專利名稱:一種股骨頭柄球頭摩擦磨損實驗裝置制造方法
【專利摘要】一種股骨頭柄球頭摩擦磨損實驗裝置，包括加載系統(tǒng)和股骨頭轉(zhuǎn)動系統(tǒng)，加載系統(tǒng)位于試驗機的上部，所述加載系統(tǒng)的上導(dǎo)向軸上連接髖臼上試樣；股骨頭轉(zhuǎn)動系統(tǒng)位于試驗機的下部，股骨頭轉(zhuǎn)動系統(tǒng)的擺軸連接股骨頭下試樣；髖臼上試樣的上端與所述上導(dǎo)向軸連接，膨大的下端開有球面凹槽；股骨頭下試樣的上端具有與所述球面凹槽配合的球面凸，下端與所述擺軸連接，擺軸的中心軸線與水平呈23度夾角。仿生擺動機構(gòu)正確的模擬了人體股骨頭和髖臼之間的交叉狀復(fù)合運動的狀態(tài)，且股骨頭下試樣和髖臼上試樣更換方便，能根據(jù)不同的實驗要求對不同的置換材料進行介質(zhì)試驗和干摩擦試驗。
【專利說明】一種股骨頭柄球頭摩擦磨損實驗裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及醫(yī)療器械【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其是涉及一種股骨頭柄球頭摩擦磨損實驗
目.0

【背景技術(shù)】
[0002]隨著社會發(fā)展、各種自然災(zāi)害和交通事故頻發(fā)，使得骨科患者數(shù)量有逐年增長的趨勢，其中以髖膝關(guān)節(jié)疾病為主。目前可以通過人工關(guān)節(jié)置換手術(shù)治療此類關(guān)節(jié)疾病。在此后的人工關(guān)節(jié)的使用中，關(guān)節(jié)的摩擦磨損是決定手術(shù)成功與否的主要因素之一。研宄表明，由于人體環(huán)境的差異，及關(guān)節(jié)置換材料在人體內(nèi)經(jīng)過長時間的摩擦磨損都會引起置換關(guān)節(jié)的松動，上述因素均會導(dǎo)致關(guān)節(jié)置換的失敗。因此，關(guān)節(jié)置換材料的耐磨性評價方法在研宄人工關(guān)節(jié)置換的技術(shù)上起著至關(guān)重要的作用。目前，對人工髖關(guān)節(jié)摩擦磨損以及潤滑方面的研宄集中采用臨床體內(nèi)移植觀察和體外實驗兩種方法。由于體內(nèi)移植觀察的方法成本高、過程繁瑣、風險較大，因此利用摩擦磨損實驗裝置進行體外實驗為最理想的研宄方法。
[0003]CN103257076號在先申請中公開了一種人工髖關(guān)節(jié)動態(tài)疲勞磨損試驗機，該機包括位于試驗機上部的股骨頭試樣轉(zhuǎn)動部分、夾持試樣的試樣夾具及給試樣施加載荷的試樣加載部分，其中股骨頭試樣轉(zhuǎn)動部分包括轉(zhuǎn)動電機及轉(zhuǎn)動電機帶動下轉(zhuǎn)動的下主軸，股骨頭試樣安裝在下主軸上；試樣加載部分包括加載電機、與加載電機連接的蝸輪蝸桿減速器和對髖白試樣加載的加載傳動部件。結(jié)合本申請說明書附可見，位置靠上的股骨頭試樣5為一帶有突出的圓球頭的直立部件，對其施加載荷的為位置靠下的與該圓球頭球面配合的髖臼試樣6，該種結(jié)構(gòu)和加力形式與人體的實際結(jié)構(gòu)是不相符合的。因為在人體雙足站立時，體重平均分配至雙下肢，每髖承擔除下肢重量之外的體重的1/2，一側(cè)下肢負重時，髖關(guān)節(jié)承擔除去一側(cè)下肢重量的中體加上外展肌肌力。該在先申請中只是采用斜下方位置的髖臼試樣達到加載測試的目的，沒有考慮人體體重的負擔問題，顯然與實際不符。
實用新型內(nèi)容
[0004]本實用新型的目的在于提供一種能夠準確模擬人體工作特性和工作環(huán)境的髖關(guān)節(jié)摩擦磨損試驗機，為不同假體材料在試驗中產(chǎn)生的摩擦機理、磨損情況與實際情況一致，為臨床提供可靠的指導(dǎo)性數(shù)據(jù)，采用的技術(shù)方案是:一種股骨頭柄球頭摩擦磨損實驗裝置，包括加載系統(tǒng)和股骨頭轉(zhuǎn)動系統(tǒng)，其特征在于:所述加載系統(tǒng)位于試驗機的上部，所述加載系統(tǒng)的上導(dǎo)向軸11上連接髖臼上試樣10 ;所述股骨頭轉(zhuǎn)動系統(tǒng)位于試驗機的下部，所述股骨頭轉(zhuǎn)動系統(tǒng)的擺軸5連接股骨頭下試樣9 ;所述髖臼上試樣10的上端與所述上導(dǎo)向軸連接，膨大的下端開有球面凹槽；所述股骨頭下試樣9的上端具有與所述球面凹槽配合的球面凸，下端與所述擺軸5連接，所述擺軸5的中心軸線與水平呈23度夾角。
[0005]本實用新型的技術(shù)方案還有:所述股骨頭轉(zhuǎn)動系統(tǒng)包括驅(qū)動電機1，與所述驅(qū)動電機I連接的下主軸2，在下主軸2上連接仿生擺動機構(gòu)。
[0006]本實用新型的技術(shù)方案還有:所述仿生擺動機構(gòu)包括連接在所述下主軸2上的支撐斜板3，在所述支撐斜板3的傾斜上表面上開有與所述凹槽，所述擺軸5的端部安裝在所述凹槽內(nèi)。
[0007]本實用新型的技術(shù)方案還有:所述仿生擺動機構(gòu)還包括防轉(zhuǎn)桿7，所述防轉(zhuǎn)桿7的一端固定連接在所述擺軸5上，另一端為抵靠在檔桿6上的自由端。
[0008]本實用新型的技術(shù)方案還有:所述加載系統(tǒng)包括加載電機22，與所述加載電機22連接的蝸輪蝸桿減速裝置，及與所述蝸輪20連接的柔性加力部件，所述柔性加力部件的上導(dǎo)向軸11與所述髖臼上試樣10連接。
[0009]本實用新型的技術(shù)方案還有:所述柔性加力部件包括與所述蝸輪20連接的傳動絲杠19，與所述傳動絲杠配合的傳動螺母18，在傳動絲杠的下端為傳動螺桿14，所述傳動螺桿14與傳力螺母16螺紋配合，加力彈簧一端裝在所述傳力螺母18上、另一端裝在傳力螺母16上，所述傳動螺桿14穿過組合支架23后朝向所述上導(dǎo)向軸11的一端還裝有軸向力傳感器13，在所述軸向力傳感器13與所述上導(dǎo)向軸11之間還裝有扭矩傳感器12。
[0010]本實用新型的技術(shù)方案還有:所述柔性加力部件還包括分別連接在所述傳力螺母16和組合支架23上的支撐彈簧15。
[0011]本實用新型的技術(shù)方案還有:所述擺軸5的上端還設(shè)有潤滑液套杯8，所述潤滑液套杯8上設(shè)有潤滑液進口和潤滑液出口。
[0012]本實用新型的有益效果在于:
[0013]I)本立式結(jié)構(gòu)的實驗裝置上，股骨頭轉(zhuǎn)動系統(tǒng)位于該裝置的中間處，便于操作和觀察；
[0014]2)仿生擺動機構(gòu)正確的模擬了人體股骨頭和髖臼之間的交叉狀復(fù)合運動的狀態(tài)，且股骨頭下試樣和髖白上試樣更換方便，能根據(jù)不同的實驗要求對不同的置換材料進行介質(zhì)試驗和干摩擦試驗；
[0015]3)柔性加載系統(tǒng)加力柔和，與人體實際受力情況更加接近。

【附圖說明】

[0016]圖1是本實用新型實施例的試樣加載系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0017]圖2是本實用新型實施例的摩擦副結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018]圖3是本實用新型實施例一的股骨頭轉(zhuǎn)動系統(tǒng)示意圖；
[0019]圖4是本實用新型實施例二的股骨頭轉(zhuǎn)動系統(tǒng)示意圖；
[0020]圖5是本實用新型實施例二的實驗裝置主視圖；
[0021]圖6是本實用新型實施例二的實驗裝置左視圖。
[0022]其中:1驅(qū)動電機，2是下主軸，3是支撐斜板，4是組合軸承，5是擺軸，6是檔板，7是防轉(zhuǎn)桿，8是潤滑液杯，9是股骨頭下試樣，10是髖白上試樣，11是上導(dǎo)向軸，12是扭矩傳感器，13是軸向力傳感器，14是傳動螺桿，15是支撐彈簧，16是傳力螺母，17是加力彈簧，18是傳動螺母，19是傳動絲杠，20是蝸輪，21是蝸桿，22是加載電機，23是組合支架，24是箱體。

【具體實施方式】
[0023]下面結(jié)合附圖，對實用新型的【具體實施方式】進行說明。本實用新型公開了一種股骨頭柄球頭摩擦磨損實驗裝置，該裝置包括位于試驗機上部的加載系統(tǒng)、摩擦副和股骨頭轉(zhuǎn)動系統(tǒng)。
[0024]實施例一:
[0025]參見圖1，試樣加載系統(tǒng)包括加載電機22、與加載電機22連接的蝸輪20—蝸桿21減速裝置以及對髖白上試樣10施加載荷的加載傳動機構(gòu)。其中加載傳動機構(gòu)通過彈簧式柔性施力進行加載，具體包括柔性加力部件和傳感部件。
[0026]柔性加力部件包括與傳動絲杠19配合的傳動螺母18，和套裝在傳動螺母18上的加力彈簧17，加力彈簧17的一端裝在傳動螺母18的凹槽內(nèi)，另一端則套裝在傳力螺母16上。傳力螺母16開有與傳動螺桿14配合的內(nèi)孔且該傳動螺桿裝在組合支架23的孔中。
[0027]其中傳力螺母16上還套裝有支撐彈簧15，該支撐彈簧15的兩端分別裝在傳力螺母16和組合支架23上壁的凹槽內(nèi)。組合支架23上還裝有上導(dǎo)向軸11，并且在上導(dǎo)向軸11的下端開有安裝髖白上試樣10的尾部錐孔，在此尾部錐孔的中間還開有垂直于尾部錐孔的橫向錐孔。
[0028]當給加載電機22 —定的脈沖量時，加載電機22帶動蝸輪20-蝸桿21減速裝置轉(zhuǎn)動，從而帶動傳動絲杠19轉(zhuǎn)動，傳動絲杠19與傳動螺母18之間為梯形螺紋連接，故傳動螺母18可向下移動，從而壓縮加力彈簧17下移，加力彈簧17的壓力克服支撐彈簧15的支撐力時，傳力螺母16和傳動螺桿14在壓力的作用下帶動軸向力傳感器13 —起下移，直到軸向力傳感器13與上導(dǎo)向軸11上端面接觸，加載力便通過上導(dǎo)向軸11施加到髖白試樣9。復(fù)位時，加載電機22反轉(zhuǎn)，帶動傳動絲杠19反轉(zhuǎn)，從而帶動傳動螺母18上移，當支撐彈簧15克服加力彈簧17壓力和傳力螺母16的重力時向上伸展，帶動傳力螺母16、傳動螺桿14、軸向力傳感器13上移，達到復(fù)位的目的，并且在完全復(fù)位后可更換髖白上試樣10和股骨頭下試樣9。
[0029]傳感部件包括軸向力傳感器13和扭矩傳感器12，軸向力傳感器13安裝于傳動螺桿14的下端，當軸向力傳感器13運動到與上導(dǎo)向軸11上端面接觸時，軸向力傳感器13測得軸向壓力大小并反饋到計算機控制系統(tǒng)進行控制。扭矩傳感器12安裝在組合支架23的側(cè)壁上，當上導(dǎo)向軸11受到來自加力彈簧15的壓力和摩擦力產(chǎn)生的扭矩的綜合作用下，扭矩傳感器12受壓，從而測出此時的扭矩并反饋給計算機進行數(shù)據(jù)分析。
[0030]參見圖2，摩擦副包括髖白上試樣10和股骨頭下試樣9，還可配備設(shè)有潤滑液進出口的潤滑液套杯8。
[0031]其中髖臼上試樣10固定部件包括上導(dǎo)向軸11，髖臼上試樣10上端開有橫向錐孔，可直接安裝在上導(dǎo)向軸11的尾部錐孔中，并且通過插入橫向錐孔的銷子將其固定。股骨頭下試樣9固定部件包括擺軸5，股骨頭下試樣9尾部加工成螺紋，與擺軸5上端開有的螺紋孔相配合。根據(jù)實驗要求進行介質(zhì)摩擦?xí)r，可在擺軸上端安裝潤滑液套杯8，加入潤滑液的量以摩擦副中始終有液體為宜。且潤滑液套杯8設(shè)有潤滑液進出口，可隨時更換潤滑液。
[0032]參見圖3，股骨頭轉(zhuǎn)動系統(tǒng)包括驅(qū)動電機1、在驅(qū)動電機I帶動下轉(zhuǎn)動的下主軸2和仿生擺轉(zhuǎn)機構(gòu)。其中下主軸2與轉(zhuǎn)動電機I通過聯(lián)軸器連接。仿生擺轉(zhuǎn)機構(gòu)包括支撐斜板3、組合軸承4、擺軸5、檔桿6和防轉(zhuǎn)桿7。其中支撐斜板3的坡度角為230，下端面開有偏心凹槽，下主軸2上端與支撐斜板3通過鍵連接，并且在支撐斜板的側(cè)端面還開有一用來安裝組合軸承4和擺軸5的安裝孔。擺軸5與支撐斜板3是通過組合軸承連接，增加了兩者之間轉(zhuǎn)動的自由度，從而在外力的作用下可實現(xiàn)擺軸5與支撐斜板3之間的相對運動。擺軸5上端開有與股骨頭試樣9配合的螺紋孔且在其側(cè)面開有安裝防轉(zhuǎn)桿7的螺紋孔，防轉(zhuǎn)桿7可拆卸安裝。檔桿6固定于箱體上。本實施例為不安裝防轉(zhuǎn)桿7的工作情況。當轉(zhuǎn)動電機I轉(zhuǎn)動時，將帶動下主軸2旋轉(zhuǎn)進而帶動支撐斜板3進行偏心周向轉(zhuǎn)動，支撐斜板3將帶動固定在其上的組合軸承4和擺軸5繞實驗裝置主軸做圓錐狀旋轉(zhuǎn)，利用固定銷將安裝股骨頭試樣9的擺軸5與支撐斜板3固定在一起，此時安裝在臼杯座中的髖臼上試樣10與股骨頭下試樣9之間則作相互旋轉(zhuǎn)運動。
[0033]實施例二:
[0034]本實施例為安裝防轉(zhuǎn)桿7時的工作情況，與實施例一的技術(shù)方案基本相同，特別之處在于:
[0035]參見圖4、5、6，本實施例在擺軸5的側(cè)面通過螺紋連接安裝防轉(zhuǎn)桿7。支撐斜板3在驅(qū)動電機I的帶動下作勻速旋轉(zhuǎn)運動時，防轉(zhuǎn)桿7隨擺軸5轉(zhuǎn)動，當防轉(zhuǎn)桿7的自由端抵靠于固定于箱體24上的檔桿6上，防轉(zhuǎn)桿7將受到試驗機立柱的阻擋作用產(chǎn)生反向阻力，固定于擺軸5上的股骨頭下試樣9在合力的作用下一邊繞實驗裝置主軸旋轉(zhuǎn)，一邊往復(fù)擺動。擺軸5與固定于其上的股骨頭下試樣9在垂直于轉(zhuǎn)動平面的范圍產(chǎn)生類似于人體髖關(guān)節(jié)的擺動屈曲。
[0036]當然，上述說明并非對本實用新型的限制，本實用新型也不僅限于上述舉例，本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員在本實用新型的實質(zhì)范圍內(nèi)所做出的變化、改型、添加或替換，也屬于本實用新型的保護范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種股骨頭柄球頭摩擦磨損實驗裝置，包括加載系統(tǒng)和股骨頭轉(zhuǎn)動系統(tǒng)，其特征在于:所述加載系統(tǒng)位于試驗機的上部，所述加載系統(tǒng)的上導(dǎo)向軸(11)上連接髖臼上試樣(10);所述股骨頭轉(zhuǎn)動系統(tǒng)位于試驗機的下部，所述股骨頭轉(zhuǎn)動系統(tǒng)的擺軸(5)連接股骨頭下試樣(9);所述髖臼上試樣(10)的上端與所述上導(dǎo)向軸連接，膨大的下端開有球面凹槽；所述股骨頭下試樣(9)的上端具有與所述球面凹槽配合的球面凸，下端與所述擺軸(5)連接，所述擺軸(5)的中心軸線與水平呈23度夾角。2.按照權(quán)利要求1所述的實驗裝置，其特征在于:所述股骨頭轉(zhuǎn)動系統(tǒng)包括驅(qū)動電機(I)，與所述驅(qū)動電機(I)連接的下主軸(2)，在下主軸(2)上連接仿生擺動機構(gòu)。3.按照權(quán)利要求2所述的實驗裝置，其特征在于:所述仿生擺動機構(gòu)包括連接在所述下主軸(2)上的支撐斜板(3)，在所述支撐斜板(3)的傾斜上表面上開有與所述凹槽，所述擺軸(5)的端部安裝在所述凹槽內(nèi)。4.按照權(quán)利要求3所述的實驗裝置，其特征在于:所述仿生擺動機構(gòu)還包括防轉(zhuǎn)桿(7)，所述防轉(zhuǎn)桿(7)的一端固定連接在所述擺軸(5)上，另一端為抵靠在檔桿(6)上的自由端。5.按照權(quán)利要求3所述的實驗裝置，其特征在于:所述加載系統(tǒng)包括加載電機(22)，與所述加載電機(22)連接的蝸輪蝸桿減速裝置，及與所述蝸輪(20)連接的柔性加力部件，所述柔性加力部件的上導(dǎo)向軸(11)與所述髖臼上試樣(10)連接。6.按照權(quán)利要求5所述的實驗裝置，其特征在于:所述柔性加力部件包括與所述蝸輪(20)連接的傳動絲杠(19)，與所述傳動絲杠配合的傳動螺母(18)，在傳動絲杠的下端為傳動螺桿(14)，所述傳動螺桿(14)與傳力螺母(16)螺紋配合，加力彈簧一端裝在所述傳力螺母(18)上、另一端裝在傳力螺母(16)上，所述傳動螺桿(14)穿過組合支架(23)后朝向所述上導(dǎo)向軸(11)的一端還裝有軸向力傳感器(13)，在所述軸向力傳感器(13)與所述上導(dǎo)向軸(11)之間還裝有扭矩傳感器(12)。7.按照權(quán)利要求6所述的實驗裝置，其特征在于:所述柔性加力部件還包括分別連接在所述傳力螺母(16)和組合支架(23)上的支撐彈簧(15)。8.按照權(quán)利要求1所述的實驗裝置，其特征在于:所述擺軸(5)的上端還設(shè)有潤滑液套杯(8)，所述潤滑液套杯(8)上設(shè)有潤滑液進口和潤滑液出口。
【文檔編號】G01N3-56GK204286968SQ201420738825
【發(fā)明者】王守仁, 高文, 湯以品, 李亞東, 曹斐, 喬陽, 楊學(xué)鋒 [申請人]濟南大學(xué)