CN106373473B - 一种用于模拟人体膝关节摩擦的实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于模拟人体膝关节摩擦的实验装置，包括股骨组件和胫骨组件；股骨组件和胫骨组件按照膝关节的关节结构设置在机架上，股骨组件与股骨摆动机构连接，模拟股骨关节部位的来回摆动；胫骨组件与胫骨滑动机构连接，模拟胫骨组件的来回滑动，同时，胫骨组件转动装配在滑块上，并与胫骨转动机构连接，模拟膝关节运动过程中的胫骨内旋和外旋。本发明同步完成了膝关节的屈膝、滚动及滑动、内旋及外旋的运动，能产生较真实地模拟人体自然行走时膝关节的运动状态。本发明结构简单，可以更好地模拟膝关节的运动以便对膝关节运动进行模拟研究，分析各种运动工况的受力以及其结构与运动特性，通过得到受力分析数据进行膝关节的磨损与疲劳的研究。

Description

一种用于模拟人体膝关节摩擦的实验装置

技术领域

本发明属于仿生机械实验装置，具体涉及一种用于模拟人体膝关节摩擦的实验装置。

背景技术

现在仿生关节在假肢关节、类人机器人和人工关节置换等方面有重要的研究意义和市场潜力。其中从上世纪一二十年代时就已经开始了对人工关节的研究，经科研工作者不懈的努力,人工关节从材料到结构都取得了很好的发展。其中膝关节是由股骨内、外侧髁和胫骨内、外侧髁以及髌骨构成，为人体最大且构造最复杂，损伤机会亦较多的关节，在承受人体全部体重的同时还要担负起腿部的的各种运动任务。人在平地站立时,胫骨承受人体的百分之八十多的重量，经实验表明，我们在平地走路时，膝关节承受的压力是体重的3倍左右，上下楼梯时压力增加到3-4倍，而下蹲时更可达到8倍。至于人在跑跳时，膝关节承受的压力之大就可想而知了，所以说它是人体最容易被损伤的关节之一了。

由于疾病、车祸以及其他事故导致大量的人的腿部膝关节受到严重的损伤，虽然人的腿部受到损伤一般不会对人的生命产生危险，但其常会造成人的终生残疾丧失运动能力，甚至会截肢。在我国差不多有三千万左右的人需要进行人工关节置换的手术，为了使残疾人重新站起来，恢复其活动能力，减轻他们精神上的痛苦，所以需要大量的人工关节和假肢。

现有的研究中，仿生关节主要应用在仿生机器人、人工关节和假肢中，现在的人工关节摩擦面在使用过程中容易出现严重磨损，会导致人工关节的使用寿命变短，而现在针对膝盖关节骨摩擦情况所作的研究比较少。了解关节之间的摩擦过程是非常重要的一个实验环节，能够根据实验所得数据去改进人工关节，使其使用寿命加长，从而使机器人和假肢能适应多种情况，使用时间加长，降低成本。人体膝关节是人体最大最复杂的关节，也是最重要的关节之一。如何弄清楚膝关节之间的摩擦情况非常迫切，但目前仍没有专门适用人体膝关节的模拟实验设备。

发明内容

本发明解决的技术问题是：针对现有技术中缺少用于膝关节摩擦实验的设备，提供一种专门用于模拟人体膝关节摩擦的实验装置。

本发明采用如下技术方案实现：

一种用于模拟人体膝关节摩擦的实验装置，包括股骨组件1和胫骨组件2；所述股骨组件1和胫骨组件2按照膝关节的关节结构设置在机架7上，其中，所述股骨组件1与股骨摆动机构3连接，所述股骨摆动机构3包括曲柄301和连杆32，所述曲柄301、连杆32和股骨组件1连接形成曲柄摇杆机构，模拟股骨关节部位的来回摆动；所述胫骨组件2与胫骨滑动机构4连接，所述胫骨滑动该机构4包括滑块404、导轨405和往复驱动组件，所述胫骨组件2通过滑块404滑动装配在导轨405上，所述往复驱动组件连接滑块404，模拟胫骨组件2的来回滑动；所述胫骨组件2转动装配在滑块404上，并与胫骨转动机构5连接，模拟膝关节运动过程中的胫骨内旋和外旋。

进一步的，所述胫骨转动机构5与胫骨组件2及往复驱动组件构成四连杆机构，其中，所述胫骨转动机构5包括第一转向连杆501、杆杆轴502和第二转向连杆503；所述第一转向连杆501一端与往复驱动组件铰接，所述第二转向连杆503一端与胫骨组件2刚性连接，所述第一转向连杆501另一端和第二转向连杆503另一端分别与固定设置的杠杆轴502铰接；所述第一转向连杆501和第二转向连杆503均采用伸缩杆件。

优选的，所述杠杆轴502通过杠杆轴支座507平行于胫骨组件2的滑动方向固定设置。

进一步的，所述往复驱动组件采用偏心轮组件，包括偏心轮401、从动轮402和底杆403；所述底杆403沿导轨方向滑动设置，底杆一端通过从动轮402与偏心轮401外圆接触，另一端与滑块404一侧固定连接，所述滑块404的另一侧设有压紧的弹簧406，将从动轮和偏心轮始终压紧接触。

进一步的，所述股骨摆动机构3和胫骨滑动机构4采用同一主动件，所述股骨摆动机构3的连杆32铰接在胫骨滑动机构4的偏心轮401上，形成曲柄301；所述偏心轮401与驱动组件6连接。

进一步的，所述连杆32采用分段式结构，包括下连杆321、上连杆322和双头螺杆323，所述下连杆321和上连杆322分别与双头螺杆323的两端螺接；所述双头螺杆323两端的螺纹反向设置。

在本发明中，所述股骨组件1包括股骨101、股骨摆杆102、股骨轴103和股骨支座104；所述股骨101固定设置在股骨摆杆102的一端，所述股骨摆杆102通过股骨轴103摆动设置在股骨支座104上，股骨摆杆另一端与连杆铰接；所述股骨支座104通过股骨上连接件105固定设置在机架7的顶部。

在本发明中，所述胫骨组件2包括胫骨201和胫骨台202；所述胫骨201通过股骨组件压嵌在胫骨台202内，所述胫骨台202的底部通过胫骨转动轴承204装配在滑块404上。

进一步的，所述胫骨201的底部设有气囊203。

进一步的，所述胫骨台202的侧面设有顶紧胫骨的定位螺钉，所述胫骨台202的顶面设有防止胫骨脱出的挡板。

人体膝关节的最主要的运动就是屈曲和伸直运动，本发明主要解决这个两个主要运动时产生的摩擦问题。膝关节的屈曲和伸直可以看成是胫骨和股骨两骨之间的摆动，本发明将胫骨和股骨之间的运动等效成两杆件之间的摆动，通过股骨组件和股骨摆动机构构成的曲柄摇杆机构实现，该结构采用电机作为动力源，经过调速器调速后带动一个偏心轮旋转，在偏心轮侧面连接的连杆带动模拟股骨做一定角度的屈膝与伸膝运动。

膝关节在它屈曲时会伴随着滚动和滑动，当膝关节屈曲时胫骨和股骨运动的位移并不是相同的，所以会产生相对位移，从而产生滑动。本发明在偏心轮的基础上，利用凸轮往复运动的原理，用一个带滑轮的底杆连在胫骨组件的滑块上，滑轮顶在偏心轮上，并随着它作出相应往复直线运动，这样就会使胫骨和股骨之间产生往复滑动，满足膝关节运动的要求，

本发明考虑到膝关节除了屈曲和伸直两个运动外，在股骨向后面滑动的时候，内、外侧髁的滑动距离并不是一样的，所以这种情况还会导致膝关节屈曲时，胫骨会相对于股骨产生一定的内旋；反之，当它伸直时，胫骨则会相对股骨产生一定的外旋。本发明在胫骨的往复滑动运动的基础上，在胫骨滑动机构和胫骨组件之间加上一个新型的四连杆机构，将其中一个连杆作为杠杆，在胫骨往复滑动的同时，通过四连杆机构的杠杆运动，使胫骨台就会随着连杆的直线动作而做出相应的内、外旋转运动，从而使结构更加的严谨，更接近人体膝关节的真实运动，

由上所述，本发明采用同一个动力源结合多个机械结构同步完成了膝关节的屈膝、滚动及滑动、内旋及外旋的运动动作，能产生较真实地模拟人体自然行走时膝关节的运动状态。本发明的实验装置结构简单，装置整体机架采用框式结构，能够清晰的看出它的每一个动作，可以更好地模拟膝关节的运动以便对膝关节运动进行模拟研究，分析各种运动工况的受力以及其结构与运动特性。还可以通过实验得到受力分析数据进行膝关节的磨损与疲劳的研究，通过实验得到的实验数据去优化人工膝关节假肢的设计，减小假肢关节在使用过程中的摩擦力，提高假肢关节的使用寿命，降低生产成本，给需要使用假肢关节的人带来方便。

以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

附图说明

图1为实施例中的一种用于模拟人体膝关节摩擦的实验装置总体示意图。

图2为实施例中的一种用于模拟人体膝关节摩擦的实验装置正视图(去除部分机架结构)。

图3为图2中的G向剖视图，具体为股骨组件示意图。

图4为实施例中股骨组件连接的连杆示意图。

图5为图2中的U向剖视图，具体为胫骨滑动机构示意图。

图6为实施例中的胫骨转动机构示意图。

图7为图2中的K向剖视图，具体为胫骨组件示意图。

图8为实施例中的胫骨组件实现内旋和外旋的运动示意图。

图中标号：

1-股骨组件，101-股骨，102-股骨摆杆，103-股骨轴，104-股骨支座，105-股骨上连接件；

2-胫骨组件，201-胫骨，202-胫骨台，203-气囊，204-胫骨转动轴承；

3-股骨摆动机构，301-曲柄，32-连杆，321-下连杆，322-上连杆，323-双头螺杆，303-第一销轴，304-第二销轴；

4-胫骨滑动机构，401-偏心轮，402-从动轮，403-底杆，404-滑块，405-导轨，406-弹簧，407-第一滑动轴承座，408-第二滑动轴承座，409-叉杆支座，410-从动轮轴；

5-胫骨转动机构，501-第一转向连杆，502-杠杆轴，503-第二转向连杆，504-第三销轴，505-第四销轴，506-第五销轴，507-杆杆轴支座；

6-驱动组件，601-电机，602-联轴器，603-传动轴，604-转动轴承座；

7-机架。

具体实施方式

实施例

参见图1，图示中的一种用于模拟人体膝关节摩擦的实验装置为本发明的优选实施方案，具体包括股骨组件1、胫骨组件2、股骨摆动机构3、胫骨滑动机构4、胫骨转动机构5、驱动组件6和机架7构成。

具体如图2所示，股骨组件1和胫骨组件2分别模拟人体膝关节的股骨和胫骨，股骨组件1和胫骨组件2按照人体膝关节的结构设置在机架7上，其中股骨组件1设置在机架7上部，其股骨头部朝下，胫骨组件2设置在机架7底部，其胫骨头部朝上，与股骨头部构成膝关节的关节结构。

股骨组件1与股骨摆动机构3连接，股骨摆动机构3包括曲柄301、连杆32、第一销轴303和第二销轴304；曲柄301作为主动件与驱动组件6连接，连杆32一端通过第一销轴303与曲柄301铰接，连杆32另一端通过第二销轴304与股骨组件1铰接，股骨组件1作为从动件，与股骨摆动机构形成曲柄摇杆机构，驱动股骨组件1摆动。

结合参见图3，本实施例中的股骨组件1包括股骨101、股骨摆杆102、股骨轴103、股骨支座104和股骨上连接件105。股骨组件1的股骨101朝下设置，图示中的股骨摆杆102采用接近股骨下端固定、上端摆动的动作，从而实现整个上部运动，所以股骨101及股骨摆杆102通过一个股骨支座104固定并由其与上方机架相连，这样就会使股骨下部固定。具体的，股骨101固定设置在股骨摆杆102的一端，股骨摆杆102通过股骨轴103摆动设置在股骨支座104上，股骨摆杆102另一端与连杆铰接，股骨支座104通过股骨上连接件105固定设置在机架7的顶部。

股骨101与股骨支座104是通过下面的孔连在股骨轴103上，因为股骨需要摆动，所以股骨轴103的两端加了两个转动轴承，可以使其转动，股骨轴与轴承之间是靠套筒定位的，另一边则是靠轴肩定位的，由于该结构基本不受轴向力，所以轴承则是靠孔用和轴用挡圈定位的。股骨101下端则是通过过盈配合与股骨摆杆102连接，这样股骨就会随着股骨摆杆做出相应的摆动。

要保证股骨101的运动，将股骨支座104就通过上连接件105连到机架顶部，这样就使支座保持固定，考虑到人正常行走时，膝关节屈曲的活动度在40°-60°范围内，因此该试验装置要满足这个要求就要做成可调的。

上连接件105通过螺纹柱与机架顶部相连，机架顶部两侧的螺纹柱上下各用一个螺母连接，通过旋转上螺母来改变上连接件的长度，从而使股骨的高度可调，下面的螺母起到一个拧紧的作用。在上连接件105的两侧还可设置光杆与机架顶部的光孔配合，起到一个导向与定位的作用。

结合参见图4，股骨台与偏心轮是靠连杆连接的，连杆32两端分别通过第一销轴303和第二销轴304铰接，连杆32与偏心轮及股骨组件之间有相对的转动，在连杆杆的两端采用杆端轴承结构。

同时将连杆32采用分段式结构，包括下连杆321、上连杆322和双头螺杆323，下连杆321和上连杆322分别与双头螺杆323的两端螺接；双头螺杆323两端的螺纹反向设置。这样当转动双头螺杆323时，就可以调节连杆的整体长度，在双头螺杆的两端螺纹段上分别螺接两组螺母，起调节和锁紧连杆的作用。

同时调节上连接件和连杆的长度就会改变股骨摆动的角度，使实验台的摆动角度和膝关节的屈曲活动度相符合，更加贴近实际情况。

结合参见图5，本实施例中的胫骨组件2与胫骨滑动机构4连接，胫骨滑动机构4包括偏心轮401、从动轮402、底杆403、滑块404、导轨405、弹簧406、第一滑动轴承座407、第二滑动轴承座408、叉杆支座409和从动轮轴410，胫骨组件2通过滑块404滑动装配在导轨405上，偏心轮401、从动轮402、底杆403和弹簧406构成的往复驱动组件连接滑块404，模拟胫骨组件2的来回滑动。

本实施例中的往复驱动组件采用的是偏心轮组件，其中底杆403沿导轨方向滑动设置，通过第一滑动轴承座407和第二滑动轴承座408装配底杆，其中第一滑动轴承座407和第二滑动轴承座408分别设置在胫骨组件的两侧，内部通过直线滑动轴承与底杆滑动装配，底杆403一端通过从动轮402与偏心轮401外圆接触，另一端与滑块404一侧固定连接，在滑块404的另一侧固定设置底杆的延长段与第二滑动轴承座408装配，在该底杆延长段上套装压紧的弹簧406，该弹簧406在偏心轮做升程运动时压缩，偏心轮回程时，弹簧406的压力将从动轮和偏心轮始终压紧接触，实现胫骨组件的往复滑动。

底杆403的端部通过设置叉杆支座409安装从动轮402，叉杆支座409通过螺栓与底杆403连接在一起，在叉杆支座409的前端通过从动轮轴410装配从动轮402，因为从动轮402要转动，所以在从动轮轴410的两端要加上转动轴承，轴承与滑轮之间用套筒定位，轴承外面用挡圈定位。

胫骨组件2转动装配在滑块404上，并与胫骨转动机构5连接，模拟膝关节运动过程中的胫骨内旋和外旋。

具体如图6和图7所示，胫骨组件2包括胫骨201和胫骨台202；胫骨201通过股骨组件压嵌在胫骨台202内，胫骨台202的底部通过胫骨转动轴承204装配在滑块404上。在滑块404的中间打了一个大孔，用于设置胫骨台202和胫骨转动轴承204，这样上面的胫骨台与滑块连接后就会可以使胫骨台连同胫骨一同在滑块上旋转。

在胫骨201的底部设有气囊203，通过充气可调整胫骨和股骨之间的压力，胫骨201与胫骨台202之间采用间隙配合，胫骨201底部的气囊204在充气后使胫骨201和股骨101紧密相连，对胫骨201作为定位，通过对气囊204的充气程度还可改变对胫骨201施加的载荷，模拟人行走时膝关节的不同受力情况，在调节气囊压力后，在胫骨台202侧面的设置一定位螺钉将胫骨201顶紧在胫骨台202内，使胫骨201能随胫骨台202一同转动。在胫骨台202的上端面还设置一个压板，防止胫骨从胫骨台中脱出。

胫骨组件2的转动通过胫骨转动机构5实现，本实施例将胫骨转动机构5与胫骨组件2及其连接的往复驱动组件构成四连杆机构，其中，胫骨转动机构5包括第一转向连杆501、杆杆轴502和第二转向连杆503；第一转向连杆501一端通过第四销轴505与底杆403铰接，第二转向连杆503一端与胫骨组件2的胫骨台202侧面刚性连接，第一转向连杆501另一端和第二转向连杆503另一端分别通过第三销轴504和第五销轴506与杠杆轴502铰接，杠杆轴502通过杠杆轴支座507固定设置。

其中底杆403连接滑块404作为四连杆机构中的一个往复滑动连杆，底杆403与第一转向连杆501铰接，滑块404与胫骨台202的转动轴心为其中一个铰点，同时胫骨台202与第二转向连杆503刚性连接，在四连杆机构运动时，杠杆轴502平行于导轨405固定设置，作为支点杆杆，在四连杆机构中的底杆403带动滑块404转动时，第一转向连杆501和第二转向连杆503在杠杆轴的支点作用下实现摆动，实现胫骨201和胫骨台202的轴线滑动的同时进行内旋和外旋转动，如图8所示。由于往复运动机构的底杆403和胫骨转动机构中的杠杆轴502之间的距离不变，将第一转向连杆501和第二转向连杆503均采用伸缩杆件，以适应转向连杆在摆动过程中的长度变化。具体将第一转向连杆501和第二转向连杆503设置成套筒和杆件伸缩连接的组合杆结构。

优选的，杠杆轴502通过杠杆轴支座507平行于胫骨组件2的滑动方向固定设置，第一转向连杆501和第二转向连杆503相互平行，设置成平行四边形连杆机构。

股骨摆动机构和胫骨滑动机构可分别单独驱动，也可如本实施例中的将股骨摆动机构3和胫骨滑动机构4采用同一主动件，即将股骨摆动机构3的连杆32直接铰接在胫骨滑动机构4的偏心轮401上，形成曲柄301，以偏心轮401为主动件的胫骨滑动机构4、胫骨转动机构5以及胫骨组件2设置在机架7的底部，偏心轮401与驱动组件6连接，股骨组件1则设置在机架7的顶部，通过股骨摆动机构3与偏心轮401连接。

驱动组件6包括电机601、联轴器602和传动轴603和传动轴轴承座604，通过联轴器602把电机601与传动轴603直接连在一起，运用电机调速器调速使其满足实验台所需的转速。传动轴603使用的悬臂机构与偏心轮相连，中间设置两个传动轴轴承座604支撑，偏心轮401和传动轴603之间是通过轴肩和挡圈轴向定位。

以上实施例是对本发明的说明，并非对本发明的限定，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的具体工作原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内，本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种用于模拟人体膝关节摩擦的实验装置，其特征在于：包括股骨组件(1)和胫骨组件(2)；所述股骨组件(1)和胫骨组件(2)按照膝关节的关节结构设置在机架(7)上，其中，

所述股骨组件(1)与股骨摆动机构(3)连接，所述股骨摆动机构(3)包括曲柄(301)和连杆(32)，所述曲柄(301)、连杆(32)和股骨组件(1)连接形成曲柄摇杆机构，模拟股骨关节部位的来回摆动；

所述胫骨组件(2)与胫骨滑动机构(4)连接，所述胫骨滑动机构(4)包括滑块(404)、导轨(405)和往复驱动组件，所述胫骨组件(2)通过滑块(404)滑动装配在导轨(405)上，所述往复驱动组件连接滑块(404)，模拟胫骨组件(2)的来回滑动；

所述胫骨组件(2)转动装配在滑块(404)上，并与胫骨转动机构(5)连接，模拟膝关节运动过程中的胫骨内旋和外旋。

2.根据权利要求1所述的一种用于模拟人体膝关节摩擦的实验装置，所述胫骨转动机构(5)包括第一转向连杆(501)、杆杆轴(502)和第二转向连杆(503)，其中，

所述第一转向连杆(501)一端与往复驱动组件铰接，所述第二转向连杆(503)一端与胫骨组件(2)刚性连接，所述第一转向连杆(501)另一端和第二转向连杆(503)另一端分别与固定设置的杠杆轴(502)铰接；所述胫骨转动机构(5)与胫骨组件(2)及往复驱动组件构成四连杆机构；

所述第一转向连杆(501)和第二转向连杆(503)均采用伸缩杆件。

3.根据权利要求2所述的一种用于模拟人体膝关节摩擦的实验装置，所述杠杆轴(502)通过杠杆轴支座(507)平行于胫骨组件(2)的滑动方向固定设置。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的一种用于模拟人体膝关节摩擦的实验装置，所述往复驱动组件采用偏心轮组件，包括偏心轮(401)、从动轮(402)和底杆(403)；

所述底杆(403)沿导轨方向滑动设置，底杆一端通过从动轮(402)与偏心轮(401)外圆接触，另一端与滑块(404)一侧固定连接，所述滑块(404)的另一侧设有压紧的弹簧(406)，将从动轮和偏心轮始终压紧接触。

5.根据权利要求4所述的一种用于模拟人体膝关节摩擦的实验装置，所述股骨摆动机构(3)和胫骨滑动机构(4)采用同一主动件，所述股骨摆动机构(3)的连杆(32)铰接在胫骨滑动机构(4)的偏心轮(401)上，形成曲柄(301)；

所述偏心轮(401)与驱动组件(6)连接。

6.根据权利要求1所述的一种用于模拟人体膝关节摩擦的实验装置，所述连杆(32)采用分段式结构，包括下连杆(321)、上连杆(322)和双头螺杆(323)，所述下连杆(321)和上连杆(322)分别与双头螺杆(323)的两端螺接；

所述双头螺杆(323)两端的螺纹反向设置。

7.根据权利要求1所述的一种用于模拟人体膝关节摩擦的实验装置，所述股骨组件(1)包括股骨(101)、股骨摆杆(102)、股骨轴(103)和股骨支座(104)；

所述股骨(101)固定设置在股骨摆杆(102)的一端，所述股骨摆杆(102)通过股骨轴(103)摆动设置在股骨支座(104)上，股骨摆杆另一端与连杆铰接；

所述股骨支座(104)通过股骨上连接件(105)固定设置在机架(7)的顶部。

8.根据权利要求1所述的一种用于模拟人体膝关节摩擦的实验装置，所述胫骨组件(2)包括胫骨(201)和胫骨台(202)；

所述胫骨(201)通过股骨组件压嵌在胫骨台(202)内，所述胫骨台(202)的底部通过胫骨转动轴承(204)装配在滑块(404)上。

9.根据权利要求8所述的一种用于模拟人体膝关节摩擦的实验装置，所述胫骨(201)的底部设有气囊(203)。

10.根据权利要求9所述的一种用于模拟人体膝关节摩擦的实验装置，所述胫骨台(202)的侧面设有顶紧胫骨的定位螺钉，所述胫骨台(202)的顶面设有防止胫骨脱出的挡板。