一种用于模拟人体膝关节摩擦的实验装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种用于模拟人体膝关节摩擦的实验装置，包括股骨组件和胫骨组件；股骨组件和胫骨组件按照膝关节的关节结构设置在机架上，股骨组件与股骨摆动机构连接，模拟股骨关节部位的来回摆动；胫骨组件与胫骨滑动机构连接，模拟胫骨组件的来回滑动，同时，胫骨组件转动装配在滑块上，并与胫骨转动机构连接，模拟膝关节运动过程中的胫骨内旋和外旋。本发明专利技术同步完成了膝关节的屈膝、滚动及滑动、内旋及外旋的运动，能产生较真实地模拟人体自然行走时膝关节的运动状态。本发明专利技术结构简单，可以更好地模拟膝关节的运动以便对膝关节运动进行模拟研究，分析各种运动工况的受力以及其结构与运动特性，通过得到受力分析数据进行膝关节的磨损与疲劳的研究。

Experimental device for simulating human knee joint friction

The invention discloses a device for simulating experiment of human knee joint friction, including femoral component and tibial component; the femoral component and tibial component in accordance with the joint structure of the knee joint are arranged on the frame, the femoral component connected with femoral swing mechanism, swinging back and forth simulated femoral joints; tibia tibial component is connected with the slide mechanism of sliding back and forth, simulation of the tibial component and the tibial component rotation assembly on the slide and rotation mechanism is connected with the tibia, to simulate the motion of knee joint during tibial internal rotation and external rotation. The invention realizes the motion of knee joint bending, rolling and sliding, internal rotation and external rotation synchronously, and can simulate the motion state of the knee joint when the human body naturally walks. The invention has the advantages of simple structure, can better simulate the motion of knee joint so as to simulate the motion of knee joint, analysis of various motion conditions of the stress and the structure and motion characteristics, obtained by research on wear knee joint stress analysis and fatigue data.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于仿生机械实验装置，具体涉及一种用于模拟人体膝关节摩擦的实验装置。
技术介绍
现在仿生关节在假肢关节、类人机器人和人工关节置换等方面有重要的研究意义和市场潜力。其中从上世纪一二十年代时就已经开始了对人工关节的研究，经科研工作者不懈的努力,人工关节从材料到结构都取得了很好的发展。其中膝关节是由股骨内、外侧髁和胫骨内、外侧髁以及髌骨构成，为人体最大且构造最复杂，损伤机会亦较多的关节，在承受人体全部体重的同时还要担负起腿部的的各种运动任务。人在平地站立时,胫骨承受人体的百分之八十多的重量，经实验表明，我们在平地走路时，膝关节承受的压力是体重的3倍左右，上下楼梯时压力增加到3-4倍，而下蹲时更可达到8倍。至于人在跑跳时，膝关节承受的压力之大就可想而知了，所以说它是人体最容易被损伤的关节之一了。由于疾病、车祸以及其他事故导致大量的人的腿部膝关节受到严重的损伤，虽然人的腿部受到损伤一般不会对人的生命产生危险，但其常会造成人的终生残疾丧失运动能力，甚至会截肢。在我国差不多有三千万左右的人需要进行人工关节置换的手术，为了使残疾人重新站起来，恢复其活动能力，减轻他们精神上的痛苦，所以需要大量的人工关节和假肢。现有的研究中，仿生关节主要应用在仿生机器人、人工关节和假肢中，现在的人工关节摩擦面在使用过程中容易出现严重磨损，会导致人工关节的使用寿命变短，而现在针对膝盖关节骨摩擦情况所作的研究比较少。了解关节之间的摩擦过程是非常重要的一个实验环节，能够根据实验所得数据去改进人工关节，使其使用寿命加长，从而使机器人和假肢能适应多种情况，使用时间加长，降低成本。人体膝关节是人体最大最复杂的关节，也是最重要的关节之一。如何弄清楚膝关节之间的摩擦情况非常迫切，但目前仍没有专门适用人体膝关节的模拟实验设备。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题是：针对现有技术中缺少用于膝关节摩擦实验的设备，提供一种专门用于模拟人体膝关节摩擦的实验装置。本专利技术采用如下技术方案实现：一种用于模拟人体膝关节摩擦的实验装置，包括股骨组件1和胫骨组件2；所述股骨组件1和胫骨组件2按照膝关节的关节结构设置在机架7上，其中，所述股骨组件1与股骨摆动机构3连接，所述股骨摆动机构3包括曲柄301和连杆32，所述曲柄301、连杆32和股骨组件1连接形成曲柄摇杆机构，模拟股骨关节部位的来回摆动；所述胫骨组件2与胫骨滑动机构4连接，所述胫骨滑动该机构4包括滑块404、导轨405和往复驱动组件，所述胫骨组件2通过滑块404滑动装配在导轨405上，所述往复驱动组件连接滑块404，模拟胫骨组件2的来回滑动；所述胫骨组件2转动装配在滑块404上，并与胫骨转动机构5连接，模拟膝关节运动过程中的胫骨内旋和外旋。进一步的，所述胫骨转动机构5与胫骨组件2及往复驱动组件构成四连杆机构，其中，所述胫骨转动机构5包括第一转向连杆501、杆杆轴502和第二转向连杆503；所述第一转向连杆501一端与往复驱动组件铰接，所述第二转向连杆503一端与胫骨组件2刚性连接，所述第一转向连杆501另一端和第二转向连杆503另一端分别与固定设置的杠杆轴502铰接；所述第一转向连杆501和第二转向连杆503均采用伸缩杆件。优选的，所述杠杆轴502通过杠杆轴支座507平行于胫骨组件2的滑动方向固定设置。进一步的，所述往复驱动组件采用偏心轮组件，包括偏心轮401、从动轮402和底杆403；所述底杆403沿导轨方向滑动设置，底杆一端通过从动轮402与偏心轮401外圆接触，另一端与滑块404一侧固定连接，所述滑块404的另一侧设有压紧的弹簧406，将从动轮和偏心轮始终压紧接触。进一步的，所述股骨摆动机构3和胫骨滑动机构4采用同一主动件，所述股骨摆动机构3的连杆32铰接在胫骨滑动机构4的偏心轮401上，形成曲柄301；所述偏心轮401与驱动组件6连接。进一步的，所述连杆32采用分段式结构，包括下连杆321、上连杆322和双头螺杆323，所述下连杆321和上连杆322分别与双头螺杆323的两端螺接；所述双头螺杆323两端的螺纹反向设置。在本专利技术中，所述股骨组件1包括股骨101、股骨摆杆102、股骨轴103和股骨支座104；所述股骨101固定设置在股骨摆杆102的一端，所述股骨摆杆102通过股骨轴103摆动设置在股骨支座104上，股骨摆杆另一端与连杆铰接；所述股骨支座104通过股骨上连接件105固定设置在机架7的顶部。在本专利技术中，所述胫骨组件2包括胫骨201和胫骨台202；所述胫骨201通过股骨组件压嵌在胫骨台202内，所述胫骨台202的底部通过胫骨转动轴承204装配在滑块404上。进一步的，所述胫骨201的底部设有气囊203。进一步的，所述胫骨台202的侧面设有顶紧胫骨的定位螺钉，所述胫骨台202的顶面设有防止胫骨脱出的挡板。人体膝关节的最主要的运动就是屈曲和伸直运动，本专利技术主要解决这个两个主要运动时产生的摩擦问题。膝关节的屈曲和伸直可以看成是胫骨和股骨两骨之间的摆动，本专利技术将胫骨和股骨之间的运动等效成两杆件之间的摆动，通过股骨组件和股骨摆动机构构成的曲柄摇杆机构实现，该结构采用电机作为动力源，经过调速器调速后带动一个偏心轮旋转，在偏心轮侧面连接的连杆带动模拟股骨做一定角度的屈膝与伸膝运动。膝关节在它屈曲时会伴随着滚动和滑动，当膝关节屈曲时胫骨和股骨运动的位移并不是相同的，所以会产生相对位移，从而产生滑动。本专利技术在偏心轮的基础上，利用凸轮往复运动的原理，用一个带滑轮的底杆连在胫骨组件的滑块上，滑轮顶在偏心轮上，并随着它作出相应往复直线运动，这样就会使胫骨和股骨之间产生往复滑动，满足膝关节运动的要求，本专利技术考虑到膝关节除了屈曲和伸直两个运动外，在股骨向后面滑动的时候，内、外侧髁的滑动距离并不是一样的，所以这种情况还会导致膝关节屈曲时，胫骨会相对于股骨产生一定的内旋；反之，当它伸直时，胫骨则会相对股骨产生一定的外旋。本专利技术在胫骨的往复滑动运动的基础上，在胫骨滑动机构和胫骨组件之间加上一个新型的四连杆机构，将其中一个连杆作为杠杆，在胫骨往复滑动的同时，通过四连杆机构的杠杆运动，使胫骨台就会随着连杆的直线动作而做出相应的内、外旋转运动，从而使结构更加的严谨，更接近人体膝关节的真实运动，由上所述，本专利技术采用同一个动力源结合多个机械结构同步完成了膝关节的屈膝、滚动及滑动、内旋及外旋的运动动作，能产生较真实地模拟人体自然行走时膝关节的运动状态。本专利技术的实验装置结构简单，装置整体机架采用框式结构，能够清晰的看出它的每一个动作，可以更好地模拟膝关节的运动以便对膝关节运动进行模拟研究，分析各种运动工况的受力以及其结构与运动特性。还可以通过实验得到受力分析数据进行膝关节的磨损与疲劳的研究，通过实验得到的实验数据去优化人工膝关节假肢的设计，减小假肢关节在使用过程中的摩擦力，提高假肢关节的使用寿命，降低生产成本，给需要使用假肢关节的人带来方便。以下结合附图和具体实施方式对本专利技术做进一步说明。附图说明图1为实施例中的一种用于模拟人体膝关节摩擦的实验装置总体示意图。图2为实施例中的一种用于模拟人体膝关节摩擦的实验装置正视图(去除部分机架结构)。图3为图2中的G向剖视图，具体为股骨组件示意图。图4为实施例中股骨组件连接的连杆示意图。图5为图本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于模拟人体膝关节摩擦的实验装置，其特征在于：包括股骨组件(1)和胫骨组件(2)；所述股骨组件(1)和胫骨组件(2)按照膝关节的关节结构设置在机架(7)上，其中，所述股骨组件(1)与股骨摆动机构(3)连接，所述股骨摆动机构(3)包括曲柄(301)和连杆(32)，所述曲柄(301)、连杆(32)和股骨组件(1)连接形成曲柄摇杆机构，模拟股骨关节部位的来回摆动；所述胫骨组件(2)与胫骨滑动机构(4)连接，所述胫骨滑动该机构(4)包括滑块(404)、导轨(405)和往复驱动组件，所述胫骨组件(2)通过滑块(404)滑动装配在导轨(405)上，所述往复驱动组件连接滑块(404)，模拟胫骨组件(2)的来回滑动；所述胫骨组件(2)转动装配在滑块(404)上，并与胫骨转动机构(5)连接，模拟膝关节运动过程中的胫骨内旋和外旋。

【技术特征摘要】
1.一种用于模拟人体膝关节摩擦的实验装置，其特征在于：包括股骨组件(1)和胫骨组件(2)；所述股骨组件(1)和胫骨组件(2)按照膝关节的关节结构设置在机架(7)上，其中，所述股骨组件(1)与股骨摆动机构(3)连接，所述股骨摆动机构(3)包括曲柄(301)和连杆(32)，所述曲柄(301)、连杆(32)和股骨组件(1)连接形成曲柄摇杆机构，模拟股骨关节部位的来回摆动；所述胫骨组件(2)与胫骨滑动机构(4)连接，所述胫骨滑动该机构(4)包括滑块(404)、导轨(405)和往复驱动组件，所述胫骨组件(2)通过滑块(404)滑动装配在导轨(405)上，所述往复驱动组件连接滑块(404)，模拟胫骨组件(2)的来回滑动；所述胫骨组件(2)转动装配在滑块(404)上，并与胫骨转动机构(5)连接，模拟膝关节运动过程中的胫骨内旋和外旋。2.根据权利要求1所述的一种用于模拟人体膝关节摩擦的实验装置，所述胫骨转动机构(5)与胫骨组件(2)及往复驱动组件构成四连杆机构，其中，所述胫骨转动机构(5)包括第一转向连杆(501)、杆杆轴(502)和第二转向连杆(503)；所述第一转向连杆(501)一端与往复驱动组件铰接，所述第二转向连杆(503)一端与胫骨组件(2)刚性连接，所述第一转向连杆(501)另一端和第二转向连杆(503)另一端分别与固定设置的杠杆轴(502)铰接；所述第一转向连杆(501)和第二转向连杆(503)均采用伸缩杆件。3.根据权利要求2所述的一种用于模拟人体膝关节摩擦的实验装置，所述杠杆轴(502)通过杠杆轴支座(507)平行于胫骨组件(2)的滑动方向固定设置。4.根据权利要求1-3中任一项所述的一种用于模拟人体膝关节摩擦的实验装置，所述往复驱动组件采用偏心轮组件，包括偏心轮(401)、从动轮(402)和底杆(403)；所述底杆(403)沿导轨方向滑动设置，底杆一端通过从动轮(...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵海鸣，蒋彬彬，聂帅，张怀亮，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43