CN105067466A - 一种并联髋关节试验机仿生温度控制装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种并联髋关节试验机仿生温度控制装置及方法，装置包括内部充满液体介质的高压区、工作空间和低压区，工作空间内设有并联髋关节试验机的关节运动部分，高压区与工作空间之间，以及低压区与工作空间之间通过滑阀连通，高压区和低压区通过增压泵连通，实现高压区、工作空间和低压区三者之间的液体介质的循环换热。本发明通过液体循环来调节温度，模拟人体控温功能，具有结构简单、操作方法方便、控温效果好等优点。
Description
技术领域
本发明涉及温度控制技术领域，尤其涉及一种并联髋关节试验机仿生温度控制装置及方法。
背景技术
随着人体年龄的增长或意外情况的发生，人体髋关节会出现病变、损伤等现象。为减轻患者的病痛、改善其生活，目前髋关节置换术已经得到广发的应用。用于置换的人工髋关节在投入使用之前，必须进行大量的摩擦磨损试验，而实验的准确性很大程度上取决于选用的试验设备能否精确地模拟人体运动。并联髋关节试验机基于其高刚度、大承载、高精度、高速度、能模拟复杂的运动等优点，在进行人工髋关节摩擦磨损试验时，具有能够模拟人体实际运动状态、接触方式、载荷及运动环境等优势。
使用并联髋关节试验机进行人工髋关节摩擦磨损试验时，会产生大量的热量，试验环境温度与人体体温相差甚远，导致试验结果不准确，人工髋关节在临床应用上受到很大限制。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种并联髋关节试验机仿生温度控制装置及方法，通过液体循环来调节温度，模拟人体控温功能，具有结构简单、操作方便、控温效果好等优点。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种并联髋关节试验机仿生温度控制装置，包括内部充满液体介质的高压区、工作空间和低压区，所述工作空间内设有并联髋关节试验机的关节运动部分；所述高压区与工作空间之间，以及低压区与工作空间之间通过滑阀连通，所述高压区和低压区通过增压泵连通，实现高压区、工作空间和低压区三者之间的液体介质的循环换热；所述工作空间内设有测温体，所述测温体监测工作空间的液体介质温度，并将监测的温度数据传输至控制总部，通过控制总部调控高压区和低压区内部液体介质的温度，使工作空间内部的并联髋关节试验机的关节运动部分处于合适温度的液体介质中。所述液体介质为血清和生理盐水的混合液。
进一步的，所述高压区内部设有多个并联连接的一号电阻丝和一号制冷片，所述低压区内部设有多个并联连接的二号电阻丝和二号制冷片；所述控制总部分别与一号电阻丝和二号电阻丝连接，控制对高压区和低压区内部的液体介质加热，或者所述控制总部分别与一号制冷片和二号制冷片连接，控制对高压区和低压区内部的液体介质制冷。
进一步的，所述控制总部通过一号单刀双掷开关分别与一号电阻丝或一号制冷片连接，所述控制总部通过二号单刀双掷开关分别与二号电阻丝或二号制冷片连接。
进一步的，所述滑阀包括液压伸缩杆、阀体、弹簧和阀腔，所述的阀体设置在阀腔内，所述阀体为两侧壁对称分布有梳齿状凸起的条形结构，所述阀腔的两侧壁对应阀体梳齿状凸起的位置开设有阀口，所述阀体一端通过弹簧与阀腔的一端部连接，所述阀体另一端与液压伸缩杆连接，所述液压伸缩杆的信号输入端与控制总部的信号输出端连接。所述阀口分为进液阀口和出液阀口，所述进液阀口的尺寸小于出液阀口的尺寸。所述高压区内部压力设置在人体正常收缩压范围内，所述低压区内部压力设置在人体正常舒张压范围内。
所述并联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、动平台组件二和三个直线导轨，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；
三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。所述每个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。
所述每个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。
一种并联髋关节试验机仿生温度控制装置的方法：
所述测温体实时监测工作空间内部的温度，测得的温度数据传输至控制总部。
当监测到工作空间的温度低于36.3℃时，控制总部控制一号单刀双掷开关与一号电阻丝连接，控制二号单刀双掷开关与二号电阻丝连接，加热高压区和低压区；同时，控制总部通过液压伸缩杆开启滑阀的阀口处于半开状态，配合增压泵，使高压区、工作空间和低压区内的液体开始循环换热。
当监测到工作空间的温度在36.3℃～36.7℃之间时，所述控制总部控制一号单刀双掷开关与一号电阻丝断开连接，控制二号单刀双掷开关与二号电阻丝断开连接，停止对高压区和低压区加热，同时，控制总部通过液压伸缩杆关闭滑阀的阀口。
当监测到工作空间的温度高于36.7℃时，控制总部控制一号单刀双掷开关与一号制冷片连接，控制二号单刀双掷开关与二号制冷片连接，制冷高压区和低压区；同时，控制总部通过液压伸缩杆开启滑阀的阀口处于全开状态，配合增压泵，使高压区、工作空间和低压区内的液体介质开始循环换热。
当监测到工作空间的温度在36.3℃～36.7℃之间时，所述控制总部控制一号单刀双掷开关与一号制冷片断开连接，控制二号单刀双掷开关与二号制冷片断开连接，停止对高压区和低压区加热，同时，控制总部通过液压伸缩杆关闭滑阀的阀口。
有益效果：本发明基于仿生功能提出的一种并联髋关节试验机温度控制装置及方法，具有控温方法简单、新颖、操作方便、结构紧凑的优点，克服了传统的基于PID或单片机等控温方法在并联髋关节试验机温度控制中应用不便，设计复杂等不足。
本发明并联髋关节试验机中的关节运动部分的温度通过控制高压区与低压区的温度来实现对工作空间温度的控制，从而控制关节运动部分的温度，这种间接温度控制方法操作简单，控温效果好，不影响工作空间的运动。
高压区与低压区设置成大致的对称结构，控制总部同时控制两个区域的温度和滑阀的位置，使控制系统设计简单化。
电阻丝和制冷片设置成多个并联连接，使高压区和低压区的加热或制冷均匀。
测温体监测工作空间温度低于36.3℃或高于36.7℃(而不是36℃或37℃)时，控制总部就开始对高压区和低压区进行升温或制冷，以调控工作空间的温度，这种预留一定温度空间的方法，使控温过程更加快速。
该并联髋关节试验机仿生温度控制装置及方法具有控温方法简单、控温效果好、操作方便、结构紧凑、价格低廉等优点。
附图说明
图1为本发明并联髋关节试验机仿生温度控制装置结构图。
图2为本发明滑阀分别处于初始状态、温度低时和温度高时三种状态下的示意图。
图3为本发明并联髋关节试验机的结构示意图。
图4为本发明并联髋关节试验机的直线导轨结构示意图。
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所示，一种并联髋关节试验机仿生温度控制装置，包括内部充满液体介质的高压区16、工作空间13和低压区12，所述液体介质为血清和生理盐水的混合液。所述工作空间13内的混合液中设有并联髋关节试验机的关节运动部分15，所述高压区16与工作空间13之间，以及低压区12与工作空间13之间通过滑阀5连通，所述高压区16和低压区12通过增压泵14连通，实现高压区16、工作空间13和低压区12三者之间的液体的循环换热。
所述工作空间13内设有测温体8，所述测温体8监测工作空间13的液体温度，并将监测的温度数据传输至控制总部7，通过控制总部7调控高压区16和低压区12内部液体的温度，满足工作空间13内部的关节运动部分15处于合适温度的液体介质中。
图3，本发明涉及的并联髋关节试验机包括支撑框架、液压加载系统、力传感器一223、力传感器二213、滚珠花键轴218、滚珠花键轴套217、动平台组件一222、动平台组件二210和直线导轨22。所述的关节运动部分15为动平台组件一222和动平台组件二210。具体的并联髋关节试验机和关节运动部分15的结构设置如下：所述支撑框架包括上支撑板21、外围支柱23、中间支撑板216和底面基座29构成的支撑体系，具体的所述上支撑板21、中间支撑板216和底面基座29三者之间上、下平行设置，其中上支撑板21和中间支撑板216的两端分别与两根互相平行的外围支柱23连接，所述外围支柱23竖直设置在地面基座29上。
所述液压加载系统包括液压缸225和导向套224，所述液压缸225固定在上支撑板21上，并通过固定在上支撑板21上的导向套224与位于上支撑板21下方的力传感器一223的上端连接，所述力传感器一223的下端与动平台组件一222上端的人工髋关节连接，所述动平台组件一222的下端球面与球面基座一221的上端接触连接，所述球面基座一221的下端与中间支柱一220上端固定连接。
所述滚珠花键轴套217固定在中间支撑板216上，所述滚珠花键轴218设置在滚珠花键轴套217内，所述中间支柱一220的下端通过法兰一219与滚珠花键轴218的上端连接，所述滚珠花键轴218的下端通过法兰二215与中间支柱二214的上端连接，所述中间支柱214的下端与力传感器二213的上端连接，所述力传感器二213的下端与动平台组件二210上端的人工髋关节连接，动平台组件二210的下端球面与球面基座二212的上端接触连接，所述球面基座二212的下端与中间支柱三211上端固定连接，所述中间支柱三211下端与地面基座29固定连接。
本发明还包括三个直线导轨22通过导轨固定板28绕中间支柱三211均匀竖直分布设置在地面基座29上。如图4所示，每个所述直线导轨22包括两个导程相同、螺旋方向相反的上丝杆229和下丝杆232连接而成，实现第一滑块230和第二滑块233的反向同行程工作，从而达到同一组中的三个直线导轨22并行驱动动平台组件一222和动平台组件二210。其中，所述上丝杆229与下丝杆232之间采用丝杆连接螺母231连接。
图4，所述上丝杆229上设置有第一滑块230，所述下丝杆232上设置有第二滑块233。所述每个直线导轨22上的第一滑块230水平设置对应的一个铰链连接板27，所述对应的铰链连接板27与动平台组件一222之间通过两端设有球铰链的连杆24铰接；所述每个直线导轨22上的第二滑块233水平设置对应的一个铰链连接板27，所述对应的铰链连接板27与动平台组件二210之间通过两端设有球铰链的连杆24铰接。
所述高压区16内部设有多个并联连接的一号电阻丝3和一号制冷片1，所述低压区12内部设有多个并联连接的二号电阻丝9和二号制冷片11；所述控制总部7分别与一号电阻丝3和二号电阻丝9连接，控制对高压区16和低压区12内部的液体加热，或者所述控制总部7分别与一号制冷片1和二号制冷片11连接，控制对高压区16和低压区12内部的液体制冷。所述控制总部7通过一号单刀双掷开关2分别与一号电阻丝3或一号制冷片1连接，实现高压区16中液体的制热或制冷；所述控制总部7通过二号单刀双掷开关10分别与二号电阻丝9或二号制冷片11连接，实现低压区12中液体的制热或制冷。
本发明所述滑阀5包括液压伸缩杆6、阀体、弹簧4和阀腔，所述的阀体设置在阀腔内，所述阀体为两侧壁对称分布有梳齿状凸起的条形结构，所述阀腔的两侧壁对应阀体梳齿状凸起的位置开设有阀口，所述阀体一端通过弹簧4与阀腔的一端部连接，所述阀体另一端与液压伸缩杆6连接，所述液压伸缩杆6的信号输入端与控制总部7的信号输出端连接，控制总部7控制液压伸缩杆6，通过凸起和阀口之间产生错位，实现不同量的血清循环换热。所述阀口分为进液阀口和出液阀口，所述进液阀口的尺寸小于出液阀口的尺寸，其中滑阀5的左侧为进液阀口，右侧为出液阀口。所述高压区16内部压力设置在人体正常收缩压范围内，设置为17.3kpa，所述低压区12内部压力设置在人体正常舒张压范围内，设置为11.3kpa。增压泵14将低压区12流过来的压力为11.3kpa的血清压力增加至17.3kpa，然后流向高压区16，以实现模拟人体的血液循环。
一种并联髋关节试验机仿生温度控制装置的方法：
所述测温体8实时监测工作空间13内部的温度，测得的温度数据传输至控制总部7。
当监测到工作空间13的温度低于36.3℃时，控制总部7控制一号单刀双掷开关2与一号电阻丝3连接，控制二号单刀双掷开关10与二号电阻丝9连接，加热高压区16和低压区12；同时，控制总部7通过液压伸缩杆6开启滑阀5的阀口处于半开状态，配合增压泵14，使高压区16、工作空间13和低压区13内的液体开始循环换热。
当监测到工作空间13的温度在36.3℃～36.7℃之间时，所述控制总部7控制一号单刀双掷开关2与一号电阻丝3断开连接，控制二号单刀双掷开关10与二号电阻丝9断开连接，停止对高压区16和低压区12加热，同时，控制总部7通过液压伸缩杆6关闭滑阀5的阀口。
当监测到工作空间13的温度高于36.7℃时，控制总部7控制一号单刀双掷开关2与一号制冷片1连接，控制二号单刀双掷开关10与二号制冷片11连接，制冷高压区16和低压区12；同时，控制总部7通过液压伸缩杆6开启滑阀5的阀口处于全开状态，配合增压泵14，使高压区16、工作空间13和低压区12内的液体开始循环换热。
当监测到工作空间13的温度在36.3℃～36.7℃之间时，所述控制总部7控制一号单刀双掷开关2与一号制冷片1断开连接，控制二号单刀双掷开关10与二号制冷片11断开连接，停止对高压区16和低压区12加热，同时，控制总部7通过液压伸缩杆6关闭滑阀5的阀口。
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 (10)
1.一种并联髋关节试验机仿生温度控制装置，其特征在于：包括内部充满液体介质的高压区(16)、工作空间(13)和低压区(12)，所述工作空间(13)内设有并联髋关节试验机的关节运动部分(15)；所述高压区(16)与工作空间(13)之间，以及低压区(12)与工作空间(13)之间通过滑阀(5)连通，所述高压区(16)和低压区(12)通过增压泵(14)连通，实现高压区(16)、工作空间(13)和低压区(12)三者之间的液体介质的循环换热；
所述工作空间(13)内设有测温体(8)，所述测温体(8)监测工作空间(13)的液体介质温度，并将监测的温度数据传输至控制总部(7)，通过控制总部(7)调控高压区(16)和低压区(12)内部液体介质的温度，使工作空间(13)内部的关节运动部分(15)处于合适温度的液体介质中。
2.根据权利要求1所述一种并联髋关节试验机仿生温度控制装置，其特征在于：所述高压区(16)内部设有多个并联连接的一号电阻丝(3)和一号制冷片(1)，所述低压区(12)内部设有多个并联连接的二号电阻丝(9)和二号制冷片(11)；所述控制总部(7)分别与一号电阻丝(3)和二号电阻丝(9)连接，控制对高压区(16)和低压区(12)内部的液体介质加热，或者所述控制总部(7)分别与一号制冷片(1)和二号制冷片(11)连接，控制对高压区(16)和低压区(12)内部的液体介质制冷。
3.根据权利要求2所述一种并联髋关节试验机仿生温度控制装置，其特征在于：所述控制总部(7)通过一号单刀双掷开关(2)分别与一号电阻丝(3)或一号制冷片(1)连接，所述控制总部(7)通过二号单刀双掷开关(10)分别与二号电阻丝(9)或二号制冷片(11)连接。
4.根据权利要求1或2所述一种并联髋关节试验机仿生温度控制装置，其特征在于：所述液体介质为血清与生理盐水的混合液。
5.根据权利要求1所述一种并联髋关节试验机仿生温度控制装置，其特征在于：所述滑阀(5)包括液压伸缩杆(6)、阀体、弹簧(4)和阀腔，所述的阀体设置在阀腔内，所述阀体为两侧壁对称分布有梳齿状凸起的条形结构，所述阀腔的两侧壁对应阀体梳齿状凸起的位置开设有阀口，所述阀体一端通过弹簧(4)与阀腔的一端部连接，所述阀体另一端与液压伸缩杆(6)连接，所述液压伸缩杆(6)的信号输入端与控制总部(7)的信号输出端连接。
6.根据权利要求5所述一种并联髋关节试验机仿生温度控制装置，其特征在于：所述阀口分为进液阀口和出液阀口，所述进液阀口的尺寸小于出液阀口的尺寸。
7.根据权利要求6所述一种并联髋关节试验机仿生温度控制装置，其特征在于：所述高压区(16)内部压力设置在人体正常收缩压范围内，所述低压区(12)内部压力设置在人体正常舒张压范围内。
8.根据权利要求1所述一种并联髋关节试验机仿生温度控制装置，其特征在于：所述并联髋关节试验机包括支撑框架、液压加载系统、力传感器一(223)、力传感器二(213)、滚珠花键轴(218)、滚珠花键轴套(217)、动平台组件一(222)、动平台组件二(210)和三个直线导轨(22)，所述支撑框架包括上支撑板(21)、外围支柱(23)、中间支撑板(216)和底面基座(29)构成的支撑体系，所述液压加载系统包括液压缸(225)和导向套(124)，所述液压缸(225)固定在上支撑板(21)上并通过固定在上支撑板(21)上的导向套(124)与位于上支撑板(21)下方的力传感器一(223)的上端连接，所述力传感器一(223)的下端与动平台组件一(222)的人工髋关节连接，所述动平台组件一(222)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(221)的下端与中间支柱一(220)上端固定连接；
所述滚珠花键轴套(217)固定在中间支撑板(216))上，所述滚珠花键轴(218)设置在滚珠花键轴套(217)内，所述中间支柱一(220)的下端与滚珠花键轴(218)的上端连接，所述滚珠花键轴(218)的下端与中间支柱二(214)的上端连接，所述中间支柱(214)的下端与力传感器二(213)的上端连接，所述力传感器二(213)的下端与动平台组件二(210)的人工髋关节连接，动平台组件二(210)的下端球面与球面基座二(212)的上端接触连接，所述球面基座二(212)的下端与中间支柱三(211)上端固定连接，所述中间支柱三(211)下端与地面基座(29)固定连接；
三个直线导轨(22)竖直设置在地面基座(29)上，每个直线导轨(22)上分别上、下设置第一滑块(230)和第二滑块(233)，所述每个直线导轨(22)上的第一滑块(230)与动平台组件一(222)通过连杆铰接，所述每个直线导轨(22)上的第二滑块(233)与动平台组件二(210)通过连杆铰接。
9.根据权利要求8所述一种并联髋关节试验机仿生温度控制装置，其特征在于：所述每个直线导轨(22)包括两个导程相同、螺旋方向相反的上丝杆(229)和下丝杆(232)连接而成，所述上丝杆(229)上设置有第一滑块(230)，所述下丝杆(232)上设置有第二滑块(233)。
10.一种并联髋关节试验机仿生温度控制装置的方法，其特征在于：
所述测温体(8)实时监测工作空间(13)内部的温度，测得的温度数据传输至控制总部(7)；
当监测到工作空间(13)的温度低于36.3℃时，控制总部(7)控制一号单刀双掷开关(2)与一号电阻丝(3)连接，控制二号单刀双掷开关(10)与二号电阻丝(9)连接，加热高压区(16)和低压区(12)；同时，控制总部(7)通过液压伸缩杆(6)开启滑阀(5)的阀口处于半开状态，配合增压泵(14)，使高压区(16)、工作空间(13)和低压区(12)内的液体开始循环换热；
当监测到工作空间(13)的温度在36.3℃～36.7℃之间时，所述控制总部(7)控制一号单刀双掷开关(2)与一号电阻丝(3)断开连接，控制二号单刀双掷开关(10)与二号电阻丝(9)断开连接，停止对高压区(16)和低压区(12)加热，同时，控制总部(7)通过液压伸缩杆(6)关闭滑阀(5)的阀口；
当监测到工作空间(13)的温度高于36.7℃时，控制总部(7)控制一号单刀双掷开关(2)与一号制冷片(1)连接，控制二号单刀双掷开关(10)与二号制冷片(11)连接，制冷高压区(16)和低压区(12)；同时，控制总部(7)通过液压伸缩杆(6)开启滑阀(5)的阀口处于全开状态，配合增压泵(14)，使高压区(16)、工作空间(13)和低压区(12)内的液体开始循环换热；
当监测到工作空间(13)的温度在36.3℃～36.7℃之间时，所述控制总部(7)控制一号单刀双掷开关(2)与一号制冷片(1)断开连接，控制二号单刀双掷开关(10)与二号制冷片(11)断开连接，停止对高压区(16)和低压区(12)加热，同时，控制总部(7)通过液压伸缩杆(6)关闭滑阀(5)的阀口。
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