电机回转过程稳定，将曲柄制成飞轮（圆形可调曲柄）形式，并且在预定范围内可以调节股骨屈曲的角度。

其中，摆动导杆机构的关键部件滑块，它是连接飞轮及导杆的装置。滑块不仅随着飞轮一起转动，它还要绕自身轴转动，并且相对导杆还有滑动。因此，滑块的设计制造要求较高。为了减少滑块滑动过程中的磨损，本发明将滑块内部设计成有滚珠的的形式，其特征在于滑块分为上下两个半部，每个半部有两排滚珠，如图7以及图8所示，通过滑块挡板将上下两个滑块半部连接在一起，这样变滑块相对于导杆的滑动摩擦为滚动摩擦，大大提高了滑块以及导杆的使用寿命，满足股骨屈曲运动500万次的要求。

3、优点及功效：本发明的有益效果如下：

1）本发明满足iso14243标准的要求，可以实现股骨屈曲运动时，胫骨相对于股骨内旋、外旋、内翻、外翻、前移、后移等运动特性，更加逼真的使假体磨损过程接近人体膝关节运动。

2）采用摆动导杆机构使整个装置更加紧凑，同时滑块能够平稳的随着飞轮一起运动，采用了内嵌滚珠结构使摩擦阻力以及磨损更小，满足500万次循环要求。

3）六自由度并联机构具有刚度大，承载能力强，精度高，结构简洁，累积误差小等优点，主动自由度较多，便于实现控制。

4）胫骨平台锅内可以放入类似于人体内环境的关节液、润滑液等，使磨损的环境更加接近真实情况。

5）能够较准确的预测假体磨损情况，为膝关节假体的设计制造及材料选择提供依据。

附图说明

图1.本发明一种六自由度并联与摆动导杆机构组合膝关节置换假体磨损机结构示意图：

图2.本发明球铰底座、球铰以及液压缸安装爆炸图：

图3.本发明动平台与胫骨平台锅安装示意图：

图4.本发明支架、配重与轴安装爆炸图：

图5.本发明支架、长轴与导杆安装爆炸图：

图6.本发明电机与摆动导杆机构安装爆炸图：

图7.本发明摆动导杆机构滑块示意图：

图8.本发明摆动导杆机构滑块爆炸图：

图9.本发明底座示意图：

图10.本发明球铰底座、球铰与球铰盖板爆炸图：

图11.本发明动平台仰视图：

图12.本发明胫骨平台锅俯视图；

图13.本发明配重示意图；

图14.本发明长轴左侧套筒示意图。

其中图中标号如下：

1、底座；2、支撑架；3、SMC公司生产的型号为CHN液压缸；4、长轴；5、配重；6、动平台；7、股骨楔块；8、胫骨平台锅；9、导杆；10、滑块；11、飞轮（可调曲柄）；12、电机减速器；13、电机；14、电机支撑平台；15六角头螺栓M6×20-N；16、螺母M6-N；17、球铰底座；18、六角头螺栓M6×16-N；19、垫片；20、六角头螺栓M6×30-N；21上球铰；22、垫片；23、球铰盖板；24、下球铰；25十字槽沉头螺钉；26胫骨平台锅固定板；27、胫骨平台；28、胫骨聚乙烯衬垫；29、股骨假体；30、长轴中键；31、股骨楔块挡圈；32、垫圈；33、六角头螺栓M8×25-N；34、长轴左侧套筒；35、止动垫圈；36、圆螺母M16×1.5-N；37、代号16003轴承；38、挡圈；39、长轴侧键；40、固定导杆用键；41、长轴右侧套筒；42挡圈；43、滑块轴；44、代号627轴承；45、大垫片；46、螺母M6-N；47、锁紧螺母M6-N；48、固定飞轮用键；49、六角头螺栓M4×25-N；50、滑块挡板；51、上半滑块；52、开槽盘头螺钉M4×25-25-N；53、滚珠；54、下半滑块；55、液压缸连接板；56、套筒。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明一种六自由度并联与摆动导杆机构组合膝关节置换假体磨损机的具体实施方式：

如图1所示，本发明由右部件、左部件及底座1组成，右部件是磨损机的驱动装置，在整个装置的右侧，左部件是磨损机的执行机构，在整个装置的左侧。两者通过摆动导杆机构相连，使得电机13的回转运动转化为长轴4以及股骨假体29的摆动屈曲运动。右部件和左部件都安装固定在底座1上。

对于磨损机的执行机构，具体说明如下：

球铰底座17通过六角头螺栓15与底座1中的凹槽相连，安装要求是，如图1所示，相邻两个且处于较远位置的球铰底座17相对安装。且球铰底座17设计时，其轴线与水平面的夹角为60度。下球铰24放入球铰底座17中，然后盖上球铰盖板23，用螺栓18，螺母16及垫片22把球铰盖板23与球铰底座17相固连，注意到安装完成后球铰的轴线与球铰底座17的轴线相重合，这样使得球铰运动空间更大，经计算，球铰运动空间在以顶角为60度的圆锥空间里可以自由运动。用螺栓将液压缸连接板55与下球铰24相连，然后通过六角头螺栓20、垫圈19、螺母把SMC公司生产的CHN型液压缸3与液压缸连接板55固连。然后把球铰盖板23先套在上球铰21上，接下来把上球铰21与液压缸3端部拧紧（上球铰21有螺纹孔与液压缸3端部螺纹轴相连），最后用相同的方式连接球铰上部分的底座。注意到两个球铰底座17应相对安装，如图2上、下球铰21、24与液压缸3连接的爆炸图所示。并联机构需要六个，如图2、图10所示的组成部分，并将它们分别与底座1相连，零件底座1如图9所示。然后又分别与动平台6通过六角头螺栓相连。动平台6仰视图如图11所示，将球铰底座17分别安装在动平台6相应的凹槽内。SMC公司生产的CHN型液压缸3能提供7MPa的压力，满足驱动动平台6的要求。

将动平台6安装在相应的球铰底座17上后，接下来把胫骨平台锅8安装在动平台6上，如图3所示，动平台6上加工成胫骨平台锅8底部形状的凹槽，用以定位胫骨平台锅8，同时用十字槽沉头螺钉25把胫骨平台锅固定板26连接在胫骨平台锅8上，如图3所示，三个胫骨平台锅固定板绕圆周方向成120度夹角对称分布。然后通过十字槽沉头螺钉25连接胫骨平台锅8在动平台6上。胫骨平台27安装在胫骨平台锅8内，胫骨平台锅8内加工有如胫骨平台27形状的孔，如图12所示，另外，胫骨平台锅8内加入类似于人体内环境的关节液或是润滑液，以更加真实模拟人体内环境的股骨胫骨磨损。将长轴中键30放入长轴4相应的键槽内，股骨楔块7安装在长轴4中间，通过股骨楔块挡圈31限制股骨楔块7在轴向上的移动。股骨假体29安装在股骨楔块7上，两者是过盈配合。按照股骨胫骨的安装要求，将胫骨聚乙烯衬垫28安装在胫骨平台27上，并且股骨假体29安装在胫骨聚乙烯衬垫28颗间窝内，两者应具有适当的伸屈间隙。

支撑架2如图4所示，用六角头螺栓M8×25-N 33、垫圈32将其固定在底座1相应的凹槽内，配重5安装在长轴4的两侧，并且用长轴侧键39使配重5不能相对长轴4作周向运动，挡圈38限制配重5相对长轴4作轴向运动，图13为本发明配重5的外形示意图；代号16003轴承37靠在长轴4相应的轴肩上，代号16003轴承37放入支撑架2上部的圆孔内，这样长轴4的摆动通过代号16003轴承37内外圈的相对转动来实现，从而减小摩擦磨损。长轴左侧套筒34靠在代号16003轴承37上，长轴4穿过加工在长轴左侧套筒34上的圆孔，如图14所示，通过圆螺母M16×1.5-N 36与止动垫圈35固定长轴4端部。同样的，长轴4另一侧也是通过这种方式装配的，如图5所示，所不同的是，此一侧与摆动导杆机构的导杆9相连接。导杆9孔内加工有键孔，相应的长轴4端部加工有键槽，通过键连接使导杆9与长轴4连为一体，导杆9靠在长轴右侧套筒41上，通过圆螺母M16×1.5-N 36与止动垫圈35锁紧。

对于磨损机的驱动机构，具体说明如下：

该驱动机构主要是电机13带动飞轮11旋转，通过摆动导杆机构使得长轴4作摆动运动。将电机支撑平台14固定在底座1上，如图1所示。在电机支撑平台14上加工有相应的螺纹孔，通过螺栓连接将电机13固定在电机支撑平台14上。特别要说明的是，此电机13的型号为YCJ-120-170；是底脚安装型齿轮减速三相异步电动机，额定功率为0.75kw，输出转速为61rpm，额定转矩81Nm，该电机减速器14的型号是YCJ120-170-B3。如图6所示，飞轮11中心加工有键孔，通过固定飞轮用键48与电机轴实现周向固定，端部用挡圈42限制飞轮11沿电机轴轴向运动。滑块10装配图如图7所示，其分为上下两个部分，滑块10装配图爆炸图如图8所示。滑块10分为上半滑块51和下半滑块54两个半部，每个半部有两排滚珠槽，每排槽内装有11枚滚珠53，上下半部用开槽盘头螺钉M4×25-25-N 52连接，其中上半滑块51加工有沉头孔，下半滑块54加工有螺纹孔。再用六角头螺栓M4×25-N 49把滑块挡板50固定在上下两个半部滑块上，使滑块10成为一个整体。这样就把导杆9与滑块10滑动摩擦转化为滚动摩擦，大大减少了摩擦磨损。滑块轴43与下半滑块54连接，滑块10可以绕滑块轴43转动。

如图6所示，代号627轴承44靠在滑块轴43的轴肩上，同时将代号627轴承44安装在飞轮11上开的孔内，飞轮11上的孔具有一定的长度，可以在一定范围内调节飞轮11有效曲柄的长度，进而可以调节股骨假体摆动屈曲的角度。套筒56靠在代号627轴承44上，滑块轴43端部用螺母M6-N 46以及锁紧螺母M6-N 47固定。大垫片45用于调节螺母M6-N 46与滑块轴43的预紧力。导杆9穿出滑块10，并且用如图5的方式与长轴4连接。这样该磨损机的驱动装置与执行机构就连接成一个整体了。

需要说明的是，配重5可以根据需要选择不同的质量块，根据人体对膝关节的压力，可调范围是400-1600N。根据标准iso14243，股骨屈曲角度为±30°，循环次数为500万次。

Claims (7)

1.六自由度并联与摆动导杆机构组合膝关节置换假体磨损机，其特征在于：它由右部件、左部件及底座组成，右部件在本磨损机右侧，是驱动结构；左部件在本磨损机左侧，是执行结构；右部件里的飞轮，通过连接件与左部件里的滑块、导杆相连接，右部件和左部件都安装固定在底座上；

所述右部件，包含电机、电机减速器、电机支撑平台和飞轮；电机与电机减速器同心连接并固定在电机支撑平台上，飞轮的圆柱凸台端安装在电机减速器的输出轴上；该电机是底脚安装型齿轮减速三相异步电动机；该电机减速器型号是YCJ120-170-B3；该电机支撑平台是由型材制成的丌字型的金属结构支架；该飞轮是带圆柱凸台的圆盘状件；

所述左部件，包含支撑架、液压缸、上、下球铰、球铰盖板、球铰底座、液压缸连接板、长轴、配重、动平台、股骨楔块、胫骨平台锅、导杆和滑块；股骨楔块设置在长轴中部，配重安装在长轴上并位于股骨楔块两侧，导杆和滑块套接并装在长轴的右端部位，长轴穿过两支撑架，而支撑架固定在底座上；胫骨平台锅置于股骨楔块的下方，胫骨平台锅下面与动平台上平面连接，动平台下平面通过螺栓、螺母与球铰底座连接，球铰底座下面依照次序是球铰盖板、上球铰、液压缸、液压缸连接板、下球铰、球铰盖板、球铰底座和底座，它们通过螺栓、螺母，彼此相连；该支撑架是由型材制成的倒Ｔ字型的金属结构支架；该液压缸是型号为CHN液压缸；该上、下球铰是按需选购的市购件；该球铰盖板是与上、下球铰配套使用的法兰盘状件；该球铰底座是与球铰盖板配套使用的两端带法兰盘状件；该液压缸连接板是与液压缸配套使用的凹形金属结构件；该长轴是其上开有键槽的普通台阶轴；该配重是其上设置有安装孔的“8”字形金属块；该动平台是一块其上设置有连接孔的圆形板料；该股骨楔块是其上设置有连接孔和沟槽的六面体件；该胫骨平台锅是带底板的圆环状件，由上而下依次包含股骨假体、胫骨聚乙烯衬垫、胫骨平台和胫骨平台锅固定板；其通过螺钉固定在动平台上平面，锅内加入类似于人体内环境的关节液或润滑液；该股骨假体、胫骨聚乙烯衬垫以及胫骨平台是型号为T-Free膝关节假体产品；该胫骨平台锅固定板是L形状连接件；该导杆是一端设置有安装孔的普通圆轴；该滑块是其内安装有四排滚珠的四面体件，滑块是由上半滑块、下半滑块、滑块挡板和螺钉组合而成；

所述底座是一块矩形板料。

2.根据权利要求1所述的六自由度并联与摆动导杆机构组合膝关节置换假体磨损机，其特征在于：在底座上，加工有六个圆形凹槽，六个圆形凹槽对称分布在圆周上，两两圆形凹槽对称轴成120度夹角，每个圆形凹槽设置有三个螺纹孔，用以固定球铰底座，同时在底座上加工出支撑架、电机支撑平台凹槽以及相应的螺纹孔，以固定支撑架和电机支撑平台。

3.根据权利要求1所述的六自由度并联与摆动导杆机构组合膝关节置换假体磨损机，其特征在于：球铰底座安装在底座上，并与底座水平面之间成60度夹角，球铰底座轴线与球铰的轴线重合，球铰能够沿球铰底座轴线顶角为60度的圆锥体范围内活动，球铰底座与动平台的安装固定则与其和底座安装的方向相反，使得动平台在初始位置能与底座保持平行。

4.根据权利要求1所述的六自由度并联与摆动导杆机构组合膝关节置换假体磨损机，其特征在于：将胫骨平台锅通过胫骨平台锅支架板及螺钉固定在动平台上，这样能够使胫骨平台锅随着动平台实现空间六自由度运动、即胫骨相对股骨的内旋、外旋、内翻、外翻、前移、后移运动特性。

5.根据权利要求1所述的六自由度并联与摆动导杆机构组合膝关节置换假体磨损机，其特征在于：配重块制成下粗上细的“8”字形结构固定在长轴的两侧，以模拟膝关节承受的载荷，使力能够更好的加载于股骨与胫骨平台接触面上，股骨屈曲摆动更稳定，并且配重根据需要选择不同的重量，可调范围在400-1600N。

6.根据权利要求1所述的六自由度并联与摆动导杆机构组合膝关节置换假体磨损机，其特征在于：股骨的摆动通过电机驱动实现，使用摆动导杆机构把电动机的回转运动转化为股骨的摆动，即屈曲运动，使整个装置结构更加紧凑；摆动导杆机构的曲柄由于较短，为了便于安装和制造及电机回转过程稳定，将曲柄制成飞轮形式，在预定范围内调节股骨屈曲的角度。

7.根据权利要求1所述的六自由度并联与摆动导杆机构组合膝关节置换假体磨损机，其特征在于：摆动导杆机构的滑块是连接飞轮及导杆的装置，它不仅随着飞轮一起转动，还要绕自身轴转动，并且相对导杆还有滑动；滑块分为上下两个半部，每个半部有两排滚珠，通过滑块挡板将上下两个滑块半部连接在一起，这样变滑块相对于导杆的滑动摩擦为滚动摩擦，提高了滑块以及导杆的使用寿命，满足股骨屈曲运动500万次的要求。

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