用于测试肩关节假体工作性能的测试系统的制作方法

[0001]
本发明涉及领域医疗器械领域，尤其涉及用于测试肩关节假体工作性能的测试系统。


背景技术：

[0002]
肩关节是人体活动范围最大且最灵活的球窝关节，球的部分由肤骨近端呈球状的肤骨头组成，窝的部分由肩脚骨凹陷的关节孟组成，肩脚骨，锁骨，肤骨三者构成了肩关节，是人体上肢最重要的摩擦副关节之一。可做前屈、后伸、内收、外展、内旋、外旋以及环转等运动。
[0003]
人工肩关节置换能有效的重建病变关节功能等目的，进而提高患者的生活质量，达到缓解疼痛、稳定关节、矫正畸形等功能。人工肩关节植入体内之后形成新的生物摩擦副，并处于复杂的人体运行环境当中，同时承受拉力、压力、扭转和界面剪切力以及疲劳、磨损、腐蚀的综合作用，长时间的使用必然会导致植入物的磨损，甚至失效。如今在市面上出现的人工肩关节假体的种类层出不穷，但是对人工肩关节假体的性能进行评估和测试的实验平台还处于空白，对于人工肩关节的近期和远期失效问题无法进行预测和有效评估。因此，研发一种能够较真实地模拟人体肩关节运动机理的性能测试平台对不同类型的肩关节假体材料和结构形式的临床使用具有重要而深远的意义。


技术实现要素：

[0004]
为了解决上述技术问题，本发明提供用于测试肩关节假体工作性能的测试系统。
[0005]
本发明是以如下技术方案实现的：
[0006]
用于测试肩关节假体工作性能的测试系统，所述测试系统包括下述结构：plc分别与pc上位机，伺服电机m1，伺服电机m2，伺服电机m3，气缸，气泵，压力传感器。
[0007]
进一步地，所述测试系统还包括一并联转动平台，所述并联转动平台包括静平台，动平台、三条单开链ⅰ，ⅱ，ⅲ和三个伺服电机。
[0008]
进一步地，所述并联转动平台还包括特定拓扑结构，所述并联转动平台的拓扑结构为2-rrr+sps，单开链i的结构为单开链ⅱ的结构布置与ⅰ相同，其运动链结构单开链ⅲ(s31||p3||s32)的结构等价于
[0009]
进一步地，转动副r11，r12，r13的轴线交于同一点o1，转动副r21，r22，r23的轴线交于同一点o2。
[0010]
进一步地，所述并联转动平台具有三转动的三自由度，分别为沿x轴，y轴和z轴的转动，所述并联运动平台的驱动副为r11，r12，p3，分别由对应的伺服电机m1、m2、m3进行驱动。
[0011]
进一步地，所述plc电连接pc上位机用于设定测试类型、循环次数、施加载荷、运动曲线等功能参数。
[0012]
进一步地，所述plc与伺服电机m1，伺服电机m2，伺服电机m3电连接，用于驱动对应的转动副r11，r21，p3并联运作，从而控制并联转动平台的转动和速度。
[0013]
进一步地，所述plc与气缸、气泵电连接，用于控制肱骨头固定平台的高度位置和所施加的载荷；所述plc与压力传感器电连接，用于反馈人工肩关节假体所受的载荷，构成闭环控制。
[0014]
进一步地，所述测试系统采用pc+plc的伺服控制系统，plc通过r232串口与pc上位机进行通讯。
[0015]
本发明的有益效果是：
[0016]
本发明提供用于测试肩关节假体工作性能的测试系统，能够有效的评价肩关节假体的基本性能，能够测试肩关节假体在各个方向的转动角度，还能够测试肩关节假体的摩擦特性，功能强大，对肩关节假体的材料选用和结构设计具有一定的指导意义，填补了肩关节假体性能评价的空白。
[0017]
本发明将测试单元进入模拟仓内，能够模拟真实人体关节的摩擦条件，利用三转动的并联转动平台模拟人体膝关节的运动方式，能够模拟真实人体肩关节的摩擦磨损特性。
[0018]
本发明在plc智能控制系统的调控下，各个环节相互配合，自动化程度高，操作简单，还可以同时进行多个磨损试验进行对照或对比，降低了人员的劳动强度。
附图说明
[0019]
图1是本实施例提供的用于测试肩关节假体工作性能的测试系统的结构示意图；
[0020]
图2是本实施例提供的并联转动平台示意图；
[0021]
图3是本实施例提供的模拟仓的结构示意图；
[0022]
图4是本实施例提供的肩关节假体性能测试平台plc总体框架图；
[0023]
图5是本实施例提供的应用于人工肩关节假体的运动曲线图。
[0024]
其中：1-测试平台，2-肱骨头固定平台，3-气泵，4-整机支架，5-并联转动平台，6-关节窝固定平台，7-压力传感器，8-模拟仓，9-plc，10-pc上位机，201-平台支架，202-气缸，203-导轨，204-肱骨头夹紧机构，501-静平台，502-动平台，
ⅰ-
单开链ⅰ，
ⅱ-
单开链ⅱ，
ⅲ-
单开链ⅲ，801-金属框架，802-玻璃窗，803-连接板，804-密封环，805-上盖，806-进液口，807-出液口。
具体实施方式
[0025]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。
[0026]
实施例1：
[0027]
用于测试肩关节假体工作性能的测试系统，如图1所示，所述肩关节假体性能测试平台包括：测试平台1，肱骨头固定平台2，气泵3，整机支架4，并联转动平台5，关节窝固定平台6，压力传感器7，模拟仓8，plc9，pc上位机10。所述肱骨头固定平台、气泵和整机支架固定在所述测试平台上，所述并联转动平台固定在整机支架上，所述关节窝固定平台固定在并联转动平台的动平台上，所述模拟仓位于肱骨头固定平台的上端，用于模拟肩关节假体运
动时真实的人体摩擦条件，所述压力传感器设置在待测人工肩关节假体上，用于采集人工肩关节假体的相应性能参数，所述plc，pc上位机位于测试平台上，共同完成对肩关节假体性能测试平台的智能控制。
[0028]
进一步地，所述肱骨头固定平台包括平台支架201，气缸202，导轨203，肱骨头夹紧机构204，所述平台支架为底部中空的结构，固定在测试平台上，所述气缸和导轨固定在平台支架上，所述气缸位于肱骨头夹紧机构的后端，气缸与气泵管路连接，用于推动肱骨头向上运动，提供平台运动期间施加的载荷，所述肱骨头夹紧机构固定在气缸的运动杆的前端，所述导轨位于肱骨头夹紧机构的两端，肱骨头夹紧机构在气缸的推动下沿导轨进行直线往复运动。
[0029]
进一步地，所述并联转动平台如图2所示，包括静平台501，动平台502、三条单开链ⅰ，ⅱ，ⅲ和三个伺服电机，所述并联转动平台还包括特定拓扑结构，所述并联转动平台的拓扑结构为2-rrr+sps，单开链i的结构为单开链ⅱ的结构布置与ⅰ相同，其运动链结构单开链ⅲ(s31||p3||s32)的结构等价于其中，转动副r11，r12，r13的轴线交于同一点o1，转动副r21，r22，r23的轴线交于同一点o2，所述并联转动平台具有三转动的三自由度，分别为沿x轴，y轴和z轴的转动，所述并联运动平台的驱动副为r11，r12，p3，分别由对应的伺服电机m1、m2、m3进行驱动。
[0030]
进一步地，所述关节窝固定平台为中间有凹陷的圆柱形，圆柱形的外表面上设置有螺纹，关节窝固定平台插入并联转动平台的动平台中心的圆孔内，由固定板螺纹锁紧，所述关节窝固定平台下端面为斜面，与水平面有一个45
°
的夹角，中间凹陷的轴线法向于下端面，用于固定人工关节窝。
[0031]
进一步地，所述模拟仓如图3所示，包括金属框架801，玻璃窗802，连接板803，密封环804，上盖805，进液口806，出液口807，所述连接板设置于金属框架的底面，连接板上开有连接孔，用于和肱骨头固定平台配合，肱骨头假体穿过连接孔进入模拟仓的内部，通过所述密封环进行密封，所述玻璃窗设置于金属框架的四周，方便对测试进程的直接观察，所述上盖设置于金属框架的上端，用于减少杂质进入模拟仓内部，上盖将关节窝固定平台置入模拟仓内部，但不影响关节窝固定平台在各个方向的运动，所述进液口和出液口分别位置于金属框架侧壁的上端和下端，用于人工关节液的加液和排出。
[0032]
进一步地，所述肩关节假体性能测试平台还可以并排设置，用于设置平行试验和对比实现，优选地，可以设置3-6个测试工位。
[0033]
实施例2：
[0034]
用于测试肩关节假体工作性能的测试系统，其总体架构如图4所示，所述plc分别与pc上位机，伺服电机m1，伺服电机m2，伺服电机m3，气缸，气泵，压力传感器。所述plc电连接pc上位机用于设定测试类型、循环次数、施加载荷、运动曲线等功能参数；所述plc与伺服电机m1，伺服电机m2，伺服电机m3电连接，用于驱动对应的转动副r11，r21，p3并联运作，从而控制并联转动平台的转动和速度；所述plc与气缸、气泵电连接，用于控制肱骨头固定平台的高度位置和所施加的载荷；所述plc与压力传感器电连接，用于反馈人工肩关节假体所受的载荷，构成闭环控制。
[0035]
实施例3：
[0036]
如图2所示，该并联转动平台的并联机构共有运动副数m＝9，构件数n＝8，根据自由度(dof)公式
[0037][0038]
确定机构的自由度(dof)为f＝3，且三个自由度分别为沿x轴，y轴和z轴的转动；
[0039]
对于自由度为f的机构，预选f个运动副为驱动副，并将其刚化.若得到的新机构自由度f’＝0，则预选的f个运动副可同时为驱动副。由于机构的自由度为3，预选3条支路的转动副r11，r21，p3为驱动副，将它们刚化，得到刚化后机构自由度f’＝0，满足驱动副存在准则。
[0040]
实施例4：
[0041]
用于测试肩关节假体工作性能的测试系统，采用pc+plc的伺服控制系统，plc通过r232串口与pc上位机进行通讯。平台的一种工作模式为活动性能测试，用于测定人工肩关节假体的运动性能，主要为指定载荷下在各个面上转动的运动范围。
[0042]
所述测试的工作流程如下：
[0043]
1)将关节窝假体放入关节窝固定平台内固定，其轴线与中间凹陷的轴线重合；将肱骨头假体放入肱骨头固定平台的肱骨头夹紧机构内固定，关节窝假体和肱骨头假体不接触；
[0044]
2)设备上电后，控制系统进行初始化，并联转动平台、气泵、气缸及传感器进行置位，将压力传感器贴于肱骨头假体的上表面；
[0045]
3)在pc上位机上选择活动性能测试，以及需要测定的方向、施加的载荷等参数，本次测试方案的实验条件为：施加恒定载荷600n，测试矢状面(屈-伸)，冠状面(内收-外展)，横断面(内旋-外旋)的运动范围；
[0046]
4)在pc上位机上点击开始，气缸将带动肱骨头假体固定平台缓慢向上移动，直至肱骨头假体卡入球头窝假体内部，压力传感器将实时反馈采集到的参数，并返回给pc上位机，直至载荷达到预设参数，肱骨头假体固定平台停止移动，将压力传感器拔出；
[0047]
5)pc上位机启动并联转动平台，按照选定的方向依次带动球头窝假体进行运动，当伺服电机受到的反馈阻力达到限定值时，并联转动平台反向运动，已转达的最大角度被认定是被测试人工肩关节假体在此方向上的最大运动角度，依次完成各个方向的测试后将运动参数反馈给pc上位机进行记录；
[0048]
6)完成所有指定操作后，复位。
[0049]
实施例5：
[0050]
人工肩关节植入体内之后形成新的生物摩擦副，并处于复杂的人体运行环境当中，同时承受拉力、压力、扭转和界面剪切力以及疲劳、磨损、腐蚀的综合作用，长时间的使用必然会导致植入物的磨损，甚至失效。因此，利用现有常用的关节材料，模拟真实的人体摩擦条件，模拟人工肩关节的摩擦磨损特性，开展人工肩关节假体生物摩擦学性能等方面的研究，用以评价关节材料的摩擦磨损特性，探索并制备具有更好性能的人工肩关节材料，提高其使用质量，延长其服役时间，具有重要的技术意义。
[0051]
本发明提供的用于测试肩关节假体工作性能的测试系统，平台的另一种工作模式为磨损性能测试，能够模拟真实的人体摩擦条件，完成人工肩关节假体生物摩擦性能测试。所述测试的工作流程为：
[0052]
1)将关节窝假体放入关节窝固定平台内固定，其轴线与中间凹陷的轴线重合；将肱骨头假体放入肱骨头固定平台的肱骨头夹紧机构内固定，关节窝假体和肱骨头假体不接触；
[0053]
2)设备上电后，控制系统进行初始化，并联转动平台、气泵、气缸及传感器进行置位，将压力传感器贴于肱骨头假体的上表面；
[0054]
3)在pc上位机上选择摩擦性能测试，以及运转频率、运动曲线、试验总转数、施加的载荷、更换人工关节液时间点等参数，本次测试方案的实验条件为：施加恒定载荷700n，运动曲线如图5所示，试验频率为0.5
±
0.1hz，试验环境温度为25℃。试验总转数为200万转，分别在运行50万次、100万次、150万次、200万次循环后，停机测量肱骨头假体及关节窝假体的重量，对磨损部位进行拍照，并更换新鲜人工关节液，同时做好数据记录工作。
[0055]
4)在pc上位机上点击开始，气缸将带动肱骨头假体固定平台缓慢向上移动，直至肱骨头假体卡入球头窝假体内部，压力传感器将实时反馈采集到的参数，并返回给pc上位机，直至载荷达到预设参数，肱骨头假体固定平台停止移动，将压力传感器拔出；
[0056]
5)通过模拟仓侧壁上的进液口加入足量的人工关节液，没过人工肩关节假体，盖上上盖；
[0057]
6)pc上位机启动并联转动平台，按照设定的运动曲线带动球头窝假体进行往复运动，模拟人体肩关节的基本运动，达到指定次数后，自动停机，进行数据记录和更换人工关节液等操作，直至完成所有试验次数；
[0058]
7)完成所有指定操作后，复位。
[0059]
本次试验的实验结果为：本次试验测试的关节窝假体的阶段失重量和累计失重量随着试验周期变化如表1所示。
[0060]
表1关节窝假体的阶段失重量和累计失重量
[0061][0062]
由上表可知，被测试的关节窝假体的阶段磨损体积的总体变化趋势是随着试验转数的增加首先明显增加，再缓慢下降，最终逐渐趋于平稳。阶段磨损体积在第50-100万次摩擦时，达到最大值。如果将不同材料或结构形式的人工肩关节假体在相同的实验条件下进行横向对比，则可以对肩关节假体的摩擦特性进行多个参数上的对比，可以进行肩关节假体的优劣性评价。
[0063]
以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。