CN112816233A - 一种球窝式仿生关节润滑薄膜测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种球窝式仿生关节润滑薄膜测量装置，包括台架、摆动系统、变载加载系统和显微镜系统，钢球与关节臼杯形成球副配合，摆动系统中的移动板能够带动钢球沿水平方向往复运动，移动板带动钢球连接杆运动，使得钢球在凹槽内往复摆动，与此同时，变载加载系统中的施力组件向杠杆板施力，带动杠杆板绕转动支点杆转动，从而利用加载轮向竖直位移板施力，竖直位移板与上台面沿竖直方向产生相对滑动，带动钢球摆动。利用本发明的球窝式仿生关节润滑薄膜测量装置，能够实现钢球在要求角度内摆动，使得润滑膜的厚度测量能够在变载情况下进行，符合IOS标准中关于人类膝关节承受周期变化载荷的要求。

Description

一种球窝式仿生关节润滑薄膜测量装置

技术领域

本发明涉及人工关节润滑研究技术领域，特别是涉及一种球窝式仿生关节润滑薄膜测量装置。

背景技术

关节置换术被认为是现代医学中最广泛的外科手术之一，研究关节置换物的生物摩擦学对进一步改善植入物使用寿命至关重要。除了探寻适合人体环境的具有低摩擦磨损性能的仿生关节材料外，研究更符合人工关节形状和运动形式下关节与关节臼杯之间的润滑状态，以始终保持有良好的流体膜的润滑状态为目标，避免关节与关节臼杯之间的直接接触而发生磨损，探究人工关节润滑的机理，对于指导人工关节设计和延长人工关节使用寿命具有重要的意义。

早期的人工关节间的润滑状态的研究都是通过金属/陶瓷球-玻璃盘或透镜组成的摩擦副模拟关节的运动，这种球-盘或球-曲面式的结构和运动方式均与天然关节存在较大的差距。2015年3月捷克摩擦学研究小组在《Biotribology》杂志第1-2卷第61-65页上发表的研究论文中披露了一种臼杯结构的摆式关节模拟装置，以球和玻璃杯构成的摩擦副，向玻璃杯内加入关节滑液，将金属球固定在摆动架上，利用砝码施加固定载荷模拟人工关节受到的压力并提供摆动的动力，由于关节间的摩擦力摆动的振幅减弱直至完全停止，将一束白光照射玻璃杯，获取每次摆动过程中金属球达到玻璃杯最低点处的光干涉图像，基于比色法计算出润滑薄膜的厚度；摆动架上安装有角度传感器实时测量摆动角度。

相较于传统的球盘式结构和透镜式结构，它更加贴近天然关节的几何形貌，球杯的往复摆动运动相较于球盘的转动更加符合关节的实际运动形式，能更精确的评价人工关节间的润滑状态。国内关于膝关节磨损研究标准《YYT 1426.1-2016外科植入物全膝关节假体的磨损》及相关医学研究指出：1)关节受力是呈周期性不断变化的；2)关节运动中除了主要的摆动外，还存在关节和关节臼杯之间的相互转动；3)相关润滑性能的评价需在足够时长下才具有价值。显然，捷克研究小组研发的这种关节模拟装置既不能提供更加符合自然关节运动方式下的呈现周期性变化的载荷，也无法实现在足够时长的摆动观测关节面间的润滑状态；此外，其单一的摆动运动忽略了关节和关节臼杯之间存在的相互转动，无法反应人工关节实际工作状态下的复合运动。

因此，如何改变现有技术中，关节模拟装置无法模拟人工关节实际运动和受力状态的现状，成为了本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种球窝式仿生关节润滑薄膜测量装置，以解决上述现有技术存在的问题，使装置能够模拟人工关节的实际受力状态，为人工关节润滑研究提供便利条件。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种球窝式仿生关节润滑薄膜测量装置，包括：

台架，所述台架包括上台面、关节臼杯、固定套筒，所述上台面具有通孔，所述关节臼杯具有凹槽，所述关节臼杯正对所述通孔设置，所述关节臼杯利用所述固定套筒与所述上台面相连，所述固定套筒与所述关节臼杯之间设置加热元件和温度传感器，所述加热元件能够加热所述关节臼杯，所述温度传感器能够检测所述关节臼杯的温度；

摆动系统，所述摆动系统包括钢球、钢球连接杆、移动板、竖直位移板、施力板，所述钢球与所述凹槽相适配，所述钢球与所述钢球连接杆相连，所述钢球连接杆远离所述钢球的一端可转动地与所述移动板相连，所述钢球连接杆具有角度传感器，所述钢球连接杆相对于所述移动板的转动面为球面，所述移动板可滑动地与所述竖直位移板相连，所述竖直位移板位于所述上台面的顶部且二者之间具有间隙，所述竖直位移板可滑动地与所述上台面相连，所述竖直位移板、所述上台面的相对滑动方向与所述上台面相垂直，所述移动板、所述竖直位移板的相对滑动方向与所述上台面相平行，所述施力板位于所述竖直位移板的顶部且二者之间具有间隙；

变载加载系统，所述变载加载系统包括杠杆板、杠杆支点板、转动支点杆、加载轮和施力组件，所述杠杆支点板设置于所述上台面上，所述转动支点杆与所述杠杆板相连，所述转动支点杆可转动地与所述杠杆支点板相连，所述加载轮可转动地与所述杠杆板的一端相连，所述杠杆板的另一端与所述施力组件相连，所述施力组件与所述加载轮分别位于所述转动支点杆的两端，所述施力组件包括力传感器，所述加载轮设置于所述施力板的顶部，所述加载轮与所述施力板相抵接；

显微镜系统，所述显微镜系统包括镜头、镜筒、相机和安装架，所述镜头通过所述镜筒与所述相机相连，所述相机利用所述安装架与所述台架相连，所述显微镜系统位于所述上台面的底部，所述镜头正对所述凹槽设置。

优选地，所述台架还包括立柱和下台面，所述上台面和所述下台面平行设置，所述立柱连接所述上台面和所述下台面，所述立柱的数量为四根，四根所述立柱的连线呈矩形，所述上台面、所述下台面分别与所述立柱可拆卸连接。

优选地，所述固定套筒的轴向截面为Z形，所述固定套筒套装于所述关节臼杯的外部，所述固定套筒的底部能够承托所述关节臼杯，所述固定套筒与所述关节臼杯之间设置橡胶垫片，所述关节臼杯的顶部设置压紧环和压紧板，所述压紧环能够将所述压紧板压紧在所述关节臼杯上；所述固定套筒与所述上台面可拆卸连接，所述加热元件为电热丝，所述加热元件与所述关节臼杯相抵接，所述温度传感器固定于所述固定套筒上并与所述关节臼杯相抵接。

优选地，所述摆动系统还包括竖直滑杆，所述竖直滑杆固定于所述上台面上，所述竖直位移板可滑动地套装于所述竖直滑杆上，所述竖直滑杆外套装有调节支座，所述调节支座与所述上台面相抵接，所述调节支座与所述竖直位移板之间设置有调节弹簧，所述调节弹簧套装于所述竖直滑杆外部。

优选地，所述摆动系统还包括光杠，所述光杠与所述竖直位移板相连，所述光杠的轴线与所述移动板、所述竖直位移板的相对滑动方向相平行，所述移动板连接有光杠支架，所述光杠支架可滑动地套设与所述光杠的外部。

优选地，所述摆动系统还包括摆动电机、丝杠、丝杠推动块，所述丝杠推动块与所述移动板相连，所述丝杠与所述丝杠推动块螺纹连接，所述丝杠的轴线与所述光杠的轴线相平行，所述摆动电机利用皮带传输件与所述丝杠传动相连，所述摆动电机利用摆动电机架固定于所述移动板上；所述钢球连接杆与所述移动板之间设置关节轴承。

优选地，所述施力板与所述竖直位移板利用连杆相连；所述竖直位移板上设置有丝杠支架，所述丝杠可转动地设置于所述丝杠支架上。

优选地，所述钢球连接杆与所述钢球螺纹连接。

优选地，所述施力组件包括加载电机、加载电机座、拉力齿轮、第一滑轮、拉力弹簧、第二滑轮、第三滑轮、第一钢绳、第二钢绳，所述加载电机利用所述加载电机座固定于所述上台面上，所述加载电机与所述拉力齿轮传动相连，所述拉力齿轮与所述第一钢绳的一端相连，所述拉力齿轮转动能够卷绕所述第一钢绳，所述第一钢绳的另一端绕过所述第一滑轮与所述拉力弹簧相连，所述拉力弹簧的另一端与所述力传感器相连，所述力传感器与所述第二钢绳相连，所述第二钢绳的另一端绕过所述第二滑轮、所述第三滑轮与所述杠杆板相连，所述第一滑轮固定于所述上台面上，所述第二滑轮、所述第三滑轮设置于平台板上，所述平台板与所述上台面相平行且二者之间具有间隙，所述平台板利用竖杆与所述上台面相连。

优选地，所述安装架包括转动套、固定杆、固定块、第一滑块、第二滑块、安装块，所述相机与所述转动套相连且连接位置能够调整，所述转动套可转动地套设于所述固定杆上，所述转动套与所述固定杆之间设置设置有调节旋钮，所述固定杆设置于所述固定块上，所述固定块可滑动地设置于所述第一滑块上，所述第一滑块可滑动地设置于所述第二滑块上，所述固定块、所述第一滑块的相对滑动方向与所述第一滑块、所述第二滑块的相对滑动方向相垂直，所述第二滑块与所述安装块相连，所述安装块与所述下台面相连。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：本发明的球窝式仿生关节润滑薄膜测量装置，包括台架、摆动系统、变载加载系统和显微镜系统，其中，台架包括上台面、关节臼杯、固定套筒，上台面具有通孔，关节臼杯具有凹槽，关节臼杯正对通孔设置，关节臼杯利用固定套筒与上台面相连，固定套筒与关节臼杯之间设置加热元件和温度传感器，加热元件能够加热关节臼杯，温度传感器能够检测关节臼杯的温度；摆动系统包括钢球、钢球连接杆、移动板、竖直位移板、施力板，钢球与凹槽相适配，钢球与钢球连接杆相连，钢球连接杆远离钢球的一端可转动地与移动板相连，钢球连接杆具有角度传感器，钢球连接杆相对于移动板的转动面为球面，移动板可滑动地与竖直位移板相连，竖直位移板位于上台面的顶部且二者之间具有间隙，竖直位移板可滑动地与上台面相连，竖直位移板、上台面的相对滑动方向与上台面相垂直，移动板、竖直位移板的相对滑动方向与上台面相平行，所述施力板位于所述竖直位移板的顶部且二者之间具有间隙；变载加载系统包括杠杆板、杠杆支点板、转动支点杆、加载轮和施力组件，杠杆支点板设置于上台面上，转动支点杆与杠杆板相连，转动支点杆可转动地与杠杆支点板相连，加载轮可转动地与杠杆板的一端相连，杠杆板的另一端与施力组件相连，施力组件与加载轮分别位于转动支点杆的两端，施力组件包括力传感器，加载轮设置于施力板的顶部，加载轮与施力板相抵接；显微镜系统包括镜头、镜筒、相机和安装架，镜头通过镜筒与相机相连，相机利用安装架与台架相连，显微镜系统位于上台面的底部，镜头正对凹槽设置。本发明的球窝式仿生关节润滑薄膜测量装置，钢球与关节臼杯形成球副配合，摆动系统中的移动板能够带动钢球沿水平方向往复运动，移动板带动钢球连接杆运动，使得钢球在凹槽内往复摆动，与此同时，变载加载系统中的施力组件向杠杆板施力，带动杠杆板绕转动支点杆转动，从而利用加载轮向竖直位移板施力，竖直位移板与上台面沿竖直方向产生相对滑动，带动钢球摆动。利用本发明的球窝式仿生关节润滑薄膜测量装置，能够实现钢球在要求角度内摆动，使得润滑膜的厚度测量能够在变载情况下进行，符合IOS标准中关于人类膝关节承受周期变化载荷的要求，为人工关节润滑研究提供便利。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的球窝式仿生关节润滑薄膜测量装置的整体结构示意图；

图2为本发明的球窝式仿生关节润滑薄膜测量装置的台架的结构示意图；

图3为本发明的球窝式仿生关节润滑薄膜测量装置的台架的部分结构的剖切示意图；

图4为本发明的球窝式仿生关节润滑薄膜测量装置的摆动系统的结构示意图；

图5为本发明的球窝式仿生关节润滑薄膜测量装置的变载加载系统的结构示意图；

图6为本发明的球窝式仿生关节润滑薄膜测量装置的显微镜系统的结构示意图；

其中，1为台架，101为上台面，102为关节臼杯，103为固定套筒，104为凹槽，105为加热元件，106为温度传感器，107为立柱，108为下台面，109为橡胶垫片，110为压紧环，111为压紧板，2为摆动系统，201为钢球，202为钢球连接杆，203为移动板，204为竖直位移板，205为竖直滑杆，206为调节支座，207为调节弹簧，208为光杠，209为光杠支架，210为摆动电机，211为摆动电机架，212为丝杠，213为丝杠推动块，214为关节轴承，215为连杆，216为丝杠支架，217为施力板，218为皮带传输件，219为角度传感器，3为变载加载系统，301为杠杆板，302为杠杆支点板，303为转动支点杆，304为加载轮，305为施力组件，306为力传感器，307为加载电机，308为加载电机座，309为拉力齿轮，310为第一滑轮，311为拉力弹簧，312为第二滑轮，313为第三滑轮，314为第一钢绳，315为第二钢绳，316为平台板，317为竖杆，4为显微镜系统，401为镜头，402为镜筒，403为相机，404为安装架，405为转动套，406为固定杆，407为固定块，408为第一滑块，409为第二滑块，410为安装块，411为调节旋钮。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种球窝式仿生关节润滑薄膜测量装置，以解决上述现有技术存在的问题，使装置能够模拟人工关节的实际受力状态，为人工关节润滑研究提供便利条件。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

请参考图1-6，其中，图1本发明的球窝式仿生关节润滑薄膜测量装置的整体结构示意图，图2为本发明的球窝式仿生关节润滑薄膜测量装置的台架的结构示意图，图3为本发明的球窝式仿生关节润滑薄膜测量装置的台架的部分结构的剖切示意图，图4为本发明的球窝式仿生关节润滑薄膜测量装置的摆动系统的结构示意图，图5为本发明的球窝式仿生关节润滑薄膜测量装置的变载加载系统的结构示意图，图6为本发明的球窝式仿生关节润滑薄膜测量装置的显微镜系统的结构示意图。

本发明提供一种球窝式仿生关节润滑薄膜测量装置，包括：

台架1，台架1包括上台面101、关节臼杯102、固定套筒103，上台面101具有通孔，关节臼杯102具有凹槽104，关节臼杯102正对通孔设置，关节臼杯102利用固定套筒103与上台面101相连，固定套筒103与关节臼杯102之间设置加热元件105和温度传感器106，加热元件105能够加热关节臼杯102，温度传感器106能够检测关节臼杯102的温度；

摆动系统2，摆动系统2包括钢球201、钢球连接杆202、移动板203、竖直位移板204、施力板217，钢球201与凹槽104相适配，钢球201与钢球连接杆202相连，钢球连接杆202远离钢球201的一端可转动地与移动板203相连，钢球连接杆202具有角度传感器219，钢球连接杆202相对于移动板203的转动面为球面，移动板203可滑动地与竖直位移板204相连，竖直位移板204位于上台面101的顶部且二者之间具有间隙，竖直位移板204可滑动地与上台面101相连，竖直位移板204、上台面101的相对滑动方向与上台面101相垂直，移动板203、竖直位移板204的相对滑动方向与上台面101相平行，施力板217位于竖直位移板204的顶部且二者之间具有间隙；

变载加载系统3，变载加载系统3包括杠杆板301、杠杆支点板302、转动支点杆303、加载轮304和施力组件305，杠杆支点板302设置于上台面101上，转动支点杆303与杠杆板301相连，转动支点杆303可转动地与杠杆支点板302相连，加载轮304可转动地与杠杆板301的一端相连，杠杆板301的另一端与施力组件305相连，施力组件305与加载轮304分别位于转动支点杆303的两端，施力组件305包括力传感器306，加载轮304设置于施力板217的顶部，加载轮304与施力板217相抵接；

显微镜系统4，显微镜系统4包括镜头401、镜筒402、相机403和安装架404，镜头401通过镜筒402与相机403相连，相机403利用安装架404与台架1相连，显微镜系统4位于上台面101的底部，镜头401正对凹槽104设置。实验时，钢球201原地在±16°间往复摆动，在摆动过程中钢球201与关节臼杯102之间不同点之间的间隙不断变化，即各点间膜厚不同，显微镜系统4拟采集钢球201落至最低点处的干涉图像。为保证测量精度，在钢球连接杆202上设置角度传感器219，在摆动过程中实时检测钢球201的摆动角度。当钢球201摆动角度进入±1°时，显微镜系统4即以1ms每张的速度开始连续抓拍干涉图像。选用角度传感器219的精度为1°，测量误差在±0.1°之内，后续在连续抓拍图像中挑选出符合要求的干涉图进行下一步研究。

本发明的球窝式仿生关节润滑薄膜测量装置，钢球201与关节臼杯102形成球副配合，摆动系统2中的移动板203能够带动钢球201沿水平方向往复运动，移动板203带动钢球连接杆202运动，使得钢球201在凹槽104内往复摆动，与此同时，变载加载系统3中的施力组件305向杠杆板301施力，带动杠杆板301绕转动支点杆303转动，从而利用加载轮304向竖直位移板204施力，竖直位移板204与上台面101沿竖直方向产生相对滑动，带动钢球201摆动。利用本发明的球窝式仿生关节润滑薄膜测量装置，能够实现钢球201在要求角度内摆动，使得润滑膜的厚度测量能够在变载情况下进行，符合IOS标准中关于人类膝关节承受周期变化载荷的要求，为人工关节润滑研究提供便利。

在本具体实施方式中，台架1还包括立柱107和下台面108，上台面101和下台面108平行设置，立柱107连接上台面101和下台面108，上台面101和下台面108为各部分零部件提供了安装基础，立柱107的数量为四根，四根立柱107的连线呈矩形，上台面101、下台面108分别与立柱107可拆卸连接，立柱107可以采用内六角螺钉实现分别与上台面101和下台面108相连，连接稳固，装配方便。

具体地，固定套筒103的轴向截面为Z形，固定套筒103套装于关节臼杯102的外部，固定套筒103的底部能够承托关节臼杯102，使得关节臼杯102能够稳固设置于上台面101的通孔处，关节臼杯102使用透光材质制成，固定套筒103与关节臼杯102之间设置橡胶垫片109，提高关节臼杯102的稳定性，关节臼杯102的顶部设置压紧环110和压紧板111，压紧环110能够将压紧板111压紧在关节臼杯102上，压紧环110和压紧板111相配合，进一步提高关节臼杯102的稳定性，避免实验过程中关节臼杯102错位，压紧环110、压紧板111与橡胶垫片109相配合还能够调平关节臼杯102，满足实验需求；固定套筒103与上台面101可拆卸连接，加热元件105为电热丝，加热元件105与关节臼杯102相抵接，加热元件105能够加热关节臼杯102，使关节臼杯102和钢球201处于合适的温度，温度传感器106固定于固定套筒103上并与关节臼杯102相抵接，温度传感器106能够检测关节臼杯102的温度，为实验操作提供便利。

更具体地，摆动系统2还包括竖直滑杆205，竖直滑杆205固定于上台面101上，竖直滑杆205垂直于上台面101，竖直位移板204可滑动地套装于竖直滑杆205上，竖直滑杆205外套装有调节支座206，调节支座206与上台面101相抵接，调节支座206与竖直位移板204之间设置有调节弹簧207，调节弹簧207套装于竖直滑杆205外部。在钢球连接杆202带动钢球201往复摆动的过程中，会产生竖直方向上位移的变化，转化为竖直位移板204沿着竖直滑杆205的往复滑动。

其中，摆动系统2还包括光杠208，光杠208与竖直位移板204相连，光杠208的轴线与移动板203、竖直位移板204的相对滑动方向相平行，移动板203连接有光杠支架209，光杠支架209可滑动地套设与光杠208的外部。光杠208能够限制移动板203与竖直位移板204的相对滑动方向，光杠支架209与移动板203相连，光杠支架209沿光杠208往复滑动，提高移动板203的运动精确度。

另外，摆动系统2还包括摆动电机210、丝杠212、丝杠推动块213，丝杠推动块213与移动板203相连，丝杠212与丝杠推动块213螺纹连接，丝杠212的轴线与光杠208的轴线相平行，摆动电机210利用皮带传输件218与丝杠212传动相连，摆动电机210利用摆动电机架211固定于移动板203上，摆动电机210利用皮带传输件218带动丝杠212转动，丝杠212与丝杠推动块213相配合带动移动板203往复运动，继而实现带动钢球201摆动的目的。钢球连接杆202与移动板203之间设置关节轴承214，使钢球连接杆202相对移动板203转动顺畅，使得钢球连接杆202顺利带动钢球201摆动。

为了提高施力板217和竖直位移板204的连接牢固度，同时不影响二者之间其它零部件的安装，施力板217与竖直位移板204利用连杆215相连，连杆215的数量为四根，设置于施力板217的四角，提高受力均匀性。竖直位移板204上设置有丝杠支架216，丝杠212可转动地设置于丝杠支架216上，提高丝杠212的运动稳定性。

还需要说明的是，钢球连接杆202与钢球201螺纹连接，拆装方便，便于清理维护。

进一步地，施力组件305包括加载电机307、加载电机座308、拉力齿轮309、第一滑轮310、拉力弹簧311、第二滑轮312、第三滑轮313、第一钢绳314、第二钢绳315，加载电机307利用加载电机座308固定于上台面101上，加载电机307与拉力齿轮309传动相连，拉力齿轮309与第一钢绳314的一端相连，拉力齿轮309转动能够卷绕第一钢绳314，第一钢绳314的另一端绕过第一滑轮310与拉力弹簧311相连，拉力弹簧311的另一端与力传感器306相连，力传感器306与第二钢绳315相连，第二钢绳315的另一端绕过第二滑轮312、第三滑轮313与杠杆板301相连，第一滑轮310固定于上台面101上，第二滑轮312、第三滑轮313设置于平台板316上，平台板316与上台面101相平行且二者之间具有间隙，平台板316利用竖杆317与上台面101相连。施力组件305工作时，加载电机307带动拉力齿轮309转动，利用第一钢绳314带动拉力弹簧311、力传感器306以及第二钢绳315运动，最终实现向杠杆板301施力的目的。在本具体实施方式中，转动支点杆303与第二钢绳315之间的距离较转动支点杆303与加载轮304之间的距离大，杠杆板301连接加载轮304的一端将放大后的力施加于施力板217上，进而施加于与施力板217相连的钢球201上。力传感器306能够检测施加力的大小，利用拉力弹簧311施加作用力，能够起到柔性加载、减缓冲击的作用。在实际应用中，加载电机307、力传感器306、摆动电机210、温度传感器106均与控制系统连接，提高实验操作便捷性。

除此之外，安装架404包括转动套405、固定杆406、固定块407、第一滑块408、第二滑块409、安装块410，相机403与转动套405相连且连接位置能够调整，转动套405可转动地套设于固定杆406上，转动套405与固定杆406之间设置设置有调节旋钮411，固定杆406设置于固定块407上，固定块407可滑动地设置于第一滑块408上，第一滑块408可滑动地设置于第二滑块409上，固定块407、第一滑块408的相对滑动方向与第一滑块408、第二滑块409的相对滑动方向相垂直，第二滑块409与安装块410相连，安装块410与下台面108相连。安装架404利用安装块410固定于下台面108上，同时，安装架404能够于平行于下台面108的平面内以及垂直于下台面108的方向进行调整，以确保显微镜系统4能够对实验过程进行观察记录。

本发明的球窝式仿生关节润滑薄膜测量装置，工作时，摆动电机210往复转动，通过皮带传输件218将往复转动传递给丝杠212，丝杠212转动继而带动丝杠推动块213水平往复移动，丝杠推动块213与移动板203固定连接，关节轴承214通过螺钉固定连接在移动板203上，往复移动通过关节轴承214传递给钢球连接杆202，钢球连接杆202带动钢球201往复摆动；同时钢球201和钢球连接杆202的往复摆动会产生竖直方向上的位置变化，其转变为竖直位移板204沿着竖直滑杆205的纵向位移。变载加载系统3中，加载电机307通过第一钢绳314拉伸拉力弹簧311，拉力弹簧311拉伸产生的拉力通过第二钢绳315传递到杠杆板301的施力端，进而对杠杆板301的施力端施加拉力，经过杠杆板301放大的力最后通过加载轮304施加到摆动系统2上；变载加载系统3设置有力传感器306可以检测拉力弹簧311产生的拉力，检测到的拉力信息传输到控制系统中与设定好的杠杆力臂比例数值计算得到施加到钢球201上的实际载荷；通过控制加载电机307转动角度改变拉力弹簧311拉伸长度以实现施加变化载荷的目的。

使用本发明的球窝式仿生关节润滑薄膜测量装置，进行润滑油膜测量实验时，首先手动向下按压杠杆板301的施力端(杠杆板301与第二钢绳315相连的一端)使得钢球201向上翘起，并固定杠杆板301的位置使得关节臼杯102使得钢球201与关节臼杯102脱离接触。完成分离工作后用沾有石油醚的擦拭棉对关节臼杯102杯内表面进行清洁工作，擦拭完一遍后再用沾有无水乙醇的擦拭棉进行清洁。随后均匀的在关节臼杯102内壁上涂抹润滑剂。完成润滑剂布置工作后，进行钢球201放置和加载工作。手动缓慢向上抬起杠杆板301的施力端使得钢球201向下移动，使得钢球201落下后与关节臼杯102形成球副配合，完成钢球201放置。开启加载电机307，使拉力齿轮309转动，拉紧第一钢绳314，初步拉伸拉力弹簧311；力传感器306将压力传递到控制系统中并显示数值。完成上述工作后可进行完整实验操作。同时开启摆动电机210和加载电机307；摆动电机210带动钢球201往复摆动，完成人工关节模拟中最重要的摆动运动，加载电机307不断改变转动角度使拉力弹簧311拉伸长度变化，对球杯结构施加符合IOS要求的变化载荷。根据温度传感器106返回的数值，计算机调整加热元件105的输入温度使得钢球201、关节臼杯102处于合适的温度；显微镜系统4对钢球201和关节臼杯102之间产生的干涉图像实时抓拍记录，各个电机由控制系统中预先设定的程序控制完成预定动作，温度传感器106、力传感器306以及角度传感器219数值在控制系统中按照时间记录结合相机403拍摄的光干涉图像进行进一步的实验结果分析。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种球窝式仿生关节润滑薄膜测量装置，其特征在于，包括：

台架，所述台架包括上台面、关节臼杯、固定套筒，所述上台面具有通孔，所述关节臼杯具有凹槽，所述关节臼杯正对所述通孔设置，所述关节臼杯利用所述固定套筒与所述上台面相连，所述固定套筒与所述关节臼杯之间设置加热元件和温度传感器，所述加热元件能够加热所述关节臼杯，所述温度传感器能够检测所述关节臼杯的温度；

摆动系统，所述摆动系统包括钢球、钢球连接杆、移动板、竖直位移板、施力板，所述钢球与所述凹槽相适配，所述钢球与所述钢球连接杆相连，所述钢球连接杆远离所述钢球的一端可转动地与所述移动板相连，所述钢球连接杆具有角度传感器，所述钢球连接杆相对于所述移动板的转动面为球面，所述移动板可滑动地与所述竖直位移板相连，所述竖直位移板位于所述上台面的顶部且二者之间具有间隙，所述竖直位移板可滑动地与所述上台面相连，所述竖直位移板、所述上台面的相对滑动方向与所述上台面相垂直，所述移动板、所述竖直位移板的相对滑动方向与所述上台面相平行，所述施力板位于所述竖直位移板的顶部且二者之间具有间隙；

变载加载系统，所述变载加载系统包括杠杆板、杠杆支点板、转动支点杆、加载轮和施力组件，所述杠杆支点板设置于所述上台面上，所述转动支点杆与所述杠杆板相连，所述转动支点杆可转动地与所述杠杆支点板相连，所述加载轮可转动地与所述杠杆板的一端相连，所述杠杆板的另一端与所述施力组件相连，所述施力组件与所述加载轮分别位于所述转动支点杆的两端，所述施力组件包括力传感器，所述加载轮设置于所述施力板的顶部，所述加载轮与所述施力板相抵接；

显微镜系统，所述显微镜系统包括镜头、镜筒、相机和安装架，所述镜头通过所述镜筒与所述相机相连，所述相机利用所述安装架与所述台架相连，所述显微镜系统位于所述上台面的底部，所述镜头正对所述凹槽设置。

2.根据权利要求1所述的球窝式仿生关节润滑薄膜测量装置，其特征在于：所述台架还包括立柱和下台面，所述上台面和所述下台面平行设置，所述立柱连接所述上台面和所述下台面，所述立柱的数量为四根，四根所述立柱的连线呈矩形，所述上台面、所述下台面分别与所述立柱可拆卸连接。

3.根据权利要求1所述的球窝式仿生关节润滑薄膜测量装置，其特征在于：所述固定套筒的轴向截面为Z形，所述固定套筒套装于所述关节臼杯的外部，所述固定套筒的底部能够承托所述关节臼杯，所述固定套筒与所述关节臼杯之间设置橡胶垫片，所述关节臼杯的顶部设置压紧环和压紧板，所述压紧环能够将所述压紧板压紧在所述关节臼杯上；所述固定套筒与所述上台面可拆卸连接，所述加热元件为电热丝，所述加热元件与所述关节臼杯相抵接，所述温度传感器固定于所述固定套筒上并与所述关节臼杯相抵接。

4.根据权利要求1所述的球窝式仿生关节润滑薄膜测量装置，其特征在于：所述摆动系统还包括竖直滑杆，所述竖直滑杆固定于所述上台面上，所述竖直位移板可滑动地套装于所述竖直滑杆上，所述竖直滑杆外套装有调节支座，所述调节支座与所述上台面相抵接，所述调节支座与所述竖直位移板之间设置有调节弹簧，所述调节弹簧套装于所述竖直滑杆外部。

5.根据权利要求4所述的球窝式仿生关节润滑薄膜测量装置，其特征在于：所述摆动系统还包括光杠，所述光杠与所述竖直位移板相连，所述光杠的轴线与所述移动板、所述竖直位移板的相对滑动方向相平行，所述移动板连接有光杠支架，所述光杠支架可滑动地套设与所述光杠的外部。

6.根据权利要求5所述的球窝式仿生关节润滑薄膜测量装置，其特征在于：所述摆动系统还包括摆动电机、丝杠、丝杠推动块，所述丝杠推动块与所述移动板相连，所述丝杠与所述丝杠推动块螺纹连接，所述丝杠的轴线与所述光杠的轴线相平行，所述摆动电机利用皮带传输件与所述丝杠传动相连，所述摆动电机利用摆动电机架固定于所述移动板上；所述钢球连接杆与所述移动板之间设置关节轴承。

7.根据权利要求6所述的球窝式仿生关节润滑薄膜测量装置，其特征在于：所述施力板与所述竖直位移板利用连杆相连；所述竖直位移板上设置有丝杠支架，所述丝杠可转动地设置于所述丝杠支架上。

8.根据权利要求1所述的球窝式仿生关节润滑薄膜测量装置，其特征在于：所述钢球连接杆与所述钢球螺纹连接。

9.根据权利要求1所述的球窝式仿生关节润滑薄膜测量装置，其特征在于：所述施力组件包括加载电机、加载电机座、拉力齿轮、第一滑轮、拉力弹簧、第二滑轮、第三滑轮、第一钢绳、第二钢绳，所述加载电机利用所述加载电机座固定于所述上台面上，所述加载电机与所述拉力齿轮传动相连，所述拉力齿轮与所述第一钢绳的一端相连，所述拉力齿轮转动能够卷绕所述第一钢绳，所述第一钢绳的另一端绕过所述第一滑轮与所述拉力弹簧相连，所述拉力弹簧的另一端与所述力传感器相连，所述力传感器与所述第二钢绳相连，所述第二钢绳的另一端绕过所述第二滑轮、所述第三滑轮与所述杠杆板相连，所述第一滑轮固定于所述上台面上，所述第二滑轮、所述第三滑轮设置于平台板上，所述平台板与所述上台面相平行且二者之间具有间隙，所述平台板利用竖杆与所述上台面相连。

10.根据权利要求2所述的球窝式仿生关节润滑薄膜测量装置，其特征在于：所述安装架包括转动套、固定杆、固定块、第一滑块、第二滑块、安装块，所述相机与所述转动套相连且连接位置能够调整，所述转动套可转动地套设于所述固定杆上，所述转动套与所述固定杆之间设置设置有调节旋钮，所述固定杆设置于所述固定块上，所述固定块可滑动地设置于所述第一滑块上，所述第一滑块可滑动地设置于所述第二滑块上，所述固定块、所述第一滑块的相对滑动方向与所述第一滑块、所述第二滑块的相对滑动方向相垂直，所述第二滑块与所述安装块相连，所述安装块与所述下台面相连。

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