一種并聯(lián)式仿生膝-髖關(guān)節(jié)試驗機的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明公開了一種并聯(lián)式仿生膝-髖關(guān)節(jié)試驗機，涉及了一種液壓系統(tǒng)加載，并聯(lián)驅(qū)動方式的并聯(lián)式仿生膝-髖關(guān)節(jié)試驗機。對人工膝關(guān)節(jié)材料的摩擦磨損試驗采用并聯(lián)的驅(qū)動方式，屬于儀器科學(xué)或仿生機器人領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]人工關(guān)節(jié)是一種模擬人體關(guān)節(jié)的植入性假體，用來替代病變受損的的關(guān)節(jié)，恢復(fù)其正常功能?，F(xiàn)在運用最廣泛的是髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)。人工關(guān)節(jié)的磨損是臨床一個重要的問題。近年來國內(nèi)外學(xué)者對髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的模擬試驗裝置相繼開發(fā)研究。目前研制成功的髖關(guān)節(jié)實驗裝置采用銷-盤磨損試驗、環(huán)-盤磨損試驗、四球磨損試驗以及塊環(huán)磨損試驗等，著重于對材料的摩擦磨損性能的研究。由于結(jié)構(gòu)的限制無法進(jìn)行全尺寸關(guān)節(jié)副摩擦磨損試驗。到目前為止，國內(nèi)外研制成功的膝關(guān)節(jié)試驗裝置主要分為3類:球面接觸型、假體力和運動直接控制型、膝關(guān)節(jié)肌肉力重建型。球類測試機如Wang等采用的圓盤和面接觸的試驗機以垂直軸向旋轉(zhuǎn)代替以往往復(fù)的運動形式；假體力和運動直接控制型試驗機主要以國外為主，Walker和Hsish等研究發(fā)現(xiàn)，脛骨踝窩和股骨踝窩的過渡裝配才是最合理的配置形式；Pual等研制的試驗機采用氣動四連桿實現(xiàn)股骨假體前后位移，研究方向轉(zhuǎn)向細(xì)微運動方向，但是仍然只能模仿部分運動；模擬膝關(guān)節(jié)肌肉力群試驗機是一種用電機、氣缸或者液壓缸等驅(qū)動方式來模擬人體下肢與膝關(guān)節(jié)相關(guān)作用的肌肉群，力圖更加準(zhǔn)確地模擬膝關(guān)節(jié)真實的受力情況和運動狀態(tài)。其中以Guess和Maletsky研制開發(fā)的堪薩斯膝迷模擬試驗機最為典型，該試驗機采用伺服閥控制液壓缸實現(xiàn)運動。各個軸上的力都能實現(xiàn)測量和控制。股四頭肌由液壓缸來模擬實現(xiàn)，控制膝關(guān)節(jié)受力和運動以及髖部的屈曲角度，同時髕骨關(guān)節(jié)的運動也得以實現(xiàn)。為了更準(zhǔn)確可靠地測試人工關(guān)節(jié)的性能。必須開發(fā)有更貼近人體關(guān)節(jié)實際運動特性和力學(xué)性能的全尺寸關(guān)節(jié)副摩擦磨損試驗機。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]發(fā)明目的:為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種并聯(lián)式仿生膝-髖關(guān)節(jié)試驗機，通過機構(gòu)的配合，能夠更加真實地模擬模擬人體膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)的運動情況和運動環(huán)境，結(jié)構(gòu)緊湊、安裝方便、測試效果好。
[0004]技術(shù)方案:為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:
[0005]—種并聯(lián)式仿生膝-髖關(guān)節(jié)試驗機，包括髖關(guān)節(jié)試驗裝置和膝關(guān)節(jié)試驗裝置，所述髖關(guān)節(jié)試驗裝置位于在膝關(guān)節(jié)試驗裝置的上面，且兩者之間共用第二動平臺；所述髖關(guān)節(jié)試驗裝置包括第一支撐柱、第一上支撐板、第二動平臺、第一中間支柱、第一動平臺、髖關(guān)節(jié)試驗構(gòu)件、髖關(guān)節(jié)液壓加載系統(tǒng)和若干髖關(guān)節(jié)主動支鏈，所述第一支撐柱的一端垂直固定在第二動平臺上，所述第一支撐柱的另一端支撐設(shè)置有第一上支撐板，所述第一上支撐板與第二動平臺平行，所述第一上支撐板上設(shè)置有髖關(guān)節(jié)液壓加載系統(tǒng)；所述第一中間支柱一端貫穿第二動平臺固定設(shè)置在定平臺上，所述第一中間支柱另一端安裝有髖關(guān)節(jié)軸承基座，髖關(guān)節(jié)軸承基座上固定有髖關(guān)節(jié)試驗構(gòu)件，所述髖關(guān)節(jié)液壓加載系統(tǒng)與髖關(guān)節(jié)試驗構(gòu)件加載連接；若干所述髖關(guān)節(jié)主動支鏈一端與第一動平臺球鉸設(shè)置，另一端與第二動平臺球鉸設(shè)置；所述的髖關(guān)節(jié)試驗構(gòu)件安裝固定在第一動平臺內(nèi)部；所述膝關(guān)節(jié)試驗裝置包括第二支撐柱、第二上支撐板、定平臺、第二中間支柱、第二動平臺、膝關(guān)節(jié)試驗構(gòu)件、膝關(guān)節(jié)液壓加載系統(tǒng)、膝關(guān)節(jié)主動支鏈組和膝關(guān)節(jié)連接支鏈組，所述第二支撐柱的一端固定在定平臺上，所述第二支撐柱的另一端支撐設(shè)置有第二上支撐板，所述第二上支撐板與定平臺平行，在所述第二上支撐板上設(shè)置有膝關(guān)節(jié)液壓加載系統(tǒng)；所述第二中間支柱的一端固定在定平臺上，所述第二中間支柱的另一端固定有膝關(guān)節(jié)軸承基座，膝關(guān)節(jié)軸承基座上固定有膝關(guān)節(jié)試驗構(gòu)件，所述膝關(guān)節(jié)液壓加載系統(tǒng)與膝關(guān)節(jié)試驗構(gòu)件加載連接；所述膝關(guān)節(jié)主動支鏈組包括對稱分布在定平臺上的一對或一對以上膝關(guān)節(jié)主動支鏈，每個所述膝關(guān)節(jié)主動支鏈的一端與定平臺球鉸設(shè)置，每個所述膝關(guān)節(jié)主動支鏈的另一端與第二動平臺球鉸設(shè)置，所述膝關(guān)節(jié)連接支鏈組包括對稱分布在定平臺上的一對或一對以上膝關(guān)節(jié)連接支鏈，每個膝關(guān)節(jié)連接支鏈的一端與定平臺固定設(shè)置，每個膝關(guān)節(jié)連接支鏈的另一端與第二動平臺鉸接；所述的膝關(guān)節(jié)試驗構(gòu)件安裝固定在第二動平臺內(nèi)部。
[0006]進(jìn)一步的，所述第二動平臺內(nèi)部嵌合設(shè)置有雙列角接觸球軸承，所述雙列角接觸球軸承內(nèi)部貫穿設(shè)置有連接桿，每對所述膝關(guān)節(jié)連接支鏈分別與連接桿的兩端鉸接。
[0007]進(jìn)一步的，所述膝關(guān)節(jié)主動支鏈與定平臺平面法線的夾角為3°，所述髖關(guān)節(jié)主動支鏈與第二動平臺平面法線的夾角為8°?10°。
[0008]進(jìn)一步的，所述第一動平臺是由三個均勻分布的髖關(guān)節(jié)主動支鏈并行驅(qū)動，所述第二動平臺是由兩個膝關(guān)節(jié)主動支鏈和兩個膝關(guān)節(jié)連接支鏈均勻分布并行驅(qū)動，且所述膝關(guān)節(jié)主動支鏈和膝關(guān)節(jié)連接支鏈均為直線致動器。
[0009]進(jìn)一步的，所述髖關(guān)節(jié)液壓加載系統(tǒng)包括第一液壓缸、第一液壓活塞桿、第一導(dǎo)向套、第一導(dǎo)向塊和第一力傳感器，所述第一液壓缸固定在第一上支撐板上，所述第一液壓缸與第一液壓活塞桿連接，所述第一液壓活塞桿與第一導(dǎo)向套里的第一導(dǎo)向塊相連，所述第一力傳感器一端和第一導(dǎo)向塊連接；所述第一力傳感器另一端與第一關(guān)節(jié)窩連接，所述第一關(guān)節(jié)窩和髖關(guān)節(jié)試驗構(gòu)件嵌合連接，所述髖關(guān)節(jié)試驗構(gòu)件固定在髖關(guān)節(jié)軸承基座上，所述髖關(guān)節(jié)軸承基座安裝在第一中間支柱上。
[0010]進(jìn)一步的，所述膝關(guān)節(jié)液壓加載系統(tǒng)包括第二液壓缸、第二液壓活塞桿、第二導(dǎo)向套、第二導(dǎo)向塊、第二力傳感器，所述第二液壓缸固定在第二上支撐板上，所述第二液壓缸與第二液壓活塞桿連接，所述第二液壓活塞桿與第二導(dǎo)向套里的第二導(dǎo)向塊相連，所述第二力傳感器一端和第二導(dǎo)向塊連接；所述第二力傳感器另一端與第二關(guān)節(jié)窩連接，所述第二關(guān)節(jié)窩和膝關(guān)節(jié)試驗構(gòu)件嵌合連接，所述膝關(guān)節(jié)試驗構(gòu)件固定在膝關(guān)節(jié)軸承基座上，所述膝關(guān)節(jié)軸承基座安裝在第二中間支柱上。
[0011]進(jìn)一步的，所述的髖關(guān)節(jié)軸承基座可隨著第一動平臺轉(zhuǎn)動，所述髖關(guān)節(jié)軸承基座的球心與第一中間支撐柱軸線重合；所述膝關(guān)節(jié)軸承基座可隨著第二動平臺轉(zhuǎn)動，所述膝關(guān)節(jié)軸承基座的球心與第二中間支撐柱軸線重合。
[0012]有益效果:本發(fā)明采用并聯(lián)結(jié)構(gòu)式，剛度大，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定緊湊；運動環(huán)節(jié)少，不會出現(xiàn)積累誤差。同時采用全尺寸關(guān)節(jié)副形式，結(jié)果更加接近人體真實情況。驅(qū)動方面采用伺服電機帶動滾珠絲杠的傳動形式，速度更易控制，精度高。
【附圖說明】
[0013]圖1為本發(fā)明髖關(guān)節(jié)試驗裝置的主視圖；
[0014]圖2為本發(fā)明髖關(guān)節(jié)試驗裝置的俯視圖；
[0015]圖3為本發(fā)明膝關(guān)節(jié)試驗裝置的主視圖；
[0016]圖4為本發(fā)明膝關(guān)節(jié)試驗裝置的側(cè)視圖；
[0017]圖5為本發(fā)明中雙列角接觸球軸承與連接桿的設(shè)置方式結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018]圖6為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019]圖7為本發(fā)明的運動簡圖。
【具體實施方式】
[0020]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作更進(jìn)一步的說明。
[0021]如圖6、7所示一種并聯(lián)式仿生膝-髖關(guān)節(jié)試驗機，包括髖關(guān)節(jié)試驗裝置和膝關(guān)節(jié)試驗裝置，所述髖關(guān)節(jié)試驗裝置位于在膝關(guān)節(jié)試驗裝置的上面，且兩者之間共用第二動平臺17。
[0022]如圖1、2、3和4所示，所述髖關(guān)節(jié)試驗裝置包括第一支撐柱1、第一上支撐板3、第二動平臺17、第一中間支柱14、第一動平臺4、髖關(guān)節(jié)試驗構(gòu)件、髖關(guān)節(jié)液壓加載系統(tǒng)和三條相同的髖關(guān)節(jié)主動支鏈13，所述第一支撐柱I的一端垂直固定在第二動平臺19上，所述第一支撐柱I的另一端支撐設(shè)置有第一上支撐板3，所述第一上支撐板3與第二動平臺17平行，所述第一上支撐板3上設(shè)置有髖關(guān)節(jié)液壓加載系統(tǒng)；所述第一中間支柱14 一端貫穿第二動平臺17固定設(shè)置在定平臺33上，所述第一中間支柱14另一端安裝有髖關(guān)節(jié)軸承基座12，髖關(guān)節(jié)軸承基座12上固定有髖關(guān)節(jié)試驗構(gòu)件，所述髖關(guān)節(jié)液壓加載系統(tǒng)與髖關(guān)節(jié)試驗構(gòu)件加載連接；所述三條相同的髖關(guān)節(jié)主動支鏈13 —端與第一動平臺4球鉸設(shè)置，另一端與第二動平臺17球鉸設(shè)置，球鉸連接方式為:第一底座2分別固定設(shè)置在第一動平臺4和第二動平臺17上，髖關(guān)節(jié)主動支鏈13的兩端分別通過第一球鉸鏈15與第一底座2鉸接。所述的髖關(guān)節(jié)試件11固定在浴液盆里的球頭座中，浴液盆固定和第一動平臺4相連。
[0023]所述髖關(guān)節(jié)液壓加載系統(tǒng)包括第一液壓缸5、第一液壓活塞桿6、第一導(dǎo)向套7、第一導(dǎo)向塊8和第一力傳感器9，所述第一液壓缸5固定在第一上支撐板3上，所述第一液壓缸活塞桿6與第一導(dǎo)向套7里的第一導(dǎo)向塊8相連，所述第一力傳感器9 一端和第一導(dǎo)向塊8連接；所述第一力傳感器9另一端與第一關(guān)節(jié)窩10連接，所述髖關(guān)節(jié)試驗試件11及其安裝固定的裝置稱為髖關(guān)節(jié)試驗構(gòu)件，髖關(guān)節(jié)試驗構(gòu)件固定在髖關(guān)節(jié)軸承基座12上，所述髖關(guān)節(jié)軸承基座12安裝在第一中間支柱14上。
[0024]所述膝關(guān)節(jié)試驗裝置包括第二支撐柱16、第二上支撐板18、定平臺33、第二中間支柱30、第二動平臺17、膝關(guān)節(jié)試驗構(gòu)件、膝關(guān)節(jié)液壓加載系統(tǒng)、膝關(guān)節(jié)主動支鏈組和膝關(guān)節(jié)連接支鏈組，所述第二支撐柱16的一端固定在定平臺33上，所述第二支撐柱16的另一端支撐設(shè)置有第二上支撐板18，所述第二上支撐板18與定平臺33平行，在所述第二上支撐板18上設(shè)置有膝關(guān)節(jié)液壓加載系統(tǒng)；所述第二中間支柱30的一端固定