生物力學(xué)沖擊試驗臺的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域的裝置，具體是一種生物力學(xué)沖擊試驗臺。
【背景技術(shù)】
[0002]由于車禍、高處墜落等高能量沖擊導(dǎo)致骨折的損傷機(jī)制研宄是目前人體生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域研宄的重點(diǎn)與熱點(diǎn)?；颊叱Ｒ蚓戎窝诱`或內(nèi)出血無法獲得及時救助導(dǎo)致死亡，據(jù)統(tǒng)計，由于車禍等沖擊導(dǎo)致的死亡率高達(dá)40%，占用大量的醫(yī)療資源，對個人和社會造成巨大的損失，因此如何根據(jù)撞擊部位、撞擊方向等參數(shù)迅速判斷患者傷情，并及時采取有效治療措施成為挽救生命的重要課題。由于人體結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性及沖擊方向、損傷部位造成的創(chuàng)傷類型不同，在研宄特定解剖部位的創(chuàng)傷機(jī)制時需要大量的力學(xué)實驗提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
[0003]由于人體結(jié)構(gòu)復(fù)雜、損傷部位程度不一，使得研宄其損傷機(jī)制的學(xué)者們只能根據(jù)所研宄部位進(jìn)行專用設(shè)備設(shè)計。比如王以進(jìn)等1991年在《顱腦沖擊試驗機(jī)》(醫(yī)療衛(wèi)生設(shè)備，1991年第3期:1-3) —文中詳述了采用液壓伺服控制系統(tǒng)設(shè)計的可模擬顱腦及頭頸部損傷的實驗裝置，該裝置可模擬給定的載荷單峰作用曲線，試件安裝座椅可實現(xiàn)360°旋轉(zhuǎn)；陳運(yùn)欽等于1995年進(jìn)行了《CZZ_型人體撞擊試驗機(jī)的研制》(中國臨床解剖學(xué)雜志，1995年第三卷第一期，62-64)，采用拉伸彈簧作為驅(qū)動力，帶動沖擊頭進(jìn)行人體碰撞試驗，最大速度可達(dá)28.95m/so隨著人體生物力學(xué)的發(fā)展，測量精度及模擬仿真度要求的不斷提高，很多學(xué)者轉(zhuǎn)而采用材料試驗機(jī)進(jìn)行力學(xué)試驗，主要是根據(jù)《夏比V型沖擊試驗標(biāo)準(zhǔn)》，通過金屬材料的沖擊性能進(jìn)行研制，并改進(jìn)前期試驗機(jī)設(shè)計中的不足，主要型式為擺錘式或者落錘式。如鄧永紅等在《JLW-800型屏顯示落錘沖擊試驗機(jī)的設(shè)計》(四川理工學(xué)院學(xué)報，2012 (25) 6:40-43) —文中采用機(jī)械與電測系統(tǒng)設(shè)計的沖擊試驗機(jī)，可實現(xiàn)電磁捕捉?jīng)_擊頭的功能以防止產(chǎn)生二次沖擊現(xiàn)象；薛飛等(薛飛，張煒，跌落沖擊試驗機(jī)的控制和數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，包裝工程，2013，34(23):54-59)于2013年采用跌落式試驗機(jī)進(jìn)行緩沖材料的緩沖性能測試，將沖擊過程中的速度簡化為勻速運(yùn)動，并實現(xiàn)了試驗機(jī)的控制和數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)設(shè)計。此外，為了充分利用試驗機(jī)提供的動能，減小摩擦與損耗，還有大量學(xué)者與工程技術(shù)人員采用滑軌式?jīng)_擊試驗機(jī)進(jìn)行功能實現(xiàn)與模擬。Etheridge等于2005年設(shè)計了滑軌式氣動沖擊試驗機(jī)，可實現(xiàn)垂直向預(yù)加載功能(Brandon S.Etheridge, DavidP.Beasonj Robert R.Lopez et al.Effects of trochanteric soft tissue and bonedensity on fracture of the female pelvis in experimental side impacts.Annalsof B1mechanical Engineering, 2005, 33 (2): 248-254)以模擬駕乘人員坐姿下受到?jīng)_擊的狀態(tài)；Erik J.Carlson 等人(Erik J.Carlasonj Yasuhiro Tominagaj Paul C.1vancicet al., Dynamic vertebral artery elongat1n during frontal and side impacts, TheSpine Journal, 2007, 7:222-228)在2007年設(shè)計的滑道式頸椎伸長測定裝置中測量了動脈的伸長量，為研究在頸椎部受到創(chuàng)傷后動脈由于伸長導(dǎo)致血管破裂提供了寶貴的資料。在機(jī)動車檢測行業(yè)，采用滑車式試驗機(jī)進(jìn)行假人試驗，以模擬車輛行駛中可能造成對人體的傷害，這些測試數(shù)據(jù)為新車開發(fā)、防護(hù)裝置設(shè)計等提供了寶貴的研究基礎(chǔ)。
[0004]綜合以上分析可以看出，試驗機(jī)的設(shè)計主要為了實現(xiàn)對試驗標(biāo)本的沖擊性能進(jìn)行測試與分析，而現(xiàn)存的醫(yī)學(xué)工程用沖擊試驗機(jī)只能實現(xiàn)一個方位的沖擊:或者水平，或者垂直，而且其固定形式只能是采用牙托粉或骨水泥的形式進(jìn)行完全固定，無法重現(xiàn)現(xiàn)實情況如汽車碰撞中人體有一定活動度的情形。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明針對上述現(xiàn)有沖擊試驗機(jī)設(shè)計的不足，提供一種生物力學(xué)沖擊試驗裝置，可實現(xiàn)人體不同部位的沖擊模擬，通過機(jī)械與電子控制技術(shù)模擬人體特定解剖部位撞擊的過程，在此過程中采用光學(xué)測量儀器對沖擊過程中的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)參數(shù)進(jìn)行測定，從而為今后醫(yī)療救治指導(dǎo)及防護(hù)用具的設(shè)計提供寶貴的原始數(shù)據(jù)。
[0006]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下:
[0007]一種生物力學(xué)沖擊試驗臺，包括控制系統(tǒng)、橫向沖擊系統(tǒng)和縱向沖擊系統(tǒng)，橫向沖擊系統(tǒng)包括橫向電機(jī)、橫向滾珠絲杠、橫向壓縮彈簧、前滑臺、后滑臺、橫向沖擊頭、橫向?qū)к?、升降式工作臺；縱向沖擊系統(tǒng)包括縱向電機(jī)、縱向滾珠絲杠、縱向電磁搭扣、縱向壓縮彈簧、上滑臺、下滑臺、縱向沖擊頭；在所述橫向沖擊系統(tǒng)中，橫向沖擊頭安裝于前滑臺，前滑臺能夠在橫向?qū)к壣匣?，前滑臺與后滑臺之間可控連接，并同時安裝于橫向滾珠絲杠上，橫向滾珠絲杠通過鏈傳動與橫向電機(jī)相連，啟動橫向電機(jī)后，通過鏈傳動將動力傳至橫向滾珠絲杠，帶動前滑臺平移，同時橫向滾珠絲杠上方兩側(cè)平行放置橫向?qū)U，其上裝有橫向壓縮彈簧，當(dāng)升降式工作臺達(dá)到規(guī)定工作位置后，釋放橫向壓縮彈簧，前滑臺帶動橫向沖擊頭沿橫向?qū)к壪蛏凳焦ぷ髋_以一定加速度運(yùn)動，沖擊被實驗物體，；在所述縱向沖擊系統(tǒng)中，縱向沖擊頭安裝于下滑臺上，下滑臺與上滑臺之間可控連接，并同時安裝于縱向滾珠絲杠上，縱向滾珠絲杠通過鏈傳動與縱向電機(jī)相連，所述縱向滾珠絲杠兩側(cè)各配置縱向?qū)U，其上裝有縱向壓縮彈簧，當(dāng)上滑臺帶著縱向沖擊頭隨著縱向滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)移動到預(yù)定位置時，下滑臺與上滑臺之間可控連接斷開，縱向沖擊頭加速下落，實現(xiàn)沖擊過程。
[0008]所述前滑臺與后滑臺之間、所述下滑臺與上滑臺之間的可控連接分別是通過后滑臺和上滑臺上的電磁鐵搭扣來實現(xiàn)，所述電磁鐵搭扣的夾緊和釋放是通過控制系統(tǒng)來控制的。
[0009]所述前滑臺包括鞍板、連接環(huán)、墊塊和固定塊、力傳感器，鞍板安裝在橫向?qū)к壣?，并與橫向壓縮彈簧接觸，所述橫向傳感器與鞍板固定連接，墊塊和固定塊聯(lián)合使用以保證橫向壓縮彈簧在橫向?qū)U上的支撐剛度，所述連接環(huán)與后滑臺上的電磁搭扣相連。
[0010]所述前滑臺包括壓力傳感器，通過螺紋連接與橫向沖擊頭相連。
[0011]所述下滑臺與所述前滑臺結(jié)構(gòu)相同。
[0012]所述上滑臺與所述后滑臺結(jié)構(gòu)相同。
[0013]所述升降式工作臺包括:底板、導(dǎo)向柱、支撐臺、工作臺手輪、壓簧、螺旋桿、平行四邊形機(jī)構(gòu)與工作臺臺面，其中:支撐臺與機(jī)床底部采用螺紋連接相連，導(dǎo)向柱通過開口鎖緊套筒與螺紋連接與底板相連，工作臺手輪與螺旋桿相連，轉(zhuǎn)動工作臺手輪時十字形螺母拉動平行四邊形機(jī)構(gòu)變形，以產(chǎn)生上下移動，導(dǎo)向柱將安裝于其上的工作臺升起與降落。
[0014]所述橫向沖擊系統(tǒng)還包括防二次沖擊機(jī)構(gòu)，所述防二次沖擊機(jī)構(gòu)利用安裝在鞍板側(cè)方的平面棘輪與安裝于機(jī)架上的棘爪的齒面接觸阻止前滑臺反彈。
[0015]所述縱向沖擊系統(tǒng)還包括防二次沖擊機(jī)構(gòu)，與所述橫向沖擊系統(tǒng)的防二次沖擊機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)相同。
[0016]所述縱向沖擊系統(tǒng)還包括縱向沖擊系統(tǒng)位置調(diào)節(jié)裝置，所述縱向沖擊系統(tǒng)位置調(diào)節(jié)裝置包括:縱向手輪、調(diào)整塊、調(diào)整軸承及其固定座、滑體組成，縱向手輪是螺紋桿，轉(zhuǎn)動后可帶動調(diào)整塊及滑體一起移動，縱向沖擊系統(tǒng)與滑體固定連接，從而實現(xiàn)位置調(diào)節(jié)。
[0017]所述控制系統(tǒng)包括:光纖傳感器、電磁鐵控制器和電機(jī)編碼器，其中:光纖傳感器安裝在機(jī)架上并與前滑臺上的金屬片共同構(gòu)成傳感裝置，以感測前滑臺的初始位置并限制橫向壓縮彈簧的極限位置，電磁鐵控制器安裝在后滑臺上，電機(jī)編碼器與橫向電機(jī)相連接，采用PLC程序控制。
[0018]本裝置在試驗時被沖擊物體固定于工作臺上，根據(jù)不同的沖擊部分進(jìn)行固定，電磁鐵搭扣釋放后，前滑臺或下滑臺在彈簧的彈力作用下以進(jìn)行水平方向或垂直方向的沖壓。
[0019]本發(fā)明不僅能夠完成不同人體部位的沖擊試驗過程，還能結(jié)合運(yùn)動學(xué)測量設(shè)備完成在沖擊過程中的運(yùn)動參數(shù)捕捉，從而獲得綜合、完整、有效的沖擊過程運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)原始數(shù)據(jù)采集。
【附圖說明】
[0020]圖1是本發(fā)明所提供的試驗臺正視圖；
[0021]圖2是圖1的俯視圖；
[0022]圖3是圖1中前滑臺或下滑臺正視圖；
[0023]圖4是圖1中縱向沖擊系統(tǒng)正視圖；
[0024]圖5是圖1中縱向沖擊系統(tǒng)俯視圖；
[0025]圖6是圖1中升降式工作臺主視圖；
[0026]圖7是圖5的俯視圖。
【具體實施方式】
[0027]下面對本發(fā)明的技術(shù)方案作詳細(xì)說明，本實施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實施，給出了詳細(xì)的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下面的實施例。
[0028]如圖1?圖7所示，本發(fā)明所提供的生物力學(xué)沖擊試驗臺，包括:機(jī)架23、側(cè)支架10、縱向沖擊系統(tǒng)(包括縱向沖擊頭16、縱向壓力傳感器42、下滑臺49、縱向壓縮彈簧44、縱向?qū)к?5、上滑臺48、縱向滾珠絲杠43、縱向鏈傳動18、縱向電機(jī)47、縱向減速器46)、縱向沖擊系統(tǒng)位置調(diào)整系統(tǒng)(包括縱向手輪19、調(diào)整軸承17、縱向沖擊調(diào)整滑塊16)、升降式工作臺15、橫向沖擊系統(tǒng)(包括橫向沖擊頭14、壓力傳感器13、前滑臺12、橫向壓縮彈簧4、橫向?qū)к?1、后滑臺5、橫向滾珠絲杠20、橫向鏈傳動7、橫向電機(jī)9、橫向減速器8)防二次沖擊機(jī)構(gòu)2、觸摸屏3、控制箱6。其中:橫向沖擊頭14通過壓力傳感器13與前滑臺12連接，前滑臺12通過T型槽在橫向?qū)к?1上滑行，其后部的連接環(huán)26與后滑臺5的電磁鐵搭扣25相連接后即可通過與后滑臺5相連的橫向滾珠絲杠20轉(zhuǎn)動實現(xiàn)水平移動