一种复合运动式人工髋关节摩擦磨损实验装置

摘要

本发明涉及一种复合运动式人工髋关节摩擦磨损实验装置，包括机架、加载装置和复合运动机构。机架上顶面安装有液压加载装置，且加载装置下端安装有股骨头上式样；复合运动机构由实现前后摆动的摆动机构及实现左右转动的转动机构组成，摆动机构与转动机构通过摆台连接，转动机构固定于摆动机构的摆台上，且摆台通过两支撑座与机架连接。本发明可用于实验环境中模拟人体髋关节实际运动状态和工作环境，具有结构简单易使用，实验结果可靠等优点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于测试人体关节摩擦磨损特性的实验设备，具体的说是涉及一种复合运动式人工髋关节摩擦磨损实验装置。

背景技术

髋关节是人体内受力最复杂的关节，且由于交通事故、自然灾害、关节病变等使得髋关节疾病患者的数量逐年增加。全世界每年接受人工髋关节置换手术的病人已超过60万，人工髋关节置换手术已经成为治疗此类疾病的重要方法之一。置换关节在体内的摩擦磨损是手术成功与否的重要影响因素。关节的摩擦磨损将会引起置换关节的松动，且其产生的大量磨屑将诱导假体周围骨溶解，导致手术失败。因此，关节材料的耐磨性评价方法对人工关节置换手术有至关重要的作用。近年来，不少研究者相继采用销—盘、环—盘、四球摩擦磨损实验装置进行不同材料的人工髋关节摩擦磨损试验，但这些实验装置在提供人工关节试样的运动形式以及载荷性质上与实际人体髋关节的工作情况相差很大，这都将导致人工移植关节的摩擦磨损率测试不够准确。因此，研发一种能够较真实地模拟人体髋关节运动机理的摩擦磨损实验装置对不同关节假体材料的临床使用具有重要而深远的意义。

CN103257076 号在先申请中公开了一种人工髋关节动态疲劳磨损试验机，该机包括位于试验机上部的股骨头式样转动部分、式样夹具以及式样加载部分。其中股骨头式样转动部分包括转动电机以及在该电动机带动下转动的上主轴，所述加载部分包括加载电机，涡轮蜗杆减速装置以及柔性加力部件。结合申请书可知，其摩擦副在对磨过程中为股骨头式样转动，该试验机仅能实现仿生状态下人体髋关节的内旋外旋运动，而人体髋关节在运动时具有伸展屈曲（FE）、内收外展（AA）和内旋外旋（IER）三种基本运动，该在先申请准确模仿人体髋关节实际工作机理明显不足。

发明内容

本发明目的在于提供一种能够较准确地模拟人体工作环境和特性的髋关节摩擦磨损试验机，主要实现仿生状态下人体髋关节的伸展屈曲（FE）、内收外展（AA）运动,为临床提供可靠的指导性数据。

本发明的技术方案为：一种复合运动式摩擦磨损试验机，包括包括机架、加载装置和复合运动机构，其特征有：所述机架包括上顶板、立柱、摆台支撑座、圆柱凸轮支撑座及底座；所述加载装置包括用于加载压力的液压缸、传递加载力的主轴、三抓卡盘和股骨头上式样；所述液压缸由所述上顶板固定，且所述上顶板及液压缸通过所述立柱与底座固定；所述复合运动机构包括实现前后摆动的摆动机构和实现左右转动的转动机构，所述摆动机构包括圆柱凸轮、圆柱销、摆杆及摆台，所述摆杆两端设置有孔，且与所述圆柱销及摆台连接；所述转动机构包括转盘、连杆、和髋臼下式样，所述连杆一端连接转盘，另一端连接髋臼下式样。所述转动机构固定在所述摆台上。所述股骨头上式样及髋臼下式样构成摩擦副。

本发明的技术特征还有：所述传递加载力的主轴上设置有扭矩传感器，所述股骨头上式样由所述三抓卡盘夹持，且该试验装置可配备设有润滑液进出口的润滑液套杯。

本发明的技术特征还有：所述圆柱销与所述圆柱凸轮轨道间隙配合。

本发明的技术特征还有：所述圆柱凸轮由电机及与所述电机连接的一对直齿圆锥齿轮提供转动力。

本发明的技术特征还有：所述转盘开有偏心孔，其偏心孔处与所述连杆一端相配合连接，所述髋臼下式样的中心部及相对面的中下部开有小孔，分别与所述摆台及连杆另一端连接，所述转盘由转动电机提供转动力。

本发明的有益效果在于:1）该实验装置结构简单，复合运动机构位于实验装置中间，操作方便且易于观察，2）该实验装置能够较准确地模拟人体髋关节的伸展屈曲（FE）、内收外展（AA）运动，且摩擦副更换方便，能够实现髋关节假体不同材料、不同尺寸下的介质摩擦和干摩擦试验，3）该实验装置采用液压缸系统施加载荷，加载平稳灵活，控制方便。

附图说明

图1是本发明实施例的结构示意图；

图2是本发明实施例中摩擦副立体示意图；

图3是本发明实施例中摆动机构部分立体示意图；

其中，1是上顶板，2是液压缸，3是主轴，4是扭矩传感器，5是三抓卡盘，6是股骨头上式样，7是润滑液套杯，8是摆台，9是转盘，10是转动电机，11是连杆，12是髋臼下式样，13是摆台支撑座，14是摆杆，15是电机，16是底座，17是传动轴，18是圆柱凸轮支撑座，19是一对直齿圆锥齿轮，20是圆柱凸轮，21是圆柱销，22是立柱。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行说明。

  如图1所示，本发明的复合运动式人工髋关节摩擦磨损实验装置包括机架、加载装置和复合运动机构。其中机架包括上顶板1、立柱22、摆台支撑座13、圆柱凸轮支撑座18及底座16；加载装置包括用于加载压力的液压缸2、传递加载力的主轴3、三抓卡盘5和股骨头上式样6；所述液压缸2由所述上顶板1固定，且所述上顶板1及液压缸2通过所述立柱22与底座16固定；复合运动机构包括实现前后摆动的摆动机构和实现左右转动的转动机构，所述摆动机构包括圆柱凸轮20、圆柱销21、摆杆14及摆台8，所述摆杆14两端设置有孔，且与所述圆柱销21及摆台8连接；所述转动机构包括转盘9、连杆11、和髋臼下式样12，所述连杆一端连接转盘9，另一端连接髋臼下式样12。所述转动机构固定在所述摆台8上。所述股骨头上式样6及髋臼下式样12构成摩擦副。

 本发明中，所述传递加载力的主轴3上设置有扭矩传感器4，所述股骨头上式样6由所述三抓卡盘5夹持，且该试验装置可配备设有润滑液进出口的润滑液套杯7。

 本发明中，所述圆柱销21与所述圆柱凸轮20轨道间隙配合。

 本发明中，所述圆柱凸轮20由电机15及与所述转动电机连接的一对直齿圆锥齿轮19提供转动力。所述转盘9开有偏心孔，其偏心孔处与所述连杆11一端相配合连接，所述髋臼下式样12的中心部及相对面的中下部开有小孔，分别与所述摆台8及连杆11另一端连接，所述转盘9由转动电机10提供转动力。

本发明的工作工程是：如图1所示，电机15与转动电机10同时通电工作，电机15通过联轴器带动传动轴17转动，从而带动直齿圆锥齿轮19啮合转动，此时直齿圆锥齿轮19中的从动圆锥齿轮将带动圆柱凸轮20转动，并且，圆柱销21将会在运动起来的圆柱凸轮20沟槽的作用下摆动，由于摆杆8两端分别与圆柱销21和摆台13连接，从而实现了摆台13有一定的摆动，模拟了人体髋关节的伸展屈曲（FE）运动。此时，在转动电机10的作用下，转盘9将会做匀速转动，由于连杆11两端分别与髋臼下式样12和转盘9的偏心孔连接，从而实现了髋臼下式样12绕其几何中心转动，模拟了人体髋关节的内收外展（AA）运动。在整个运动过程中，液压缸2将通过主轴给摩擦副施加一定周期性的循环载荷，扭矩传感器4将实时测量压力力矩并进行反馈。本发明所示实验装置可根据润滑液套杯7内是否加入润滑液实现介质摩擦和干摩擦两种工况试验。

上面结合附图对本发明的实施例进行了说明，但上述说明并非对本发明的限制，本发明也不仅限于上述实施例。凡是在本发明的实质和原理范围内进行的变化、代替、添加、简化，组合等均视为等效的置换方式，也属于本发明的保护范围。