CN219179146U - 膝关节髋关节生物材料摩擦磨损疲劳试验系统 - Google Patents
膝关节髋关节生物材料摩擦磨损疲劳试验系统 Download PDFInfo
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Abstract
本实用新型提供了一种膝关节髋关节生物材料摩擦磨损疲劳试验系统，能够测试不同交变载荷、屈曲伸展角度、胫骨旋转角度、不同时间下的综合性能。一种膝关节髋关节生物材料摩擦磨损疲劳试验系统，包括主机框架、关节安装辅具、屈曲伸展机构、胫骨旋转机构和轴向载荷加载机构，主机框架包括工作台，关节安装辅具包括用于连接股骨髁的上工装和用于连接胫骨平台的下工装，下工装设置在与工作台连接的工装安装台上，多个屈曲伸展机构间隔设置在工作台上方，多个胫骨旋转机构和轴向载荷加载机构间隔设置在工作台下方，轴向载荷加载机构能够驱动工装安装台相对工作台上下移动，胫骨旋转机构能够带动工装安装台左右旋转，屈曲伸展机构能够带动上工装上下旋转。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种膝关节髋关节生物材料摩擦磨损疲劳试验系统，属于试验机技术领域。
背景技术
随着人口老龄化到来，各种关节疾病，比如关节炎、关节疼痛、骨磨损等病症，将会大量出现。为解决上述问题，一般采用人造生物材料比如不锈钢、陶瓷、聚四氟乙烯等制成关节代替原先的骨骼植入人体。临床研究表明，某些人工关节材料，植入人体后经摩擦磨损会产生摩擦碎屑，严重时会产生排异反应；人工关节材料的曲面是否与周围骨组织结合良好，也严重影响了磨损性能和使用寿命。
因此人工关节生产出来后，需要对其进行摩擦磨损和交变载荷下的耐疲劳性能进行相关试验。中国国家知识产权局专利号201120102798.2公开了一种人工髋关节模拟试验机， 包括机架、 摆动机构、 柔性加载机构、 转动机构、 髋关节夹具机构。机架下底面上安装有用于摆动髋臼试件的摆动机构， 摆动机构上面安装有髋关节夹具机构， 且髋关节夹具机构固定在机架台面上， 并与转动机构传动连接， 髋关节夹具机构上端连接柔性加载机构， 柔性加载机构通过杠杆支架固定在机架台面上。其用于实验室环境中准确的模拟人体髋关节的实际运动状态和工作环境，研究测试人工关节材料的生物力学性能参数。但是该模拟试验机为单工作台，不能满足多个人工关节测试，可靠性不是很高。
实用新型内容
本实用新型目的是提供了一种膝关节髋关节生物材料摩擦磨损疲劳试验系统，能够测试不同交变载荷、屈曲伸展角度、胫骨旋转角度、不同时间下的综合性能。
本实用新型为实现上述目的，通过以下技术方案实现：
一种膝关节髋关节生物材料摩擦磨损疲劳试验系统，包括主机框架、关节安装辅具、屈曲伸展机构、胫骨旋转机构和轴向载荷加载机构，主机框架包括工作台，关节安装辅具包括用于连接股骨髁的上工装和用于连接胫骨平台的下工装，下工装设置在与工作台连接的工装安装台上，多个屈曲伸展机构间隔设置在工作台上方，多个胫骨旋转机构和轴向载荷加载机构间隔设置在工作台下方，轴向载荷加载机构能够驱动工装安装台相对工作台上下移动，胫骨旋转机构能够带动工装安装台左右旋转，屈曲伸展机构能够带动上工装上下旋转。
上述膝关节髋关节生物材料摩擦磨损疲劳试验系统优选方案，屈曲伸展机构包括第一电机、旋转轴和摆臂，旋转轴上设置轴承，主机框架上设置用于固定轴承的轴承座，第一电机的输出端与旋转轴相连，旋转轴另一端连接摆臂。
上述膝关节髋关节生物材料摩擦磨损疲劳试验系统优选方案，上工装与屈曲伸展机构的摆臂连接，下工装连接在在工作台上。
上述膝关节髋关节生物材料摩擦磨损疲劳试验系统优选方案，胫骨旋转机构包括第二电机，第二电机输出端连接传动单元，传动单元包括电机带轮、电机从动带轮和同步带，电机带轮与第二电机输出端连接，电机带轮和电机从动带轮之间通过同步带连接。
上述膝关节髋关节生物材料摩擦磨损疲劳试验系统优选方案，轴向载荷加载机构包括伺服作动器，伺服作动器的输出端与垂直加载轴连接，垂直加载轴一端设置旋转轴承，旋转轴承连接在旋转轴承座上，垂直加载轴另一端设置旋转套并连接测力传感器。
上述膝关节髋关节生物材料摩擦磨损疲劳试验系统优选方案，主机框架包括工作台、底板和设置在工作台与底板之间的多个支撑柱。
本实用新型的优点在于：
屈曲伸展机构能够完成关节的屈曲伸展试验，胫骨旋转机构能够完成胫骨旋转试验，轴向载荷加载机构能够调整试验机轴向方向与胫骨轴对中进行轴力加载试验。
附图说明
附图用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本实用新型的实施例一起用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的限制。
图1为本实用新型整体结构示意图。
图2为本实用新型屈曲伸展机构示意图。
图3为本实用新型关节安装辅具机构示意图。
图4为本实用新型胫骨旋转机构示意图。
图5为本实用新型轴向载荷加载示意图。
图6为关节系统力和运动的符号法则示意图。
图7为屈曲伸展角随时间的变化示意图。
图8为胫骨旋转随时间的变化示意图。
图9为轴向力加载随时间的变化示意图。
1—底板；2—支撑柱；3—工作台；4—关节安装辅具；5—屈曲伸展机构；6—胫骨旋转机构；7—轴向力加载机构，4.1-上工装；4.2-下工装；4.3-股骨髁；4.4-胫骨平台；5.1-第一电机；5.2-轴承座；5.3-旋转轴；5.4-摆臂；6.1—第二电机；6.2—电机安装座；6.3-电机带轮；6.4-同步带；7.1-伺服作动器；7.2-作动器安装座；7.3-旋转轴承座；7.4-垂直加载轴；7.5-旋转套；7.6-电机从动带轮；7.7-固定轴承座；7.8-测力传感器；7.9-工装安装台；
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。
参考图1、图2、图3及图5，一种膝关节髋关节生物材料摩擦磨损疲劳试验系统，包括主机框架、关节安装辅具4、屈曲伸展机构5、胫骨旋转机构6和轴向载荷加载机构7，主机框架包括包括工作台3、底板1和设置在工作台3与底板1之间的多个支撑柱2，关节安装辅具4包括用于连接股骨髁4.3的上工装4.1和用于连接胫骨平台4.4的下工装4.2，多个屈曲伸展机构5间隔设置在工作台3上方，多个胫骨旋转机构6和轴向载荷加载机构7间隔设置在工作台3下方，轴向载荷加载机构7能够驱动工装安装台7.9相对工作台3上下移动，胫骨旋转机构6能够带动工装安装台7.9左右旋转，屈曲伸展机构5能够带动上工装4.1上下旋转。
参考图2，屈曲伸展机构5，包括第一电机5.1、旋转轴5.3和摆臂5.4，旋转轴5.3上设置轴承，主机框架上设置用于固定轴承的轴承座5.2，第一电机5.1的输出端与旋转轴5.3相连，旋转轴5.3另一端连接摆臂5.4，摆臂5.4与屈曲伸展机构5的上工装4.1连接。
参考图4，胫骨旋转机构6，包括第二电机6.1，第二电机6.1经电机安装座6.2安装在工作台上，第二电机6.1输出端连接传动单元，传动单元包括电机带轮6.3、电机从动带轮7.6和同步带6.4，电机带轮6.3与第二电机6.1输出端连接，电机带轮6.3和电机从动带轮7.6之间通过同步带6.4连接。第二电机6.1通过同步带6.4带动大皮带轮7.6旋转，完成胫骨旋转动作。
参考图5，轴向载荷加载机构7包括伺服作动器7.1，伺服作动器7.1经作动器安装座安装在工作台3上，伺服作动器7.1的输出端与垂直加载轴7.4连接，垂直加载轴7.4一端设置旋转轴承，旋转轴承连接在旋转轴承座7.3上，垂直加载轴7.4另一端设置旋转套7.5并连接测力传感器7.8，旋转套7.5经带固定轴承座7.7的固定轴承安装在工作台3上，旋转套7.5上设置电机从动带轮7.6。伺服作动器7.1的活塞杆伸缩可使工装安装台7.9上下升降完成加载动作。在胫骨旋转机构6的带动下可使工装安装台7.9左右旋转，垂直加载轴7.4只能在旋转套7.5内上下滑动，并可随旋转套7.5一起转动，进而带动下可使工装安装台7.9左右旋转。
利用本实用新型膝关节髋关节生物材料摩擦磨损疲劳试验系统进行试验方法，包括以下步骤：
1.工装制备：
将股骨髁4.3用胶粘接在上工装4.1上；将胫骨平台组合1.4用骨水泥安装在下工装4.2中间并固化。
2.屈曲伸展试验，如图1、图2、图6、图7所示：
调节运动系统包括屈曲伸展机构5、胫骨旋转机构6、轴向载荷加载机构7的参考位置，从而当施加的屈曲伸展角度到图7所示的零屈曲角度时，使关节部分处于设计的零点参考位置。并按照图7的曲线完成屈曲伸展试验。
3.胫骨旋转试验，如图1、图4、图6、图8所示：
调节运动系统包括屈曲伸展机构5、胫骨旋转机构6使关节部分处于设计的零点参考位置，并使其以相对平行于胫骨轴的轴线旋转。并按照图8的曲线完成胫骨旋转试验。
4.轴向力加载试验，如图1、图5、图6、图9所示：
调整关节安装工装，并使试验机轴向力方向与胫骨轴对中，并按照图9的曲线完成轴向力加载试验。
5.试验
以1HZ的条件下运行试验机。屈曲伸展试验、胫骨旋转试验、轴向力加载试验同时运行。
每隔一定周期，停止试验机，测量关节面的磨损量，磨损测量后用合适的方法清洗试验样品，并重新安装到试验机上，重复上述步骤，直至实验结束。必要时可设置两个对照工位，分别运行上述的一种或两种试验。
最后应说明的是：以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种膝关节髋关节生物材料摩擦磨损疲劳试验系统，其特征在于：包括主机框架、关节安装辅具（4）、屈曲伸展机构（5）、胫骨旋转机构（6）和轴向载荷加载机构（7），主机框架包括工作台（3），关节安装辅具（4）包括用于连接股骨髁（4.3）的上工装（4.1）和用于连接胫骨平台（4.4）的下工装（4.2），下工装（4.2）设置在与工作台（3）连接的工装安装台（7.9）上，多个屈曲伸展机构（5）间隔设置在工作台（3）上方，多个胫骨旋转机构（6）和轴向载荷加载机构（7）间隔设置在工作台（3）下方，轴向载荷加载机构（7）能够驱动工装安装台（7.9）相对工作台（3）上下移动，胫骨旋转机构（6）能够带动工装安装台（7.9）左右旋转，屈曲伸展机构（5）能够带动上工装（4.1）上下旋转。
2.根据权利要求1所述膝关节髋关节生物材料摩擦磨损疲劳试验系统，其特征在于：屈曲伸展机构（5），包括第一电机（5.1）、旋转轴（5.3）和摆臂（5.4），旋转轴（5.3）上设置轴承，主机框架上设置用于固定轴承的轴承座，第一电机（5.1）的输出端与旋转轴（5.3）相连，旋转轴（5.3）另一端连接摆臂（5.4）。
3.根据权利要求2所述膝关节髋关节生物材料摩擦磨损疲劳试验系统，其特征在于：上工装（4.1）与屈曲伸展机构（5）的摆臂（5.4）连接，下工装（4.2）连接在工作台（3）上。
4.根据权利要求1所述膝关节髋关节生物材料摩擦磨损疲劳试验系统，其特征在于：胫骨旋转机构（6），包括第二电机（6.1），第二电机（6.1）输出端连接传动单元，传动单元包括电机带轮（6.3）、电机从动带轮（7.6）和同步带（6.4），电机带轮（6.3）与第二电机（6.1）输出端连接，电机带轮（6.3）和电机从动带轮（7.6）之间通过同步带（6.4）连接。
5.根据权利要求1所述膝关节髋关节生物材料摩擦磨损疲劳试验系统，其特征在于：轴向载荷加载机构（7）包括伺服作动器（7.1），伺服作动器（7.1）的输出端与垂直加载轴（7.4）连接，垂直加载轴（7.4）一端设置旋转轴承，旋转轴承连接在旋转轴承座（7.3）上，垂直加载轴（7.4）另一端设置旋转套（7.5）并连接测力传感器（7.8）。
6.根据权利要求1所述膝关节髋关节生物材料摩擦磨损疲劳试验系统，其特征在于：主机框架包括工作台（3）、底板（1）和设置在工作台（3）与底板（1）之间的多个支撑柱（2）。
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|---|---|---|---|---|
| CN116448605A (zh) * | 2023-06-14 | 2023-07-18 | 天津大学 | 一种多功能五自由度人工关节摩擦磨损测试装置 |
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| CN116448605B (zh) * | 2023-06-14 | 2023-09-15 | 天津大学 | 一种多功能五自由度人工关节摩擦磨损测试装置 |
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