人工髖關(guān)節(jié)模擬試驗機機械傳動部分的研制（上置式 ）修改,人工髖關(guān)節(jié)模擬試驗機機械傳動部分的研制（上置式,）修改,人工,髖關(guān)節(jié),模擬,摹擬,試驗,實驗,機械傳動,部分,部份,研制,上置式,修改 圖書分類號： 密 級： 畢 業(yè) 設(shè) 計 (論 文 ) 人工髖關(guān)節(jié)模擬試驗機機械傳動部分 的研制(上置式) A HIP JIONT TO SIMULATE TESTING MACHINE'S DEVELOPMENT (ON SETS AT THE TYPE) 學(xué) 生 姓 名 黃 清 朋 學(xué) 院 名 稱 機 電 工 程 學(xué) 院 專 業(yè) 名 稱 機 械 設(shè) 計 制 造 及 其 自 動 化 指 導(dǎo) 教 師 黃 傳 輝 2008 年 6 月 2 日 徐 州 工 程 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計 I 徐州工程學(xué)院學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明： 所呈交的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，獨立進(jìn)行研 究工作所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用或參考的內(nèi)容外，本論文不含任何 其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品或成果。對本文的研究做出重要貢 獻(xiàn)的個人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)注。 本人完全意識到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。 論文作者簽名： 日期： 年 月 日 徐州工程學(xué)院學(xué)位論文版權(quán)協(xié)議書 本人完全了解徐州工程學(xué)院關(guān)于收集、保存、使用學(xué)位論文的規(guī)定，即： 本校學(xué)生在學(xué)習(xí)期間所完成的學(xué)位論文的知識產(chǎn)權(quán)歸徐州工程學(xué)院所擁有。 徐州工程學(xué)院有權(quán)保留并向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交學(xué)位論文的紙本復(fù)印件 和電子文檔拷貝，允許論文被查閱和借閱。徐州工程學(xué)院可以公布學(xué)位論文的 全部或部分內(nèi)容，可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容提交至各類數(shù)據(jù)庫進(jìn) 行發(fā)布和檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。 論文作者簽名： 導(dǎo)師簽名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 徐 州 工 程 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計 II 摘要 本課題是對人體髖關(guān)節(jié)模擬試驗機機械傳動部分的研制。試驗機的工作原理是將股 骨頭和髖臼部件試樣按照其正常位置安裝于試驗臺上，通過試驗裝置使兩者之間產(chǎn)生規(guī) 定的隨時間變化的負(fù)載及相對角運動。該機械設(shè)計時考慮的主要因素是使其在實驗室環(huán) 境中能夠正確模擬人體髖關(guān)節(jié)的實際運動工況，以使試件在試驗過程中產(chǎn)生的摩擦機理、 磨損形式與實際使用條件下相一致，從而可以準(zhǔn)確、可靠地測試人工關(guān)節(jié)材料的生物摩 擦學(xué)特性參數(shù)，為臨床應(yīng)用提供指導(dǎo)性試驗數(shù)據(jù)。根據(jù)以上要求設(shè)計出試驗機的總裝配 圖。該試驗機要求的最大試驗載荷為 1t，要求主軸轉(zhuǎn)速為 60rpm。假設(shè)作用在股骨頭頭 部的載荷為 1t，則可以算出最大阻力。選則直徑為 50mm 的股骨頭，求出最大扭矩，由此 確定電機的功率從而計算出最小軸徑。根據(jù)最小軸徑初選各個零件的尺寸。通過校核確 認(rèn)其安全以確保試驗機正常運轉(zhuǎn)。電機運轉(zhuǎn)時通過聯(lián)軸器帶動主軸旋轉(zhuǎn)，從而帶動固定 在主軸軸端的偏心輪轉(zhuǎn)動，試件座安裝在擺軸上和擺軸一起饒中心軸線轉(zhuǎn)動。使得由關(guān) 節(jié)球支架固定在試件座上的關(guān)節(jié)球頭和髖臼試件之間產(chǎn)生摩擦，從而達(dá)到試驗的目的。 其中髖臼試件由骨水泥固定在髖臼座上，沖擊載荷由液壓缸提供作用于自定心軸上，通 過髖臼支架最終作用在關(guān)節(jié)球頭上，加上關(guān)節(jié)球頭隨試件座繞中心線轉(zhuǎn)動。這樣實現(xiàn)模 擬人體髖關(guān)節(jié)的實際運動，使其產(chǎn)生的摩擦機理、磨損形式與實際使用條件下相一致， 以達(dá)到設(shè)計該試驗機的初衷。 關(guān)鍵詞：關(guān)節(jié)試驗機 ;模擬試驗 ;人體髖關(guān)節(jié) ;摩擦機理 徐 州 工 程 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計 III Abstract A hip simulator had been designed and manufactured in this study. The principle of the simulator is fit the stock bone and the part test specimen to its normal position in the test platform, causing the variation load changing with the time and the relative angular motion between them through the test equipment. The primary factor which this machine design considered is whether it can simulate the human body coxa correctly in the laboratory environment, so that the friction mechanism, the attrition form of the test sample which produces in the testing with the actual exploitation conditions under consistent, thus may be accurate, reliably test the biological friction of the artificial joint material, provides the guidance tentative data for the clinical practice. Designs the testing machine according to the above request the assembly drawing. The biggest experimental load of this testing machine requests is 1t, the main axle rotational speed is requests 60rpm. The supposition function in the thighbone leader's department load is 1t, then may figure out the biggest resistance. Elects then the diameter is the 50mm stock bone, extracts the maximum torque, from this determines the electrical machinery the power thus to calculate the smallest axle diameter. According to smallest axle diameter primary election each components size. Through the examination confirmed its security by guarantees the testing machine normal work. The electrical machinery revolves when revolves through the shaft coupling impetus main axle, thus leads fixes in the main axle axial-tab terminal eccentric rotation, the test sample place installs on the pendulum shaft and the pendulum shaft forgives the central axis rotation together. Causes to fix by the joint ball support in the test sample place the joint ball and between the acetabulum test sample has the friction, thus achieves experimental the goal. Acetabulum test sample fixes by the bone cement in the acetabulum place, the impact load provides the function by the hydraulic cylinder on the self-centering axis, finally affects through the acetabulum support on joint ball, in addition joint ball circles the middle line rotation along with the test sample place. Like this realizes the simulation human body coxa proper motion, causes the friction mechanism, the attrition form which it produces with the actual exploitation conditions under to be consistent, by achieved designs this testing machine the original intention. Keywords: hip simulator simulative test hip jiont wear mechanism 徐 州 工 程 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計 I 目 錄 1 緒論 .............................................................................................................................................1 1.1 機械智能 ...............................................................................................................................1 1.1.1 機械智能的應(yīng)用 .............................................................................................................1 1.1.2 本設(shè)計原理 .....................................................................................................................1 1.2 模擬人體關(guān)節(jié)的發(fā)展史 .......................................................................................................1 1.3 試驗機的現(xiàn)實意義 ...............................................................................................................2 2 方案 .............................................................................................................................................3 2.1 髖關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)及運動分析 ........................................................................................................3 2.1.1 人體髖關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu) ..............................................................................................................3 2.1.2 髖關(guān)節(jié)運動特性分析 .....................................................................................................4 2.1.3 人工髖關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu) ..............................................................................................................5 2.2 方案的提出 ...........................................................................................................................6 2.2.1 方案一： ..........................................................................................................................6 2.3 方案二 ....................................................................................................................................7 2.4 方案的選擇： .......................................................................................................................8 2.5 設(shè)計方案 ...............................................................................................................................8 2.6 機械傳動部分的運動特性分析 .........................................................................................10 2.7 磨損量的測定及磨損率的計算 ..........................................................................................12 2.7.1 磨損量的測定 ................................................................................................................12 2.7.2 臨床磨損率的計算 .......................................................................................................13 2.7.3 磨損因數(shù)的計算 ............................................................................................................13 2.8 溫控裝置的工作原理 ..........................................................................................................15 3 設(shè)計計算過程 ...........................................................................................................................16 3.1 初選電機功率 ......................................................................................................................16 3.2 主傳動軸的設(shè)計 ..................................................................................................................16 3.2.1 選擇軸的材料 ................................................................................................................16 3.2.2 初步確定軸的最小直徑 ................................................................................................16 3.2.3 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計 ................................................................................................................16 3.2.4 軸上零件的周向定位 ....................................................................................................17 3.2.5 確定軸上倒角 ................................................................................................................17 3.3.2 初步確定軸的最小直徑 ................................................................................................18 3.4 液壓缸的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計 ......................................................................................................18 3.5 裝配圖及主要零件圖設(shè)計 .................................................................................................19 徐 州 工 程 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計 II 3.5.1 裝配圖草圖 ...................................................................................................................19 3.5.2 零件圖草圖 ....................................................................................................................20 4 零件校核 ...................................................................................................................................21 4.1 求軸上載荷 ..........................................................................................................................22 4.2 校核軸的強度 ......................................................................................................................22 4.2.1 畫受力簡圖 ....................................................................................................................22 4.2.2 求作用在軸上的支反力 ................................................................................................22 4.2.3 校核軸的強度 ................................................................................................................23 4.3 主動軸上軸承的校核 ..........................................................................................................24 4.4 擺軸的校核 ..........................................................................................................................25 4.5 擺軸上軸承的校核 ..............................................................................................................26 結(jié)論 ...............................................................................................................................................28 致 謝 .........................................................................................................................................29 參考文獻(xiàn) .......................................................................................................................................30 附錄（專業(yè)英語翻譯） ...............................................................................................................32 徐 州 工 程 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計 1 1 緒論 1.1 機械智能 1.1.1 機械智能的應(yīng)用 機械智能化是 21 世紀(jì)機電一體化技術(shù)發(fā)展的一個重要發(fā)展方向。這里所說的“智能 化”是對機器行為的描述，是在控制理論的基礎(chǔ)上，吸收人工智能、運籌學(xué)、計算機科 學(xué)、模糊數(shù)學(xué)、心理學(xué)、生理學(xué)和混沌動力學(xué)等新思想、新方法，模擬人類智能，使它 具有判斷推理、邏輯思維、自主決策等能力，以求得到更高的控制目標(biāo)。各種人工智能 工具和計算智能方法在制造中的廣泛應(yīng)用促進(jìn)了制造智能的發(fā)展。一類基于生物進(jìn)化算 法的計算智能工具，在包括調(diào)度問題在內(nèi)的組合優(yōu)化求解技術(shù)領(lǐng)域中，受到越來越普遍 的關(guān)注，有望在制造中完成組合優(yōu)化問題時的求解速度和求解精度方面雙雙突破問題規(guī) 模的制約。制造智能還表現(xiàn)在：智能調(diào)度、智能設(shè)計、智能加工、機器人學(xué)、智能控制、 智能工藝規(guī)劃、智能診斷等多方面。 1.1.2 本設(shè)計原理 本設(shè)計是根據(jù)人類行走時髖關(guān)節(jié)的運動特點，結(jié)合人工關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)特征研制一種能正 確模擬髖關(guān)節(jié)運動的實驗機械。該機械設(shè)計時考慮的主要因素是使其在實驗室環(huán)境中能 夠正確模擬人體髖關(guān)節(jié)的實際運動工況，以使試件在實驗過程中產(chǎn)生的摩擦機理、磨損 形式與實際使用條件下相一致，從而可以準(zhǔn)確、可靠地測試人工關(guān)節(jié)材料的生物摩擦學(xué) 特性參數(shù),為臨床應(yīng)用提供指導(dǎo)性實驗數(shù)據(jù) 1.2 模擬人體關(guān)節(jié)的發(fā)展史 隨著人類社會的發(fā)展與進(jìn)步，人的生命價值被廣泛認(rèn)同。由疾病、事故和戰(zhàn)爭等原 因?qū)е麓罅咳梭w骨骼病變和損傷，使得許多人成為殘疾而失去基本生活能力，給病人的 家庭及社會都帶來極大的影響和沉重的負(fù)擔(dān)。為減輕病人的痛苦，提高他們的生活質(zhì)量， 醫(yī)學(xué)界一直致力于解決人體骨骼的材料、成型、植入和再生性的問題。目前骨科學(xué)主要 通過兩種方法解決骨缺損的修復(fù)問題，一是通過人身自身的生物機能進(jìn)行骨骼的再生或 植入帶有骨生長因子的小塊異種骨誘惑導(dǎo)骨生長。這類方法效果較好，但時間長，見效 慢，只適合于小塊骨缺損的修復(fù)。另一種方法是用人造生物材料（金屬、塑料、陶瓷） 制成替代骨植入人體，以解決大塊缺損骨骼的修復(fù)。1963 年英國曼徹斯特人 John Charnley 首先報道全髖關(guān)節(jié)置換手術(shù)治療類風(fēng)濕性髖關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎。他利用不銹鋼制 作 22.25mm 直徑的股骨頭，以聚四氟乙烯（PTFE）制作髖臼，聚甲基丙稀酸甲酯（骨水 泥）固定，形成 Charnley 型低摩擦全髖關(guān)節(jié)假體，奠定了現(xiàn)代人工關(guān)節(jié)置換術(shù)的基礎(chǔ)。 自此以后，人工關(guān)節(jié)置換技術(shù)發(fā)展迅速，日益成為治療關(guān)節(jié)傷痛，重建關(guān)節(jié)功能的重要 手段。目前，全世界每年因各種疾病需要更換關(guān)節(jié)的人數(shù)高達(dá) 4000 萬～6000 萬人，僅全 徐 州 工 程 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計 2 髖關(guān)節(jié)置換就達(dá) 80 萬例。其中在關(guān)節(jié)炎晚期治療、外傷致殘和骨瘤切除手術(shù)中，人工關(guān) 節(jié)置換術(shù)已成為一項常規(guī)外科手術(shù)。 隨著人類社會步入高齡化階段，各種與高齡有關(guān)的關(guān)節(jié)疾病，如大腿骨骨折、關(guān)節(jié) 炎等病癥，將會大量發(fā)生，因此對人工關(guān)節(jié)的需求也會日益增加。以日本為例，1993 年 人工關(guān)節(jié)的需求量為 10.879 萬件，1997 年已迅速上升到 17.09 萬件，其整形外科用 植入物市場的年增長率為 7%~8%。我國人口眾多，且部分地區(qū)生活條件相對較差，關(guān)節(jié) 疾病的發(fā)病率高于經(jīng)濟發(fā)達(dá)國家，是世界上人工關(guān)節(jié)最大市場之一。據(jù)我國民政部門報 告，目前僅肢體不自由患者就達(dá) 1500 萬人，其中殘疾約 780 萬人，全國骨缺損和骨損 患者近 300 萬人，且隨著我國社會老齡化的到來，這一數(shù)字還有上升的趨勢。因此，加 強研制人工關(guān)節(jié)置換技術(shù)，提高置換關(guān)節(jié)的使用壽命，是一項十分迫切的任務(wù)。 1.3 試驗機的現(xiàn)實意義 人工關(guān)節(jié)是模擬人體關(guān)節(jié)制成的植入性假體，以代替病變或損傷的關(guān)節(jié)并恢復(fù)其功 能。人工關(guān)節(jié)的研制、開發(fā)是一門跨領(lǐng)域的交叉學(xué)科，涉及到材料學(xué)、力學(xué)、生物學(xué)、 成型技術(shù)和醫(yī)療等多門學(xué)科的知識，需要多方面的科研人員不斷探索。其中，對人工關(guān) 節(jié)生物摩擦學(xué)特性的研究由于直接關(guān)系到置換關(guān)節(jié)的使用質(zhì)量和臨床壽命而備受人矚目。 人體關(guān)節(jié)屬于身體活動的連接機構(gòu)，接觸界面間必然發(fā)生相對滑動，因此會產(chǎn)生摩擦、 磨損和潤滑等摩擦學(xué)問題。近期的研究工作已證明人工 x`關(guān)節(jié)磨損時產(chǎn)生的磨損顆粒與 置換關(guān)節(jié)的無菌性松動有直接關(guān)系。因此，積極開展人工關(guān)節(jié)生物摩擦學(xué)特性方面的研 究，掌握置換關(guān)節(jié)材料在生物機體環(huán)境內(nèi)的摩擦磨損行為規(guī)律，在人工關(guān)節(jié)的開發(fā)中引 入摩擦學(xué)設(shè)計（包括基于生物力學(xué)的關(guān)節(jié)配副載荷最小化研究、假體固定的微動摩擦學(xué) 行為研究和關(guān)節(jié)材料磨損顆粒生成機理及有效識別等） ，對于提高人工關(guān)節(jié)的使用質(zhì)量， 延長其臨床壽命和減輕患者痛苦具有重要的現(xiàn)實意義。 徐 州 工 程 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計 3 2 方案 自從第一例 Charnley 型低磨損人工髖關(guān)節(jié)運用于臨床實際以來，人工關(guān)節(jié)置換技 術(shù)迅速發(fā)展。醫(yī)學(xué)實踐表明，關(guān)節(jié)材料性能及其生物摩擦學(xué)特性對于關(guān)節(jié)使用質(zhì)量及臨 床壽命起著決定性的作用。因此，人們在這方面開展了大量的研究工作。這為提高人工 關(guān)節(jié)置換手術(shù)的成功率、延長置換關(guān)節(jié)的使用年限提供了強有力的理論支持和技術(shù)保障。 從臨床醫(yī)學(xué)來看，人工關(guān)節(jié)作為一種植入器官，其制作材料一般應(yīng)滿足以下幾點要求： ①、生物相容性好。要求人工關(guān)節(jié)材料和人體組織接觸后，在材料－組織界面發(fā)生 一系列相互作用后最終被人體組織所接受，且材料對人體的正常生理功能無不良影響， 無毒，無排異反應(yīng)； ②、生物力學(xué)相容性好。植入材料和所處部位的生物組織彈性形變特性要相匹配， 在負(fù)載情況下，人工關(guān)節(jié)假體與其接觸的組織所發(fā)生的形變要彼此協(xié)調(diào)； ③、生物結(jié)合性能好。要求人工關(guān)節(jié)材料與周圍骨組織結(jié)合良好，使用過程中不發(fā) 生相對移動和下沉； ④、材料要具有一定的可降解性，可以逐漸被人體再生骨組織所替代； ⑤、優(yōu)良的生物摩擦學(xué)性能。要求材料的摩擦系數(shù)低，耐磨損能力強，磨損顆粒生 成率低，以保證置換關(guān)節(jié)有較長的臨床壽命； ⑥、良好的耐腐蝕、耐疲勞性能。要求植入假體在體內(nèi)所發(fā)生的組織反應(yīng)不引起材 料的劣化，反復(fù)承受交變應(yīng)力不會引起材料的破損。人們最早曾使用牙托粉、聚丙烯、 有機玻璃等材料制作人工關(guān)節(jié)，但這些材料強度低，易折斷，生物相容性差，在臨床使 用中難以保證置換關(guān)節(jié)的使用質(zhì)量。其后改用不銹鋼（316L） 。不銹鋼雖然強度、硬度較 高，能滿足關(guān)節(jié)負(fù)重的要求，但其比重大，約為人體骨骼比重的 2 倍，且受體液作用時 會出現(xiàn)腐蝕和斷裂，近年來隨著材料科學(xué)的發(fā)展、新型人工關(guān)節(jié)材料的出現(xiàn)已較少采用。 目前在臨床中主要采用鈦合金、生物陶瓷及各種復(fù)合材料來制作人工關(guān)節(jié)。 2.1 髖關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)及運動分析 2.1.1 人體髖關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu) 髖關(guān)節(jié)位于人體中部，是人體中最重要的關(guān)節(jié)之一。圖 2-1 給出人體髖關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu) 簡圖。 徐 州 工 程 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計 4 圖 2-1 人體髖關(guān)節(jié) 解剖學(xué)表明，髖關(guān)節(jié)可以圍繞以股頭為中心的無數(shù)軸運動（臨床醫(yī)學(xué)為研究方便， 規(guī)定了水平、垂直、前后 3 個運動軸） 。為了完成支持體重和負(fù)重條件下運動這兩個基 本功能同時又具備必要的穩(wěn)定性，結(jié)構(gòu)上呈杵臼關(guān)節(jié)。髖臼及其臨近結(jié)構(gòu)可劃分為前柱、 后柱兩個部分：前柱（即髂恥柱）由髂嵴前上方斜向前內(nèi)下方，經(jīng)恥骨支止于恥骨聯(lián)合， 分髂骨部、髖臼部、恥骨部三段。后柱（即髂坐柱）由坐骨大切跡經(jīng)髖臼中心至坐骨結(jié) 節(jié)，包括坐骨的垂直部分及坐骨上方的髂骨。后柱內(nèi)側(cè)面由坐骨體內(nèi)側(cè)的四邊形區(qū)域構(gòu) 成，稱四方區(qū)。髖臼前、后兩柱呈 60°相交，形成拱形結(jié)構(gòu)，橫跨于前后兩柱之間，是 髖臼的主要負(fù)重區(qū)，稱臼頂，又稱負(fù)重頂，約占髖臼的 2/5，由髂骨下部構(gòu)成，厚而堅 強。髖臼呈半球形深凹，直徑約為 3.5mm，與下肢股骨頭相關(guān)節(jié)。髖臼邊緣的關(guān)節(jié)盂唇 可使髖臼加深加寬，并使臼口變小，使髖臼包容股骨頭的一半以上。在髖臼表面上有一 層約厚 2mm 的透明軟骨，呈半月形分布于髖臼的前、后、上壁。軟骨的組成中固態(tài)物質(zhì) 占 20%～40%，其余為水。固態(tài)物質(zhì)中膠原纖維約占 60%，蛋白多糖占 40%，軟骨細(xì)胞占 2%。關(guān)節(jié)軟骨的這種多相結(jié)構(gòu)使得它在載荷之下呈現(xiàn)粘彈性響應(yīng)，在外界力作用下發(fā)生 蠕變和應(yīng)力松馳，從而保護(hù)髖關(guān)節(jié)免受沖擊。髖臼中央無關(guān)節(jié)軟骨覆蓋的臼窩由哈佛森 腺充填，它可隨關(guān)節(jié)內(nèi)壓力的培養(yǎng)而被擠出或吸入，從而維持關(guān)節(jié)內(nèi)壓力的平衡。髖關(guān) 節(jié)周圍包圍著強大的韌帶及豐厚的肌肉，使得該關(guān)節(jié)穩(wěn)定性較強。正常情況下髖關(guān)節(jié)的 最大活動度是在矢狀面上，屈曲幅度可達(dá) 0～140°，伸展 0～15°；在冠狀面上能外展 0～45°，內(nèi)收 0～30° ；在橫截面上，當(dāng)髖關(guān)節(jié)屈曲時，能夠外旋 0～45°，內(nèi)旋 0～50°。 2.1.2 髖關(guān)節(jié)運動特性分析 徐 州 工 程 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計 5 由于人體下肢運動的多樣性（走、跑、跳等） ，使得髖關(guān)節(jié)的運動呈現(xiàn)出很強的復(fù)雜 性。由上一節(jié)解剖學(xué)分析知，股骨頭根據(jù)運動需要，可在髖臼中圍繞其球心向任何方向 轉(zhuǎn)動。因此，僅就人體運動的不確定性而言，髖關(guān)節(jié)的運動軌跡是不可能用常規(guī)數(shù)學(xué)方 法表達(dá)的?？紤]到關(guān)節(jié)置換病人的特殊性，此處僅討論人體正常行走時股骨頭在髖臼中 的運動軌跡。R.C.Johnston、J.L.Smidt 等的研究結(jié)果表明，人體正常行走時，髖關(guān)節(jié) 在一個步態(tài)中的主要運動角度變化如圖 2-2 所示。 FE 角（Flexion-extension）的變化 幅度為 0～ 46°，AA 角（Abduction-adduction）和 IER 角（Internal-external rotation）的變化幅度同為 0～12°。FE 角和 AA 角的相位相差 π/2。在足跟離地前 0.1T 時，關(guān)節(jié)彎曲度達(dá)到最大；腳尖離地前 0.1T 時關(guān)節(jié)拉伸度達(dá)到最（T 為步態(tài)周期， 單位：秒） 。V.Saikko、O.Cabonius 等根據(jù)圖 2-2 所示運動曲線，利用計算機模擬技術(shù) 對髖關(guān)節(jié)摩擦面上隨機選取點的運動軌跡進(jìn)行了相應(yīng)計算，其結(jié)果如圖 2-3 所示?？梢?看出，這些點的運動軌跡很不規(guī)則，大致上呈橢圓形，且軌跡形狀隨選取點在球體上位 置的不同而有所變化。這一結(jié)果表明，天然髖關(guān)節(jié)間的相對運動為交叉狀、多方向性復(fù) 合滑動摩擦。 圖 2-2 人體步態(tài)運動波形圖 圖 2-3 選取點的滑動軌跡圖 2.1.3 人工髖關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu) 股骨上部大轉(zhuǎn)子與髖骨相支承，承受了人體的大部分重量及人體活動時的大部分載 荷。當(dāng)股骨上部發(fā)生創(chuàng)傷時，在臨床骨科醫(yī)學(xué)上，常常采用植入人工髖關(guān)節(jié)來代替原先 破損的髖關(guān)節(jié)，以達(dá)到支撐點的目的。圖 2-4 示出了人工髖關(guān)節(jié)的實物照片。與天然髖 關(guān)節(jié)相對應(yīng)，人工關(guān)節(jié)也分為股骨球頭和關(guān)節(jié)臼窩。為完成人體必需的運動及加工工藝 的需要，人工關(guān)節(jié)聯(lián)接部分做成凸球－凹球形式。臨床上常用球頭半徑為 22.25mm、25mm、26mm、28mm、32mm、38mm、42mm 等。 徐 州 工 程 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計 6 圖 2-4 人工髖關(guān)節(jié)照片 人工關(guān)節(jié)在體內(nèi)的固定方式分為兩種：骨水泥固定和非骨水泥固定。骨水泥固定時利 用甲基丙烯酸甲酯(骨水泥)將人工假體與自然骨粘結(jié)固化后達(dá)到固定目的。非骨水泥固 定技術(shù)是通過改進(jìn)假體外形尺寸使之緊密嵌入髓腔或在假體外殼表面上制造出多孔結(jié)構(gòu)， 以使宿主骨能夠長入金屬外殼面從而達(dá)到生物學(xué)固定的目的。人工關(guān)節(jié)植入體內(nèi)后，承 擔(dān)原人體髖關(guān)節(jié)的功能，其運動方式與人體自然髖關(guān)節(jié)基本一致。 2.2 方案的提出 2.2.1 方案一： 關(guān)節(jié)頭試件由夾具夾持固定于試驗機主軸上。試驗時載荷的施加由加載油缸完成。 向加載油缸的上腔輸入壓力油，活塞桿將向下移動，并通過花鍵軸帶動關(guān)節(jié)頭試件壓向 臼杯試件。利用液壓系統(tǒng)調(diào)節(jié)液壓油的壓強，可滿足試驗時不同載荷要求。臼杯座中可 安裝不同規(guī)格（φ20mm～φ50mm）的髖臼試件，并通過組合軸承部件固定在支撐斜板 上。裝配有臼杯座的軸即可以圍繞其軸線自由轉(zhuǎn)動，也可利用固定銷將其與支撐斜板聯(lián) 接為一體。 根據(jù)固定銷的插入和拔出，關(guān)節(jié)模擬試驗機可實現(xiàn)兩種不同的運動形式： 2.2.1.1 多向復(fù)合滑動模式 支撐斜板在電機驅(qū)動下作勻速旋轉(zhuǎn)運動，防轉(zhuǎn)桿受到試驗機立柱的阻擋產(chǎn)生反方向 阻力，通過軸承固定于支撐斜板上的臼杯座在合力作用下一邊繞試驗機主軸旋轉(zhuǎn)，一邊 往復(fù)擺動。安裝在臼杯座中的髖臼試件與關(guān)節(jié)頭試件間呈現(xiàn)交叉狀、多方向復(fù)合滑動運 動。 徐 州 工 程 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計 7 圖 2-5人 工 試 驗 機 草 圖 1 圖 2-5 試驗機草圖 2.2.1.2 旋轉(zhuǎn)方式 將防轉(zhuǎn)桿拆下，裝上螺栓支架，利用支架上的固定銷將臼杯座與支撐斜板固定在一 起，支撐斜板在電機驅(qū)動下旋轉(zhuǎn)時，安裝在臼杯座中的髖臼試件與關(guān)節(jié)頭試件間作相互 旋轉(zhuǎn)運動。臼杯座上裝有潤滑劑罩筒，以容納潤滑液。 2.3 方案二 關(guān)節(jié)球頭由夾具固定與試驗機主軸上，電機 1 帶動凸輪轉(zhuǎn)動，凸輪的形狀根據(jù)人髖 關(guān)節(jié)運動軌跡計算設(shè)計，電機 2 帶動小齒輪轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)大齒輪的回轉(zhuǎn)運動。大齒輪 上方為一由兩個部分邊重合的橢圓形軌道，這樣可以比較直觀的模擬現(xiàn)實中人髖關(guān)節(jié)的 運動軌跡。試驗機的最上端承受液壓裝置給予的沖擊載荷。見圖 2-6 所示。 徐 州 工 程 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計 8 人 工 髖 關(guān) 節(jié)承 受 液 壓 載 荷滾 球 軌 道滾 球大 齒 輪小 齒 輪電 機 1凸 輪電 機 2 圖 2-6 方案二 2.4 方案的選擇： 由于方案二需要兩個電機，從節(jié)約資源的角度考慮不宜選擇。且齒輪剪切應(yīng)力較大， 由于凸輪的轉(zhuǎn)動使大齒輪不斷的上下運動，而小齒輪則是靜止的，因此輪齒之間的摩擦 較大，這樣試驗機的壽命和安全系數(shù)就不會高。方案一由一個電機帶動，主動軸帶動楔 塊轉(zhuǎn)動，裝有人工髖關(guān)節(jié)的試件座則由擺軸固定在楔塊上，這樣的設(shè)計比較合理，避免 了較大的摩擦，而且避免了大的計算量。 因此方案一比較合理，選方案一。 2.5 設(shè)計方案 人體關(guān)節(jié)模擬試驗機是一臺集機、電、液技術(shù)于一體的專用臺架試驗設(shè)各。該試驗 機設(shè)計時考慮的主要因素是使其在試驗室環(huán)境中能夠正確模擬人體髓關(guān)節(jié)的實際運動土 況，以使試件在試驗過程中產(chǎn)生的摩擦機理、磨損形式與實際使用條件卜相一致，從而 可以準(zhǔn)確、可靠地測試人土關(guān)節(jié)材料的生物摩擦學(xué)特性參數(shù)，為臨床應(yīng)用提供指導(dǎo)性試 驗數(shù)據(jù)。該試驗設(shè)各主要山機械傳動部分、溫控系統(tǒng)及液壓加載系統(tǒng)組成。該試驗機由 四個相互獨立的試驗單元組成，每個試驗單元的結(jié)構(gòu)和土作原理都完全一致。為了真實 模擬大然關(guān)節(jié)的運動土況，試驗時轉(zhuǎn)速小能過高，這樣一來勢必造成試驗時間很長，在 多試樣重復(fù)試驗時這一矛盾更為突出。木試驗機在一個機架上同時裝配了四個試驗單元， 徐 州 工 程 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計 9 增加了試驗土位，從而大大縮短了試驗時間，同時也為作對比試驗提供了便利。 關(guān)節(jié)頭試件由夾具夾持固定于試驗機主軸上。試驗時載荷的施加由加載油缸完成。 向加載油缸的上腔輸入壓力油，活塞桿將向下移動，并通過花鍵軸帶動關(guān)節(jié)頭試件壓向 臼杯試件。利用液壓系統(tǒng)調(diào)節(jié)液壓油的壓強，可滿足試驗時不同載荷要求。臼杯座中可 安裝不同規(guī)格（φ20mm～φ50mm）的髖臼試件，并通過組合軸承部件固定在支撐斜板上。 支撐斜板在電機驅(qū)動下作勻速旋轉(zhuǎn)運動，防轉(zhuǎn)桿受到試驗機立柱的阻擋產(chǎn)生反方向阻力， 通過軸承固定于支撐斜板上的臼杯座在合力作用下一邊繞試驗機主軸旋轉(zhuǎn)，一邊往復(fù)擺 動。安裝在臼杯座中的髖臼試件與關(guān)節(jié)頭試件間呈現(xiàn)交叉狀、多方向復(fù)合滑動運動； 圖 2-7 試驗機草圖 徐 州 工 程 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計 10 2.6 機械傳動部分的運動特性分析 多向復(fù)合滑動方式：采用該方式試驗時，偏心輪以恒角速度 ω 旋轉(zhuǎn)，臼杯座支承軸 在其帶動下圍繞主軸軸線作圓錐狀回轉(zhuǎn)，固定在支承軸上的防轉(zhuǎn)桿受機座限制產(chǎn)生反向 阻力，在該力作用下支承 軸除繞主軸軸線回轉(zhuǎn)外還要自轉(zhuǎn)，此時試驗機的運動簡圖可 以表示成圖 2-8 所示形式（為分析方便，防轉(zhuǎn)桿與機座的點接觸形成的Ⅰ級運動副用兩 個Ⅳ運動副及一個Ⅴ運動副代替）： 圖 2-8 試驗機運動原理圖 由機械原理知，若某空間運動鏈由 N 個構(gòu)件組成，當(dāng)固定其中之一為機架后，所剩 活動構(gòu)件數(shù)為 n=N－1，如果在組成運動鏈時共加入 P1 個 I 級副、P2 個Ⅱ級副、P3 個 Ⅲ級副、P4 個Ⅳ級副及 P5 個Ⅴ級副，則空間運動鏈相對于機架的自由度為： F≤0 時運動鏈不可能產(chǎn)生相對運動。對 F＞0 的運動鏈，當(dāng)原動件數(shù)小于機構(gòu)自由 度時，構(gòu)件間的相對運動是無規(guī)則的；原動件數(shù)大于 F 時，機構(gòu)不能運動；只有當(dāng)原動 件數(shù)等于 F 時，構(gòu)件之間才能獲得確定的相對運動。分析圖 2-7 可知，該空間運動鏈 的構(gòu)件數(shù) N＝5，共包括 3 個 V 級副和 2 個 IV 級副，因此其自由度為： F＝6×（5－1）－5×3－4×2＝1 關(guān)節(jié)模擬試驗機運轉(zhuǎn)時，只有一個原動件，即偏心輪的旋轉(zhuǎn)運動，因此可知，該空 間機構(gòu)能夠獲得確定的相對運動。 盡管從理論上講，有確定相對運動的運動軌跡可以用數(shù)學(xué)方程來唯一表達(dá)，然而， 由于髖關(guān)節(jié)運動時所固有的復(fù)雜性，人們在研究摩擦表面的運動特性時，往往采用模擬 軌跡法或刻痕軌跡法，以達(dá)到簡單、形象地描繪出運動軌跡的目的。 本試驗機從結(jié)構(gòu)原理上看，應(yīng)屬于 BRM（Biaxial rocking motion）型全髖關(guān)節(jié)模 擬試驗機。該類型試驗機運行時主要依靠下試件相對于上試件作往復(fù)式圓弧狀擺動以實 現(xiàn)摩擦面間的交叉狀復(fù)合滑動運動。在運行過程中，下試件摩擦表面上的任一點均相對 于水平、垂直二軸作周期性擺動。若以與其中一軸的夾角為 FE，與另一軸的夾角為 AA， 徐 州 工 程 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計 11 則摩擦面上任一點的運動波形可以表達(dá)成圖 2-9 所示形式： 圖 2-9 試驗機的運動波形分析 以此運動波形為基礎(chǔ)，在摩擦面上隨機地挑選幾個點計算其運動軌跡，模擬結(jié)果如 圖 2-10 所示?？梢钥闯?，隨著所分析點在摩擦面上所處位置的不同，其運動軌跡相差 很大。在球的端部出現(xiàn)一個標(biāo)準(zhǔn)圓周軌跡，該軌跡所對應(yīng)的點恰為臼杯座支承軸軸線與 關(guān)節(jié)副對摩表面的交點。因該點位于臼杯試件自轉(zhuǎn)軸線上，在試驗過程中不會因臼杯試 件的自轉(zhuǎn)產(chǎn)生水平方向的相對位移，因此其運動軌跡為一個標(biāo)準(zhǔn)圓。從該點依次向外， 點的軌跡逐漸變成非對稱橢圓形，且隨著與球頂點距離的增大，運動軌跡越來越不規(guī)則， 當(dāng)點到達(dá)試件邊緣時，其運動軌跡變?yōu)椤?”字型。V.Saikko 等為驗證該模擬結(jié)果的正 確性，在髖臼試件的不同位置嵌入 17 個硬質(zhì)針頭，并將此試件與關(guān) 節(jié)頭試件一同裝入 BRM 型試驗機，加載后運行一個周期。在顯微鏡下觀察關(guān)節(jié)頭試 件的表面劃痕并用墨水描出軌跡。 如圖 2-10 所示。比較圖 2-10、圖 2-11 可發(fā)現(xiàn)，兩種模擬結(jié)果的對應(yīng)性非常好。 圖 2-10 BRM 關(guān)節(jié)試驗機運動軌跡模擬圖 在自行研制的髖關(guān)節(jié)模擬試驗機上，采用與 V.Saikko 類似的方法得關(guān)節(jié)摩擦面間 的運動軌跡如圖 2-11 所示。與圖 2-10、圖 2-11 比較后可看出，它們的運動相同。 徐 州 工 程 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計 12 圖 2-11 關(guān)節(jié)試驗機運動實測圖 研究資料表明，為了準(zhǔn)確、逼真地再現(xiàn)人體髖關(guān)節(jié)的運動特性，模擬試驗機在結(jié)構(gòu) 設(shè)計上應(yīng)滿足以下兩點要求：1、偶副對摩面在實驗過程中應(yīng)呈交叉狀、多方向性相對滑 動運動；2、對摩面上任一點的滑動軌跡在運動過程中應(yīng)持續(xù)改變。通過以上模擬結(jié)果可 知，本試驗機可以較好地實現(xiàn)這兩種功能。因此，從理論上分析，盡管本試驗機所提供 的運動形式與天然髖關(guān)節(jié)相比不盡相同，但它能夠較好地模擬關(guān)節(jié)運動的特殊性和復(fù)雜 性，并使得在此基礎(chǔ)上產(chǎn)生的摩擦形式、磨損機理與天然關(guān)節(jié)一致。 2.7 磨損量的測定及磨損率的計算 2.7.1 磨損量的測定 磨損量常用的測量方法有稱重法、測長法、表面輪廓法以及光譜法、鐵譜法等。在 本試驗中，考慮到試驗機的具體結(jié)構(gòu)以及本著方便、快捷的原則，采用稱重法測量試樣 的磨損質(zhì)量損失。在測試高分子材料的磨損量時，材料的吸水特性對磨損量的測量影響 尤其大。表 2-1 示出了超高分子量聚乙烯（UHMWPE ）試件在一天之中由于吸濕引起的重 量變化： 表 2-1 UHMWPE 在不同時刻的重要變化 可以看出，一天之中由于溫度、濕度的改變導(dǎo)致試件重量發(fā)生了很大變化，從早晨的 45.9088g 至中午的 45.9083g 再到傍晚的 45.9089g，一天之中試件重量的最大改變量 達(dá)到 0.6mg。如此大的重量變化對于磨損量的測量極為不利。可以想象，在關(guān)節(jié)模擬試 驗機上試驗時，由于潤滑介質(zhì)的存在這種影響還將大大加劇。試驗過程中試件由磨損造 徐 州 工 程 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計 13 成的質(zhì)量損失較小，這種由材料吸濕性導(dǎo)致的重量改變完全有可能影響試驗數(shù)據(jù)的測量， 甚至將真實試驗數(shù)據(jù)覆蓋。為保證磨損量的測試精度，把材料吸水性引起的測量誤差減 至最小，在試驗中采取了“參考試件法” 。取一與被測試件材料、形狀完全相同的樣品作 為參考試件，稱重后置于與試驗偶副相同的試驗環(huán)境中（相同溫度、相同潤滑液浸泡） 。 試驗后取下被測試件和參考試件一同置于超聲波清洗器中用蒸餾水清洗 3min，在 80℃ 烘箱中烘干 40min，然后在干燥器中冷卻至室溫，采用感量為 0.01mg 的 BT211D 型電子 天平測量試件重 量變化。設(shè)參考試件試驗前重量為 Wc1，試 驗后為 Wc2，則 由試驗環(huán)境導(dǎo)致的材料單位重量的改變量為： 式（2-1） 被測試件與參考試件材料、形狀相同，因此可認(rèn)為二者受試驗環(huán)境影響造成的單位 重量改變量一致，如被測試件試驗前重量為 Ws1，則其由試驗環(huán)境導(dǎo)致的重量改變量為： 式（2-2） 在最終計算被測試件的磨損量時，減去 Δ2 即可消除試驗環(huán)境改變對試件重量的影 響。采用這種處理方式后，可確保試件稱量時環(huán)境因素的一致性，把由材料吸水性等造 成的誤差控制在最小范圍內(nèi)。 2.7.2 臨床磨損率的計算 臨床磨損率（Penetration rate）表示了股骨頭每年對人工髖臼所造成磨損程度的 大小，對于衡量人工關(guān)節(jié)副的長期療效具有重要意義。臨床磨損率一般通過 X 射線法或 臨床解剖測得。J.R.Atkinson、D.Dowson 等人通過長期臨床觀察表明臨床磨損率同髖臼 磨損量之間呈線性關(guān)系，因此可通過下式將關(guān)節(jié)模擬試驗機上所得磨損結(jié)果轉(zhuǎn)化為臨床 磨損率： 式（2-3） 式中：P：臨床磨損率（ mm/year） ； W：人工髖臼 1 年的磨損量（ mg） ； ρ：髖臼材料的密度（g/cm3） ； r：關(guān)節(jié)頭假體的球頭半徑（mm） ； C：髖臼材料的蠕變率（%） 。 資料表明，一般情況下在試驗室中進(jìn)行試驗時，關(guān)節(jié)試驗機運行 106cycle 相當(dāng)于 關(guān)節(jié)假體在體內(nèi)環(huán)境中運行一年。據(jù)此可將試驗結(jié)果換算為臨床磨損率。 徐 州 工 程 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計 14 2.7.3 磨損因數(shù)的計算 磨損因數(shù)（Wear factor）表示了材料在單位載荷（N） 、單位滑動距離（m）時的磨 損質(zhì)量損失，在比較不同材料的耐磨性時有重要應(yīng)用。一般情況下在試驗室中進(jìn)行試驗 時， 磨損因數(shù)可由下式計算： 式（2- 4） 式中：k：磨損因數(shù)（mm3N-1m-1） ； W：試驗材