專利名稱：一種膝髕股關節力學測試試驗機的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種膝髕股關節力學測試試驗機，屬于生物醫學以及醫療器械制造領域。
背景技術：
膝關節為人體最大的關節，分為脛股關節和髕股骨關節兩部分。髕骨是人體最大的籽骨，是伸膝結構的重要組成部分，在伸膝機制中起著重要作用，但在日常生活和體育運動中，髕骨有可能受到各種各樣的創傷，如髕骨軟骨癥等。隨著醫學與科技的進步，和髕股關節有關的全膝關節置換手術實施的越來越多，全膝關節置換術后髕股關節并發癥是引起術后翻修的重要因素，正確地評價人體膝髕股關節的相對運動和應力分布對于解決這些問題有著重要意義。 本實用新型在研究髕股關節運動的基礎上，設計出一種膝髕股關節力學測試試驗機，能測試膝關節及膝關節模型骨屈曲0° 120°范圍內任意角度下的髕股關節力學數據，其目標是用于髕股關節的力學測試及力學特性分析。
實用新型內容I、目的本實用新型的目的在于提供一種膝髕股關節力學測試試驗機，來實現在不同屈曲角度下的離體膝關節及膝關節模型骨髕股關節力學測試及力學特性分析。同時，該力學測試試驗機是人體膝關節力學測試的基礎設備，也用于髕股關節損傷修復及全膝關節置換術后膝髕股關節的力學測試，為修復與置換等術后并發癥分析提供數據和方法。2、技術方案本實用新型一種膝髕股關節力學測試試驗機，它包括四個部分，即支撐架，加載裝置，導軌和膝關節模型骨夾持固定裝置。它們之間的位置連接關系是支撐架直接放置于地面上，導軌均固定連接在支撐架上，加載裝置和膝關節模型骨夾持固定裝置均在導軌中運動。所述支撐架是一個框架式結構，對整個裝置起支撐連接作用。通過導軌和膝關節模型骨夾持固定裝置，將膝關節模型骨固定于某一固定角度。加載時，由控制系統驅動加載裝置沿著導軌運動施加載荷；并能通過加載裝置中的測頭轉動裝置，調節所施加力的大小和方向；不加載時，加載裝置提供向上的拉力平衡自身重力，使整個系統保持平衡。該支撐架包括底座，薄鋁板外殼，支撐桿，支撐上板，支撐桿上墊板，支撐桿下墊板和三角架，它們之間的位置連接關系是底座放置在地面上，支撐桿通過支撐桿下墊板與底座固定，支撐上板通過支撐桿上墊板與支撐桿連接，薄鋁板外殼固定于支撐桿上墊板和支撐桿下墊板，三角架安裝在支撐桿上墊板側面和支撐上板底面。該底座是帶有四個支腳的長方體鑄鋼件，四個支腳處加工有圓形通孔，便于底座放置在地面上時定位，鑄鋼件兩側分別加工三個通孔，分別對四根支撐桿及兩根圓柱導軌進行定位固定；該薄鋁板外殼是用矩形板料折彎成凹形狀，它固定在支撐桿外圍，起擋塵護板的作用；該支撐桿是細長軸零件，支撐桿兩端設計成軸肩定位，在端部加工外螺紋，通過螺母將底座和支撐上板連接在一起，其數量為4根，對稱安裝在底座兩側中靠近邊緣的四個通孔處；該支撐上板是矩形板料，其上設置有6個圓形通孔供固定連接用；該支撐桿上墊板是矩形板料，其上設置有圓形通孔與支撐桿的端部的軸肩配合定位；該支撐桿下墊板也是矩形板料，其上設置有圓形通孔與支撐桿的端部軸肩配合定位；該三角架是在角鋼的兩端部位連接一鋼板構成三角狀，增加承載能力，角鋼兩端部各加工有兩個通孔，對支撐架起加固作用。試驗機中的氣壓缸導軌，測頭導軌，圓柱導軌以及模型骨夾持固定裝置導軌均固連于該支撐架上。所述加載裝置包括氣壓缸，氣壓缸滑塊，氣壓缸滑塊墊板，氣壓缸活塞桿，活塞桿連接板，活塞桿連接側板，測頭滑塊，測頭和測頭轉動裝置，其之間的關系是氣壓缸滑塊、氣壓缸滑塊墊板和氣壓缸上端通過螺栓螺母固定，氣壓缸和氣壓缸活塞桿配套使用，由氣壓缸滑塊帶動在支撐架的氣壓缸導軌內運動，活塞桿連接板由螺母固定在氣壓缸活塞桿下 端軸肩處，活塞桿連接側板上端固定于活塞桿連接板側面，活塞桿連接側板中部與測頭滑塊相固定，測頭轉動裝置通過螺栓螺母安裝在活塞桿連接側板下端，測頭安裝在測頭轉動裝置的階梯軸上。該氣壓缸是SMC公司生產的型號為CGl的圓筒狀氣壓缸，為試驗機提供動力；該氣壓缸滑塊上端截面為梯形，為在氣壓缸導軌內滑動的部分，下端截面為長方形，為與氣壓缸連接的部分，下端長方體部分加工有兩個沉頭孔；該氣壓缸滑塊墊板為一長方體塊，加工有兩個圓形通孔，起頂緊氣壓缸作用；該氣壓缸活塞桿是圓柱狀軸零件，端部設計成軸肩定位，端部加工有外螺紋；該活塞桿連接板為一長方體板，上下面加工有通孔，兩相對側面各加工有兩個螺紋孔；該活塞桿連接側板為一長方形板材，上部、中部和下部分別加工有兩個圓形通孔；該測頭滑塊與氣壓缸滑塊類似，上端截面為梯形，為在測頭導軌內滑動的部分，下端截面為長方形，為與活塞桿連接側板相連接的部分，其下端長方體底面加工有兩個螺紋孔；該測頭是一圓柱桿，一端設有軸肩定位，軸肩上方加工有外螺紋，通過外螺紋與測頭連接環將其固定到測頭轉動裝置上，另一端裝有一鋼球，鋼球與圓柱桿通過螺紋連接，該測頭將力按照一定的傾斜角度傳遞施加到膝關節上。該測頭轉動裝置包括測頭轉動裝置前側板，測頭轉動裝置后側板，齒輪軸，階梯軸，軸承，圓柱齒輪，手輪，編碼器，編碼器墊片，連接環，彈性聯軸器，連接軸，定位環，頂緊圓錐，端蓋，齒輪套筒，固定環套筒，鍵，測頭固定環和測頭連接環。其之間的位置連接關系為齒輪軸和階梯軸通過四個軸承安裝在測頭轉動裝置前側板和后側板之間，圓柱齒輪和測頭固定環通過齒輪套筒、固定環套筒和鍵固定在階梯軸上，測頭連接環安裝在測頭固定環下端，頂緊圓錐裝在階梯軸伸出測頭轉動裝置后側板一端的端部，由鍵固定，兩個端蓋分別裝在測頭轉動裝置前側板和后側板上安裝齒輪軸階梯孔的外側，手輪套在齒輪軸伸出測頭轉動裝置前側板一端的端部，由鍵固定，編碼器通過編碼器墊片、連接環、定位環固定在測頭轉動裝置前側板外側，編碼器的軸通過彈性聯軸器、連接軸與階梯軸伸出測頭轉動裝置前側板一端的螺紋孔連接。該測頭轉動裝置前側板和后側板均為長方形板料，加工有安裝軸承的階梯孔和安裝螺栓的通孔；該齒輪軸和階梯軸材質均為45號鋼，調質處理，階梯軸一端端部底面加工有螺紋孔；該軸承是代號分別為16001和16005的深溝球軸承；該圓柱齒輪是漸開線齒輪，材質為45號鋼，調制處理；該手輪結構類似于汽車方向盤，中部有一空心圓柱與齒輪軸相連接；該編碼器是采用歐姆龍公司生產的型號為E6B2-C的增量型編碼器；該編碼器墊片是圓環狀薄鋼片，沿圓周均勻加工有三個螺紋通孔；該連接環由薄鋁條彎折而成；該彈性聯軸器是采用鉅人公司生產的型號為G2-40T的彈性聯軸器；該連接軸為一小階梯軸，一端加工一平面與彈性聯軸器連接，另一端加工外螺紋與階梯軸連接；該定位環是帶有一凸緣的圓環，圓環圓周上均勻加工有三個沉頭孔和三個通孔；該頂緊圓錐是一空心圓臺，加工有鍵槽；該端蓋為一中心有圓柱凸起的圓形薄片，薄片圓周均勻加工有的四個沉頭孔；該齒輪套筒和固定環套筒為空心圓柱件；該測頭固定環是在一空心圓柱的圓柱面上連接一階梯軸，階梯軸端部底面圓周均勻加工有四個通孔，空心圓柱加工有鍵槽；該測頭連接環為一圓柱底座中心有一圓柱凸起，圓柱底座和圓柱凸起中心加工有螺紋通孔，圓柱底座圓周均勻加工有四個圓形通孔；該鍵為A型平鍵。氣壓缸由控制系統驅動作為動力輸入；氣壓缸通過氣壓缸活塞桿連接測頭轉動裝置和測頭，手動旋轉手輪轉動測頭轉動裝置的齒輪軸，帶動圓柱齒輪轉動，進而調節壓力的施加方向，測頭轉動裝置的轉動角度通過與階梯軸相連的編碼器獲得。所述導軌部分包括圓柱導軌，氣壓缸導軌，測頭導軌和模型骨夾持固定裝置導軌。其之間的關系是圓柱導軌平行于支撐桿豎直放置，氣壓缸導軌，測頭導軌和模型骨夾持固定裝置導軌從上到下依次水平安裝，氣壓缸導軌固定于支撐架上端的支撐上板，模型骨夾持固定裝置導軌固定于支撐架下端的底座，測頭導軌處于支撐架中部，沿圓柱導軌運動。該圓柱導軌同支撐桿一樣是細長軸零件，圓柱導軌兩端設計成軸肩定位，在端部加工外螺紋，通過螺母固定于底座和支撐上板，其數量為2根，對稱安裝在支撐架底座兩側中內側的兩·個通孔處，它與支撐架的支撐桿平行放置，圓柱導軌表面采用拋光處理，減少摩擦；該氣壓缸導軌的結構形狀是燕尾槽結構的剛性型材導軌，它要承擔氣壓缸和測頭導軌與測頭等的重力，為保證結構的穩定采用雙導軌，雙導軌并排固定，氣壓缸導軌與支撐架支撐上板通過螺釘連接，氣壓缸與氣壓缸滑塊通過螺栓螺母相連；該測頭導軌是采用X形型材導軌，為保證整體結構的平衡，該X形型材導軌將使用前后兩導軌，前后使用相同的測頭滑塊與固連結構，測頭滑塊通過螺釘與活塞桿連接側板固定連接；該模型骨夾持固定裝置導軌，采用一類似于燕尾槽的水平導軌，膝關節模型骨夾持固定裝置在該導軌上水平移動且能夠在任意位置固定，該導軌通過螺釘定位在底座上，為不影響定位滑塊正常移動，導軌底部開一通槽用來固定螺釘。試驗機在實驗固定住膝關節模型骨之后，氣壓缸給氣壓缸活塞桿的壓力將通過其軸肩向下傳遞，在放置膝關節模型骨之前，測頭導軌將由氣壓缸提供向上的拉力與其自身重力相平衡，即通過與氣壓缸活塞桿螺紋連接的螺母實現。測頭導軌通過圓柱導軌滑塊在圓柱導軌上滑動。加載時，在控制系統作用下，氣壓缸沿氣壓缸導軌移動，帶動與氣壓缸連接的測頭轉動裝置沿測頭導軌作同步運動。其中，如圖5，測頭導軌與圓柱導軌相連接部分包括圓柱導軌滑塊側板，圓柱導軌滑塊連接板，定位銷，圓柱導軌滑塊，銅套。它們之間的位置連接關系為兩個圓柱導軌滑塊側板和一個圓柱導軌滑塊連接板合在一起由螺釘固定在測頭導軌上，定位銷安裝在圓柱導軌滑塊連接板上，圓柱導軌滑塊固定于圓柱導軌滑塊連接板，銅套安裝在圓柱導軌滑塊的圓孔里，直接與圓柱導軌接觸。該圓柱導軌滑塊側板由薄鋁板彎折成“凹”形，其上下兩面各加工有兩個螺紋孔；該圓柱導軌滑塊連接板為薄鋁板彎折成“凹”形，其上下兩表面各加工有兩個沉頭螺紋孔、四個螺紋孔，上表面還加工有一定位銷孔，側面加工有四個螺紋孔；該定位銷采用GB119圓柱銷，尺寸為M3*12mm ;該圓柱導軌滑塊為一長方體基座上有一突出的耳片，長方體基座四個角分別加工有一個通孔，突出的耳片中心有一圓形通孔。該銅套采用錫青銅材質，耐磨性好，鑲崁在圓柱導軌滑塊的通孔內。所述膝關節模型骨夾持固定裝置，包括小半圓柱，大半圓柱，連接底座，耳片，定位滑塊，鎖緊螺栓，角規和角規滑塊。其之間的關系是小半圓柱與大半圓柱合在一起夾持膝關節模型骨，四個耳片將小半圓柱與大半圓柱通過螺釘連接固定，每相鄰兩耳片之間通過螺栓螺母固定，大半圓柱通過螺釘與連接底座相連，連接底座通過螺栓螺母與定位滑塊連接，該螺栓也是連接底座的旋轉軸，鎖緊螺栓安裝在定位滑塊上；角規通過螺釘固定在角規滑塊上，角規滑塊安裝在模型骨夾持固定裝置導軌一側的簡易導軌中。該小半圓柱是一規則的空心半圓柱，兩側各加工有一平面，每個平面上加工有四個螺紋孔；該大半圓柱與小半圓柱類似，兩側各加工有一平面，每個平面上加工有四個螺紋孔，其端部是一段完整空心圓柱，完整空心圓柱底面圓周均布四個螺紋孔；該連接底座為一圓形板料，沿圓周均勻加工四個通孔，底面連接一連接環；該耳片為一長方形板材彎折成直角狀，每兩個耳片合在一起對小半圓柱與大半圓柱的一側進行固定；該定位滑塊下端的側面為梯形，其上端面加工有螺紋通孔，在模型骨夾持固定裝置導軌中滑動，定位滑塊上端是兩個突起的耳片，耳片上加工有圓形通孔；該鎖緊螺栓材質為塑料，對定位滑塊定位鎖緊；該角規采用上海滬工公司生產的型號為320°的角規；該角規滑塊中部有一凹槽，帶動角規在模型骨夾持固定裝置導 軌一側的簡易導軌中滑動，來測量兩個膝關節模型骨之間的夾角。3、優點及功效本實用新型可以模擬膝及膝關節模型骨屈曲0° 120°范圍內的任意角度，能夠測量膝關節和膝關節模型骨髕股關節在連續屈曲角度下的力學特性，測量范圍廣。支撐架部分采用圓柱支撐桿進行連接，結構簡潔緊湊，易于制造。采用雙向氣壓缸提供動力，可以產生與自身加載裝置重力相平衡的拉力，減少自身重力造成的加載誤差。氣壓缸導軌和測頭導軌均采用型材導軌，加工工藝成熟，結構穩定性好，導線精度高。采用角規測量膝關節或膝關節模型骨的屈曲角度以及采用編碼器測量測頭的旋轉角度，保證測試力線在髕骨測點的法線方向，測試數據準確。膝關節模型骨夾持固定裝置，采用螺栓定位與鎖緊，結構簡單，便于拆裝。
圖I.本實用新型一種膝髕股關節力學測試試驗機結構示意圖圖2.本實用新型支撐架安裝爆炸圖圖3.本實用新型氣壓缸與氣壓缸導軌連接爆炸圖圖4.本實用新型測頭轉動裝置與測頭導軌連接爆炸圖圖5.本實用新型測頭導軌安裝爆炸圖圖6.本實用新型測頭轉動裝置安裝爆炸圖圖7.本實用新型膝關節模型骨夾持固定裝置及其導軌示意圖圖8.本實用新型模型骨夾持圓筒安裝爆炸圖其中圖中標號如下I、底座；2、薄招板外殼；3、圓柱導軌；4、支撐上板；5、三角架；6、氣壓缸導軌；7、SMC-CGl氣壓缸；8、氣壓缸活塞桿；9、測頭導軌；10、測頭轉動裝置；11、膝關節模型骨；12、模型骨夾持固定裝置導軌；13、模型骨夾持圓筒；14、支撐桿下墊板；15、支撐桿墊片；16、支撐桿；17、支撐桿上墊板；18、墊圈35-140HV ;19、六角螺母M35 ;20、內六角圓柱螺釘MlO X 20 ;21、圓柱導軌滑塊；22、六角螺栓M15X130 ;23、氣壓缸滑塊；24、氣壓缸滑塊墊板；25、活塞桿連接板；26、六角螺母M18 ;27、六角螺母M15 ;28、墊圈15-140HV ;29、活塞桿連接側板；30、六角螺栓MlOX 190 ;31、測頭轉動裝置前側板；32、螺栓套筒；33、測頭轉動裝置后側板;34、六角螺母MlO ;35、內六角圓柱螺釘M20X30 ;36、測頭滑塊；37、GB119定位銷M3*10 ;38、圓柱導軌滑塊側板；39、圓柱導軌滑塊連接板；40、銅套；41、歐姆龍E6B2-C編碼器；42、編碼器墊片；43、連接環；44、六角螺栓M3 X 16 ;45、六角螺母M3 ;46、鉅人G2-40T彈性聯軸器；47、連接軸；48、定位環；49、齒輪套筒；50、圓柱齒輪；51、測頭固定環；52、測頭連接環；53、測頭；54、固定環套筒；55、階梯軸；56、頂緊圓錐；57、墊圈24-140HV ;58、六角螺母M25 ;59、端蓋;60、鍵;61、齒輪軸；62、代號16005軸承;63、代號16001軸承;64、手輪；65、大半圓柱；66、耳片；67、滬工320°角規；68、角規滑塊；69、頂緊螺釘；70、定位滑塊；71、鎖緊螺栓；72、小半圓柱；73、連接底座。
具體實施方式
本實用新型一種膝髕股關節力學測試試驗機，它包括四個部分，即支撐架，加載裝置，導軌和膝關節模型骨夾持固定裝置。它們之間的位置連接關系是支撐架直接放置于地面上，導軌均固定連接在支撐架上，加載裝置和膝關節模型骨夾持固定裝置均在導軌中運 動。
以下結合附圖進一步說明本實用新型一種膝髕股關節力學測試試驗機的具體實施方式
見圖1，本實用新型包括四個部分，即支撐架，加載裝置，導軌，膝關節模型骨夾持固定裝置。所述支撐架部分，見圖2，支撐桿16通過支撐桿墊片15，支撐桿下墊板14，支撐桿上墊板17，墊圈18和六角螺母M3519將底座I與支撐上板4連接在一起，支撐桿16兩端軸肩起定位作用，端部外螺紋與螺母配合。薄鋁板外殼2通過內六角圓柱螺釘M10X20 20固定在支撐桿下墊板14和支撐桿上墊板17上。支撐上板4與支撐桿上墊板17通過四個三角架5加固連接。氣壓缸導軌6與支撐上板4，模型骨夾持固定裝置導軌12與底座I之間均用內六角圓柱螺釘M10X20 20相連接。圓柱導軌3以類似于支撐桿16的方式固定于支撐架上。所述加載裝置與導軌部分，見圖3 圖6，加載裝置包括SMC-CGl氣壓缸7，氣壓缸滑塊23，氣壓缸滑塊墊板24，氣壓缸活塞桿8，活塞桿連接板25，活塞桿連接側板29，測頭滑塊36，測頭53和測頭轉動裝置10。SMC-CGl氣壓缸7與氣壓缸導軌6的連接見圖3 =SMC-CGl氣壓缸7通過六角螺栓M15X 130 22，氣壓缸滑塊墊板24，墊圈15-140HV 28和六角螺母M15 27與氣壓缸滑塊23相固連，氣壓缸滑塊23在氣壓缸導軌6中滑動。氣壓缸活塞桿8下端加工有螺紋，其與活塞桿連接板25通過六角螺母M18 26連接。SMC-CGl氣壓缸7的氣壓缸活塞桿8行程可以達到800mm，最大提供IMPa的壓力，滿足試驗需求。該測頭轉動裝置10與測頭導軌9，見圖4 :活塞桿連接側板29起承上啟下的作用，活塞桿連接側板29通過內六角圓柱螺釘MlO X 20 20與活塞桿連接板25相固連，通過內六角圓柱螺釘M20X30 35與測頭滑塊36連接，同時，通過六角螺栓MlOX 190 30，六角螺母M1034，螺栓套筒32與測頭轉動裝置前側板31和測頭轉動裝置后側板33連在一起，測頭滑塊36帶動測頭轉動裝置10在測頭導軌9中滑動。在氣壓缸活塞桿8的壓力作用下，測頭導軌9可沿著圓柱導軌3上下滑動。該測頭導軌9與圓柱導軌3的連接見圖5 :測頭導軌9通過內六角圓柱螺釘M20X30 35，圓柱導軌滑塊側板38和圓柱導軌滑塊連接板39與圓柱導軌滑塊21相固連，GB119定位銷M3*10 37在安裝過程中，起定位作用。圓柱導軌滑塊21通過銅套40帶動測頭導軌9在圓柱導軌3上滑動，減少磨損。該測頭轉動裝置10具體結構見圖6 :齒輪軸61，階梯軸55以及代號16005軸承62和代號16001軸承63固定在測頭轉動裝置前側板31和測頭轉動裝置后側板33之間，代號16005軸承62和代號16001軸承63采用過盈配合。齒輪軸61兩端靠端蓋59和內六角圓柱螺釘M10X20 20固定，其一端裝有手輪64，可以帶動齒輪軸61轉動。階梯軸55一端加工有鍵槽與螺紋，通過鍵60與頂緊圓錐56相配合，端部通過六角螺母M25 58，墊圈24-140HV 57固定。圓柱齒輪50和測頭固定環51通過鍵60與階梯軸55進行周向定位，齒輪套筒49和固定環套筒54采用軸肩進行軸向定位。測頭固定環51，通過測頭連接環52 與測頭53用六角螺栓M3X 16 44、六角螺母M3 45進行連接。階梯軸55的另一端部鉆有螺紋孔，與編碼器的連接軸47螺紋連接。連接軸47，與歐姆龍E6B2-C編碼器41通過鉅人G2-40T彈性聯軸器46相連。歐姆龍E6B2-C編碼器41通過編碼器墊片42，連接環43，六角螺栓M3X16 44，六角螺母M3 45和定位環48固定安裝在測頭轉動裝置前側板31上。當調節測頭轉動裝置10時，松開六角螺母M25 58，轉動手輪64，階梯軸55隨之轉動，由歐姆龍E6B2-C編碼器41記錄測頭轉動裝置10轉動的角度，當停止轉動手輪64時，擰緊六角螺母M25 58，頂緊圓錐56隨之頂緊測頭轉動裝置后側板33，測頭轉動裝置10固定于所需角度。歐姆龍E6B2-C編碼器41的分辨率可達2000脈沖/旋轉，而試驗要求測頭轉角在10°以內，完全滿足測試要求。所述膝關節模型骨夾持固定裝置及其導軌見圖7和圖8 :膝關節模型骨11放置于兩個模型骨夾持圓筒13中進行夾緊固定，模型骨夾持圓筒13結構見圖8 :小半圓柱72與大半圓柱65合在一起夾持膝關節模型骨11，大半圓柱65通過內六角圓柱螺釘MlO X 20 20與連接底座73相連。見圖7，四個耳片66將小半圓柱72與大半圓柱65通過螺釘連接固定，每相鄰兩耳片66之間將通過螺栓螺母固定，連接底座73通過六角螺栓M15X 130 22，六角螺母Ml527與定位滑塊70連接，六角螺栓M15 X 130 22也是連接底座73的旋轉軸，鎖緊螺栓71安裝在定位滑塊70上。定位滑塊70在模型骨夾持固定裝置導軌12中滑動，當對定位滑塊70進行定位時，擰緊鎖緊螺栓71，定位滑塊70向上移動頂緊導軌的兩側，即可實現定位。模型骨夾持固定裝置導軌12通過螺釘定位在底座I上，為不影響定位滑塊70正常移動，該導軌底部開一通槽用來固定螺釘。滬工320°角規67采用螺釘固定在角規滑塊68上，角規滑塊68可以在模型骨夾持固定裝置導軌12—側的簡易導軌中任意位置，通過頂緊螺釘69定位鎖緊，兩個滬工320°角規67分別用來來測量裝有膝關節模型骨11的兩個模型骨夾持圓筒13的旋轉角度，進而計算出膝關節模型骨11的屈曲角度，滬工320°角規67的測量范圍為0° 320°，試驗中要求模擬膝關節模型骨11屈曲0° 120°范圍內的任意角度，可以滿足試驗需求。
權利要求1. 一種膝髕股關節力學測試試驗機，其特征在于它由支撐架，加載裝置，導軌和膝關節模型骨夾持固定裝置組成；支撐架直接放置于地面上，導軌均固定連接在支撐架上，加載裝置和膝關節模型骨夾持固定裝置均在導軌中運動； 所述支撐架是一個框架式結構，通過導軌和膝關節模型骨夾持固定裝置，將膝關節模型骨固定于預定角度；該支撐架包括底座，薄鋁板外殼，支撐桿，支撐上板，支撐桿上墊板，支撐桿下墊板和三角架；底座放置在地面上，支撐桿通過支撐桿下墊板與底座固定，支撐上板通過支撐桿上墊板與支撐桿連接，薄鋁板外殼固定于支撐桿上墊板和支撐桿下墊板，三角架安裝在支撐桿上墊板側面和支撐上板底面；該底座是帶有四個支腳的長方體鑄鋼件，四個支腳處加工有圓形通孔，兩側分別加工三個通孔，分別對四根支撐桿及兩根圓柱導軌進行定位固定；該薄鋁板外殼是用矩形板料折彎成凹形狀，它固定在支撐桿外圍；該支撐桿是細長軸零件，支撐桿兩端設計成軸肩定位，在端部加工外螺紋，通過螺母將底座和支撐上板連接在一起，其數量為4根，對稱安裝在底座兩側中靠近邊緣的四個通孔處；該支撐上 板是矩形板料，其上設置有6個圓形通孔供固定連接用；該支撐桿上墊板是矩形板料，其上設置有圓形通孔與支撐桿的端部的軸肩配合定位；該支撐桿下墊板也是矩形板料，其上設置有圓形通孔與支撐桿的端部軸肩配合定位；該三角架是在角鋼的兩端部位連接一鋼板構成三角狀，角鋼兩端部各加工有兩個通孔，試驗機中的氣壓缸導軌，測頭導軌，圓柱導軌以及模型骨夾持固定裝置導軌均固連于該支撐架上； 所述加載裝置包括氣壓缸，氣壓缸滑塊，氣壓缸滑塊墊板，氣壓缸活塞桿，活塞桿連接板，活塞桿連接側板，測頭滑塊，測頭和測頭轉動裝置；氣壓缸滑塊、氣壓缸滑塊墊板和氣壓缸上端通過螺栓螺母固定，氣壓缸和氣壓缸活塞桿配套使用，由氣壓缸滑塊帶動在支撐架的氣壓缸導軌內運動，活塞桿連接板由螺母固定在氣壓缸活塞桿下端軸肩處，活塞桿連接側板上端固定于活塞桿連接板側面，活塞桿連接側板中部與測頭滑塊相固定，測頭轉動裝置通過螺栓螺母安裝在活塞桿連接側板下端，測頭安裝在測頭轉動裝置的階梯軸上；該氣壓缸的型號為CGl的圓筒狀氣壓缸；該氣壓缸滑塊上端截面為梯形，下端截面為長方形，下端長方體部分加工有兩個沉頭孔；該氣壓缸滑塊墊板為一長方體塊，加工有兩個圓形通孔；該氣壓缸活塞桿是圓柱狀軸零件，端部設計成軸肩定位，端部加工有外螺紋；該活塞桿連接板為一長方體板，上下面加工有通孔，兩相對側面各加工有兩個螺紋孔；該活塞桿連接側板為一長方形板材，上部、中部和下部分別加工有兩個圓形通孔；該測頭滑塊上端截面為梯形，下端截面為長方形，其下端長方體底面加工有兩個螺紋孔；該測頭是一圓柱桿，一端設有軸肩定位，軸肩上方加工有外螺紋，通過外螺紋與測頭連接環將其固定到測頭轉動裝置上，另一端裝有一鋼球，鋼球與圓柱桿通過螺紋連接；該測頭轉動裝置包括測頭轉動裝置前側板，測頭轉動裝置后側板，齒輪軸，階梯軸，軸承，圓柱齒輪，手輪，編碼器，編碼器墊片，連接環，彈性聯軸器，連接軸，定位環，頂緊圓錐，端蓋，齒輪套筒，固定環套筒，鍵，測頭固定環和測頭連接環；齒輪軸和階梯軸通過四個軸承安裝在測頭轉動裝置前側板和后側板之間，圓柱齒輪和測頭固定環通過齒輪套筒、固定環套筒和鍵固定在階梯軸上，測頭連接環安裝在測頭固定環下端，頂緊圓錐裝在階梯軸伸出測頭轉動裝置后側板一端的端部，由鍵固定，兩個端蓋分別裝在測頭轉動裝置前側板和后側板上安裝齒輪軸階梯孔的外側，手輪套在齒輪軸伸出測頭轉動裝置前側板一端的端部，由鍵固定，編碼器通過編碼器墊片、連接環、定位環固定在測頭轉動裝置前側板外側，編碼器的軸通過彈性聯軸器、連接軸與階梯軸伸出測頭轉動裝置前側板一端的螺紋孔連接；該測頭轉動裝置前側板、后側板均為長方形板料，加工有安裝軸承的階梯孔和安裝螺栓的通孔；該齒輪軸和階梯軸材質均為45號鋼，調質處理，階梯軸一端端部底面加工有螺紋孔；該軸承是代號分別為16001和16005的深溝球軸承；該圓柱齒輪是漸開線齒輪，調制處理；該手輪結構類似汽車方向盤，中部有一空心圓柱與齒輪軸相連接；該編碼器是型號為E6B2-C的增量型編碼器；該編碼器墊片是圓環狀薄鋼片，沿圓周均勻加工有三個螺紋通孔；該連接環由薄鋁條彎折而成；該彈性聯軸器是型號為G2-40T的彈性聯軸器；該連接軸為一小階梯軸，一端加工一平面與彈性聯軸器連接，另一端加工外螺紋與階梯軸連接；該定位環是帶有一凸緣的圓環，圓環圓周上均勻加工有三個沉頭孔和三個通孔；該頂緊圓錐是一空心圓臺，加工有鍵槽；該端蓋為一中心有圓柱凸起的圓形薄片，薄片圓周均勻加工 有的四個沉頭孔；該齒輪套筒和固定環套筒為空心圓柱件；該測頭固定環是在一空心圓柱的圓柱面上連接一階梯軸，階梯軸端部底面圓周均勻加工有四個通孔，空心圓柱加工有鍵槽；該測頭連接環為一圓柱底座中心有一圓柱凸起，圓柱底座和圓柱凸起中心加工有螺紋通孔，圓柱底座圓周均勻加工有四個圓形通孔；該鍵為A型平鍵；該氣壓缸通過氣壓缸活塞桿連接測頭轉動裝置和測頭，手動旋轉手輪轉動測頭轉動裝置的齒輪軸，帶動圓柱齒輪轉動，測頭轉動裝置的轉動角度通過與階梯軸相連的編碼器獲得； 所述導軌部分包括圓柱導軌，氣壓缸導軌，測頭導軌和模型骨夾持固定裝置導軌；圓柱導軌平行于支撐桿豎直放置，氣壓缸導軌，測頭導軌和模型骨夾持固定裝置導軌從上到下依次水平安裝，氣壓缸導軌固定于支撐架上端的支撐上板，模型骨夾持固定裝置導軌固定于支撐架下端的底座，測頭導軌處于支撐架中部，沿圓柱導軌運動；該圓柱導軌是細長軸零件，圓柱導軌兩端設計成軸肩定位，在端部加工外螺紋，通過螺母固定于底座和支撐上板，其數量為2根，對稱安裝在支撐架底座兩側中內側的兩個通孔處，它與支撐架的支撐桿平行放置，圓柱導軌表面采用拋光處理；該氣壓缸導軌的結構形狀是燕尾槽結構的剛性型材導軌，采用雙導軌，雙導軌并排固定，氣壓缸導軌與支撐架支撐上板通過螺釘連接，氣壓缸與氣壓缸滑塊通過螺栓螺母相連；該測頭導軌是采用X形型材導軌，為保證整體結構的平衡，該X形型材導軌將使用前后兩導軌，前后使用相同的測頭滑塊與固連結構，測頭滑塊通過螺釘與活塞桿連接側板固定連接；該模型骨夾持固定裝置導軌，采用一燕尾槽的水平導軌，膝關節模型骨夾持固定裝置在該導軌上水平移動且能夠在任意位置固定，該導軌通過螺釘定位在底座上，為不影響定位滑塊正常移動，導軌底部開一通槽用來固定螺釘；試驗機在實驗固定住膝關節模型骨之后，氣壓缸給氣壓缸活塞桿的壓力將通過其軸肩向下傳遞，在放置膝關節模型骨之前，測頭導軌將由氣壓缸提供向上的拉力與其自身重力相平衡，即通過與氣壓缸活塞桿螺紋連接的螺母實現；測頭導軌通過圓柱導軌滑塊在圓柱導軌上滑動；測頭導軌與圓柱導軌相連接部分包括圓柱導軌滑塊側板，圓柱導軌滑塊連接板，定位銷，圓柱導軌滑塊和銅套；兩個圓柱導軌滑塊側板和一個圓柱導軌滑塊連接板合在一起由螺釘固定在測頭導軌上，定位銷安裝在圓柱導軌滑塊連接板上，圓柱導軌滑塊固定于圓柱導軌滑塊連接板，銅套安裝在圓柱導軌滑塊的圓孔里，直接與圓柱導軌接觸；該圓柱導軌滑塊側板由薄鋁板彎折成“凹”形，其上下兩面各加工有兩個螺紋孔；該圓柱導軌滑塊連接板為薄鋁板彎折成“凹”形，其上下兩表面各加工有兩個沉頭螺紋孔、四個螺紋孔，上表面還加工有一定位銷孔，側面加工有四個螺紋孔；該定位銷采用GB119圓柱銷；該圓柱導軌滑塊為一長方體基座上有一突出的耳片，長方體基座四個角分別加工有一個通孔，突出的耳片中心有一圓形通孔； 所述膝關節模型骨夾持固定裝置，包括小半圓柱，大半圓柱，連接底座，耳片，定位滑塊，鎖緊螺栓，角規和角規滑塊；小半圓柱與大半圓柱合在一起夾持膝關節模型骨，四個耳片將小半圓柱與大半圓柱通過螺釘連接固定，每相鄰兩耳片之間通過螺栓螺母固定，大半圓柱通過螺釘與連接底座相連，連接底座通過螺栓螺母與定位滑塊連接，該螺栓也是連接底座的旋轉軸，鎖緊螺栓安裝在定位滑塊上；角規通過螺釘固定在角規滑塊上，角規滑塊安裝在模型骨夾持固定裝置導軌一側的簡易導軌中；該小半圓柱是一規則的空心半圓柱，兩側各加工有一平面，每個平面上加工有四個螺紋孔；該大半圓柱與小半圓柱類同，兩側各加工有一平面，每個平面上加工有四個螺紋孔，其端部是一段完整空心圓柱，完整空心圓柱底面圓周均布四個螺紋孔；該連接底座為一圓形板料，沿圓周均勻加工四個通孔，底面連接一連接環；該耳片為一長方形板材彎折成直角狀，每兩個耳片合在一起對小半圓柱與大半圓柱的一側進行固定；該定位滑塊下端的側面為梯形，其上端面加工有螺紋通孔，在模型骨夾持固定裝置導軌中滑動，定位滑塊上端是兩個突起的耳片，耳片上加工有圓形通孔；該鎖緊螺栓對定位滑塊定位鎖緊；該角規的型號為320°的角規；該角規滑塊中部有一凹槽，帶動角規在模型骨夾持固定裝置導軌一側的簡易導軌中滑動，來測量兩個膝關節模型骨之間的夾角。
專利摘要本實用新型一種膝髕股關節力學測試試驗機，它包括四個部分，即支撐架，加載裝置，導軌和膝關節模型骨夾持固定裝置；支撐架直接放置于地面上，導軌均固定連接在支撐架上，加載裝置和膝關節模型骨夾持固定裝置均在導軌中運動。該膝髕股關節力學測試試驗機是人體膝關節力學測試的基礎設備，用于模擬與測試膝以及含假體膝關節模型骨屈曲0°~120°范圍內任意角度下的髕股關節力學特性，也用于全膝關節置換術中置換髕骨與不置換髕骨術后隨屈曲角變化髕股關節運動與力學特性的對比分析測試。它為修復與置換等術后并發癥分析提供數據和方法，在生物醫學以及醫療器械制造領域里具有較好的實用和參考價值。
文檔編號G01N19/00GK202794002SQ20122048305
公開日2013年3月13日 申請日期2012年9月20日 優先權日2012年9月20日
發明者黃榮瑛, 衛曉東, 鄭海東, 祝漢歧, 張高龍, 朱君 申請人:北京航空航天大學