CN105067465B - 一种双动平台并联仿生髋关节试验机及其试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双动平台并联仿生髋关节试验机及其试验方法，该试验机主要由支撑框架、机械传动部分和液压加载系统等组成；支撑部分主要包括外围支柱、支撑板和中间支柱等组成，主要用于液压加载系统及动平台等部件的安装及支撑，机械传动部分主要由动平台组件、直线导轨、两端设有球铰链的连杆和滑块组成，通过两端设有球铰链的连杆连接动平台组件和滑块，实现直线导轨带动滑块驱动两个动平台完成相同的运动；液压加载系统由固定于上支撑板的加载油缸向动平台组件一施加载荷，并通过中间支柱及滚珠花键将载荷传递至动平台组件二。该试验机可同时带动两个动平台组件完成人体髋关节运动学模拟，具有执行效率高、结构紧凑、操作简单方便等优点。
Description
技术领域
本发明公开了一种双动平台并联仿生髋关节试验机，特别涉及一种适用于模拟人体髋关节实际运动、对人工髋关节材料进行摩擦磨损试验的具有并联驱动方式、可同时驱动两个动平台的并联仿生髋关节试验机。
背景技术
健康的人体关节是人体正常运动的重要保证，随着年龄的增长或出现意外伤害，人体关节会出现病变、损伤等，关节的损坏给人类的生活带来了巨大的影响。为了提高患者的生活质量、减轻病痛，医学工作者通过关节置换手术将人工关节引入人体，替代受损的关节。人工关节是人体重要的替代器官，它是模拟人体关节而制成的植入性假体，能够替换已损坏或病变的人体关节，从而恢复其运动功能。
一种新型的关节材料在投入使用之前，需要对其进行大量的材料摩擦学试验，而所选用的试验设备很大程度上影响了生物材料摩擦学试验的准确性。因此，为能够真实的反应人工关节材料植入后的摩擦磨损情况，研制出能够模拟人体实际运动状态、接触方式、载荷及运动环境且具有较高工作效率及较低成本的试验设备是非常重要的。
对于髋关节模拟试验机，目前，国内外采用串联模块的髋关节试验平台虽能在运动与动力特性方面近似于人体实际髋关节的生物特性，但在复杂运动轨迹模拟和变载荷动力加载等方面尚存在不足。基于并联机构高刚度、大承载、高精度、高速度、能模拟复杂运动等优点，将并联机构引入到髋关节试验机应用中，弥补了现有髋关节试验机存在运动模拟及载荷加载与人体实际髋关节运动相差较大的缺陷。但由于并联机构的闭环结构特点，现有的并联式的髋关节模拟试验机只有一个运动平台，即每次只能对一个人工髋关节进行摩擦磨损试验，在一定程度上降低了试验效率。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种双动平台并联仿生髋关节试验机及其试验方法，本发明试验机可同时带动两个动平台完成人体髋关节的运动学模拟，具有执行效率高、结构紧凑、操作简单方便等优点。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种双动平台并联仿生髋关节试验机，包括支撑框架、液压加载系统、力传感器一、力传感器二、滚珠花键轴、滚珠花键轴套、动平台组件一、动平台组件二和直线导轨，所述支撑框架包括上支撑板、外围支柱、中间支撑板和底面基座构成的支撑体系，所述液压加载系统包括液压缸和导向套，所述液压缸固定在上支撑板上并通过固定在上支撑板上的导向套与位于上支撑板下方的力传感器一的上端连接，所述力传感器一的下端与动平台组件一的人工髋关节连接，所述动平台组件一的下端球面与球面基座一的上端接触连接，所述球面基座一的下端与中间支柱一上端固定连接；所述滚珠花键轴套固定在中间支撑板上，所述滚珠花键轴设置在滚珠花键轴套内，所述中间支柱一的下端与滚珠花键轴的上端连接，所述滚珠花键轴的下端与中间支柱二的上端连接，所述中间支柱的下端与力传感器二的上端连接，所述力传感器二的下端与动平台组件二的人工髋关节连接，动平台组件二的下端球面与球面基座二的上端接触连接，所述球面基座二的下端与中间支柱三上端固定连接，所述中间支柱三下端与地面基座固定连接；多个直线导轨竖直设置在地面基座上，每个直线导轨上分别上、下设置第一滑块和第二滑块，所述每个直线导轨上的第一滑块与动平台组件一通过连杆铰接，所述每个直线导轨上的第二滑块与动平台组件二通过连杆铰接。
进一步的，所述直线导轨包括两个导程相同、螺旋方向相反的上丝杆和下丝杆连接而成，所述上丝杆上设置有第一滑块，所述下丝杆上设置有第二滑块。
进一步的，所述直线导轨为三个，分别通过导轨固定板绕中间支柱三均匀安装在底面基座上。
进一步的，每个所述第一滑块通过两端设有球铰链的连杆与动平台组件一铰接；每个所述第二滑块通过两端设有球铰链的连杆与动平台组件二铰接。
进一步的，所述中间支柱一的下端通过法兰一与滚珠花键轴的上端连接，所述滚珠花键轴的下端通过法兰二与中间支柱二的上端连接。
一种双动平台并联仿生髋关节试验机的试验方法，包括以下步骤：
步骤一：确定所述双动平台并联仿生髋关节试验机中动平台组件一和动平台组件二的运动规律及液压缸加载力的变化规律，一个周期内动平台组件一和动平台组件二绕固定坐标系OXYZ的X轴、Y轴和Z轴随时间t的运动规律，具体如下：
一个周期内，液压缸加载力随时间t的变化规律，具体如下：
步骤二：调整动平台组件一和动平台组件二的初试位姿：通过电机带动上丝杆和下丝杆转动，调整第一滑块和第二滑块的位置，从而带动动平台组件一和动平台组件二达到步骤一中所述运动规律t＝0时的位姿；
步骤三：在双动平台并联仿生髋关节试验机的工作过程中，电机通过上丝杆和下丝杆调整第一滑块和第二滑块的位置，进而带动球铰链安装板、球铰链、连接杆运动，从而实现动平台组件一和动平台组件二完成步骤一中所述运动规律；同时，液压缸的加载力按步骤一中加载力的变化规律变化，液压缸通过导向套和力传感器一对动平台组件一中的人工髋关节进行加载，并将加载力通过球面基座一、中间支柱一、法兰一、滚珠花键轴、法兰二、中间支柱二和力传感器二传递至动平台组件二，实现对动平台组件二(10)中的人工髋关节的加载，由此完成第一个周期内的工作；
步骤四：在未达到所设定的工作时间总长之前，重复步骤三；
步骤五：试验结束时，三个电机和液压缸同时停止工作，将液压缸从上支撑板(1)中拆下，即可将动平台组件一和动平台组件二中的人工髋关节取出。
有益效果：本发明的核心部分采用并联机构，具有高刚度、大承载、高精度、高速度、能模拟复杂人体髋关节运动的优点，克服了传统串联式髋关节试验机的在这些方面的不足；采用一组直线导轨同时驱动两个动平台的运动，克服了传统并联式髋关节试验机单运动平台造成试验效率低的缺点；通过一个液压缸实现对两个动平台加载，在一定程度上降低了生产成本；三个直线导轨绕中间支柱均匀安装，形成对称式结构，利于试验机控制系统的设计。该双动平台并联仿生髋关节试验机具有结构简单、紧凑，操作方面，模拟效果好、效率高，造价低廉等优点。
附图说明
图1为本发明试验机的整体示意图。
图2为本发明直线导轨的结构示意图。
图3为本发明的中间支柱的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1和3所示，一种双动平台并联仿生髋关节试验机，包括支撑框架、液压加载系统、力传感器一23、力传感器二13、滚珠花键轴18、滚珠花键轴套17、动平台组件一22、动平台组件二10和直线导轨2。所述支撑框架包括上支撑板1、外围支柱3、中间支撑板16和底面基座9构成的支撑体系，具体的所述上支撑板1、中间支撑板16和底面基座9三者之间上、下平行设置，其中上支撑板1和中间支撑板16的两端分别与两根互相平行的外围支柱3连接，所述外围支柱3竖直设置在地面基座9上。
所述液压加载系统包括液压缸25和导向套24，所述液压缸25固定在上支撑板1上，并通过固定在上支撑板1上的导向套24与位于上支撑板1下方的力传感器一23的上端连接，所述力传感器一23的下端与动平台组件一22上端的人工髋关节连接，所述动平台组件一22的下端球面与球面基座一21的上端接触连接，所述球面基座一21的下端与中间支柱一20上端固定连接。
所述滚珠花键轴套17固定在中间支撑板16上，所述滚珠花键轴18设置在滚珠花键轴套17内，所述中间支柱一20的下端通过法兰一19与滚珠花键轴18的上端连接，所述滚珠花键轴18的下端通过法兰二15与中间支柱二14的上端连接，所述中间支柱14的下端与力传感器二13的上端连接，所述力传感器二13的下端与动平台组件二10上端的人工髋关节连接，动平台组件二10的下端球面与球面基座二12的上端接触连接，所述球面基座二12的下端与中间支柱三11上端固定连接，所述中间支柱三11下端与地面基座9固定连接。
本发明还包括三个直线导轨2通过导轨固定板8绕中间支柱三11均匀竖直分布设置在地面基座9上。如图2所示，每个所述直线导轨2包括两个导程相同、螺旋方向相反的上丝杆29和下丝杆32连接而成，实现第一滑块30和第二滑块33的反向同行程工作，从而达到同一组中的三个直线导轨2并行驱动动平台组件一22和动平台组件二10，以实现对图3中对应的两个人工髋关节的摩擦磨损试验。其中，所述上丝杆29与下丝杆32之间采用丝杆连接螺母31连接。
所述上丝杆29上设置有第一滑块30，所述下丝杆32上设置有第二滑块33。所述每个直线导轨2上的第一滑块30水平设置对应的一个铰链连接板7，所述对应的铰链连接板7与动平台组件一22之间通过两端设有球铰链的连杆4铰接；所述每个直线导轨2上的第二滑块33水平设置对应的一个铰链连接板7，所述对应的铰链连接板7与动平台组件二10之间通过两端设有球铰链的连杆4铰接。
试验方法，包括以下步骤：
步骤一：确定所述双动平台并联仿生髋关节试验机中动平台组件一和动平台组件二的运动规律及液压缸加载力的变化规律，一个周期内动平台组件一和动平台组件二绕固定坐标系OXYZ的X轴、Y轴和Z轴随时间t的运动规律，其中t的单位为秒，X、Y、Z的单位为度，具体如下：
一个周期内，液压缸加载力随时间t的变化规律，F的单位为牛，具体如下：
步骤二：调整动平台组件一和动平台组件二的初试位姿，通过电机带动上丝杆和下丝杆转动，调整第一滑块和第二滑块的位置，从而带动动平台组件一和动平台组件二达到步骤一中所述运动规律t＝0时的位姿；
步骤三：在双动平台并联仿生髋关节试验机的工作过程中，电机通过上丝杆和下丝杆调整第一滑块和第二滑块的位置，进而带动球铰链安装板、球铰链、连接杆运动，从而实现动平台组件一和动平台组件二完成步骤一中所述运动规律；同时，液压缸的加载力按步骤一中加载力的变化规律变化，液压缸通过导向套和力传感器一对动平台组件一中的人工髋关节进行加载，并将加载力通过球面基座一、中间支柱一、法兰一、滚珠花键轴、法兰二、中间支柱二和力传感器二传递至动平台组件二，实现对动平台组件二10中的人工髋关节的加载，由此完成第一个周期内0-1秒工作时间的工作；
步骤四：在未达到所设定的工作时间总长之前，重复步骤三；
步骤五：试验结束时，三个电机和液压缸同时停止工作，将液压缸从上支撑板1中拆下，即可将动平台组件一和动平台组件二中的人工髋关节取出。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种双动平台并联仿生髋关节试验机，其特征在于：包括支撑框架、液压加载系统、力传感器一(23)、力传感器二(13)、滚珠花键轴(18)、滚珠花键轴套(17)、动平台组件一(22)、动平台组件二(10)和直线导轨(2)，所述支撑框架包括上支撑板(1)、外围支柱(3)、中间支撑板(16)和底面基座(9)构成的支撑体系，所述液压加载系统包括液压缸(25)和导向套(24)，所述液压缸(25)固定在上支撑板(1)上并通过固定在上支撑板(1)上的导向套(24)与位于上支撑板(1)下方的力传感器一(23)的上端连接，所述力传感器一(23)的下端与动平台组件一(22)的人工髋关节连接，所述动平台组件一(22)的下端球面与球面基座一(21)的上端接触连接，所述球面基座一(21)的下端与中间支柱一(20)上端固定连接；
所述滚珠花键轴套(17)固定在中间支撑板(16)上，所述滚珠花键轴(18)设置在滚珠花键轴套(17)内，所述中间支柱一(20)的下端与滚珠花键轴(18)的上端连接，所述滚珠花键轴(18)的下端与中间支柱二(14)的上端连接，所述中间支柱(14)的下端与力传感器二(13)的上端连接，所述力传感器二(13)的下端与动平台组件二(10)的人工髋关节连接，动平台组件二(10)的下端球面与球面基座二(12)的上端接触连接，所述球面基座二(12)的下端与中间支柱三(11)上端固定连接，所述中间支柱三(11)下端与地面基座(9)固定连接；
多个直线导轨(2)竖直设置在地面基座(9)上，每个直线导轨(2)上分别上、下设置第一滑块(30)和第二滑块(33)，所述每个直线导轨(2)上的第一滑块(30)与动平台组件一(22)通过连杆铰接，所述每个直线导轨(2)上的第二滑块(33)与动平台组件二(10)通过连杆铰接。
2.根据权利要求1所述一种双动平台并联仿生髋关节试验机，其特征在于：所述直线导轨(2)包括两个导程相同、螺旋方向相反的上丝杆(29)和下丝杆(32)连接而成，所述上丝杆(29)上设置有第一滑块(30)，所述下丝杆(32)上设置有第二滑块(33)。
3.根据权利要求1所述一种双动平台并联仿生髋关节试验机，其特征在于：所述直线导轨(2)为三个，分别通过导轨固定板(8)绕中间支柱三(11)均匀安装在底面基座(9)上。
4.根据权利要求1所述一种双动平台并联仿生髋关节试验机，其特征在于：每个所述第一滑块(30)通过两端设有球铰链的连杆与动平台组件一(22)铰接；每个所述第二滑块(33)通过两端设有球铰链的连杆与动平台组件二(22)铰接。
5.根据权利要求1所述一种双动平台并联仿生髋关节试验机，其特征在于：所述中间支柱一(20)的下端通过法兰一(19)与滚珠花键轴(18)的上端连接，所述滚珠花键轴(18)的下端通过法兰二(15)与中间支柱二(14)的上端连接。
6.一种双动平台并联仿生髋关节试验机的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：确定所述双动平台并联仿生髋关节试验机中动平台组件一(22)和动平台组件二(10)的运动规律及液压缸(25)加载力的变化规律，一个周期内动平台组件一(22)和动平台组件二(10)绕固定坐标系OXYZ的X轴、Y轴和Z轴随时间t的运动规律，具体如下：
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一个周期内，液压缸(25)加载力随时间t的变化规律，具体如下：
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步骤二：调整动平台组件一(22)和动平台组件二(10)的初试位姿：通过电机带动上丝杆(29)和下丝杆(32)转动，调整第一滑块(30)和第二滑块(33)的位置，从而带动动平台组件一(22)和动平台组件二(10)达到步骤一中所述运动规律t＝0时的位姿；
步骤三：在双动平台并联仿生髋关节试验机的工作过程中，电机通过上丝杆(29)和下丝杆(32)调整第一滑块(30)和第二滑块(33)的位置，进而带动球铰链安装板(7)、球铰链(6)、连接杆(4)和球铰链(26)运动，从而实现动平台组件一(22)和动平台组件二(10)完成步骤一中所述运动规律；同时，液压缸(25)的加载力按步骤一中加载力的变化规律变化，液压缸(25)通过导向套(24)和力传感器一(23)对动平台组件一(22)中的人工髋关节进行加载，并将加载力通过球面基座一(21)、中间支柱一(20)、法兰一(19)、滚珠花键轴(18)、法兰二(15)、中间支柱二(14)和力传感器二(13)传递至动平台组件二(10)，实现对动平台组件二(10)中的人工髋关节的加载，由此完成第一个周期内的工作；
步骤四：在未达到所设定的工作时间总长之前，重复步骤三；
步骤五：试验结束时，三个电机和液压缸(25)同时停止工作，将液压缸(25)从上支撑板(1)中拆下，即可将动平台组件一(22)和动平台组件二(10)中的人工髋关节取出。
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