(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210393871.9 (22)申请日 2022.04.14 (71)申请人 湘潭大学 地址 411105 湖南省湘潭市雨湖区湘潭大 学 (72)发明人 刘思思　刘春荣　邓宇星　贾海涛　 刘金刚　 (51)Int.Cl. G01N 3/02(2006.01) G01N 3/56(2006.01) G01N 19/00(2006.01) (54)发明名称 一种多运动模式人工关节摩擦磨损实验装 置 (57)摘要 本发明公开了一种多运动模式人工关节摩 擦磨损实验装置， 包括机架、 关节屈曲传动模块、 关节内外旋微动模块、 加载模块和控制系统； 本 发明利用曲柄摇杆特性， 由无级调速伸缩杆的长 度调节， 改变人工关节摆动 幅度， 实现对不同运 动方式摆动不同角度的人工关节摩擦磨损测试； 利用往复运动， 模拟内外旋运动， 避免整周运动 带来的摩 擦划痕对关节球头试件 带来的干扰； 利 用固定装置中的连接器， 达到单一运动和合成运 动切换， 保证切换后仍能平稳运作； 上述各功能 协同耦合， 可以有效测试人工关节摩擦磨损工 况， 提升了对 人工关节不同关节部位和不同运动 方式摩擦磨损测试的能力， 有效的进行合成运动 测试及单一 运动测试。 权利要求书1页 说明书3页 附图3页 CN 114659880 A 2022.06.24 CN 114659880 A 1.一种多运动模式人工关节摩擦磨损实验装置， 其特征在于： 包括机架(E)、 关节屈曲 传动模块(A)、 关节内外 旋微动模块(C)、 加载模块(B)和控制系统(D)； 所述关节屈曲传动模块由步进电机(A ‑1)、 无级调速伸缩杆(A ‑2)、 连杆(A ‑3)、 支撑轨 道(A‑4)、 关节球头试件(A ‑5)和气压缸(A ‑6)构成， 这些构件形成曲柄摇杆机构， 所述无级 调速伸缩杆(A ‑2)将步进电机(A ‑1)的动力传至连杆(A ‑3)， 连杆(A ‑3)带动气压缸(A ‑6)沿 支撑轨道(A‑4)摆动， 实现关节屈曲运动模式； 所述关节内外旋微动模块由臼杯(C ‑1)、 夹持板(C ‑2)、 臼杯支撑台(C ‑3)、 推力轴承(C ‑ 4)、 传动轴(C ‑5)、 旋转平台减速器(C ‑6)和变速电机(C ‑7)构成， 所述夹持板(C ‑2)与臼杯支 撑台(C‑3)采用螺栓连接， 调节螺栓位置， 移动夹持板(C ‑2)， 能替换不同规格的臼杯(C ‑1), 所述变速电机(C ‑7)与旋转平台减速器(C ‑6)联接， 将动力输出给传动轴(C ‑5)， 带动臼杯支 撑台(C‑3)做往复微动， 实现关节内外 旋运动模式； 所述加载模块由固定装置(B ‑1)、 连接器(B ‑2)和压力感应器(B ‑3)构成， 所述压力感应 器(B‑3)安装在气压缸(A ‑6)侧面， 所述固定装置(B ‑1)内设连接器(B ‑2)， 当仅模拟人工关 节内外旋运动时， 可将连接器(B ‑1)与气压缸(A ‑6)相连， 使气压缸(A ‑6)固定， 当仅模拟人 工关节屈曲运动或人工关节屈曲和内外旋合成运动时， 将连接器(B ‑2)与气压缸(A ‑6)分 开， 气压缸(A ‑6)可进行摆动， 实现多运动模式的切换； 所述控制系统包括控制台(D ‑1)、 温控箱(D ‑2)和照明灯(D ‑3)， 所述温控箱(D ‑2)为人 工关节提供工作环 境温度， 所述照明灯(D ‑3)提供照明， 便于观 察， 所述控制台(D ‑1)经控制 电路协同及控制整个设备的运 转； 所述关节屈曲传动模块 能模拟人工关节矢状面的屈曲和冠状面的外展内收； 所述关节 内外旋微动模块能模拟人工关节横截面的旋转； 两大模块协同耦合， 能实现多运动模式下 人工关节摩擦磨损实验测试。 2.根据权利要求1所述的一种 多运动模式下人工关节摩擦磨损实验装置， 其特征在于： 所述连杆(A ‑3)长度为165mm， 无级调速伸缩杆(A ‑2)的伸缩范围在35～80mm， 气压缸(A ‑6) 摆动幅度范围为0～1 10°， 从而实现人工关节摆动不同角度时的摩擦磨损实验测试。 3.根据权利要求1所述的一种 多运动模式下人工关节摩擦磨损实验装置， 其特征在于： 所述关节球头试件(A ‑5)的直径范围在18～28mm， 用于模拟身体不同部位的关节， 调节气 压 缸(A‑6)的压力大小， 从而实现人工关节承受不同载荷压力时的摩擦磨损实验测试。 4.根据权利要求1所述的一种 多运动模式下人工关节摩擦磨损实验装置， 其特征在于： 所述支撑轨道(A ‑4)能限定气压缸(A ‑6)滑动轨迹， 且保障压力能传至关节球头试件(A ‑5)， 支撑轨道(A‑4)设有角度刻度， 当气压缸(A ‑6)摆动时， 支撑 轨道(A‑4)上能对应显示角度。 5.根据权利要求1所述的一种 多运动模式下人工关节摩擦磨损实验装置， 其特征在于： 所述变速电机(C ‑7)可调节微动频率和振幅， 从而模拟髋关节0 °～60°的内外旋， 也可模拟 膝关节0°～5°的内外旋， 实现人工关节不同部位的旋转摩擦磨损实验测试。权　利　要　求　书 1/1 页 2 CN 114659880 A 2一种多运动模式人工关节摩擦磨损实验装 置 技术领域 [0001]本发明涉及人工关节领域， 是一种 摩擦磨损测试装置， 能够针对人工髋、 膝关节进 行多运动模式摩擦磨损实验测试。 背景技术 [0002]自人工关节技术引进以来， 人工关节得到了广泛的运用， 为广大关节病患者带来 了福音， 减轻了患者的病痛。 但是与之同时带来了诸多技术问题。 人工 关节模拟试验机已有 的类型较多， 其中摆轴式依靠基座与倾斜底座之间的相对运动来模拟髋关节在三个平面的 摆动动作， 但是该类实验机在各个方向的摆角是不同的， 且无法进 行合成运动； 多轴式摆动 角度由不同的轴系控制， 可以进 行不同角度调整， 但多轴也导致机构设计复杂， 从而增加很 多额外因素， 导致 实验准确性降低； 销盘式实验机能较好分析试验样品的摩擦磨损性能， 但 同样无法达到运动合成,且不能测试那种运动对人工关节损伤最大。 为此目前需要一种 人 工关节摩擦磨损实验装置， 能进 行合成运动， 能测量单一运动模式的摩擦磨损， 减少过多轴 系带来的其他因素干扰。 目前摩擦磨损实验机只针对单一关节进行实验测试， 不能做到膝 关节， 髋关节等 不同部位摩擦磨损测试等 一系列技 术问题。 发明内容 [0003]为解决现有的技术问题， 本发明的目的在于提供一种多运动模式摩擦磨损实验装 置， 该装置关节屈曲传动模块能模拟人工关节矢状面的屈曲和冠状面的外展内收； 关节内 外旋微动模块能模拟人工关节横截面的旋转； 加载模块调节装置运动方式， 多运动 或单一 运动的切换； 各大模块协同耦合， 能实现多运动模式下人工关节摩 擦磨损实验测试。 既能测 试单一运动模式下摩擦磨损最严重的磨损方式， 又能测量多运动模式的摩擦磨损情况。 能 测试不同角度， 在不同受力大小 下的摩擦磨损情况， 具有极强的综合性能， 为人工 关节摩擦 磨损试验提供可靠实验数据。 同时通过此装置观 察其磨损状况， 在不同润滑条件 下， 探究其 摩擦状况， 多运动模式的同时进行摩擦实验更 具有科学性和现实性。 [0004]为达到上述目的， 本发明的设计思路是： [0005]一种多运动模式人工关节摩擦磨损实验装置， 其特征在于： 包括机架(E)、 关节屈 曲传动模块(A)、 关节内外 旋微动模块(C)、 加载模块  (B)和控制系统(D)； [0006]所述关节屈曲传动模块由步进电机(A ‑1)、 无级调速伸缩杆  (A‑2)、 连杆(A ‑3)、 支 撑轨道(A ‑4)、 关节球头试件(A ‑5)和气压缸(A ‑6) 构成， 这些构件 形成曲柄摇杆机构， 所述 无级调速伸缩杆(A ‑2)将步进电机(A ‑1)的动力传至连杆(A ‑3)， 连杆(A ‑3)带动气压缸(A ‑ 6)沿支撑 轨道(A‑4)摆动， 实现关节屈曲运动模式； [0007]所述关节内外旋微动模块由臼杯(C ‑1)、 夹持板(C ‑2)、 臼杯支撑台(C ‑3)、 推力轴 承(C‑4)、 传动轴(C ‑5)、 旋转平台减速器(C ‑6)和变速电机(C ‑7)构成， 所述夹持板(C ‑2)与 臼杯支撑台(C ‑3)采用螺栓连接， 调节螺栓位置， 移动夹持板(C ‑2)， 能替换不同规格的臼杯 (C‑1),所述变速电机(C ‑7)与旋转平台减速器(C ‑6)联接， 将动力输出给传动轴  (C‑5)， 带说　明　书 1/3 页 3 CN 114659880 A 3