[發(fā)明專利]新型人工髖關(guān)節(jié)摩擦試驗機

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410571997.6
• 申請日: 2014-10-23
• 公開（公告）號: CN104297091A
• 公開（公告）日: 2015-01-21
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 閆普選;韓飛雪;丁倩;王夢沂;張文娟
• 申請（專利權(quán)）人: 桂林電子科技大學
• 主分類號: G01N3/56
• 分類號: G01N3/56
• 代理公司: 桂林市持衡專利商標事務(wù)所有限公司 45107
• 代理人: 廖世傳

(一)技術(shù)領(lǐng)域：

本發(fā)明涉及機械設(shè)計及材料摩擦研究，具體為一種新型人工髖關(guān)節(jié)摩擦試驗機，其能夠為新型材料摩擦性能測試提供多工況且可靠的測試。

(二)背景技術(shù)：

據(jù)統(tǒng)計，60歲以上老年人罹患關(guān)節(jié)退變性疾病的比例高達90％以上，其中髖關(guān)節(jié)骨折是其最主要創(chuàng)傷之一，從2009～2011年，歐洲骨科與創(chuàng)傷協(xié)會、美國整形外科醫(yī)學會及中華醫(yī)學會骨科專業(yè)分會先后將“植入物的安全性、耐磨性及耐久性”作為該領(lǐng)域里最重要的議題之一。

針對人工髖關(guān)節(jié)植入生物體內(nèi)試驗研究復雜、風險大、成本高及周期長的特點，髖關(guān)節(jié)摩擦試驗機應(yīng)運而生。目前，髖關(guān)節(jié)摩擦試驗機按模擬運動方式可分為：銷盤型、擺軸型及多軸型：銷盤型是通過圓盤與銷狀試樣之間形成的相對滑動來研究材料摩擦潤滑性能；多軸型是將不同軸系形成的單個運動進行合成來模擬人工髖關(guān)節(jié)的運動形態(tài)；擺軸型是依靠基座與斜面底座之間的相對運動來模擬髖關(guān)節(jié)三個不同平面的擺動動作。

美國專利[授權(quán)公告號US6199424B1]涉及一種適應(yīng)橡膠及胎面的銷盤摩擦試驗機，能夠調(diào)節(jié)滑動速率、接觸壓力、方向及接觸面來測試更為復雜工況。其主要包括負載單元、力測量裝置、驅(qū)動機構(gòu)、摩擦盤及測試樣夾持器等，便于調(diào)整和測試不同工況條件下橡膠制品的摩擦性能；但其接觸和運動方式與人工髖關(guān)節(jié)的運動方式差別較大。

中國專利[授權(quán)公告號CN101975707B]涉及一種基于鋼絲繩傳動的髖關(guān)節(jié)試驗機。其為多軸型結(jié)構(gòu)，采用伸縮及拉伸彈簧、凸輪、定滑輪及鋼絲繩組成的傳動機構(gòu)，實現(xiàn)與其連接動平臺上的關(guān)節(jié)球頭完成交叉狀的多向復合滑動及旋轉(zhuǎn)運動。該結(jié)構(gòu)采用以上傳統(tǒng)機械零件代替了價格昂貴的進口電動缸，降低了試驗成本和機臺適應(yīng)性；但其功能性單一，摩擦面控制穩(wěn)定性差。

中國專利[授權(quán)公告號CN101243998B]涉及一種多功能摩擦學實驗裝置的設(shè)計。其在搖軸型髖關(guān)節(jié)試驗機的基礎(chǔ)上，將銷盤型功能集成到該試驗機上，使得單臺試驗機具有較強的兼容性和改進功能，易于拆卸和操作；但由于該試驗機在設(shè)計原理上并沒有進行改進，雖增加了測試功能，但對調(diào)節(jié)髖關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)參數(shù)對其生物摩擦學性能影響方面卻無提高。

(三)發(fā)明內(nèi)容：

針對現(xiàn)有技術(shù)的不足(球頭自轉(zhuǎn)速度與錐面旋轉(zhuǎn)速度有關(guān)聯(lián)性及錐面旋轉(zhuǎn)角調(diào)節(jié)不便)，本發(fā)明的目的在于對其旋轉(zhuǎn)中心機構(gòu)(旋轉(zhuǎn)裝置)在設(shè)計原理上進行創(chuàng)新設(shè)計，提出了一種能夠無級調(diào)節(jié)球頭的自轉(zhuǎn)速度和錐面旋轉(zhuǎn)速度，并方便調(diào)節(jié)錐面旋轉(zhuǎn)角度的新型人工髖關(guān)節(jié)摩擦試驗機。

能夠?qū)崿F(xiàn)上述目的新型人工髖關(guān)節(jié)摩擦試驗機，其技術(shù)方案包括載荷機構(gòu)、扭矩測試儀、相配裝的下方球頭和上方臼杯以及球頭旋轉(zhuǎn)裝置，所述載荷機構(gòu)設(shè)于載荷平臺上，所述臼杯通過扭矩測試儀向上連接載荷機構(gòu)，與現(xiàn)有技術(shù)不同的是所述球頭旋轉(zhuǎn)裝置包括旋轉(zhuǎn)Ⅰ軸和旋轉(zhuǎn)Ⅱ軸，所述旋轉(zhuǎn)Ⅰ軸于球頭下方通過中層平臺上的Ⅰ軸上軸承位和下層平臺上的Ⅰ軸下軸承位垂直安裝，所述旋轉(zhuǎn)Ⅱ軸斜向設(shè)于旋轉(zhuǎn)Ⅰ軸旁，旋轉(zhuǎn)Ⅱ軸的上端連接球頭，旋轉(zhuǎn)Ⅱ軸的下端于斜臺上的Ⅱ軸軸承位安裝，所述斜臺于旋轉(zhuǎn)盤上安裝，所述旋轉(zhuǎn)盤同軸空套于旋轉(zhuǎn)Ⅰ軸并通過中層平臺上的轉(zhuǎn)軸軸承位安裝，旋轉(zhuǎn)Ⅰ軸和旋轉(zhuǎn)Ⅱ軸之間由相互嚙合的錐形齒輪和圓柱齒輪連接，所述錐形齒輪安裝于旋轉(zhuǎn)Ⅰ軸上，所述圓柱齒輪安裝于旋轉(zhuǎn)Ⅱ軸上。

上述結(jié)構(gòu)中，所述旋轉(zhuǎn)Ⅰ軸通過錐形齒輪——圓柱齒輪——旋轉(zhuǎn)Ⅱ軸的運動傳遞，實現(xiàn)球頭的自轉(zhuǎn)；所述旋轉(zhuǎn)Ⅱ軸在旋轉(zhuǎn)盤的帶動下，實現(xiàn)球頭于錐面上的旋轉(zhuǎn)。

所述旋轉(zhuǎn)盤的傳動機構(gòu)可采用旋轉(zhuǎn)Ⅱ軸電機帶動的皮帶輪傳動副，為簡化結(jié)構(gòu)，此時的旋轉(zhuǎn)盤作為皮帶輪傳動副中的從動皮帶輪使用。

所述旋轉(zhuǎn)Ⅰ軸的傳動機構(gòu)可采用旋轉(zhuǎn)Ⅰ軸電機帶動的皮帶輪傳動副。

所述斜臺的斜角度數(shù)選擇為16°～30°，即可更換不同斜角度數(shù)的斜臺，配合更換不同錐度配合的錐形齒輪和圓柱齒輪，以改變球頭的錐面旋轉(zhuǎn)角度。

大多數(shù)情況下，所述斜臺的斜角度數(shù)優(yōu)選27°。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比有以下突出效果：

本發(fā)明新型人工髖關(guān)節(jié)摩擦試驗機在分析傳統(tǒng)髖關(guān)節(jié)摩擦試驗機的旋轉(zhuǎn)中心機構(gòu)設(shè)計原理基礎(chǔ)上，將旋轉(zhuǎn)中心機構(gòu)的旋轉(zhuǎn)作用進行創(chuàng)新性機構(gòu)分離，從而實現(xiàn)對髖關(guān)節(jié)球頭自轉(zhuǎn)速度的無級調(diào)速；同時采用不同的機構(gòu)模塊和裝配實現(xiàn)球頭旋轉(zhuǎn)錐形角調(diào)節(jié)，從而適應(yīng)不同年齡、地域及運動狀態(tài)等復雜工況的摩擦性研究，使得人工髖關(guān)節(jié)摩擦性能測試結(jié)果進一步接近真實工況。

(四)附圖說明：

圖1是本發(fā)明一種實施方式的立體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是圖1實施方式的主視圖。