一種測量兩受力體間壓力分布以及間距變化的前端裝置的製作方法
2024-01-27 18:01:15 1
專利名稱：一種測量兩受力體間壓力分布以及間距變化的前端裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及測量技術領域，尤其涉及一種測量兩受力體間壓力分布以及間距變化的前端裝置。
背景技術：
在現代工業和現代醫療技術領域中，經常需要了解兩個受力體之間張力的分布情況以及兩個受力體之間的間距，並對兩個受力體之間的間距進行調整，以達到張力平衡的目的。例如，在全膝關節置換(Total KneeArthroplasty，TKA)手術中，下肢力線對齊和軟組織平衡是整個手術的兩個關鍵因素，對提高人工關節壽命起到決定作用，為此需要測量股骨、脛骨之間的間隙，以及股、脛骨之間的受力分布，以便給臨床醫生提供定量的力的分布情況和間隙大小信息；同時，醫生還要根據測得的受力分布以及間隙大小的情況調節膝關節在伸、屈狀態下的內外軟組織平衡，使得軟組織張力處在合適的鬆緊狀態。又如假肢製作中，也同樣有上述需求，用於幫助製作者完成準確的膝關節內外軟組織平衡的調節和選擇合適的人工膝關節的大小。為此，迫切需要一種測量前端裝置，該裝置可以作用在兩受力體之間，既能採集兩受力體間的壓力分布情況信號，還能調節兩受力體之間的間距，並且在調節兩受力體間距的同時，實時採集到兩受力體間間距變化信號；並將採集到的壓力信號和間距信號輸出給相應的測量裝置得到定量的數據。但由於目前還沒有這樣的前端裝置，因此，TKA手術中，膝關節內外側軟組織張力平衡的測定往往是靠手術者的經驗來評估，其精確程度不高；雖然也有通過機械張力器測定膝關節內股脛骨之間間隙，但調節軟組織平衡仍然需要臨床醫生通過手觸摸，憑藉經驗和感覺去完成。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種測量前端裝置，該測量前端裝置既能實時採集、輸出兩受力體間的壓力分布情況信號，還能調整兩受力體之間的間距，並且在調節兩受力體間距的同時，實時採集、輸出兩受力體間變化的間距信號。
本發明為解決上述技術問題所採用的技術方案為一種測量兩受力體間壓力分布以及間距變化的前端裝置，包括與所述受力體接觸的上、下端面板，若干個用於採集所述壓力信號的力傳感器固定安裝在所述上端面板的上端面處；所述上下端面板之間有一可調節支撐裝置，所述可調節支撐裝置用於支撐所述上下端面板、使其間保持一定間距，同時用於調節所述上下端面板之間的間距；所述上下端面板之間還設置一用於採集所述上下端面板之間間距信號的間距測量裝置。
所述的前端裝置，其中所述的間距測量裝置包括固定在所述下端面板上端面的一角度傳感器，以及垂直固定在所述上端面板下端面的聯動杆；所述角度傳感器的測量柱與所述聯動杆垂直相交，且相互間緊密接觸，當所述聯動杆沿其軸線上下運動時能帶動所述角度傳感器的測量柱轉動。
所述的前端裝置，其中所述角度傳感器的測量柱外套一橡膠輪，所述橡膠輪與所述測量柱緊配合。
所述的前端裝置，其中所述的可調節支撐裝置包括垂直設置在所述下端面板上端面中部的一螺杆，所述螺杆的下端部與下端面板上端面滑動配合；一螺套，所述螺套固定在所述上端面板下端面的中部；所述螺杆的上端與所述螺套螺接；一調節機構，所述調節機構通過推動所述螺杆旋轉(轉動)使上端面板產生上下位移。
所述的前端裝置，其中所述調節機構包括；套裝在所述螺杆外部且與所述螺杆固定連接的第二錐齒輪；一主動驅使的手輪；一端與所述手輪垂直固定連接的轉動軸，所述轉動軸的另一端與第一錐齒輪固定連接；所述第一錐齒輪與第二錐齒輪之間相互咬合，當第一錐齒輪轉動時帶動第二錐齒輪轉動。
所述的前端裝置，其中所述可調節支撐裝置還包括對稱且垂直固定在上端面板的下端面/下端面板的上端面的至少二個導杆，以及對稱且垂直固定在下端面板的上端面/上端面板的下端面至少二個導套；所述導杆插入所述導套內，並與所述導套松配合。
所述的前端裝置，其中所述的上端面板包括上板及託板，所述託板位於所述上板的下端面，託板與上板之間通過固定裝置連成一體；所述壓力傳感器固定安裝在所述託板上面，且在所述上板與所述壓力傳感器位置相對應處設有與所述傳壓力感器形狀大小相適配的安裝通孔，使得所述壓力傳感器鑲嵌在所述安裝通孔內，且所述壓力傳感器的受力部位至少與所述上板的上端面平齊。
所述的前端裝置，其中所述螺杆的下端部上安裝一軸承；所述下端面板上對應所述螺杆處有一與螺杆端面相適配的凹槽；裝有所述軸承的所述螺杆的下端部落在所述凹槽內。
所述的前端裝置，其中所述壓力傳感器至少為4個，且均勻分布。
本發明的有益效果為由於採用了上述技術方案，可以實現本實用新型的目的，即該測量前端裝置可以置放在被測兩受力體之間，不僅能實時採集、輸出兩受力體間的壓力分布情況信號，還能通過調節機構來調整兩受力體之間的間距，並且在調節兩受力體間距的同時，連續地實時採集、輸出兩受力體間變化的間距信號；因此滿足了現代工業和現代醫療技術領域中的應用需求，為醫生在全膝置換手術過程中反覆調節軟組織平衡的操作提供了一種方便、實用的測量調整裝置；並且由於該裝置採用高解析度、高靈敏度和高精度的微型壓力傳感器和角度傳感器採集壓力信號和間距信號，因此，本裝置還具有體積小、測量精度高的優點。
圖1a和圖1b為力傳感器測量的基本原理圖；圖2a和圖2b為角度傳感器測量的基本原理圖；圖3為本實用新型測量前端裝置立體結構圖；圖4為本實用新型測量前端裝置結構爆炸圖；圖5為本實用新型測量前端裝置的結構原理圖；圖6為壓力傳感器校準控制流程圖；圖7為角度傳感器校準控制流程圖。
具體實施方式
下面根據附圖和實施例對本發明作進一步詳細說明用壓力傳感器來測量兩受力體間的壓力大小的基本原理如圖1a和圖1b所示，在一個剛性平板上固定多個微型單點壓力傳感器，每個壓力傳感器在可承受的壓力範圍內，傳感器輸出的電壓信號和加載在傳感器上的壓力成線性關係，即f＝aV+b (公式1)其中V是傳感器輸出的電壓大小，f是力的大小，a為直線方程的斜率，b為截距。因此當通過測量得到力傳感器的電壓信號V後，就能根據公式1計算出實際加載在傳感器上力f的大小。
測量兩受力體間隙大小的基本原理如圖2a和圖2b所示當受力體1和受力體2之間的距離D比較小(＜30mm)，而且變化量也很小(＜15mm)時，可以採用高精度的微型角度傳感器3來反算位移的變化。此時，角度傳感器把受力體間距的直線位移變化轉化為角度變化，受力體間距的直線距離和角度傳感器輸出的角度變化量滿足以下線性關係D＝D0+kΔθ(公式2)其中D是兩受力體間距離大小，D0是一個起始值，Δθ是角度變化量，k是比例係數。由公式2可見，通過測量角度傳感器輸出的信號Δθ來計算距離D的大小。
本實用新型就是根據上述測量原理，採集和輸出壓力信號V和角度變化量Δθ，通過與後續測量設備結合，從而實時定量得出兩受力體之間壓力的大小以及變化的間距。
參見圖3和圖4，一種測量兩受力體間壓力分布以及間距變化的前端裝置，包括與所述受力體接觸的上端面板1、下端面板2，若干個用於採集所述壓力信號的壓力傳感器3固定安裝在所述上端面板1的上端面處；所述上下端面板之間有一可調節支撐裝置，用來支撐所述上下端面板、使上下端面板之間保持一定間距，同時用於調節上下端面板之間的間距；在上下端面板之間還設置一用於採集所述上下端面板之間間距信號的間距測量裝置。在具體實現中，間距測量裝置包括固定在下端面板上端面的一角度傳感器4，以及垂直固定在所述上端面板下端面的聯動杆5；所述角度傳感器4前端的測量柱與所述聯動杆5垂直相交，且相互間緊密接觸，當上端面板1上下移動時，固定在上端面板1的聯動杆5就隨之沿聯動杆的軸線方向上下運動，由於聯動杆5與測量柱之間緊密接觸，聯動杆5上下運動就帶動角度傳感器4的測量柱轉動，即產生了角度變化量Δθ。角度傳感器4將採集到的角度變化量Δθ輸出至後續測量設備，根據公式2就可以由Δθ反算出上端面板的位移，從而得到上下端面板之間的間距。
在具體實施中，為了增加聯動杆5與角度傳感器4前端測量柱之間的摩擦力，提高採樣測量的準確性，在角度傳感器的測量柱外套一橡膠輪41，所述橡膠輪41與所述測量柱緊配合；橡膠輪41的外部與聯動杆5緊密接觸，當上端面板1上下移動時，聯動杆5帶動包裹著橡膠輪41的測量柱轉動。並且為了防止灰塵落入以及在測量過程中血液等汙濁物汙染角度傳感器、影響其測量精度，將角度傳感器4固定安置在一封閉盒體42內，僅測量柱露出盒體42外與聯動杆5接觸；並且所述盒體42固定在下端面板2上。
所述上下端面板之間的可調節支撐裝置，具體包括垂直設置在下端面板上端面中部的一螺杆60，以及固定在所述上端面板下端面中部的一螺套61；所述螺杆60的下端部與下端面板2的上端面滑動配合，例如，在螺杆60的下端部上固定裝有一軸承，在下端面板2上對應螺杆部位有一與螺杆60端面相適配的凹槽，裝有軸承的螺杆的下端部落在所述凹槽內；而螺杆60的上端與所述螺套61螺接配合；這樣，垂直於上下端面板的螺杆60一方面起到了支撐上下端面板的作用，另一方面，當有外力推動螺杆60旋轉時，通過螺杆在螺套內的旋轉，使上端面板1相對下端面板2產生上下位移，即上下端面板之間的距離發生變化，達到了調節上下端面板之間間距的目的。在實際製作中，所述螺套61可以是固定或鑲嵌在上端面板1下面的獨立部件，也可以是直接在上端面板1上加工而成的內螺套。
可調節支撐裝置還包括一調節機構，所述調節機構用於推動螺杆60旋轉(轉動)使上端面板產生上下位移，也就是用來調節上下端面板之間的間距。調節機構可以採用多種為業內人士所熟知的結構形式來實現，例如本實施例採用的調節機構包括套裝在所述螺杆外部且與所述螺杆固定連接的第二錐齒輪74，第二錐齒輪74轉動時可以帶動螺杆60旋轉；還包括一主動驅使的手輪71，一轉動軸72，以及第一錐齒輪73，轉動軸72的一端與手輪71垂直固定連接，轉動軸72的另一端與第一錐齒輪73固定連接；而第一錐齒輪73與第二錐齒輪74之間相互咬合，當第一錐齒73輪轉動時咬合帶動第二錐齒輪74轉動。由此可見，當轉動手輪71時，轉動軸帶動第一錐齒輪73轉動，第一錐齒輪73咬合帶動第二錐齒輪74轉動，從而帶動螺杆60旋轉，螺杆的旋轉頂動上端面板1發生上下位移，完成了對上下端面板間距的調節。
為使上下端面板之間在調節過程中始終保持平衡並處於平行的狀態，以及裝配工藝上的需要，在下端面板2上端面的邊緣對稱於螺杆60的位置上分別固定兩個導套81，在上端面板下端面邊緣對稱於螺套的位置分別固定兩個導杆82，兩個導杆82分別插入兩個導套81內，並且互為松配合，以此形成輔助支撐裝置。導杆和導套的位置可以互換，即導杆固定在下端面板上，導套固定在上端面板上。
為了能採集到兩受力體間壓力的分布情況，設置在上端面板上的壓力傳感器至少為4個，並且均勻地分布在上端面板上。為了方便在上端面板上安裝固定壓力傳感器，所述的上端面板包括上板11及託板12兩部分，託板12位於所述上板11的下部，用於承載壓力傳感器，所述壓力傳感器固定安裝在託板上面；託板與上板之間通過固定裝置連成一體；在上板與壓力傳感器位置相對應處設有安裝通孔111，該安裝通孔的大小形狀與壓力傳感器3相適配，通過螺釘112將託板固定在上板的下端面上，使上板與託板形成一體，壓力傳感器猶如鑲嵌在安裝通孔內，壓力傳感器的受力部位至少與所述上板的上端面平齊，可以接觸受力體以便採集壓力信號。
根據上述對前端裝置結構的分析，並結合圖5所示的結構示意圖，我們可以清楚地看到，當通過電源線91給壓力傳感器3和角度傳感器4通電後，壓力傳感器和角度傳感器就能採集兩受力體間的壓力分布和兩受力體的間距，並將採集到的壓力信號和間距信號通過信號線92輸出到後續的測量設備；當轉動手輪71時，就可以調整上下端面板的間距，並可以一邊調節上下端面板的間距，一邊實時採集連續變化的間距信號以及壓力信號，滿足了現代工業和現代醫療技術領域中的應用需求。
該前端裝置在測量使用之前，首先要對測量裝置前端上的力傳感器和角度傳感器進行校準。壓力傳感器的校準，是通過預先加載的力大小和力傳感器信號幅值之間的關係，通常採用線性最小二乘法擬合，得到各個力傳感器的直線擬合係數。對單個力傳感器校準的具體方法參見圖6，為(1)設定負載初始值，一般是最小值，設定負載增加量大小，最小值和最大值；(2)測量壓力傳感器的輸出信號，並保存對應的信號幅值到數組中的對應位置；(3)增加負載；(4)測量壓力傳感器的輸出信號，並保存對應的信號幅值到數組中的對應位置；(5)判斷負載是否增加到最大值，是，則到(6)，否，則重複(3)和(4)；(6)減少負載；(7)測量壓力傳感器的輸出信號，並保存對應的信號幅值到數組中的對應位置；(8)判斷負載是否減少到最小值，是，則轉到(9)，否，則重複(6)和(7)；根據測量的壓力傳感器的幅值大小和對應的壓力，進行上升和下降方向兩組數據的線性擬合，並保存線性擬合數據。
角度傳感器的校準也是通過預先設置的間距大小和角度傳感器輸出的信號大小之間的關係，採用線性最小二乘法擬合，得到角度傳感器的直線擬合係數；具體方法參見圖11，為(1)設定間距初始值，一般是最小值，設定間距增加量大小，最小值和最大值；(2)測量角度傳感器的輸出信號，並保存對應的信號幅值到數組中的對應位置；(3)增加間距；(4)測量角度傳感器的輸出信號，並保存對應的信號幅值到數組中的對應位置；(5)判斷距離是否增加到最大值，是，則到(6)，否，則重複(3)和(4)；(6)減少間距；(7)測量角度傳感器的輸出信號，並保存對應的信號幅值到數組中的對應位置；(8)判斷間距是否減少到最小值，是，則轉到(9)，否，則重複(6)和(7)；根據測量的角度傳感器的幅值大小和對應的間距，進行上升和下降方向兩組數據的線性擬合，並保存線性擬合數據。
應當理解的是，本實用新型所述的測量兩受力體間壓力分布以及間距變化的前端裝置，上述針對較佳實施例的描述過於具體，並不能因此而理解為對本實用新型的專利保護範圍的限制，其專利保護範圍應以所附權利要求為準。
權利要求1.一種測量兩受力體間壓力分布以及間距變化的前端裝置，其特徵在於包括與所述受力體接觸的上、下端面板，若干個用於採集所述壓力信號的力傳感器固定安裝在所述上端面板的上端面處；所述上下端面板之間有一可調節支撐裝置，所述可調節支撐裝置用於支撐所述上下端面板、使其間保持一定間距，同時用於調節所述上下端面板之間的間距；所述上下端面板之間還設置一用於採集所述上下端面板之間間距信號的間距測量裝置。
2.根據權利要求1所述的前端裝置，其特徵在於所述的間距測量裝置包括固定在所述下端面板上端面的一角度傳感器，以及垂直固定在所述上端面板下端面的聯動杆；所述角度傳感器的測量柱與所述聯動杆垂直相交，且相互間緊密接觸，當所述聯動杆沿其軸線上下運動時能帶動所述角度傳感器的測量柱轉動。
3.根據權利要求2所述的前端裝置，其特徵在於所述角度傳感器的測量柱外套一橡膠輪，所述橡膠輪與所述測量柱緊配合。
4.根據權利要求1所述的前端裝置，其特徵在於所述的可調節支撐裝置包括垂直設置在所述下端面板上端面中部的一螺杆，所述螺杆的下端部與下端面板上端面滑動配合；一螺套，所述螺套固定在所述上端面板下端面的中部；所述螺杆的上端與所述螺套螺接；一調節機構，所述調節機構通過推動所述螺杆旋轉使上端面板產生上下位移。
5.根據權利要求4所述的前端裝置，其特徵在於所述調節機構包括；套裝在所述螺杆外部且與所述螺杆固定連接的第二錐齒輪；一主動驅使的手輪；一端與所述手輪垂直固定連接的轉動軸，所述轉動軸的另一端與第一錐齒輪固定連接；所述第一錐齒輪與第二錐齒輪之間相互咬合，當第一錐齒輪轉動時帶動第二錐齒輪轉動。
6.根據權利要求5所述的前端裝置，其特徵在於所述可調節支撐裝置還包括對稱且垂直固定在上端面板的下端面/下端面板的上端面的至少二個導杆，以及對稱且垂直固定在下端面板的上端面/上端面板的下端面至少二個導套；所述導杆插入所述導套內，並與所述導套松配合。
7.根據權利要求所述的前端裝置，其特徵在於所述的上端面板包括上板及託板，所述託板位於所述上板的下端面，託板與上板之間通過固定裝置連成一體；所述壓力傳感器固定安裝在所述託板上面，且在所述上板與所述壓力傳感器位置相對應處設有與所述傳壓力感器形狀大小相適配的安裝通孔，使得所述壓力傳感器鑲嵌在所述安裝通孔內，且所述壓力傳感器的受力部位至少與所述上板的上端面平齊。
8.根據權利要求所述的前端裝置，其特徵在於所述螺杆的下端部上安裝一軸承；所述下端面板上對應所述螺杆處有一與螺杆端面相適配的凹槽；裝有所述軸承的所述螺杆的下端部落在所述凹槽內。
9.根據權利要求所述的前端裝置，其特徵在於所述壓力傳感器至少為4個，且均勻分布。
專利摘要一種測量兩受力體間壓力分布以及間距變化的前端裝置，包括與受力體接觸的上、下端面板，若干個用於採集壓力信號的力傳感器固定安裝在上端面板的上端面處；上下端面板之間有一支撐上下端面板保持一定間距，並能調節上下端面板之間間距可調節支撐裝置；所述上下端面板之間還設置一用於採集上下端面板之間間距信號的間距測量裝置。該裝置不僅能實時採集、輸出兩受力體間的壓力分布情況信號，還能調整兩受力體之間的間距，並在調節兩受力體間距的同時，連續地實時採集、輸出兩受力體間變化的間距信號。
文檔編號A61F2/76GK2792418SQ20052005446
公開日2006年7月5日 申請日期2005年1月28日 優先權日2005年1月28日
發明者戴尅戎, 王友, 吳劍, 周志康, 韋啟航 申請人:深圳安科高技術股份有限公司