CN106596313B - 一种模拟人工关节多运动轨迹摩擦的试验方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种模拟人工关节多运动轨迹摩擦的试验方法及装置，根据人工关节接触界面间的实际摩擦情况，模拟人工关节材料在多种运动轨迹下的摩擦磨损，如下步骤：S1)关节试验：在人工关节接触界面选择一个小区域做点标记后进行人工关节运动模拟试验；S2)轨迹获取：将人工关节接触界面标记点划出的运动轨迹扫描进计算机；S3)轨迹数学模型建立：将计算机中的轨迹图形进行数学解析以获得数学模型；S4)编程：根据轨迹数学模型编程控制试验装置中电机的动作；S5)轨迹摩擦试验：试验装置按照编程运行模拟人工关节的多种轨迹摩擦磨损。本发明能够有效模拟试样在人工关节的多种运动轨迹下的摩擦磨损，具有轨迹真实、控制精准、易于实现等优点。

Description

一种模拟人工关节多运动轨迹摩擦的试验方法及装置
技术领域
本发明涉及一种摩擦学领域中模拟人工关节多种复杂轨迹摩擦磨损的试验方法及装置。
背景技术
人工关节运动是一种复杂的复合运动，以人工膝关节运动为例，可以分解成前后缘滑动(AP)、胫骨扭动(TR)和前后曲伸摆动(FE)。由此可见，人工关节界面间的摩擦运动轨迹是由多种运动形式耦合组成，运动轨迹通常呈现各种不规则的图形，而非简单的直线或圆形。
现有的摩擦试验方法主要是利用几种传统的摩擦磨损试验机进行摩擦模拟，摩擦磨损试验机按摩擦运动方式可分为往复摩擦磨损试验机、旋转摩擦磨损试验机、振动摩擦磨损试验机等几种，主要针对试样在高低速滑动、扭动、旋转以及摆动等几种运动方式上的摩擦磨损而设计，功能单一且试样对磨方式简单，虽然可以将这些运动方式复合形成滑扭、滑摆等对磨方式，但也只能模拟几种较为简单而典型的摩擦磨损。在模拟人工关节界面摩擦的时候，现有的试验机往往采用简化模型的方法，单独研究往复滑动摩擦、扭动摩擦以及摆动摩擦等等，这种方法并不能准确复制真实的摩擦运动，尤其是运动轨迹存在拐点时的摩擦磨损。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种模拟人工关节多运动轨迹摩擦的试验方法及装置，解决现有摩擦试验方法及装置无法实现多种运动轨迹形式下的摩擦磨损问题。
技术方案：为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种模拟人工关节多运动轨迹摩擦的试验方法，试验方法包括如下步骤：
S1)、关节试验：在人工关节接触界面选择一个区域做标记点后进行人工关节运动模拟试验；
S2)、轨迹获取：将人工关节接触界面标记点划出的运动轨迹扫描进计算机；
S3)、轨迹数学模型建立：将计算机中的轨迹图形进行数学解析以获得数学模型；
S4)、编程：根据轨迹数学模型编程控制试验装置中电机的动作；
S5)、轨迹摩擦试验：试验装置按照编程运行模拟人工关节的多种轨迹摩擦磨损。
进一步的，在关节试验中，在上试样假体下表面加工有微孔作为标记点，微孔中填充有荧光剂，在试验中，上试样假体受挤压力变形而向下试样假体释放荧光剂，下试样假体表面留下的荧光剂，即为该标记点的运动轨迹。
进一步的，标记点设置的区域包括上试样假体下表面中心区域、下表面前后边缘区域以及下表面左右边缘区域。
进一步的，轨迹包括关节试验中所获取的真实关节运动轨迹，或者人为定义的模拟轨迹；人为定义的模拟轨迹包括八字形轨迹、椭圆形轨迹、矩形轨迹，或者八字形轨迹、椭圆形轨迹、矩形轨迹之间的任意两种之间组合或者其同一种形状轨迹的组合。
进一步的，人为的模拟轨迹的任意两种之间的组合包括同种形状大小轨迹的拼接组合、同种形状不同大小轨迹的拼接组合、不同形状轨迹的拼接组合及不同形状轨迹的包容式组合
进一步的，轨迹包括关节试验中所获取的真实关节运动轨迹与人为定义的模拟轨迹的组合。
一种模拟人工关节多运动轨迹摩擦的试验装置，包括下滑台、上滑台、伺服加载组件、三维力传感器、温控组件、上夹具和下夹具；所述上滑台设置在下滑台上，所述上滑台可在下滑台上作X和Y两方向的运动，所述上滑台上设置有下夹具，所述伺服加载组件相对上滑台和下滑台竖直设置，所述三维力传感器设置在伺服加载组件上，且可沿伺服加载组件的竖直方向上、下加载作用；所述上夹具设置在三维力传感器的下表面，且在上夹具下端安装有销状上试样；所述下夹具内部安装有盘状下试样，并在下夹具内部装入定量生物摩擦用溶液，所述下夹具与温控组件电性连接；启动伺服加载组件，伺服加载组件通过三维力传感器加载上夹具向下运动，直至上试样与下试样加载作用，上滑台按照计运动轨迹带动下试样完成轨迹运动。
进一步的，所述下滑台包括下滑台用伺服电机、下滑台用丝杆、下滑台用滑轨和下滑块，所述下滑台用伺服电机通过下滑台丝杆将动力传递于下滑块，所述下滑块沿下滑台用滑轨沿X方向运动；所述上滑台包括上滑台用伺服电机、上滑台用丝杆、上滑台用滑轨和上滑块，所述上滑台用伺服电机通过上滑台丝杆将动力传递于上滑块，所述上滑块沿上滑块台用滑轨沿Y方向运动；所述上滑台固定设置在下滑台上。
进一步的，所述伺服加载组件包括加载用伺服电机、加载用丝杆、加载板和加载用滑轨，所述加载用伺服电机通过加载用丝杆将动力传递于加载板，使加载板在竖直方向沿加载用滑轨上下运动。
有益效果：与现有技术相比，本发明所具有的有益效果是：
1、通过试验获得人工关节运动的复杂轨迹，并由试验装置还原轨迹进行摩擦试验，试验结果更贴近真实的人工关节摩擦状况；
2、试验装置运行的轨迹可以人为进行编辑，可以研究试样在多种运动轨迹下的摩擦学行为，克服了传统试验机只能走线性轨迹的缺点；
3、由伺服电机驱动丝杠作为动力源，定位精准，结构紧凑，加载力大，可以模拟宽载荷范围条件下的摩擦磨损。
附图说明
图1是本发明的一种模拟人工关节多运动轨迹摩擦的试验方法流程图；
图2是本发明可以实现的几种典型的运动轨迹；
图3是本发明的一种模拟人工关节多运动轨迹摩擦的试验装置结构示意图；
图4是图3中滑台的结构示意图；
图5是图3中伺服加载组件的结构示意图；
图6是一种典型的髋关节球窝接触表面摩擦轨迹模型。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如附图1，一种模拟人工关节多运动轨迹摩擦的试验方法，试验方法包括如下步骤：
S1)、关节试验：在人工关节接触界面选择一个区域做标记点后进行人工关节运动模拟试验；
S2)、轨迹获取：将人工关节接触界面标记点划出的运动轨迹扫描进计算机；
S3)、轨迹数学模型建立：将计算机中的轨迹图形进行数学解析以获得数学模型；
S4)、编程：根据轨迹数学模型编程控制试验装置中电机的动作；
S5)、轨迹摩擦试验：试验装置按照编程运行模拟人工关节的多种轨迹摩擦磨损。
在关节试验中，在上试样假体下表面加工有微孔作为标记点，微孔中填充有荧光剂，在试验中，上试样假体受挤压力变形而向下试样假体释放荧光剂，下试样假体表面留下的荧光剂，即为该标记点的运动轨迹。标记点设置的区域包括上试样假体下表面中心区域、下表面前后边缘区域以及下表面左右边缘区域。以此模拟假体接触界面各部位的摩擦磨损以及探讨各种运动方式对运动轨迹的作用规律。
轨迹包括关节试验中所获取的真实关节运动轨迹，或者人为定义的模拟轨迹；人为定义的模拟轨迹包括八字形轨迹、椭圆形轨迹、矩形轨迹，或者八字形轨迹、椭圆形轨迹、矩形轨迹之间的任意两种之间组合或者其同一种形状轨迹的组合。
具体的，如附图2，人为的模拟轨迹的任意两种之间的组合包括同种形状大小轨迹的拼接组合、同种形状不同大小轨迹的拼接组合、不同形状轨迹的拼接组合及不同形状轨迹的包容式组合。进一步的，轨迹包括关节试验中所获取的真实关节运动轨迹与人为定义的模拟轨迹的组合。
如附图3、4和5，一种模拟人工关节多运动轨迹摩擦的试验装置，整个试验装置设置在箱体5内，包括下滑台1、上滑台2、伺服加载组件3、三维力传感器4、温控组件6、上夹具7和下夹具8；所述上滑台2设置在下滑台1上，述上滑台2与下滑台1通过滑台1上的螺纹孔2-5实现定位连接，所述上滑台2可在下滑台1上作X和Y两方向的运动，所述上滑台2上设置有下夹具8，所述伺服加载组件3相对上滑台2和下滑台1竖直设置，所述三维力传感器4设置在伺服加载组件3上，且可沿伺服加载组件3的竖直方向上、下加载作用；所述上夹具7设置在三维力传感器4的下表面，上夹具7与三维力传感器4下方通过螺纹孔实现定位连接，且在上夹具7下端安装有销状上试样；所述下夹具8内部安装有盘状下试样，并在下夹具8内部装入定量生物摩擦用溶液，所述下夹具8与温控组件6电性连接，所述下夹具8与滑台2通过滑台2上的螺纹孔2-5实现定位连接；启动伺服加载组件3，伺服加载组件3通过三维力传感器4加载上夹具7向下运动，直至上试样与下试样加载作用，上滑台2按照计运动轨迹带动下试样完成轨迹运动。
所述下滑台1包括下滑台用伺服电机、下滑台用丝杆、下滑台用滑轨和下滑块，所述下滑台用伺服电机通过下滑台丝杆将动力传递于下滑块，所述下滑块沿下滑台用滑轨沿X方向运动；所述上滑台包括上滑台用伺服电机2-1、上滑台用丝杆2-2、上滑台用滑轨2-3和上滑块2-4，所述上滑台用伺服电机2-1通过上滑台丝杆2-2将动力传递于上滑块2-4，所述上滑块2-4沿上滑块台用滑轨沿Y方向运动；所述上滑台2-4固定设置在下滑台上。
所述伺服加载组件3包括加载用伺服电机3-1、加载用丝杆3-2、加载板3-3和加载用滑轨3-4，所述加载用伺服电机3-1通过加载用丝杆3-2将动力传递于加载板3-3，使加载板3-3在竖直方向沿加载用滑轨3-4上下运动。
具体实施例，为研究人工髋关节摩擦磨损情况，将髋关节球下表面前缘打微孔并填充荧光剂后与髋关节球窝配合进行一定周次摩擦试验，之后在髋关节球表面获得图6示出的异形八字轨迹，通过计算机扫描建立该轨迹的数学模型，并将数学模型做进一步编程导入试验装置的计算机中；将盘状下试样固定于下夹具8中，下夹具8通过螺纹连接装于滑台2上方并在下夹具8内部装入定量的小牛血清溶液(生物摩擦实验用)；将销状上试样固定于上夹具7中，上夹具7通过螺纹连接装于三维力传感器4下方；然后开启温控组件6，设置恒温37℃，当温度达到设置值时，开启伺服加载组件3，使上试样按照正常人体髋关节压力值加载于下试样，随后滑台1和2按照程序运行以带动下试样完成轨迹运动；滑台用伺服电机2-1实时将X与Y两方向的位移信息反馈于计算机，三维力传感器4实时将上下试样间的X与Y方向摩擦力以及法向加载力信息反馈于计算机；最后试验机在完成设定的试验时间后停止运行，由此获得髋关节球、窝材料在不同运动位置的摩擦力以及磨损情况。
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 (9)

1.一种模拟人工关节多运动轨迹摩擦的试验方法，其特征在于，试验方法包括如下步骤：
S1）、关节试验：在人工关节接触界面选择一个区域做标记点后进行人工关节运动模拟试验；
S2）、轨迹获取：将人工关节接触界面标记点划出的运动轨迹扫描进计算机；
S3）、轨迹数学模型建立：将计算机中的轨迹图形进行数学解析以获得数学模型；
S4）、编程：根据轨迹数学模型编程控制试验装置中电机的动作；
S5）、轨迹摩擦试验：试验装置按照编程运行模拟人工关节的多种轨迹摩擦磨损。
2.根据权利要求1所述的一种模拟人工关节多运动轨迹摩擦的试验方法，其特征在于：在关节试验中，在上试样假体下表面加工有微孔作为标记点，微孔中填充有荧光剂，在试验中，上试样假体受挤压力变形而向下试样假体释放荧光剂，下试样假体表面留下的荧光剂，即为该标记点的运动轨迹。
3.根据权利要求1或2所述的一种模拟人工关节多运动轨迹摩擦的试验方法，其特征在于：标记点设置的区域包括上试样假体下表面中心区域、下表面前后边缘区域以及下表面左右边缘区域。
4.根据权利要求1所述的一种模拟人工关节多运动轨迹摩擦的试验方法，其特征在于：轨迹包括关节试验中所获取的真实关节运动轨迹，或者人为定义的模拟轨迹；人为定义的模拟轨迹包括八字形轨迹、椭圆形轨迹、矩形轨迹，或者八字形轨迹、椭圆形轨迹、矩形轨迹之间的任意两种之间组合或者其同一种形状轨迹的组合。
5.根据权利要求4所述的一种模拟人工关节多运动轨迹摩擦的试验方法，其特征在于：人为定义的模拟轨迹的任意两种之间的组合包括同种形状大小轨迹的拼接组合、同种形状不同大小轨迹的拼接组合、不同形状轨迹的拼接组合及不同形状轨迹的包容式组合。
6.根据权利要求4所述的一种模拟人工关节多运动轨迹摩擦的试验方法，其特征在于：轨迹包括关节试验中所获取的真实关节运动轨迹与人为定义的模拟轨迹的组合。
7.根据权利要求1所述的一种模拟人工关节多运动轨迹摩擦的试验方法的试验装置，其特征在于：包括下滑台（1）、上滑台（2）、伺服加载组件（3）、三维力传感器（4）、温控组件（6）、上夹具（7）和下夹具（8）；所述上滑台（2）设置在下滑台（1）上，所述上滑台（2）可在下滑台（1）上作X和Y两方向的运动，所述上滑台（2）上设置有下夹具（8），所述伺服加载组件（3）相对上滑台（2）和下滑台（1）竖直设置，所述三维力传感器（4）设置在伺服加载组件（3）上，且可沿伺服加载组件（3）的竖直方向上、下加载作用；所述上夹具（7）设置在三维力传感器（4）的下表面，且在上夹具（7）下端安装有销状上试样；所述下夹具（8）内部安装有盘状下试样，并在下夹具（8）内部装入定量生物摩擦用溶液，所述下夹具（8）与温控组件（6）电性连接；启动伺服加载组件（3），伺服加载组件（3）通过三维力传感器（4）加载上夹具（7）向下运动，直至上试样与下试样加载作用，上滑台（2）按照计划运动轨迹带动下试样完成轨迹运动。
8.根据权利要求7所述的一种模拟人工关节多运动轨迹摩擦的试验装置，其特征在于：所述下滑台（1）包括下滑台用伺服电机、下滑台用丝杆、下滑台用滑轨和下滑块，所述下滑台用伺服电机通过下滑台丝杆将动力传递于下滑块，所述下滑块沿下滑台用滑轨沿X方向运动；所述上滑台包括上滑台用伺服电机（2-1）、上滑台用丝杆（2-2）、上滑台用滑轨（2-3）和上滑块（2-4），所述上滑台用伺服电机（2-1）通过上滑台丝杆（2-2）将动力传递于上滑块（2-4），所述上滑块（2-4）沿上滑块台用滑轨沿Y方向运动；所述上滑台（2-4）固定设置在下滑台上。
9.根据权利要求7所述的一种模拟人工关节多运动轨迹摩擦的试验装置，其特征在于：所述伺服加载组件（3）包括加载用伺服电机（3-1）、加载用丝杆（3-2）、加载板（3-3）和加载用滑轨（3-4），所述加载用伺服电机（3-1）通过加载用丝杆（3-2）将动力传递于加载板（3-3），使加载板（3-3）在竖直方向沿加载用滑轨（3-4）上下运动。
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