[发明专利]并联式仿生髋关节摩擦磨损试验机

说明书

技术领域

本发明涉及一种摩擦磨损试验机，尤其是一种并联式仿生髋关节摩擦磨损试验机，属于仪器科学或仿生机器人领域。

背景技术

人工关节是一类重要的人体替换器官，它是模拟人体关节而制成的植入性假体，以代替病变或损伤的关节并恢复其功能。人工关节包括髋、膝、肩、肘、腕、踝等关节，其中以髋关节和膝关节为主。人工关节的磨损, 尤其是人工髋关节的磨损, 是一个重要的临床问题。人工关节的磨损不仅能造成关节假体本身的破坏而引起机械性失效, 还会产生大量磨损颗粒诱导假体周围骨溶解。在评价人工关节的副生物材料的摩擦磨损特性，以及验证理论计算结果与实际的吻合程度时往往需进行摩擦学试验。而摩擦学试验的结果在很大程度上受到试验设备的影响。因此，所选用试验机的主要性能应尽力模拟实际工况条件的特点，如偶件接触方式、运动状态、载荷、速度、温度及环境介质等。近年来, 研究者相继开发了关节模拟试验装置, 采用销一盘磨损实验、环一盘磨损实验、四球磨损实验以及块环磨损实验等, 但试验设备由于结构限制无法进行全尺寸关节副摩擦磨损试验, 而且在试件偶副接触方式提供的运动形式以及载荷性质上, 都与关节的实际工况相距甚远，这将导致实际人体髋关节与试验机的运动机理不相同。因此，应重新规划人工髋关节试验机的模拟运动轨迹，使之尽可能的模拟实际人体髋关节的运动特性，根据实际人体的接触力学特性，使人工髋关节试验机具有变载荷加载功能，并正确调整加载方向，使之尽可能的模拟实际人体髋关节的动力特性，要求新的模拟试验机在实验室环境中能够更真实地模拟人体髋关节的运动情况及运动环境，为不同髋关节假体材料的临床应用提供较为准确可靠的试验数据。

发明内容

技术问题：本发明的目的是要克服已有技术中的不足之处，提供一种结构紧凑、安装方便、测试效果好的并联式仿生髋关节摩擦磨损试验机。

技术方案：本发明的并联式仿生髋关节摩擦磨损试验机，包括定平台、设在定平台中部的支撑柱，支撑柱周围均布有三个定平台球铰链，定平台的两侧对角上对称设有立柱，立柱上设有横梁，横梁上开有中心线与支撑柱轴心线相重合的通孔，通孔内设有导向套，导向套上方设有固定在横梁上的立式液压缸，立式液压缸的活塞杆经导向套穿过横梁，导向套内设有与活塞杆相连作垂直运动的导向块；导向块的下部设有压力传感器，压力传感器的下部设有上关节窝或上关节头；支撑柱的顶部设有座圈，座圈上设有球头基座，球头基座上倾斜设有与上关节窝相配合的下关节头或设有与上关节头相配合的斜面下关节窝，所述的下关节头经与其锥面自锁连接的安装螺栓倾斜角度α设置在球头基座上；所述球头基座与座圈的相对摆角为γ；球头基座的外缘上设有关节窝基体，关节窝基体上设有动平台，关节窝基体的轴线与动平台相垂直；动平台的底面设有与三个定平台球铰链位置相对应的三个动平台球铰链，三个定平台球铰链与三个动平台球铰链之间倾斜设有主动支链。

所述的座圈与支撑柱紧密配合；所述的关节窝基体与动平台固连；所述的安装螺栓上设有防松螺母；所述的支撑柱上端安装座圈的端面上设有多个拆卸孔；所述的安装螺栓倾斜角度α为25°～35°；所述球头基座与座圈的相对摆角γ为40°～60°；所述三个动平台球铰链的中心距小于三个定平台球铰链的中心距。

有益效果：本发明以人体关节构型为基准，从结构仿生、运动仿生和功能仿生角度出发，以多个自由度并联仿生机构代替人体髋关节，以多个驱动支链的运动模拟人腿肌肉群的驱动功能；人体的髋关节是典型的球面副结构，其中上关节窝与下关节头配合构成球面副相当于人体的股骨头与髋臼窝构成的髋关节。支撑柱的高度调节可方便试件的安装和拆卸，以及试件中心的调高，同时起到使主动支链卸载和提高机构整体刚度的作用。由于并联仿生髋关节试验机可实现多种运动轨迹以及动力加载的模拟，选择确定机构模拟其在人体中的位置、姿态，可使其输出空间的形状、位置完全覆盖人体股骨腿杆的实际运动范围。采用并联式结构具有高精度、高速以及承载能力大等优点，既提高了仿生试验机的驱动能力和操作能力，又使仿生髋关节试验机的运动更加快速、灵活、平滑连续，更加接近人体髋关节运动的实际情况。具有如下优点：

（1）试验机采用并联式机构，具有的刚度大、结构更加稳定；承载能力强、运动惯性小；位姿逆解求解较易，利于反馈控制；试验机结构更紧凑，为实现模块化、系列化、标准化打下基础。

（2）试验机采用4自由度或者5自由度或者6自由度并联机构作为主体部件，与6自由度以上的并联机构相比具有结构简单、驱动元件少、控制比较容易、造价低、结构紧凑等优点，具有较高的实用价值，应用前景广阔。