CN112807124B - 膝关节冲击模拟加载装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种膝关节冲击模拟加载装置，包括固定装置、驱动装置和冲击装置；固定装置包括支撑架体、身体固定器和两组肢体固定器；驱动装置由依次连接的气泵、第一活塞杆、气缸、第二活塞杆和冲击板构成；气缸为由依次连接且相连通的第一竖筒、横筒和第二竖筒构成的倒U形结构；冲击装置由杠杆、圆筒和U形弯杆构成，圆筒套在U形弯杆的横杆上，使杠杆能够绕U形弯杆往复摆动；该膝关节冲击模拟加载装置结构简单、设计合理，实现有效模拟日常活动中弹跳、跳伞落地过程中地面对膝关节的冲击，进而达到估量膝关节磨损程度以及后期修复磨损、延长膝关节寿命的目的。
Description
技术领域
本发明涉及弹跳模拟装置技术领域，特别涉及一种膝关节冲击模拟加载装置。
背景技术
磨损是人类膝关节晚期松动和失效的主要原因，膝关节受到冲击对其磨损有重要影响。目前，为了模拟了日常活动(比如弹跳、跳伞落地)中地面对膝关节的冲击，需要将实验动物反复降落与地面撞击，很容易对实验动物对象造成致命伤害。因此，设计出良好的模拟膝关节冲击加载装置，对估量膝关节磨损程度以及后期修复磨损、延长膝关节寿命有重要意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够接近模拟人体膝关节在日常生理活动中弹跳、跳伞落地中受到地面冲击情况的膝关节冲击模拟加载装置。
为此，本发明技术方案如下：
一种膝关节冲击模拟加载装置，包括固定装置、驱动装置和冲击装置；其中，
固定装置包括支撑架体、身体固定器和两组肢体固定器；身体固定器为呈水平态设置并固定在支撑架体顶部的圆柱形筒体，其沿水平方向对开为两个半筒，且两个半筒一侧通过铰链活动连接、另一侧分别设置有锁环和锁扣；两组肢体固定器分别设置在圆柱形筒体两端端侧下方，每组肢体固定器由并列设置的两个U形夹构成，且二者均以U形夹开口朝向外侧、内部通槽的轴线呈竖向设置的方式固定在筒体的外壁上；自位于下方的半筒端面沿水平方向分别开设有两个与其下方两个U形夹的内部通槽一一对应并形成连通的开口槽；
驱动装置由气泵、第一活塞杆、气缸、第二活塞杆和冲击板构成；气缸为由依次连接且相连通的第一竖筒、横筒和第二竖筒构成的倒U形结构；第一活塞杆由自上而下依次连接的上活塞、中部连杆和下活塞构成，第二活塞杆由自上而下依次连接的上活塞和连杆构成，二者竖直设置且二者的上活塞分别设置在第一竖筒和第二竖筒的内腔中，使气缸的内腔形成一封闭腔室；第一活塞杆的下活塞设置在位于其下方的气泵的气缸内，驱动第一活塞杆上行；冲击板水平设置，第二活塞杆的底端固定在冲击板的上表面中心处；
冲击装置由杠杆、圆筒和U形弯杆构成；杠杆由第一立方压块、第二立方压块和水平连接板构成，第一立方压块和第二立方压块对称设置在同一水平面上并固定在水平连接板两侧；U形弯杆以其开口朝下的方式竖直设置在邻近第二立方压块的水平连接板下方，圆筒套装在U形弯杆的横杆外侧，且其外壁局部固定在水平连接板的底面上，使杠杆能够绕U形弯杆往复摆动；第一立方压块设置在一组肢体固定器的下方，第二立方压块设置在冲击板的下方。
进一步地，支撑架体的高度、筒体的内径以及U形夹的内径分别与实验模拟对象的高度、躯干的外径以及四肢的外径相适应，使身体固定器和两组肢体固定器能够将实验模拟对象稳定固定在固定装置上，并保持肢体底端与冲击板置于同一水平面上。
进一步地，圆筒通过设置在其内侧的滚动轴承可自由转动地套装在U形弯杆的横杆外侧。
与现有技术相比，该膝关节冲击模拟加载装置结构简单、设计合理，克服目前动物实验模拟膝关节受冲击采用的试样方法导致对实验对象造成致命伤害的缺陷，通过人性化实验即可实现有效模拟日常活动中弹跳、跳伞落地过程中地面对膝关节的冲击，进而达到估量膝关节磨损程度以及后期修复磨损、延长膝关节寿命的目的。
附图说明
图1为本发明的膝关节冲击模拟加载装置的结构示意；
图2为本发明的膝关节冲击模拟加载装置的杠杆的结构示意图；
图3为本发明的膝关节冲击模拟加载装置的固定装置的结构示意图；
图4为本发明的膝关节冲击模拟加载装置的肢体固定器的结构示意图；
图5为本发明的膝关节冲击模拟加载装置的气缸的内部剖面图；
图6为本发明的膝关节冲击模拟加载装置的杠杆的受力分析图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的说明，但下述实施例绝非对本发明有任何限制。
如图1所示，该膝关节冲击模拟加载装置适用于以小型猪为实验模拟对象，包括固定装置、驱动装置和冲击装置；其中，
如图3所示，固定装置包括支撑架体11、身体固定器2和两组肢体固定器1；身体固定器1为呈水平态设置并固定在支撑架体11顶部的圆柱形筒体，其沿水平方向对开为两个半筒，且两个半筒一侧通过间隔设置的两个铰链形成便于开合的活动连接、另一侧分别设置有锁环和锁扣便于闭合后锁定；如图4所示，两组肢体固定器1分别设置在圆柱形筒体两端端侧下方，每组肢体固定器1由并列设置的两个U形夹构成，且二者均以U形夹开口朝向外侧、内部通槽的轴线呈竖向设置的方式固定在筒体的外壁上；自位于下方的半筒端面沿水平方向分别开设有两个与其下方两个U形夹的内部通槽一一对应并形成连通的开口槽；该固定装置将小型猪的身体部分完全固定在筒体内，而其两个前肢和两个后肢则分别内置与开口槽和下方的U形夹内；由于小型猪不会做屈膝动作，因此该肢体固定器1能够限制其四肢分别在朝向固定装置内侧及两侧的三个方向上的移动，保证小猪四肢乱动而脱离固定状态；
其中，支撑架体11的高度、筒体的内径以及U形夹的内径分别与实验模拟对象的高度、躯干的外径以及四肢的外径相适应，使身体固定器2和两组肢体固定器1能够将实验模拟对象稳定固定在固定装置上，保证实验模拟对象不易并保持肢体底端与冲击板7置于同一水平面上；
驱动装置由气泵3、第一活塞杆4、气缸5、第二活塞杆6和冲击板7构成；其中，如图5所示，气缸5为由依次连接且相连通的第一竖筒、横筒和第二竖筒构成的倒U形结构；第一活塞杆4由自上而下依次连接的上活塞、中部连杆和下活塞构成，第二活塞杆6由自上而下依次连接的上活塞和连杆构成，二者竖直设置且二者的上活塞分别设置在第一竖筒和第二竖筒的内腔中，使气缸5的内腔形成一封闭腔室；第一活塞杆4的下活塞与气泵3的气缸内腔尺寸相适应，使其设置在位于其下方的气泵3的气缸内，通过利用气泵电机压缩空气产生气压，进而驱动第一活塞杆4上行；冲击板7水平设置，第二活塞杆6的底端固定在冲击板7的上表面中心处；冲击板7为一薄板，防止在初始状态下，第二活塞杆6因其自身重量导致其上活塞在第二竖筒内下滑。
冲击装置由杠杆8、圆筒9和U形弯杆10构成；具体地，
如图1所示，杠杆8由第一立方压块、第二立方压块和水平连接板构成，第一立方压块和第二立方压块对称设置在同一水平面上并固定在水平连接板两侧；
如图2所示，U形弯杆10以其开口朝下的方式竖直设置在邻近第二立方压块的水平连接板下方，圆筒9套装在U形弯杆10的横杆外侧，且其外壁局部固定在水平连接板的底面上，使杠杆8能够绕U形弯杆10往复摆动；第一立方压块设置在一组肢体固定器1的下方，第二立方压块设置在冲击板7的下方。
作为本实施例的一个优选技术方案，圆筒9通过设置在其内侧的滚动轴承可自由转动地套装在U形弯杆10的横杆外侧。
该膝关节冲击模拟加载装置的工作原理如下：
(一)实验准备：将小型猪的躯干和四肢分别固定在身体固定器2和两组肢体固定器1内，使小型猪的两个后肢设置在第一立方压块上方，并保持小型猪的后肢肢端与冲击板7位于同一水平面上；然后调节第一活塞杆4和第二活塞杆6分别置于第一竖筒和第二竖筒中间部位处，第一立方压块和第二立方压块在水平方向上齐平；
(二)实验过程：根据实验预设条件，对小型猪的后肢进行一次或多次冲击加载模拟实验；每次模拟实验的具体过程为：启动气泵3并通过调节气泵3的阀门开关对第一活塞杆4的下活塞施加冲击载荷，使其在压缩空气的作用下瞬间向上冲击下活塞，进而第一活塞杆4整体上行；在该过程中，第一活塞杆4的上活塞在第一竖筒中瞬时上行，压缩气缸5的封闭内腔的空气，导致气缸5的封闭内腔的空气被瞬时压缩，驱动第二活塞杆6同时刻在第二竖筒内瞬时下行，其底端连接的冲击板7进而瞬时对杠杆8的第二立方压块施加一个向下的推力，推动杠杆8一端的第一立方压块摆动向下，使杠杆8另一端的第一立方压块翘起，第一立方压块的上表面即与小型猪的后肢接触，对其形成向上的冲击力，即模拟小型猪后肢进行弹跳运动过程中地面对其后肢产生的反向作用力；由于气缸内外气压会回复平衡，因此第二活塞杆杆6会缓慢上行并恢复至初始位置，挤压气缸5内空气，推动第一活塞杆4同时恢复至原始位置，待活塞稳定后再进行第二次冲击。
其中，在每次对小型猪的后肢进行冲击加载模拟实验中，实验参数获取如下：如图6所示为杠杆8的受力分析示意图，调节气泵3给第一活塞杆4一个冲击，继而依次传递给第二活塞杆6、冲击锤7、杠杆8的第二立方压块一个冲击力F1，该冲击力F1的具体数值可以通过调整气泵的喷气压力进行限制；以杠杆支撑装置，即圆筒9为杠杆8的分界点，杠杆右侧部分的质量为m1，杠杆左侧部分的质量为m2，分界点到两侧的重心的距离分别为L1和L2；利用杠杆原理公式：FL1＝F2L2，计算得到杠杆左侧部分对应获得的冲击力F2；进而，根据牛顿第二定律公式：F2＝m2a2，计算出杠杆左侧部分的上行加速度a2：测量小型猪猪后肢底部到杠杆左侧部分上表面的距离s，利用公式：v2＝2a2s和计算出冲击时间t和冲击速度v。
Claims (1)
1.一种膝关节冲击模拟加载装置，其特征在于，包括固定装置、驱动装置和冲击装置；其中，
固定装置包括支撑架体、身体固定器（2）和两组肢体固定器（1）；身体固定器（2）为呈水平态设置并固定在支撑架体顶部的圆柱形筒体，其沿水平方向对开为两个半筒，且两个半筒一侧通过铰链活动连接、另一侧分别设置有锁环和锁扣；两组肢体固定器（1）分别设置在圆柱形筒体两端端侧下方，每组肢体固定器（1）由并列设置的两个U形夹构成，且二者均以U形夹开口朝向外侧、内部通槽的轴线呈竖向设置的方式固定在筒体的外壁上；自位于下方的半筒端面沿水平方向分别开设有两个与其下方两个U形夹的内部通槽一一对应并形成连通的开口槽；
驱动装置由气泵（3）、第一活塞杆（4）、气缸（5）、第二活塞杆（6）和冲击板（7）构成；气缸（5）为由依次连接且相连通的第一竖筒、横筒和第二竖筒构成的倒U形结构；第一活塞杆（4）由自上而下依次连接的上活塞、中部连杆和下活塞构成，第二活塞杆（6）由自上而下依次连接的上活塞和连杆构成，二者竖直设置且二者的上活塞分别设置在第一竖筒和第二竖筒的内腔中，使气缸（5）的内腔形成一封闭腔室；第一活塞杆（4）的下活塞设置在位于其下方的气泵（3）的气缸内，驱动第一活塞杆（4）上行；冲击板（7）水平设置，第二活塞杆（6）的底端固定在冲击板（7）的上表面中心处；
冲击装置由杠杆（8）、圆筒（9）和U形弯杆（10）构成；杠杆（8）由第一立方压块、第二立方压块和水平连接板构成，第一立方压块和第二立方压块对称设置在同一水平面上并固定在水平连接板两侧；U形弯杆（10）以其开口朝下的方式竖直设置在邻近第二立方压块的水平连接板下方，圆筒（9）套装在U形弯杆（10）的横杆外侧，且其外壁局部固定在水平连接板的底面上，使杠杆（8）能够绕U形弯杆（10）往复摆动；第一立方压块设置在一组肢体固定器（1）的下方，第二立方压块设置在冲击板（7）的下方；支撑架体的高度、筒体的内径以及U形夹的内径分别与实验模拟对象的高度、躯干的外径以及四肢的外径相适应，使身体固定器（2）和两组肢体固定器（1）能够将实验模拟对象稳定固定在固定装置上，并保持肢体底端与冲击板（7）置于同一水平面上；圆筒（9）通过设置在其内侧的滚动轴承可自由转动地套装在U形弯杆（10）的横杆外侧。
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