一種并聯式仿生膝-髖關節試驗機的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明公開了一種并聯式仿生膝-髖關節試驗機，涉及了一種液壓系統加載，并聯驅動方式的并聯式仿生膝-髖關節試驗機。對人工膝關節材料的摩擦磨損試驗采用并聯的驅動方式，屬于儀器科學或仿生機器人領域。
【背景技術】
[0002]人工關節是一種模擬人體關節的植入性假體，用來替代病變受損的的關節，恢復其正常功能。現在運用最廣泛的是髖關節和膝關節。人工關節的磨損是臨床一個重要的問題。近年來國內外學者對髖關節和膝關節的模擬試驗裝置相繼開發研究。目前研制成功的髖關節實驗裝置采用銷-盤磨損試驗、環-盤磨損試驗、四球磨損試驗以及塊環磨損試驗等，著重于對材料的摩擦磨損性能的研究。由于結構的限制無法進行全尺寸關節副摩擦磨損試驗。到目前為止，國內外研制成功的膝關節試驗裝置主要分為3類:球面接觸型、假體力和運動直接控制型、膝關節肌肉力重建型。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代替以往往復的運動形式；假體力和運動直接控制型試驗機主要以國外為主，Walker和Hsish等研究發現，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股骨假體前后位移，研究方向轉向細微運動方向，但是仍然只能模仿部分運動；模擬膝關節肌肉力群試驗機是一種用電機、氣缸或者液壓缸等驅動方式來模擬人體下肢與膝關節相關作用的肌肉群，力圖更加準確地模擬膝關節真實的受力情況和運動狀態。其中以Guess和Maletsky研制開發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運動。各個軸上的力都能實現測量和控制。股四頭肌由液壓缸來模擬實現，控制膝關節受力和運動以及髖部的屈曲角度，同時髕骨關節的運動也得以實現。為了更準確可靠地測試人工關節的性能。必須開發有更貼近人體關節實際運動特性和力學性能的全尺寸關節副摩擦磨損試驗機。

【發明內容】

[0003]發明目的:為了克服現有技術中存在的不足，本發明提供一種并聯式仿生膝-髖關節試驗機，通過機構的配合，能夠更加真實地模擬模擬人體膝關節和髖關節的運動情況和運動環境，結構緊湊、安裝方便、測試效果好。
[0004]技術方案:為實現上述目的，本發明采用的技術方案為:
[0005]—種并聯式仿生膝-髖關節試驗機，包括髖關節試驗裝置和膝關節試驗裝置，所述髖關節試驗裝置位于在膝關節試驗裝置的上面，且兩者之間共用第二動平臺；所述髖關節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、髖關節試驗構件、髖關節液壓加載系統和若干髖關節主動支鏈，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置有髖關節液壓加載系統；所述第一中間支柱一端貫穿第二動平臺固定設置在定平臺上，所述第一中間支柱另一端安裝有髖關節軸承基座，髖關節軸承基座上固定有髖關節試驗構件，所述髖關節液壓加載系統與髖關節試驗構件加載連接；若干所述髖關節主動支鏈一端與第一動平臺球鉸設置，另一端與第二動平臺球鉸設置；所述的髖關節試驗構件安裝固定在第一動平臺內部；所述膝關節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、膝關節試驗構件、膝關節液壓加載系統、膝關節主動支鏈組和膝關節連接支鏈組，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置有膝關節液壓加載系統；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節軸承基座，膝關節軸承基座上固定有膝關節試驗構件，所述膝關節液壓加載系統與膝關節試驗構件加載連接；所述膝關節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節主動支鏈，每個所述膝關節主動支鏈的一端與定平臺球鉸設置，每個所述膝關節主動支鏈的另一端與第二動平臺球鉸設置，所述膝關節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節連接支鏈，每個膝關節連接支鏈的一端與定平臺固定設置，每個膝關節連接支鏈的另一端與第二動平臺鉸接；所述的膝關節試驗構件安裝固定在第二動平臺內部。
[0006]進一步的，所述第二動平臺內部嵌合設置有雙列角接觸球軸承，所述雙列角接觸球軸承內部貫穿設置有連接桿，每對所述膝關節連接支鏈分別與連接桿的兩端鉸接。
[0007]進一步的，所述膝關節主動支鏈與定平臺平面法線的夾角為3°，所述髖關節主動支鏈與第二動平臺平面法線的夾角為8°?10°。
[0008]進一步的，所述第一動平臺是由三個均勻分布的髖關節主動支鏈并行驅動，所述第二動平臺是由兩個膝關節主動支鏈和兩個膝關節連接支鏈均勻分布并行驅動，且所述膝關節主動支鏈和膝關節連接支鏈均為直線致動器。
[0009]進一步的，所述髖關節液壓加載系統包括第一液壓缸、第一液壓活塞桿、第一導向套、第一導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向套里的第一導向塊相連，所述第一力傳感器一端和第一導向塊連接；所述第一力傳感器另一端與第一關節窩連接，所述第一關節窩和髖關節試驗構件嵌合連接，所述髖關節試驗構件固定在髖關節軸承基座上，所述髖關節軸承基座安裝在第一中間支柱上。
[0010]進一步的，所述膝關節液壓加載系統包括第二液壓缸、第二液壓活塞桿、第二導向套、第二導向塊、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向套里的第二導向塊相連，所述第二力傳感器一端和第二導向塊連接；所述第二力傳感器另一端與第二關節窩連接，所述第二關節窩和膝關節試驗構件嵌合連接，所述膝關節試驗構件固定在膝關節軸承基座上，所述膝關節軸承基座安裝在第二中間支柱上。
[0011]進一步的，所述的髖關節軸承基座可隨著第一動平臺轉動，所述髖關節軸承基座的球心與第一中間支撐柱軸線重合；所述膝關節軸承基座可隨著第二動平臺轉動，所述膝關節軸承基座的球心與第二中間支撐柱軸線重合。
[0012]有益效果:本發明采用并聯結構式，剛度大，結構穩定緊湊；運動環節少，不會出現積累誤差。同時采用全尺寸關節副形式，結果更加接近人體真實情況。驅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為本發明髖關節試驗裝置的主視圖；
[0014]圖2為本發明髖關節試驗裝置的俯視圖；
[0015]圖3為本發明膝關節試驗裝置的主視圖；
[0016]圖4為本發明膝關節試驗裝置的側視圖；
[0017]圖5為本發明中雙列角接觸球軸承與連接桿的設置方式結構示意圖；
[0018]圖6為本發明的結構示意圖；
[0019]圖7為本發明的運動簡圖。
【具體實施方式】
[0020]下面結合附圖對本發明作更進一步的說明。
[0021]如圖6、7所示一種并聯式仿生膝-髖關節試驗機，包括髖關節試驗裝置和膝關節試驗裝置，所述髖關節試驗裝置位于在膝關節試驗裝置的上面，且兩者之間共用第二動平臺17。
[0022]如圖1、2、3和4所示，所述髖關節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、髖關節試驗構件、髖關節液壓加載系統和三條相同的髖關節主動支鏈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上設置有髖關節液壓加載系統；所述第一中間支柱14 一端貫穿第二動平臺17固定設置在定平臺33上，所述第一中間支柱14另一端安裝有髖關節軸承基座12，髖關節軸承基座12上固定有髖關節試驗構件，所述髖關節液壓加載系統與髖關節試驗構件加載連接；所述三條相同的髖關節主動支鏈13 —端與第一動平臺4球鉸設置，另一端與第二動平臺17球鉸設置，球鉸連接方式為:第一底座2分別固定設置在第一動平臺4和第二動平臺17上，髖關節主動支鏈13的兩端分別通過第一球鉸鏈15與第一底座2鉸接。所述的髖關節試件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]所述髖關節液壓加載系統包括第一液壓缸5、第一液壓活塞桿6、第一導向套7、第一導向塊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與第一導向套7里的第一導向塊8相連，所述第一力傳感器9 一端和第一導向塊8連接；所述第一力傳感器9另一端與第一關節窩10連接，所述髖關節試驗試件11及其安裝固定的裝置稱為髖關節試驗構件，髖關節試驗構件固定在髖關節軸承基座12上，所述髖關節軸承基座12安裝在第一中間支柱14上。
[0024]所述膝關節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、膝關節試驗構件、膝關節液壓加載系統、膝關節主動支鏈組和膝關節連接支鏈組，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上設置有膝關節液壓加載系統；所述第二中間支柱30的一端固定