專利名稱：一種膝髕股關(guān)節(jié)力學(xué)測試試驗機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種膝髕股關(guān)節(jié)力學(xué)測試試驗機，屬于生物醫(yī)學(xué)以及醫(yī)療器械制造領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
膝關(guān)節(jié)為人體最大的關(guān)節(jié)，分為脛股關(guān)節(jié)和髕股骨關(guān)節(jié)兩部分。髕骨是人體最大的籽骨，是伸膝結(jié)構(gòu)的重要組成部分，在伸膝機制中起著重要作用，但在日常生活和體育運動中，髕骨有可能受到各種各樣的創(chuàng)傷，如髕骨軟骨癥等。隨著醫(yī)學(xué)與科技的進步，和髕股關(guān)節(jié)有關(guān)的全膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)實施的越來越多，全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)后髕股關(guān)節(jié)并發(fā)癥是引起術(shù)后翻修的重要因素，正確地評價人體膝髕股關(guān)節(jié)的相對運動和應(yīng)力分布對于解決這些問題有著重要意義。 本實用新型在研究髕股關(guān)節(jié)運動的基礎(chǔ)上，設(shè)計出一種膝髕股關(guān)節(jié)力學(xué)測試試驗機，能測試膝關(guān)節(jié)及膝關(guān)節(jié)模型骨屈曲0° 120°范圍內(nèi)任意角度下的髕股關(guān)節(jié)力學(xué)數(shù)據(jù)，其目標(biāo)是用于髕股關(guān)節(jié)的力學(xué)測試及力學(xué)特性分析。

實用新型內(nèi)容I、目的本實用新型的目的在于提供一種膝髕股關(guān)節(jié)力學(xué)測試試驗機，來實現(xiàn)在不同屈曲角度下的離體膝關(guān)節(jié)及膝關(guān)節(jié)模型骨髕股關(guān)節(jié)力學(xué)測試及力學(xué)特性分析。同時，該力學(xué)測試試驗機是人體膝關(guān)節(jié)力學(xué)測試的基礎(chǔ)設(shè)備，也用于髕股關(guān)節(jié)損傷修復(fù)及全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)后膝髕股關(guān)節(jié)的力學(xué)測試，為修復(fù)與置換等術(shù)后并發(fā)癥分析提供數(shù)據(jù)和方法。2、技術(shù)方案本實用新型一種膝髕股關(guān)節(jié)力學(xué)測試試驗機，它包括四個部分，即支撐架，加載裝置，導(dǎo)軌和膝關(guān)節(jié)模型骨夾持固定裝置。它們之間的位置連接關(guān)系是支撐架直接放置于地面上，導(dǎo)軌均固定連接在支撐架上，加載裝置和膝關(guān)節(jié)模型骨夾持固定裝置均在導(dǎo)軌中運動。所述支撐架是一個框架式結(jié)構(gòu)，對整個裝置起支撐連接作用。通過導(dǎo)軌和膝關(guān)節(jié)模型骨夾持固定裝置，將膝關(guān)節(jié)模型骨固定于某一固定角度。加載時，由控制系統(tǒng)驅(qū)動加載裝置沿著導(dǎo)軌運動施加載荷；并能通過加載裝置中的測頭轉(zhuǎn)動裝置，調(diào)節(jié)所施加力的大小和方向；不加載時，加載裝置提供向上的拉力平衡自身重力，使整個系統(tǒng)保持平衡。該支撐架包括底座，薄鋁板外殼，支撐桿，支撐上板，支撐桿上墊板，支撐桿下墊板和三角架，它們之間的位置連接關(guān)系是底座放置在地面上，支撐桿通過支撐桿下墊板與底座固定，支撐上板通過支撐桿上墊板與支撐桿連接，薄鋁板外殼固定于支撐桿上墊板和支撐桿下墊板，三角架安裝在支撐桿上墊板側(cè)面和支撐上板底面。該底座是帶有四個支腳的長方體鑄鋼件，四個支腳處加工有圓形通孔，便于底座放置在地面上時定位，鑄鋼件兩側(cè)分別加工三個通孔，分別對四根支撐桿及兩根圓柱導(dǎo)軌進行定位固定；該薄鋁板外殼是用矩形板料折彎成凹形狀，它固定在支撐桿外圍，起擋塵護板的作用；該支撐桿是細(xì)長軸零件，支撐桿兩端設(shè)計成軸肩定位，在端部加工外螺紋，通過螺母將底座和支撐上板連接在一起，其數(shù)量為4根，對稱安裝在底座兩側(cè)中靠近邊緣的四個通孔處；該支撐上板是矩形板料，其上設(shè)置有6個圓形通孔供固定連接用；該支撐桿上墊板是矩形板料，其上設(shè)置有圓形通孔與支撐桿的端部的軸肩配合定位；該支撐桿下墊板也是矩形板料，其上設(shè)置有圓形通孔與支撐桿的端部軸肩配合定位；該三角架是在角鋼的兩端部位連接一鋼板構(gòu)成三角狀，增加承載能力，角鋼兩端部各加工有兩個通孔，對支撐架起加固作用。試驗機中的氣壓缸導(dǎo)軌，測頭導(dǎo)軌，圓柱導(dǎo)軌以及模型骨夾持固定裝置導(dǎo)軌均固連于該支撐架上。所述加載裝置包括氣壓缸，氣壓缸滑塊，氣壓缸滑塊墊板，氣壓缸活塞桿，活塞桿連接板，活塞桿連接側(cè)板，測頭滑塊，測頭和測頭轉(zhuǎn)動裝置，其之間的關(guān)系是氣壓缸滑塊、氣壓缸滑塊墊板和氣壓缸上端通過螺栓螺母固定，氣壓缸和氣壓缸活塞桿配套使用，由氣壓缸滑塊帶動在支撐架的氣壓缸導(dǎo)軌內(nèi)運動，活塞桿連接板由螺母固定在氣壓缸活塞桿下 端軸肩處，活塞桿連接側(cè)板上端固定于活塞桿連接板側(cè)面，活塞桿連接側(cè)板中部與測頭滑塊相固定，測頭轉(zhuǎn)動裝置通過螺栓螺母安裝在活塞桿連接側(cè)板下端，測頭安裝在測頭轉(zhuǎn)動裝置的階梯軸上。該氣壓缸是SMC公司生產(chǎn)的型號為CGl的圓筒狀氣壓缸，為試驗機提供動力；該氣壓缸滑塊上端截面為梯形，為在氣壓缸導(dǎo)軌內(nèi)滑動的部分，下端截面為長方形，為與氣壓缸連接的部分，下端長方體部分加工有兩個沉頭孔；該氣壓缸滑塊墊板為一長方體塊，加工有兩個圓形通孔，起頂緊氣壓缸作用；該氣壓缸活塞桿是圓柱狀軸零件，端部設(shè)計成軸肩定位，端部加工有外螺紋；該活塞桿連接板為一長方體板，上下面加工有通孔，兩相對側(cè)面各加工有兩個螺紋孔；該活塞桿連接側(cè)板為一長方形板材，上部、中部和下部分別加工有兩個圓形通孔；該測頭滑塊與氣壓缸滑塊類似，上端截面為梯形，為在測頭導(dǎo)軌內(nèi)滑動的部分，下端截面為長方形，為與活塞桿連接側(cè)板相連接的部分，其下端長方體底面加工有兩個螺紋孔；該測頭是一圓柱桿，一端設(shè)有軸肩定位，軸肩上方加工有外螺紋，通過外螺紋與測頭連接環(huán)將其固定到測頭轉(zhuǎn)動裝置上，另一端裝有一鋼球，鋼球與圓柱桿通過螺紋連接，該測頭將力按照一定的傾斜角度傳遞施加到膝關(guān)節(jié)上。該測頭轉(zhuǎn)動裝置包括測頭轉(zhuǎn)動裝置前側(cè)板，測頭轉(zhuǎn)動裝置后側(cè)板，齒輪軸，階梯軸，軸承，圓柱齒輪，手輪，編碼器，編碼器墊片，連接環(huán)，彈性聯(lián)軸器，連接軸，定位環(huán)，頂緊圓錐，端蓋，齒輪套筒，固定環(huán)套筒，鍵，測頭固定環(huán)和測頭連接環(huán)。其之間的位置連接關(guān)系為齒輪軸和階梯軸通過四個軸承安裝在測頭轉(zhuǎn)動裝置前側(cè)板和后側(cè)板之間，圓柱齒輪和測頭固定環(huán)通過齒輪套筒、固定環(huán)套筒和鍵固定在階梯軸上，測頭連接環(huán)安裝在測頭固定環(huán)下端，頂緊圓錐裝在階梯軸伸出測頭轉(zhuǎn)動裝置后側(cè)板一端的端部，由鍵固定，兩個端蓋分別裝在測頭轉(zhuǎn)動裝置前側(cè)板和后側(cè)板上安裝齒輪軸階梯孔的外側(cè)，手輪套在齒輪軸伸出測頭轉(zhuǎn)動裝置前側(cè)板一端的端部，由鍵固定，編碼器通過編碼器墊片、連接環(huán)、定位環(huán)固定在測頭轉(zhuǎn)動裝置前側(cè)板外側(cè)，編碼器的軸通過彈性聯(lián)軸器、連接軸與階梯軸伸出測頭轉(zhuǎn)動裝置前側(cè)板一端的螺紋孔連接。該測頭轉(zhuǎn)動裝置前側(cè)板和后側(cè)板均為長方形板料，加工有安裝軸承的階梯孔和安裝螺栓的通孔；該齒輪軸和階梯軸材質(zhì)均為45號鋼，調(diào)質(zhì)處理，階梯軸一端端部底面加工有螺紋孔；該軸承是代號分別為16001和16005的深溝球軸承；該圓柱齒輪是漸開線齒輪，材質(zhì)為45號鋼，調(diào)制處理；該手輪結(jié)構(gòu)類似于汽車方向盤，中部有一空心圓柱與齒輪軸相連接；該編碼器是采用歐姆龍公司生產(chǎn)的型號為E6B2-C的增量型編碼器；該編碼器墊片是圓環(huán)狀薄鋼片，沿圓周均勻加工有三個螺紋通孔；該連接環(huán)由薄鋁條彎折而成；該彈性聯(lián)軸器是采用鉅人公司生產(chǎn)的型號為G2-40T的彈性聯(lián)軸器；該連接軸為一小階梯軸，一端加工一平面與彈性聯(lián)軸器連接，另一端加工外螺紋與階梯軸連接；該定位環(huán)是帶有一凸緣的圓環(huán)，圓環(huán)圓周上均勻加工有三個沉頭孔和三個通孔；該頂緊圓錐是一空心圓臺，加工有鍵槽；該端蓋為一中心有圓柱凸起的圓形薄片，薄片圓周均勻加工有的四個沉頭孔；該齒輪套筒和固定環(huán)套筒為空心圓柱件；該測頭固定環(huán)是在一空心圓柱的圓柱面上連接一階梯軸，階梯軸端部底面圓周均勻加工有四個通孔，空心圓柱加工有鍵槽；該測頭連接環(huán)為一圓柱底座中心有一圓柱凸起，圓柱底座和圓柱凸起中心加工有螺紋通孔，圓柱底座圓周均勻加工有四個圓形通孔；該鍵為A型平鍵。氣壓缸由控制系統(tǒng)驅(qū)動作為動力輸入；氣壓缸通過氣壓缸活塞桿連接測頭轉(zhuǎn)動裝置和測頭，手動旋轉(zhuǎn)手輪轉(zhuǎn)動測頭轉(zhuǎn)動裝置的齒輪軸，帶動圓柱齒輪轉(zhuǎn)動，進而調(diào)節(jié)壓力的施加方向，測頭轉(zhuǎn)動裝置的轉(zhuǎn)動角度通過與階梯軸相連的編碼器獲得。所述導(dǎo)軌部分包括圓柱導(dǎo)軌，氣壓缸導(dǎo)軌，測頭導(dǎo)軌和模型骨夾持固定裝置導(dǎo)軌。其之間的關(guān)系是圓柱導(dǎo)軌平行于支撐桿豎直放置，氣壓缸導(dǎo)軌，測頭導(dǎo)軌和模型骨夾持固定裝置導(dǎo)軌從上到下依次水平安裝，氣壓缸導(dǎo)軌固定于支撐架上端的支撐上板，模型骨夾持固定裝置導(dǎo)軌固定于支撐架下端的底座，測頭導(dǎo)軌處于支撐架中部，沿圓柱導(dǎo)軌運動。該圓柱導(dǎo)軌同支撐桿一樣是細(xì)長軸零件，圓柱導(dǎo)軌兩端設(shè)計成軸肩定位，在端部加工外螺紋，通過螺母固定于底座和支撐上板，其數(shù)量為2根，對稱安裝在支撐架底座兩側(cè)中內(nèi)側(cè)的兩·個通孔處，它與支撐架的支撐桿平行放置，圓柱導(dǎo)軌表面采用拋光處理，減少摩擦；該氣壓缸導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)形狀是燕尾槽結(jié)構(gòu)的剛性型材導(dǎo)軌，它要承擔(dān)氣壓缸和測頭導(dǎo)軌與測頭等的重力，為保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定采用雙導(dǎo)軌，雙導(dǎo)軌并排固定，氣壓缸導(dǎo)軌與支撐架支撐上板通過螺釘連接，氣壓缸與氣壓缸滑塊通過螺栓螺母相連；該測頭導(dǎo)軌是采用X形型材導(dǎo)軌，為保證整體結(jié)構(gòu)的平衡，該X形型材導(dǎo)軌將使用前后兩導(dǎo)軌，前后使用相同的測頭滑塊與固連結(jié)構(gòu)，測頭滑塊通過螺釘與活塞桿連接側(cè)板固定連接；該模型骨夾持固定裝置導(dǎo)軌，采用一類似于燕尾槽的水平導(dǎo)軌，膝關(guān)節(jié)模型骨夾持固定裝置在該導(dǎo)軌上水平移動且能夠在任意位置固定，該導(dǎo)軌通過螺釘定位在底座上，為不影響定位滑塊正常移動，導(dǎo)軌底部開一通槽用來固定螺釘。試驗機在實驗固定住膝關(guān)節(jié)模型骨之后，氣壓缸給氣壓缸活塞桿的壓力將通過其軸肩向下傳遞，在放置膝關(guān)節(jié)模型骨之前，測頭導(dǎo)軌將由氣壓缸提供向上的拉力與其自身重力相平衡，即通過與氣壓缸活塞桿螺紋連接的螺母實現(xiàn)。測頭導(dǎo)軌通過圓柱導(dǎo)軌滑塊在圓柱導(dǎo)軌上滑動。加載時，在控制系統(tǒng)作用下，氣壓缸沿氣壓缸導(dǎo)軌移動，帶動與氣壓缸連接的測頭轉(zhuǎn)動裝置沿測頭導(dǎo)軌作同步運動。其中，如圖5，測頭導(dǎo)軌與圓柱導(dǎo)軌相連接部分包括圓柱導(dǎo)軌滑塊側(cè)板，圓柱導(dǎo)軌滑塊連接板，定位銷，圓柱導(dǎo)軌滑塊，銅套。它們之間的位置連接關(guān)系為兩個圓柱導(dǎo)軌滑塊側(cè)板和一個圓柱導(dǎo)軌滑塊連接板合在一起由螺釘固定在測頭導(dǎo)軌上，定位銷安裝在圓柱導(dǎo)軌滑塊連接板上，圓柱導(dǎo)軌滑塊固定于圓柱導(dǎo)軌滑塊連接板，銅套安裝在圓柱導(dǎo)軌滑塊的圓孔里，直接與圓柱導(dǎo)軌接觸。該圓柱導(dǎo)軌滑塊側(cè)板由薄鋁板彎折成“凹”形，其上下兩面各加工有兩個螺紋孔；該圓柱導(dǎo)軌滑塊連接板為薄鋁板彎折成“凹”形，其上下兩表面各加工有兩個沉頭螺紋孔、四個螺紋孔，上表面還加工有一定位銷孔，側(cè)面加工有四個螺紋孔；該定位銷采用GB119圓柱銷，尺寸為M3*12mm ;該圓柱導(dǎo)軌滑塊為一長方體基座上有一突出的耳片，長方體基座四個角分別加工有一個通孔，突出的耳片中心有一圓形通孔。該銅套采用錫青銅材質(zhì)，耐磨性好，鑲崁在圓柱導(dǎo)軌滑塊的通孔內(nèi)。所述膝關(guān)節(jié)模型骨夾持固定裝置，包括小半圓柱，大半圓柱，連接底座，耳片，定位滑塊，鎖緊螺栓，角規(guī)和角規(guī)滑塊。其之間的關(guān)系是小半圓柱與大半圓柱合在一起夾持膝關(guān)節(jié)模型骨，四個耳片將小半圓柱與大半圓柱通過螺釘連接固定，每相鄰兩耳片之間通過螺栓螺母固定，大半圓柱通過螺釘與連接底座相連，連接底座通過螺栓螺母與定位滑塊連接，該螺栓也是連接底座的旋轉(zhuǎn)軸，鎖緊螺栓安裝在定位滑塊上；角規(guī)通過螺釘固定在角規(guī)滑塊上，角規(guī)滑塊安裝在模型骨夾持固定裝置導(dǎo)軌一側(cè)的簡易導(dǎo)軌中。該小半圓柱是一規(guī)則的空心半圓柱，兩側(cè)各加工有一平面，每個平面上加工有四個螺紋孔；該大半圓柱與小半圓柱類似，兩側(cè)各加工有一平面，每個平面上加工有四個螺紋孔，其端部是一段完整空心圓柱，完整空心圓柱底面圓周均布四個螺紋孔；該連接底座為一圓形板料，沿圓周均勻加工四個通孔，底面連接一連接環(huán)；該耳片為一長方形板材彎折成直角狀，每兩個耳片合在一起對小半圓柱與大半圓柱的一側(cè)進行固定；該定位滑塊下端的側(cè)面為梯形，其上端面加工有螺紋通孔，在模型骨夾持固定裝置導(dǎo)軌中滑動，定位滑塊上端是兩個突起的耳片，耳片上加工有圓形通孔；該鎖緊螺栓材質(zhì)為塑料，對定位滑塊定位鎖緊；該角規(guī)采用上海滬工公司生產(chǎn)的型號為320°的角規(guī)；該角規(guī)滑塊中部有一凹槽，帶動角規(guī)在模型骨夾持固定裝置導(dǎo) 軌一側(cè)的簡易導(dǎo)軌中滑動，來測量兩個膝關(guān)節(jié)模型骨之間的夾角。3、優(yōu)點及功效本實用新型可以模擬膝及膝關(guān)節(jié)模型骨屈曲0° 120°范圍內(nèi)的任意角度，能夠測量膝關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)模型骨髕股關(guān)節(jié)在連續(xù)屈曲角度下的力學(xué)特性，測量范圍廣。支撐架部分采用圓柱支撐桿進行連接，結(jié)構(gòu)簡潔緊湊，易于制造。采用雙向氣壓缸提供動力，可以產(chǎn)生與自身加載裝置重力相平衡的拉力，減少自身重力造成的加載誤差。氣壓缸導(dǎo)軌和測頭導(dǎo)軌均采用型材導(dǎo)軌，加工工藝成熟，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好，導(dǎo)線精度高。采用角規(guī)測量膝關(guān)節(jié)或膝關(guān)節(jié)模型骨的屈曲角度以及采用編碼器測量測頭的旋轉(zhuǎn)角度，保證測試力線在髕骨測點的法線方向，測試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。膝關(guān)節(jié)模型骨夾持固定裝置，采用螺栓定位與鎖緊，結(jié)構(gòu)簡單，便于拆裝。

圖I.本實用新型一種膝髕股關(guān)節(jié)力學(xué)測試試驗機結(jié)構(gòu)示意圖圖2.本實用新型支撐架安裝爆炸圖圖3.本實用新型氣壓缸與氣壓缸導(dǎo)軌連接爆炸圖圖4.本實用新型測頭轉(zhuǎn)動裝置與測頭導(dǎo)軌連接爆炸圖圖5.本實用新型測頭導(dǎo)軌安裝爆炸圖圖6.本實用新型測頭轉(zhuǎn)動裝置安裝爆炸圖圖7.本實用新型膝關(guān)節(jié)模型骨夾持固定裝置及其導(dǎo)軌示意圖圖8.本實用新型模型骨夾持圓筒安裝爆炸圖其中圖中標(biāo)號如下I、底座；2、薄招板外殼；3、圓柱導(dǎo)軌；4、支撐上板；5、三角架；6、氣壓缸導(dǎo)軌；7、SMC-CGl氣壓缸；8、氣壓缸活塞桿；9、測頭導(dǎo)軌；10、測頭轉(zhuǎn)動裝置；11、膝關(guān)節(jié)模型骨；12、模型骨夾持固定裝置導(dǎo)軌；13、模型骨夾持圓筒；14、支撐桿下墊板；15、支撐桿墊片；16、支撐桿；17、支撐桿上墊板；18、墊圈35-140HV ;19、六角螺母M35 ;20、內(nèi)六角圓柱螺釘MlO X 20 ;21、圓柱導(dǎo)軌滑塊；22、六角螺栓M15X130 ;23、氣壓缸滑塊；24、氣壓缸滑塊墊板；25、活塞桿連接板；26、六角螺母M18 ;27、六角螺母M15 ;28、墊圈15-140HV ;29、活塞桿連接側(cè)板；30、六角螺栓MlOX 190 ;31、測頭轉(zhuǎn)動裝置前側(cè)板；32、螺栓套筒；33、測頭轉(zhuǎn)動裝置后側(cè)板;34、六角螺母MlO ;35、內(nèi)六角圓柱螺釘M20X30 ;36、測頭滑塊；37、GB119定位銷M3*10 ;38、圓柱導(dǎo)軌滑塊側(cè)板；39、圓柱導(dǎo)軌滑塊連接板；40、銅套；41、歐姆龍E6B2-C編碼器；42、編碼器墊片；43、連接環(huán)；44、六角螺栓M3 X 16 ;45、六角螺母M3 ;46、鉅人G2-40T彈性聯(lián)軸器；47、連接軸；48、定位環(huán)；49、齒輪套筒；50、圓柱齒輪；51、測頭固定環(huán)；52、測頭連接環(huán)；53、測頭；54、固定環(huán)套筒；55、階梯軸；56、頂緊圓錐；57、墊圈24-140HV ;58、六角螺母M25 ;59、端蓋;60、鍵;61、齒輪軸；62、代號16005軸承;63、代號16001軸承;64、手輪；65、大半圓柱；66、耳片；67、滬工320°角規(guī)；68、角規(guī)滑塊；69、頂緊螺釘；70、定位滑塊；71、鎖緊螺栓；72、小半圓柱；73、連接底座。
具體實施方式
本實用新型一種膝髕股關(guān)節(jié)力學(xué)測試試驗機，它包括四個部分，即支撐架，加載裝置，導(dǎo)軌和膝關(guān)節(jié)模型骨夾持固定裝置。它們之間的位置連接關(guān)系是支撐架直接放置于地面上，導(dǎo)軌均固定連接在支撐架上，加載裝置和膝關(guān)節(jié)模型骨夾持固定裝置均在導(dǎo)軌中運 動。
以下結(jié)合附圖進一步說明本實用新型一種膝髕股關(guān)節(jié)力學(xué)測試試驗機的具體實施方式
見圖1，本實用新型包括四個部分，即支撐架，加載裝置，導(dǎo)軌，膝關(guān)節(jié)模型骨夾持固定裝置。所述支撐架部分，見圖2，支撐桿16通過支撐桿墊片15，支撐桿下墊板14，支撐桿上墊板17，墊圈18和六角螺母M3519將底座I與支撐上板4連接在一起，支撐桿16兩端軸肩起定位作用，端部外螺紋與螺母配合。薄鋁板外殼2通過內(nèi)六角圓柱螺釘M10X20 20固定在支撐桿下墊板14和支撐桿上墊板17上。支撐上板4與支撐桿上墊板17通過四個三角架5加固連接。氣壓缸導(dǎo)軌6與支撐上板4，模型骨夾持固定裝置導(dǎo)軌12與底座I之間均用內(nèi)六角圓柱螺釘M10X20 20相連接。圓柱導(dǎo)軌3以類似于支撐桿16的方式固定于支撐架上。所述加載裝置與導(dǎo)軌部分，見圖3 圖6，加載裝置包括SMC-CGl氣壓缸7，氣壓缸滑塊23，氣壓缸滑塊墊板24，氣壓缸活塞桿8，活塞桿連接板25，活塞桿連接側(cè)板29，測頭滑塊36，測頭53和測頭轉(zhuǎn)動裝置10。SMC-CGl氣壓缸7與氣壓缸導(dǎo)軌6的連接見圖3 =SMC-CGl氣壓缸7通過六角螺栓M15X 130 22，氣壓缸滑塊墊板24，墊圈15-140HV 28和六角螺母M15 27與氣壓缸滑塊23相固連，氣壓缸滑塊23在氣壓缸導(dǎo)軌6中滑動。氣壓缸活塞桿8下端加工有螺紋，其與活塞桿連接板25通過六角螺母M18 26連接。SMC-CGl氣壓缸7的氣壓缸活塞桿8行程可以達到800mm，最大提供IMPa的壓力，滿足試驗需求。該測頭轉(zhuǎn)動裝置10與測頭導(dǎo)軌9，見圖4 :活塞桿連接側(cè)板29起承上啟下的作用，活塞桿連接側(cè)板29通過內(nèi)六角圓柱螺釘MlO X 20 20與活塞桿連接板25相固連，通過內(nèi)六角圓柱螺釘M20X30 35與測頭滑塊36連接，同時，通過六角螺栓MlOX 190 30，六角螺母M1034，螺栓套筒32與測頭轉(zhuǎn)動裝置前側(cè)板31和測頭轉(zhuǎn)動裝置后側(cè)板33連在一起，測頭滑塊36帶動測頭轉(zhuǎn)動裝置10在測頭導(dǎo)軌9中滑動。在氣壓缸活塞桿8的壓力作用下，測頭導(dǎo)軌9可沿著圓柱導(dǎo)軌3上下滑動。該測頭導(dǎo)軌9與圓柱導(dǎo)軌3的連接見圖5 :測頭導(dǎo)軌9通過內(nèi)六角圓柱螺釘M20X30 35，圓柱導(dǎo)軌滑塊側(cè)板38和圓柱導(dǎo)軌滑塊連接板39與圓柱導(dǎo)軌滑塊21相固連，GB119定位銷M3*10 37在安裝過程中，起定位作用。圓柱導(dǎo)軌滑塊21通過銅套40帶動測頭導(dǎo)軌9在圓柱導(dǎo)軌3上滑動，減少磨損。該測頭轉(zhuǎn)動裝置10具體結(jié)構(gòu)見圖6 :齒輪軸61，階梯軸55以及代號16005軸承62和代號16001軸承63固定在測頭轉(zhuǎn)動裝置前側(cè)板31和測頭轉(zhuǎn)動裝置后側(cè)板33之間，代號16005軸承62和代號16001軸承63采用過盈配合。齒輪軸61兩端靠端蓋59和內(nèi)六角圓柱螺釘M10X20 20固定，其一端裝有手輪64，可以帶動齒輪軸61轉(zhuǎn)動。階梯軸55一端加工有鍵槽與螺紋，通過鍵60與頂緊圓錐56相配合，端部通過六角螺母M25 58，墊圈24-140HV 57固定。圓柱齒輪50和測頭固定環(huán)51通過鍵60與階梯軸55進行周向定位，齒輪套筒49和固定環(huán)套筒54采用軸肩進行軸向定位。測頭固定環(huán)51，通過測頭連接環(huán)52 與測頭53用六角螺栓M3X 16 44、六角螺母M3 45進行連接。階梯軸55的另一端部鉆有螺紋孔，與編碼器的連接軸47螺紋連接。連接軸47，與歐姆龍E6B2-C編碼器41通過鉅人G2-40T彈性聯(lián)軸器46相連。歐姆龍E6B2-C編碼器41通過編碼器墊片42，連接環(huán)43，六角螺栓M3X16 44，六角螺母M3 45和定位環(huán)48固定安裝在測頭轉(zhuǎn)動裝置前側(cè)板31上。當(dāng)調(diào)節(jié)測頭轉(zhuǎn)動裝置10時，松開六角螺母M25 58，轉(zhuǎn)動手輪64，階梯軸55隨之轉(zhuǎn)動，由歐姆龍E6B2-C編碼器41記錄測頭轉(zhuǎn)動裝置10轉(zhuǎn)動的角度，當(dāng)停止轉(zhuǎn)動手輪64時，擰緊六角螺母M25 58，頂緊圓錐56隨之頂緊測頭轉(zhuǎn)動裝置后側(cè)板33，測頭轉(zhuǎn)動裝置10固定于所需角度。歐姆龍E6B2-C編碼器41的分辨率可達2000脈沖/旋轉(zhuǎn)，而試驗要求測頭轉(zhuǎn)角在10°以內(nèi)，完全滿足測試要求。所述膝關(guān)節(jié)模型骨夾持固定裝置及其導(dǎo)軌見圖7和圖8 :膝關(guān)節(jié)模型骨11放置于兩個模型骨夾持圓筒13中進行夾緊固定，模型骨夾持圓筒13結(jié)構(gòu)見圖8 :小半圓柱72與大半圓柱65合在一起夾持膝關(guān)節(jié)模型骨11，大半圓柱65通過內(nèi)六角圓柱螺釘MlO X 20 20與連接底座73相連。見圖7，四個耳片66將小半圓柱72與大半圓柱65通過螺釘連接固定，每相鄰兩耳片66之間將通過螺栓螺母固定，連接底座73通過六角螺栓M15X 130 22，六角螺母Ml527與定位滑塊70連接，六角螺栓M15 X 130 22也是連接底座73的旋轉(zhuǎn)軸，鎖緊螺栓71安裝在定位滑塊70上。定位滑塊70在模型骨夾持固定裝置導(dǎo)軌12中滑動，當(dāng)對定位滑塊70進行定位時，擰緊鎖緊螺栓71，定位滑塊70向上移動頂緊導(dǎo)軌的兩側(cè)，即可實現(xiàn)定位。模型骨夾持固定裝置導(dǎo)軌12通過螺釘定位在底座I上，為不影響定位滑塊70正常移動，該導(dǎo)軌底部開一通槽用來固定螺釘。滬工320°角規(guī)67采用螺釘固定在角規(guī)滑塊68上，角規(guī)滑塊68可以在模型骨夾持固定裝置導(dǎo)軌12—側(cè)的簡易導(dǎo)軌中任意位置，通過頂緊螺釘69定位鎖緊，兩個滬工320°角規(guī)67分別用來來測量裝有膝關(guān)節(jié)模型骨11的兩個模型骨夾持圓筒13的旋轉(zhuǎn)角度，進而計算出膝關(guān)節(jié)模型骨11的屈曲角度，滬工320°角規(guī)67的測量范圍為0° 320°，試驗中要求模擬膝關(guān)節(jié)模型骨11屈曲0° 120°范圍內(nèi)的任意角度，可以滿足試驗需求。
權(quán)利要求1. 一種膝髕股關(guān)節(jié)力學(xué)測試試驗機，其特征在于它由支撐架，加載裝置，導(dǎo)軌和膝關(guān)節(jié)模型骨夾持固定裝置組成；支撐架直接放置于地面上，導(dǎo)軌均固定連接在支撐架上，加載裝置和膝關(guān)節(jié)模型骨夾持固定裝置均在導(dǎo)軌中運動； 所述支撐架是一個框架式結(jié)構(gòu)，通過導(dǎo)軌和膝關(guān)節(jié)模型骨夾持固定裝置，將膝關(guān)節(jié)模型骨固定于預(yù)定角度；該支撐架包括底座，薄鋁板外殼，支撐桿，支撐上板，支撐桿上墊板，支撐桿下墊板和三角架；底座放置在地面上，支撐桿通過支撐桿下墊板與底座固定，支撐上板通過支撐桿上墊板與支撐桿連接，薄鋁板外殼固定于支撐桿上墊板和支撐桿下墊板，三角架安裝在支撐桿上墊板側(cè)面和支撐上板底面；該底座是帶有四個支腳的長方體鑄鋼件，四個支腳處加工有圓形通孔，兩側(cè)分別加工三個通孔，分別對四根支撐桿及兩根圓柱導(dǎo)軌進行定位固定；該薄鋁板外殼是用矩形板料折彎成凹形狀，它固定在支撐桿外圍；該支撐桿是細(xì)長軸零件，支撐桿兩端設(shè)計成軸肩定位，在端部加工外螺紋，通過螺母將底座和支撐上板連接在一起，其數(shù)量為4根，對稱安裝在底座兩側(cè)中靠近邊緣的四個通孔處；該支撐上 板是矩形板料，其上設(shè)置有6個圓形通孔供固定連接用；該支撐桿上墊板是矩形板料，其上設(shè)置有圓形通孔與支撐桿的端部的軸肩配合定位；該支撐桿下墊板也是矩形板料，其上設(shè)置有圓形通孔與支撐桿的端部軸肩配合定位；該三角架是在角鋼的兩端部位連接一鋼板構(gòu)成三角狀，角鋼兩端部各加工有兩個通孔，試驗機中的氣壓缸導(dǎo)軌，測頭導(dǎo)軌，圓柱導(dǎo)軌以及模型骨夾持固定裝置導(dǎo)軌均固連于該支撐架上； 所述加載裝置包括氣壓缸，氣壓缸滑塊，氣壓缸滑塊墊板，氣壓缸活塞桿，活塞桿連接板，活塞桿連接側(cè)板，測頭滑塊，測頭和測頭轉(zhuǎn)動裝置；氣壓缸滑塊、氣壓缸滑塊墊板和氣壓缸上端通過螺栓螺母固定，氣壓缸和氣壓缸活塞桿配套使用，由氣壓缸滑塊帶動在支撐架的氣壓缸導(dǎo)軌內(nèi)運動，活塞桿連接板由螺母固定在氣壓缸活塞桿下端軸肩處，活塞桿連接側(cè)板上端固定于活塞桿連接板側(cè)面，活塞桿連接側(cè)板中部與測頭滑塊相固定，測頭轉(zhuǎn)動裝置通過螺栓螺母安裝在活塞桿連接側(cè)板下端，測頭安裝在測頭轉(zhuǎn)動裝置的階梯軸上；該氣壓缸的型號為CGl的圓筒狀氣壓缸；該氣壓缸滑塊上端截面為梯形，下端截面為長方形，下端長方體部分加工有兩個沉頭孔；該氣壓缸滑塊墊板為一長方體塊，加工有兩個圓形通孔；該氣壓缸活塞桿是圓柱狀軸零件，端部設(shè)計成軸肩定位，端部加工有外螺紋；該活塞桿連接板為一長方體板，上下面加工有通孔，兩相對側(cè)面各加工有兩個螺紋孔；該活塞桿連接側(cè)板為一長方形板材，上部、中部和下部分別加工有兩個圓形通孔；該測頭滑塊上端截面為梯形，下端截面為長方形，其下端長方體底面加工有兩個螺紋孔；該測頭是一圓柱桿，一端設(shè)有軸肩定位，軸肩上方加工有外螺紋，通過外螺紋與測頭連接環(huán)將其固定到測頭轉(zhuǎn)動裝置上，另一端裝有一鋼球，鋼球與圓柱桿通過螺紋連接；該測頭轉(zhuǎn)動裝置包括測頭轉(zhuǎn)動裝置前側(cè)板，測頭轉(zhuǎn)動裝置后側(cè)板，齒輪軸，階梯軸，軸承，圓柱齒輪，手輪，編碼器，編碼器墊片，連接環(huán)，彈性聯(lián)軸器，連接軸，定位環(huán)，頂緊圓錐，端蓋，齒輪套筒，固定環(huán)套筒，鍵，測頭固定環(huán)和測頭連接環(huán)；齒輪軸和階梯軸通過四個軸承安裝在測頭轉(zhuǎn)動裝置前側(cè)板和后側(cè)板之間，圓柱齒輪和測頭固定環(huán)通過齒輪套筒、固定環(huán)套筒和鍵固定在階梯軸上，測頭連接環(huán)安裝在測頭固定環(huán)下端，頂緊圓錐裝在階梯軸伸出測頭轉(zhuǎn)動裝置后側(cè)板一端的端部，由鍵固定，兩個端蓋分別裝在測頭轉(zhuǎn)動裝置前側(cè)板和后側(cè)板上安裝齒輪軸階梯孔的外側(cè)，手輪套在齒輪軸伸出測頭轉(zhuǎn)動裝置前側(cè)板一端的端部，由鍵固定，編碼器通過編碼器墊片、連接環(huán)、定位環(huán)固定在測頭轉(zhuǎn)動裝置前側(cè)板外側(cè)，編碼器的軸通過彈性聯(lián)軸器、連接軸與階梯軸伸出測頭轉(zhuǎn)動裝置前側(cè)板一端的螺紋孔連接；該測頭轉(zhuǎn)動裝置前側(cè)板、后側(cè)板均為長方形板料，加工有安裝軸承的階梯孔和安裝螺栓的通孔；該齒輪軸和階梯軸材質(zhì)均為45號鋼，調(diào)質(zhì)處理，階梯軸一端端部底面加工有螺紋孔；該軸承是代號分別為16001和16005的深溝球軸承；該圓柱齒輪是漸開線齒輪，調(diào)制處理；該手輪結(jié)構(gòu)類似汽車方向盤，中部有一空心圓柱與齒輪軸相連接；該編碼器是型號為E6B2-C的增量型編碼器；該編碼器墊片是圓環(huán)狀薄鋼片，沿圓周均勻加工有三個螺紋通孔；該連接環(huán)由薄鋁條彎折而成；該彈性聯(lián)軸器是型號為G2-40T的彈性聯(lián)軸器；該連接軸為一小階梯軸，一端加工一平面與彈性聯(lián)軸器連接，另一端加工外螺紋與階梯軸連接；該定位環(huán)是帶有一凸緣的圓環(huán)，圓環(huán)圓周上均勻加工有三個沉頭孔和三個通孔；該頂緊圓錐是一空心圓臺，加工有鍵槽；該端蓋為一中心有圓柱凸起的圓形薄片，薄片圓周均勻加工 有的四個沉頭孔；該齒輪套筒和固定環(huán)套筒為空心圓柱件；該測頭固定環(huán)是在一空心圓柱的圓柱面上連接一階梯軸，階梯軸端部底面圓周均勻加工有四個通孔，空心圓柱加工有鍵槽；該測頭連接環(huán)為一圓柱底座中心有一圓柱凸起，圓柱底座和圓柱凸起中心加工有螺紋通孔，圓柱底座圓周均勻加工有四個圓形通孔；該鍵為A型平鍵；該氣壓缸通過氣壓缸活塞桿連接測頭轉(zhuǎn)動裝置和測頭，手動旋轉(zhuǎn)手輪轉(zhuǎn)動測頭轉(zhuǎn)動裝置的齒輪軸，帶動圓柱齒輪轉(zhuǎn)動，測頭轉(zhuǎn)動裝置的轉(zhuǎn)動角度通過與階梯軸相連的編碼器獲得； 所述導(dǎo)軌部分包括圓柱導(dǎo)軌，氣壓缸導(dǎo)軌，測頭導(dǎo)軌和模型骨夾持固定裝置導(dǎo)軌；圓柱導(dǎo)軌平行于支撐桿豎直放置，氣壓缸導(dǎo)軌，測頭導(dǎo)軌和模型骨夾持固定裝置導(dǎo)軌從上到下依次水平安裝，氣壓缸導(dǎo)軌固定于支撐架上端的支撐上板，模型骨夾持固定裝置導(dǎo)軌固定于支撐架下端的底座，測頭導(dǎo)軌處于支撐架中部，沿圓柱導(dǎo)軌運動；該圓柱導(dǎo)軌是細(xì)長軸零件，圓柱導(dǎo)軌兩端設(shè)計成軸肩定位，在端部加工外螺紋，通過螺母固定于底座和支撐上板，其數(shù)量為2根，對稱安裝在支撐架底座兩側(cè)中內(nèi)側(cè)的兩個通孔處，它與支撐架的支撐桿平行放置，圓柱導(dǎo)軌表面采用拋光處理；該氣壓缸導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)形狀是燕尾槽結(jié)構(gòu)的剛性型材導(dǎo)軌，采用雙導(dǎo)軌，雙導(dǎo)軌并排固定，氣壓缸導(dǎo)軌與支撐架支撐上板通過螺釘連接，氣壓缸與氣壓缸滑塊通過螺栓螺母相連；該測頭導(dǎo)軌是采用X形型材導(dǎo)軌，為保證整體結(jié)構(gòu)的平衡，該X形型材導(dǎo)軌將使用前后兩導(dǎo)軌，前后使用相同的測頭滑塊與固連結(jié)構(gòu)，測頭滑塊通過螺釘與活塞桿連接側(cè)板固定連接；該模型骨夾持固定裝置導(dǎo)軌，采用一燕尾槽的水平導(dǎo)軌，膝關(guān)節(jié)模型骨夾持固定裝置在該導(dǎo)軌上水平移動且能夠在任意位置固定，該導(dǎo)軌通過螺釘定位在底座上，為不影響定位滑塊正常移動，導(dǎo)軌底部開一通槽用來固定螺釘；試驗機在實驗固定住膝關(guān)節(jié)模型骨之后，氣壓缸給氣壓缸活塞桿的壓力將通過其軸肩向下傳遞，在放置膝關(guān)節(jié)模型骨之前，測頭導(dǎo)軌將由氣壓缸提供向上的拉力與其自身重力相平衡，即通過與氣壓缸活塞桿螺紋連接的螺母實現(xiàn)；測頭導(dǎo)軌通過圓柱導(dǎo)軌滑塊在圓柱導(dǎo)軌上滑動；測頭導(dǎo)軌與圓柱導(dǎo)軌相連接部分包括圓柱導(dǎo)軌滑塊側(cè)板，圓柱導(dǎo)軌滑塊連接板，定位銷，圓柱導(dǎo)軌滑塊和銅套；兩個圓柱導(dǎo)軌滑塊側(cè)板和一個圓柱導(dǎo)軌滑塊連接板合在一起由螺釘固定在測頭導(dǎo)軌上，定位銷安裝在圓柱導(dǎo)軌滑塊連接板上，圓柱導(dǎo)軌滑塊固定于圓柱導(dǎo)軌滑塊連接板，銅套安裝在圓柱導(dǎo)軌滑塊的圓孔里，直接與圓柱導(dǎo)軌接觸；該圓柱導(dǎo)軌滑塊側(cè)板由薄鋁板彎折成“凹”形，其上下兩面各加工有兩個螺紋孔；該圓柱導(dǎo)軌滑塊連接板為薄鋁板彎折成“凹”形，其上下兩表面各加工有兩個沉頭螺紋孔、四個螺紋孔，上表面還加工有一定位銷孔，側(cè)面加工有四個螺紋孔；該定位銷采用GB119圓柱銷；該圓柱導(dǎo)軌滑塊為一長方體基座上有一突出的耳片，長方體基座四個角分別加工有一個通孔，突出的耳片中心有一圓形通孔； 所述膝關(guān)節(jié)模型骨夾持固定裝置，包括小半圓柱，大半圓柱，連接底座，耳片，定位滑塊，鎖緊螺栓，角規(guī)和角規(guī)滑塊；小半圓柱與大半圓柱合在一起夾持膝關(guān)節(jié)模型骨，四個耳片將小半圓柱與大半圓柱通過螺釘連接固定，每相鄰兩耳片之間通過螺栓螺母固定，大半圓柱通過螺釘與連接底座相連，連接底座通過螺栓螺母與定位滑塊連接，該螺栓也是連接底座的旋轉(zhuǎn)軸，鎖緊螺栓安裝在定位滑塊上；角規(guī)通過螺釘固定在角規(guī)滑塊上，角規(guī)滑塊安裝在模型骨夾持固定裝置導(dǎo)軌一側(cè)的簡易導(dǎo)軌中；該小半圓柱是一規(guī)則的空心半圓柱，兩側(cè)各加工有一平面，每個平面上加工有四個螺紋孔；該大半圓柱與小半圓柱類同，兩側(cè)各加工有一平面，每個平面上加工有四個螺紋孔，其端部是一段完整空心圓柱，完整空心圓柱底面圓周均布四個螺紋孔；該連接底座為一圓形板料，沿圓周均勻加工四個通孔，底面連接一連接環(huán)；該耳片為一長方形板材彎折成直角狀，每兩個耳片合在一起對小半圓柱與大半圓柱的一側(cè)進行固定；該定位滑塊下端的側(cè)面為梯形，其上端面加工有螺紋通孔，在模型骨夾持固定裝置導(dǎo)軌中滑動，定位滑塊上端是兩個突起的耳片，耳片上加工有圓形通孔；該鎖緊螺栓對定位滑塊定位鎖緊；該角規(guī)的型號為320°的角規(guī)；該角規(guī)滑塊中部有一凹槽，帶動角規(guī)在模型骨夾持固定裝置導(dǎo)軌一側(cè)的簡易導(dǎo)軌中滑動，來測量兩個膝關(guān)節(jié)模型骨之間的夾角。
專利摘要本實用新型一種膝髕股關(guān)節(jié)力學(xué)測試試驗機，它包括四個部分，即支撐架，加載裝置，導(dǎo)軌和膝關(guān)節(jié)模型骨夾持固定裝置；支撐架直接放置于地面上，導(dǎo)軌均固定連接在支撐架上，加載裝置和膝關(guān)節(jié)模型骨夾持固定裝置均在導(dǎo)軌中運動。該膝髕股關(guān)節(jié)力學(xué)測試試驗機是人體膝關(guān)節(jié)力學(xué)測試的基礎(chǔ)設(shè)備，用于模擬與測試膝以及含假體膝關(guān)節(jié)模型骨屈曲0°~120°范圍內(nèi)任意角度下的髕股關(guān)節(jié)力學(xué)特性，也用于全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)中置換髕骨與不置換髕骨術(shù)后隨屈曲角變化髕股關(guān)節(jié)運動與力學(xué)特性的對比分析測試。它為修復(fù)與置換等術(shù)后并發(fā)癥分析提供數(shù)據(jù)和方法，在生物醫(yī)學(xué)以及醫(yī)療器械制造領(lǐng)域里具有較好的實用和參考價值。
文檔編號G01N19/00GK202794002SQ20122048305
公開日2013年3月13日 申請日期2012年9月20日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月20日
發(fā)明者黃榮瑛, 衛(wèi)曉東, 鄭海東, 祝漢歧, 張高龍, 朱君 申請人:北京航空航天大學(xué)