脊柱生物力學(xué)模擬試驗(yàn)儀的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種脊柱生物力學(xué)模擬試驗(yàn)儀，包括底座及加載裝置，加載裝置是由多組精密的桿桿、桿軸及軸軸連接組成，其中桿桿連接主要模擬脊柱的前后、左右及上下運(yùn)動(dòng)，而桿軸連接可模型水平、冠狀及矢狀平面的運(yùn)動(dòng)，共六個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)。該裝置所有結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)一體化，通過(guò)電腦控制伺服電極調(diào)整系統(tǒng)數(shù)據(jù)，減少手工操作的誤差；根據(jù)各個(gè)方向的位移可快速計(jì)算出標(biāo)本位移，使得力學(xué)加載及位移測(cè)量一體化。本裝置均為實(shí)體結(jié)構(gòu)，聯(lián)系緊密，可模擬大強(qiáng)度的脊柱加載，為脊柱生物力學(xué)的研究提供基礎(chǔ)。
【專利說(shuō)明】脊柱生物力學(xué)模擬試驗(yàn)儀
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明專利涉及一種脊柱生物力學(xué)模擬試驗(yàn)儀，特別是提供連續(xù)加載力的脊柱生物力學(xué)模擬試驗(yàn)儀。
【背景技術(shù)】
[0002]人體運(yùn)動(dòng)時(shí)脊柱受力方式和載荷大小可通過(guò)不同的加載方式和力的大小來(lái)模擬。過(guò)去幾十年主要采用逐級(jí)加載屈曲測(cè)試，利用氣壓傳動(dòng)裝置或固定負(fù)載均勻施加負(fù)載，使脊椎運(yùn)動(dòng)到其可承受的最大偏移處，現(xiàn)仍見(jiàn)應(yīng)用在脊柱測(cè)試實(shí)驗(yàn)中。近年來(lái)為研究方便，經(jīng)常采用純力矩，非限制純力矩加載的運(yùn)用能夠確保樣本上所加載荷是沿著他的長(zhǎng)度保持不變，貫穿加載循環(huán)始終，加載條件在脊柱中任意兩相連部分都是一樣的。純力矩加載主要的優(yōu)點(diǎn)是其允許不同脊椎結(jié)構(gòu)的生物力學(xué)特性之間公平的比較。傳統(tǒng)力學(xué)測(cè)試往往用配有傳動(dòng)器的滑輪或者利用重量產(chǎn)生純力矩，一般不能對(duì)標(biāo)本施加受控很好的持續(xù)力矩。如有人設(shè)計(jì)了一種脊柱加載運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，通過(guò)尼龍繩、滑輪連于加載砝碼，在加載盤上施加一對(duì)大小相等、反向平行的力，從而在脊柱標(biāo)本上形成純力偶。這個(gè)平臺(tái)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，雖然可以測(cè)量得到脊柱運(yùn)動(dòng)情況，但是精度不高，加載均為手動(dòng)，不能得到嚴(yán)格精確的控制，較適合靜態(tài)加載。國(guó)內(nèi)脊柱三維運(yùn)動(dòng)測(cè)試機(jī)多采用加載盤滑輪系統(tǒng)與電動(dòng)缸連接的方式，通過(guò)電動(dòng)缸拉伸在脊柱標(biāo)本上產(chǎn)生純力偶由力傳感器顯示其大小，同時(shí)由兩個(gè)互成角度的攝像機(jī)攝取標(biāo)本上各標(biāo)志點(diǎn)的移動(dòng)，通過(guò)計(jì)算機(jī)圖像處理系統(tǒng)計(jì)算出節(jié)段間的角度運(yùn)動(dòng)。
[0003]習(xí)用缺失:
[0004]1.傳統(tǒng)的力學(xué)加載儀器將力加載與標(biāo)本位移完全獨(dú)立測(cè)量，使得設(shè)備、操作變得繁瑣。
[0005]2.逐級(jí)加載顯著增加了旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，與生理負(fù)荷狀況不相符。
[0006]3.加載為手動(dòng)加載，精確度不高。
[0007]故如何解決以上缺失，是本案創(chuàng)作人所欲解決的技術(shù)難點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]鑒于以上，本案創(chuàng)作人以其本身所具備的專業(yè)素養(yǎng)與技術(shù)理念，突破創(chuàng)新，多次改良，終使本發(fā)明新得以誕生。
[0009]本發(fā)明專利所要解決的問(wèn)題是通過(guò)嚴(yán)密的機(jī)械組裝，通過(guò)伺服電機(jī)精密控制受力，電腦控制標(biāo)本位移數(shù)據(jù)處理，形成一套嚴(yán)密的、控制方便的脊柱生物力學(xué)模擬試驗(yàn)儀。
[0010]本發(fā)明專利解決以上技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案如下。
[0011]一種連續(xù)加載的脊柱生物力學(xué)模擬試驗(yàn)儀，其特征是:包括一固定底座，兩根垂直固定軸，一根水平固定軸，兩根平衡棒，兩根運(yùn)動(dòng)部位由三條金屬桿1、2、3和三個(gè)旋轉(zhuǎn)軸4、
5、6組成，一個(gè)標(biāo)本施力器，一個(gè)標(biāo)本固定金屬套，所述部件均可操作地匹配。
[0012]垂直固定軸固定于底座，水平固定軸固定于兩垂直固定軸中間，其中金屬桿I平行于水平固定軸，鑲嵌在垂直固定軸套管上，可沿所述垂直固定軸的長(zhǎng)度方向即Z方向移動(dòng)；第二條金屬桿2垂直位于I下面，鑲嵌于I金屬桿下端套件及金屬桿3上端套件，2金屬桿可在X軸方向移動(dòng)，第三條金屬桿3垂直位于金屬桿2下面,銜接于旋轉(zhuǎn)軸I的上端套件，三個(gè)旋轉(zhuǎn)軸4、5、6分別呈X、Y、Z軸方向，3與4連接，4與5，5與6通過(guò)軸承相連接，6與標(biāo)本施力器固定在一起。所有的部件可獨(dú)立自由操作，互相吻合成整體。所有金屬桿均有刻度，其刻度標(biāo)記以施力器與標(biāo)本放置容器垂直鑲嵌時(shí)設(shè)置為O，金屬桿分別設(shè)置正負(fù)長(zhǎng)度標(biāo)記，最小單位為1mm，旋轉(zhuǎn)軸則以正負(fù)角度標(biāo)記，最小單位0.1度。金屬桿與金屬桿,金屬桿與旋轉(zhuǎn)軸，旋轉(zhuǎn)軸與旋轉(zhuǎn)軸之間均以伺服電機(jī)控制其移動(dòng)及旋轉(zhuǎn)，最終數(shù)據(jù)可傳輸?shù)诫娔X數(shù)據(jù)系統(tǒng)。標(biāo)本可通過(guò)標(biāo)本固定器及施力器上的螺絲進(jìn)行固定，所述金屬桿及選擇軸為鈦合金材料。
[0013]本發(fā)明專利通過(guò)三個(gè)水平自由移動(dòng)加載力學(xué)金屬桿和三個(gè)可自由旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)軸來(lái)模擬脊柱力學(xué)運(yùn)動(dòng)的6個(gè)自由度，同時(shí)通過(guò)電腦控制伺服電機(jī)可提供連續(xù)的加載力，降低了非正常的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，模擬生理負(fù)荷狀況，加載以后，脊柱標(biāo)本可在施力器作用下產(chǎn)生位移，操作人可直接讀取各個(gè)金屬桿及旋轉(zhuǎn)軸的位移，計(jì)算出標(biāo)本的位移。本發(fā)明為實(shí)驗(yàn)提供了模擬正常脊柱力學(xué)特征的必要條件，實(shí)為一種進(jìn)步性的發(fā)明。
[0014]本發(fā)明專利的優(yōu)點(diǎn)在于:
[0015]1.通過(guò)伺服電機(jī)，可提供連續(xù)的加載力。
[0016]2.連續(xù)加載后，可以減少旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，與生理負(fù)荷情況相符合。
[0017]3.加載力學(xué)后，即可直接讀取位移及旋轉(zhuǎn)角度等數(shù)據(jù)，計(jì)算標(biāo)本位移。
[0018]為方便了解本發(fā)明專利的內(nèi)容及所能達(dá)到的功效，茲配合附圖列舉一具體實(shí)施例，詳細(xì)介紹說(shuō)明如下:
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0019]圖1是本發(fā)明專利的立體示意圖
[0020]圖2是本發(fā)明專利的正面示意圖
[0021]圖3是本發(fā)明專利的側(cè)面示意圖
[0022]圖4是本發(fā)明專利的實(shí)例運(yùn)用圖
【具體實(shí)施方式】
[0023]如圖1、2所示，本脊柱生物力學(xué)模擬試驗(yàn)儀由三條金屬桿(1、2、3)、三個(gè)旋轉(zhuǎn)軸(4、5、6)組成,一個(gè)標(biāo)本施力器(7)、一個(gè)標(biāo)本固定器(8),兩根平衡棒(9), 一個(gè)支架(10),一個(gè)固定底座(11)以及五個(gè)伺服電機(jī)組成。
[0024]如(圖1、2、3)所示，所有金屬桿均有刻度，其刻度標(biāo)記以施力器與標(biāo)本放置容器垂直鑲嵌時(shí)設(shè)置為0，設(shè)為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)。未施力狀態(tài)下，本力學(xué)加載器通過(guò)調(diào)節(jié)伺服電機(jī)可在6個(gè)自由度(包括前后、左右、旋轉(zhuǎn))上自由運(yùn)動(dòng):通過(guò)金屬桿1、2、3可帶動(dòng)其他運(yùn)動(dòng)部件在Z、X、Y軸方向水平運(yùn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)軸4、5、6可獨(dú)立旋轉(zhuǎn)，具備單獨(dú)模擬6個(gè)負(fù)載分量，包括屈、伸，左、右側(cè)彎，左、右旋轉(zhuǎn)的能力。通過(guò)任何兩個(gè)及以上的分力共同加載提供所有的混合負(fù)載力。同時(shí)以上所有的運(yùn)動(dòng)均可在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)的正反方向?qū)ΨQ進(jìn)行。
[0025]放置標(biāo)本后，通過(guò)標(biāo)本固定器及施力器上的螺絲固定標(biāo)本(圖4)。利用伺服電機(jī)可精確的、間斷或連續(xù)地使金屬桿及旋轉(zhuǎn)軸運(yùn)動(dòng)，提供不同方向的加載分力，最終于標(biāo)本施力器處將合力加載于標(biāo)本上。通過(guò)后續(xù)力傳感器記錄負(fù)荷，并同時(shí)利用三維掃描儀測(cè)量脊柱標(biāo)本加載前后運(yùn)動(dòng)角度和位移變化，可直接得到負(fù)載一位移曲線。
[0026]綜上所述，該脊柱生物力學(xué)模擬試驗(yàn)儀能精確的對(duì)標(biāo)本進(jìn)行力學(xué)加載，符合目前國(guó)際上脊柱生物力學(xué)加載模擬器標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)能進(jìn)行較為精確的測(cè)量，對(duì)目前的力學(xué)試驗(yàn)儀具有補(bǔ)充及改進(jìn)功能，同時(shí)本發(fā)明專利未曾公開(kāi)，具備的先進(jìn)性及發(fā)明性顯已符合發(fā)明專利條件，依法提出發(fā)明專利申請(qǐng)。
【權(quán)利要求】
1.一種脊柱生物力學(xué)模擬試驗(yàn)儀，其特征在于由一固定底座，兩根垂直固定軸，一根水平固定軸，兩根平衡棒，三條金屬桿(I)、(2)、(3)和三個(gè)旋轉(zhuǎn)軸(4)、(5)、(6)，一個(gè)標(biāo)本施力器，一個(gè)標(biāo)本固定金屬套組成。 垂直固定軸固定于底座，水平固定軸固定于兩垂直固定軸中間，其中第I金屬桿(I)平行于水平固定軸，鑲嵌在垂直固定軸套管上，可沿所述垂直固定軸的長(zhǎng)度方向即Z方向移動(dòng);第2條金屬桿(2)垂直位于第I金屬桿(I)下面，鑲嵌于第I金屬桿(I)下端套件及第3金屬桿(3)上端套件，第2條金屬桿⑵可在X軸方向移動(dòng),第3金屬桿(3)垂直位于第2條金屬桿(2)下面，銜接于第I旋轉(zhuǎn)軸(4)的上端套件。三個(gè)旋轉(zhuǎn)軸(4)、(5)、(6)分別呈X、Y、Z軸方向，第3金屬桿⑶與第I旋轉(zhuǎn)軸⑷連接，第I旋轉(zhuǎn)軸⑷與第2旋轉(zhuǎn)軸(5)，第2旋轉(zhuǎn)軸(5)與第3旋轉(zhuǎn)軸(6)通過(guò)軸承相連接，第3旋轉(zhuǎn)軸(6)與標(biāo)本施力器固定在一起。所有的部件可獨(dú)立自由操作，互相吻合成整體。
2.如權(quán)利要求1所述的脊柱生物力學(xué)模擬試驗(yàn)儀，其特征在于所有金屬桿均有刻度，其刻度標(biāo)記以施力器與標(biāo)本放置容器垂直鑲嵌時(shí)設(shè)置為O，金屬桿分別設(shè)置正負(fù)長(zhǎng)度標(biāo)記，最小單位為Imm,旋轉(zhuǎn)軸則以正負(fù)角度標(biāo)記,最小單位0.1度。
3.如權(quán)利要求1所述的脊柱生物力學(xué)模擬試驗(yàn)儀，其特征在于金屬桿與金屬桿，金屬桿與旋轉(zhuǎn)軸，旋轉(zhuǎn)軸與旋轉(zhuǎn)軸之間均以伺服電機(jī)控制其移動(dòng)及旋轉(zhuǎn)，最終數(shù)據(jù)可傳輸?shù)诫娔X數(shù)據(jù)系統(tǒng)。
4.如權(quán)利要求1所述的脊柱生物力學(xué)模擬試驗(yàn)儀，其特征在于標(biāo)本可通過(guò)標(biāo)本固定器及施力器上的螺絲進(jìn)行固定。
5.如權(quán)利要求1所述的脊柱生物力學(xué)模擬試驗(yàn)儀，其特征在于上述3條金屬桿及3根旋轉(zhuǎn)軸為鈦合金材料。
【文檔編號(hào)】G09B23/10GK103971567SQ201310041291
【公開(kāi)日】2014年8月6日 申請(qǐng)日期:2013年2月1日 優(yōu)先權(quán)日:2013年2月1日
【發(fā)明者】于研, 程黎明, 陳雷, 賈永偉, 曾至立, 胡笑, 王建杰, 徐委, 吳周睿 申請(qǐng)人:上海市同濟(jì)醫(yī)院