CN104949815A - 生物力学冲击试验台 - Google Patents

Abstract

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。本发明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，可控连接释放后，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。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。

Description

生物力学冲击试验台

技术领域

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

由于车祸、高处坠落等高能量冲击导致骨折的损伤机制研究是目前人体生物医学领域研究的重点与热点。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，在研究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。

由于人体结构复杂、损伤部位程度不一，使得研究其损伤机制的学者们只能根据所研究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)一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/s。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)一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,David P.Beason,Robert R.Lopez et al.Effects oftrochanteric soft tissue and bone density on fracture of the female pelvis in experimental sideimpacts.Annals of Biomechanical 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.Carlason,Yasuhiro Tominaga,Paul C.Ivancic et al.,Dynamic vertebral artery elongation during frontal and side impacts,The SpineJournal,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。

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

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。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

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。

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。

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。

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。

所述下滑台与所述前滑台结构相同。

所述上滑台与所述后滑台结构相同。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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

图1是本发明所提供的试验台正视图；

图2是图1的俯视图；

图3是图1中前滑台或下滑台正视图；

图4是图1中纵向冲击系统正视图；

图5是图1中纵向冲击系统俯视图；

图6是图1中升降式工作台主视图；

图7是图5的俯视图。

具体实施方式

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。

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。当达到规定的弹簧压缩量后，通过释放横向电磁铁搭扣25，即可实现横向冲击系统向左以一定的速度进行冲击。

为防止冲击头在惯性作用下反弹造成对被试验物体的二次冲击，本发明还包括了如图3所示的防二次冲击机构，利用安装在鞍板侧方止动块(即平面棘轮)27与安装于机架上的单向挡块(即棘爪)35的齿面接触阻止前滑台反弹，可保证冲击试验的单次冲击准确性。

纵向冲击系统工作原理与横向冲击系统工作原理相同。

图2中可以看出前滑台12安装在横向导轨11上，通过图3所示垫块28的挤压作用于对称布置在横向导轨11两侧的横向压缩弹簧4，后滑台5安装于横向导轨11下方的横向滚珠丝杠20上，其上的横向电磁搭扣25与前滑台的连接环26相连，电磁铁的开闭采用PLC控制器通过控制箱控制。当达到规定压缩行程后电磁铁开关打开，前滑台12带动横向冲击头14沿横向导轨11向升降式工作台15以一定加速度运动，冲击被实验物体。

图3所示为前滑台12结构，纵向冲击系统中的下滑台结构与前滑台相同。前滑台的鞍板29下方与横向导轨11相连，鞍板29两侧下方的两环形垫块28以间隙配合安装于横向导轨11两侧的光轴上，光轴上安装横向压缩弹簧4，压缩弹簧的另外一端与机架相接触。固定块34通过螺钉连接，在上方与鞍板相连，在侧方与环形垫块28相连。在鞍板的后方有连接环26，通过后滑台的横向电磁搭扣25相连实现水平后移。

纵向冲击系统原理结构与横向冲击系统一致。考虑到要在水平冲击中固定被冲击物体的要求，在纵向冲击系统中设置了纵向冲击系统位置调节装置，包含纵向手轮19、调节块30、安装直线调整轴承17的固定座31及滑体33组成。纵向手轮19是螺纹杆，转动后可带动调整块30及滑体33一起移动，纵向冲击系统与滑体33固定连接，从而实现位置调节。

图6、图7所示为工作台结构。工作台台面采用T型槽标准工作台，利用螺旋机构带动平行四边形机构实现升降功能。在台面上可根据需要放置固定板，可实现不同解剖部位的定位，同时纵向冲击头可充当垂直加载机构，模拟坐姿下上身的重量。螺旋杆36在末端与工作台手轮1通过螺钉连接相连，通过工作台压簧37的调节作用利用左右连接器41在中部与平行四边形机构38相连。当转动工作台手轮1时，左右两个连接器41带动平行四边形机构38两端相对移动从而抬起(或落下)工作台台面15。工作台通过支撑台21与底板40采用螺钉相连固定于设备底面，为增加工作台的支撑刚度，在支撑台21四周均布四个导向柱22，采用锁紧轴套39与支撑台固定板40固定连接。

横向压缩弹簧4(纵向压缩弹簧44)的压缩量采用图4、图5所示的槽型光电传感器32进行位置检测，分别在其极限位置布置，水平方向与垂直方向各两个，分别检测前后滑台(或上下滑台)的移动距离及弹簧的压缩量。电磁铁控制器用来控制横向电磁铁搭扣25(纵向电磁铁搭扣52)的夹紧与释放，电机编码器用来控制横向电机9(或纵向电机47)的转动圈数。通过设定横向电机9(或纵向电机47)的总转动圈数来调节横向压弹簧4(纵向压缩弹簧44)的加压距离，从而模拟出不同的前滑台12(或下滑台49)的移动距离。通过触摸屏3进行指令输入，控制箱6内放置继电器等控制元件。

横向压力传感器13(或纵向压力传感器42)通过螺纹连接与横向冲击头14(或纵向冲击头16)相连，测得冲击过程中的力值与时间变化数值，通过后期数据处理即可获得冲击功等参数。

纵向落锤系统采用加速下落方式冲击物体，纵向冲击头安装于纵向下滑台49上，通过纵向电磁铁搭扣52与上滑台48连接，并安装于纵向滚珠丝杠43上，纵向滚珠丝杠43通过链传动与纵向电机47相连。纵向冲击头16可随侧方的调节块30的移动实现左右移动，以调整纵向冲击头的位置。纵向冲击头16通过下滑台安装于纵向导轨45上，其左右两侧各配置一纵向导向柱54，其上各有一纵向压缩弹簧44，当上滑台48通过纵向电磁搭扣52与纵向下滑台连接环53连接带动下部纵向冲击头16随着纵向滚珠丝杠43旋转移动到预定位置时，可释放纵向电磁铁搭扣52，纵向冲击头实现加速下落，实现冲击过程。

所述的纵向和水平向冲击系统都设有防护隔离装置，在前方有操作面板。

所述的控制系统包括：位置槽型光电传感器、电磁铁控制器和电机编码器，其中光电传感器安装在安装横向导轨11(纵向导轨45)的机架上，与前滑台12(下滑台49)上的金属片共同构成，用以测量并控制滑台的起始位置并限制其压缩弹簧所允许的极限量；电磁铁控制器安装在后滑台5(上滑台48)上并与前滑台12(下滑台49)通过横向电磁搭扣25(纵向电磁铁搭扣52)相连，电机编码器与横向电机9(纵向电机47)相连接，采用PLC程序控制。

上述实施例仅用于说明本发明技术方案，但其并不是用来限定本发明。任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的内容对本发明所提出的方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明的技术内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种生物力学冲击试验台，其特征在于，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；在所述水平冲击系统中，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。

2.根据权利要求1所述的生物力学冲击试验装置，其特征在于，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。

3.根据权利要求2所述的生物力学冲击试验装置，其特征在于，所述前滑台包括鞍板、连接环、垫块和固定块，鞍板安装在横向导轨上，并与横向压缩弹簧接触，所述横向冲击头与鞍板固定连接，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。

4.根据权利要求2所述的生物力学冲击试验装置，其特征在于，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。

5.根据权利要求1至4所述任一生物力学冲击试验装置，其特征在于，所述下滑台与所述前滑台结构相同。

6.根据权利要求1至4所述任一生物力学冲击试验装置，其特征在于，所述上滑台与所述后滑台结构相同。

7.根据权利要求1所述的生物力学冲击试验装置，其特征在于，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。

8.根据权利要求3所述的生物力学冲击试验装置，其特征在于，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。

9.根据权利要求1所述的生物力学冲击试验装置，其特征在于，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。

10.根据权利要求2所述的生物力学冲击试验装置，其特征在于，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。