CN103971567B - 脊柱生物力学模拟试验仪 - Google Patents
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Abstract
本发明专利提供了一种脊柱生物力学模拟试验仪，包括底座及加载装置，加载装置是由多组精密的杆杆、杆轴及轴轴连接组成，其中杆杆连接主要模拟脊柱的前后、左右及上下运动，而杆轴连接可模型水平、冠状及矢状平面的运动，共六个自由度运动。该装置所有结构实现一体化，通过电脑控制伺服电极调整系统数据，减少手工操作的误差；根据各个方向的位移可快速计算出标本位移，使得力学加载及位移测量一体化。本装置均为实体结构，联系紧密，可模拟大强度的脊柱加载，为脊柱生物力学的研究提供基础。
Description
技术领域
本发明专利涉及一种脊柱生物力学模拟试验仪，特别是提供连续加载力的脊柱生物力学模拟试验仪。
背景技术
人体运动时脊柱受力方式和载荷大小可通过不同的加载方式和力的大小来模拟。过去几十年主要采用逐级加载屈曲测试，利用气压传动装置或固定负载均匀施加负载，使脊椎运动到其可承受的最大偏移处，现仍见应用在脊柱测试实验中。近年来为研究方便，经常采用纯力矩，非限制纯力矩加载的运用能够确保样本上所加载荷是沿着他的长度保持不变，贯穿加载循环始终，加载条件在脊柱中任意两相连部分都是一样的。纯力矩加载主要的优点是其允许不同脊椎结构的生物力学特性之间公平的比较。传统力学测试往往用配有传动器的滑轮或者利用重量产生纯力矩，一般不能对标本施加受控很好的持续力矩。如有人设计了一种脊柱加载运动平台，通过尼龙绳、滑轮连于加载砝码，在加载盘上施加一对大小相等、反向平行的力，从而在脊柱标本上形成纯力偶。这个平台设计简单，虽然可以测量得到脊柱运动情况，但是精度不高，加载均为手动，不能得到严格精确的控制，较适合静态加载。国内脊柱三维运动测试机多采用加载盘滑轮系统与电动缸连接的方式，通过电动缸拉伸在脊柱标本上产生纯力偶由力传感器显示其大小，同时由两个互成角度的摄像机摄取标本上各标志点的移动，通过计算机图像处理系统计算出节段间的角度运动。
习用缺失：
1.传统的力学加载仪器将力加载与标本位移完全独立测量，使得设备、操作变得繁琐。
2.逐级加载显著增加了旋转运动，与生理负荷状况不相符。
3.加载为手动加载，精确度不高。
故如何解决以上缺失，是本案创作人所欲解决的技术难点。
发明内容
鉴于以上，本案创作人以其本身所具备的专业素养与技术理念，突破创新，多次改良，终使本发明新得以诞生。
本发明专利所要解决的问题是通过严密的机械组装，通过伺服电机精密控制受力，电脑控制标本位移数据处理，形成一套严密的、控制方便的脊柱生物力学模拟试验仪。
本发明专利解决以上技术问题所采用的技术方案如下。
一种连续加载的脊柱生物力学模拟试验仪，其特征是：包括一固定底座，两根垂直固定轴，一根水平固定轴，两根平衡棒，两根运动部位由三条金属杆1、2、3和三个旋转轴4、5、6组成，一个标本施力器，一个标本固定金属套，所述部件均可操作地匹配。
垂直固定轴固定于底座，水平固定轴固定于两垂直固定轴中间，其中金属杆1平行于水平固定轴，镶嵌在垂直固定轴套管上，可沿所述垂直固定轴的长度方向即Z方向移动；第二条金属杆2垂直位于1下面，镶嵌于1金属杆下端套件及金属杆3上端套件，2金属杆可在X轴方向移动，第三条金属杆3垂直位于金属杆2下面，衔接于旋转轴1的上端套件，三个旋转轴4、5、6分别呈X、Y、Z轴方向，3与4连接，4与5，5与6通过轴承相连接，6与标本施力器固定在一起。所有的部件可独立自由操作，互相吻合成整体。所有金属杆均有刻度，其刻度标记以施力器与标本放置容器垂直镶嵌时设置为0，金属杆分别设置正负长度标记，最小单位为1mm，旋转轴则以正负角度标记，最小单位0.1度。金属杆与金属杆，金属杆与旋转轴，旋转轴与旋转轴之间均以伺服电机控制其移动及旋转，最终数据可传输到电脑数据系统。标本可通过标本固定器及施力器上的螺丝进行固定，所述金属杆及选择轴为钛合金材料。
本发明专利通过三个水平自由移动加载力学金属杆和三个可自由旋转的旋转轴来模拟脊柱力学运动的6个自由度，同时通过电脑控制伺服电机可提供连续的加载力，降低了非正常的旋转运动，模拟生理负荷状况，加载以后，脊柱标本可在施力器作用下产生位移，操作人可直接读取各个金属杆及旋转轴的位移，计算出标本的位移。本发明为实验提供了模拟正常脊柱力学特征的必要条件，实为一种进步性的发明。
本发明专利的优点在于：
1.通过伺服电机，可提供连续的加载力。
2.连续加载后，可以减少旋转运动，与生理负荷情况相符合。
3.加载力学后，即可直接读取位移及旋转角度等数据，计算标本位移。
为方便了解本发明专利的内容及所能达到的功效，兹配合附图列举一具体实施例，详细介绍说明如下：
附图说明
图1是本发明专利的立体示意图
图2是本发明专利的正面示意图
图3是本发明专利的侧面示意图
图4是本发明专利的实例运用图
具体实施方式
如图1、2所示，本脊柱生物力学模拟试验仪由三条金属杆(1、2、3)、三个旋转轴(4、5、6)组成，一个标本施力器(7)、一个标本固定器(8)，两根平衡棒(9)，一个支架(10)，一个固定底座(11)以及五个伺服电机组成。
如(图1、2、3)所示，所有金属杆均有刻度，其刻度标记以施力器与标本放置容器垂直镶嵌时设置为0，设为标准状态。未施力状态下，本力学加载器通过调节伺服电机可在6个自由度(包括前后、左右、旋转)上自由运动：通过金属杆1、2、3可带动其他运动部件在Z、X、Y轴方向水平运动，旋转轴4、5、6可独立旋转，具备单独模拟6个负载分量，包括屈、伸，左、右侧弯，左、右旋转的能力。通过任何两个及以上的分力共同加载提供所有的混合负载力。同时以上所有的运动均可在标准状态的正反方向对称进行。
放置标本后，通过标本固定器及施力器上的螺丝固定标本(图4)。利用伺服电机可精确的、间断或连续地使金属杆及旋转轴运动，提供不同方向的加载分力，最终于标本施力器处将合力加载于标本上。通过后续力传感器记录负荷，并同时利用三维扫描仪测量脊柱标本加载前后运动角度和位移变化，可直接得到负载一位移曲线。
综上所述，该脊柱生物力学模拟试验仪能精确的对标本进行力学加载，符合目前国际上脊柱生物力学加载模拟器标准，同时能进行较为精确的测量，对目前的力学试验仪具有补充及改进功能，同时本发明专利未曾公开，具备的先进性及发明性显已符合发明专利条件，依法提出发明专利申请。
Claims (1)
1.一种脊柱生物力学模拟试验仪，其特征在于由一固定底座，两根垂直固定轴，一根水平固定轴，两根平衡棒，三条金属杆(1)、(2)、(3)和三个旋转轴(4)、(5)、(6)，一个标本施力器，一个标本固定金属套组成；
垂直固定轴固定于底座，水平固定轴固定于两垂直固定轴中间，其中第1金属杆(1)平行于水平固定轴，镶嵌在垂直固定轴套管上，可沿所述垂直固定轴的长度方向即Z方向移动；第2条金属杆(2)垂直位于第1金属杆(1)下面，镶嵌于第1金属杆(1)下端套件及第3金属杆(3)上端套件，第2条金属杆(2)可在X轴方向移动，第3金属杆(3)垂直位于第2条金属杆(2)下面，衔接于第1旋转轴(4)的上端套件；三个旋转轴(4)、(5)、(6)分别呈X、Y、Z轴方向，第3金属杆(3)与第1旋转轴(4)连接，第1旋转轴(4)与第2旋转轴(5)，第2旋转轴(5)与第3旋转轴(6)通过轴承相连接，第3旋转轴(6)与标本施力器固定在一起；所有的部件可独立自由操作，互相吻合成整体；
所有金属杆均有刻度，其刻度标记以施力器与标本放置容器垂直镶嵌时设置为0，金属杆分别设置正负长度标记，最小单位为1mm，旋转轴则以正负角度标记，最小单位0.1度；
金属杆与金属杆，金属杆与旋转轴，旋转轴与旋转轴之间均以伺服电机控制其移动及旋转，最终数据可传输到电脑数据系统；
标本可通过标本固定器及施力器上的螺丝进行固定；
上述3条金属杆及3根旋转轴为钛合金材料。
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