专利名称：人工髋关节试验机模拟人体环境的自动控制系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及医疗器械领域，尤其涉及一种主要应用于骨科临床研究或治疗中的人工髋关节试验机模拟人体环境的自动控制系统。
背景技术：
髋关节是人体受力最复杂的关节，同时也是关节疾病的易发部位，常见的有外伤性疾病、缺血坏死性疾病、退行性病变、炎症性及肿瘤性疾病。全世界每年接受髋关节置换手术的病人数已超过了 60万。由于随着现代医疗技术的发展，施行人工髋关节置换手术的情况越来越多。人工关节的磨损不仅能造成关节假体本身的破坏而引起机械性失效，还会产生大量磨损颗粒诱导假体周围骨溶解。研究表明，人工髋关节的晚期松动与磨损颗粒(磨屑)不断增多及其引起的异物反应有关。国内外研究者针对人工髋关节材料设计以及 表面涂层进行了大量研究，期望通过改变配副材料来减轻磨损、减少磨屑，但收效不佳。因此对人工髋关节的强度、蠕变和磨损进行系统研究是必需的。人工髋关节试验机就是在对上述必需的性能试验条件下提出来的。有了试验机的数据采集和自动控制系统，将使的我们更加了解人体髋关节的运动状态及运动过程中的各种参数，为临床试验提供可靠的试验参数。随着数字技术的快速发展，试验机行业也由以往的模拟控制技术走向数字控制，但这种所谓的数字控制技术也只能是在整个模拟系统中部分单元电路采用数字控制方式，其功能主要还是依赖阻容电路的分立元件调整其放大倍数和灵敏度等参数，这种方式不能有效地消除周围环境以及模拟元件离散性等对整个系统精度的影响，更不能实现整套控制系统的批量生产，这不仅给整个系统的电气性能带来了极大的影响，也给生产与维护带来很多的麻烦。

实用新型内容本实用新型的目的在于提供一种人工髋关节试验机模拟人体环境的自动控制系统，能够同时对两路压力载荷和转动角度信号进行采集、处理、分析和存储及对两个步进电机进行控制，控制转动频率和转动角度。本实用新型的技术方案是一种人工髋关节试验机模拟人体环境的自动控制系统，包括RS-232串口线、A/D转换模块、跳线、角度电机细分驱动器、电线、角度电机、角度传感器、第一电缆线、第二电缆线、信号调理模块、压力传感器、压力电机、压力电机细分驱动器、PWM控制模块、开发板电源模块、DSP开发板、计算机，所述DSP开发板包括RS-232串口线、A/D转换模块、PWM控制模块。压力传感器和角度传感器分别位于人工髋关节试验机的压力电机和角度电机处，压力传感器和角度传感器分别通过第一电缆线和信号调理模块相连，压力传感器和角度传感器输出的每一路信号的正极和负极分别和信号调理模块的差分输入端相连，参考电极与信号调理模块的参考地相连，信号在信号调理模块中要经过放大、滤波处理，信号调理模块的电源由开发板电源模块提供，调理好的信号通过第二电缆线输入到DSP开发板的模拟通道内，再由DSP开发板中的A/D转换模块通过RS-232串口线传输到计算机能够处理的数字信号，进行最后的显示、处理、分析和存储，同时采集回来的信号与试验机保存的信号对比，通过DSP开发板中的PWM模块控制步进电机的转动。所述DSP开发板与开发板电源模块连接，并通过RS-232串口线与计算机相连，以完成DSP开发板与计算机之间的数据的通信。优选地，计算机的操作系统为Windows XP操作系统，用户应用程序编写所用软件为基于LabVIEW9. 0自行开发的信号采集分析控制软件。使用LabVIEW9. 0图形化开发软件和其附带的高级信号处理开发工具包(Advance Signal Processing Toolkit forLabVIEW9. 0)的软件系统对压力和角度信号采集、处理、分析、存储控制电机转速，不但能够很好的完成压力和角度信号基本的分析功能，同时能够控制压力和角度电机的转速及角度大小、频率。可以用于工业控制、医疗器械、假体材料检测的研究等，而且使用LabVIEW9.0能够大大的加快系统的开发速度和后续功能完善。
根据本实用新型的一个实施方式，所述第一电缆线或所述第二电缆线为三芯屏蔽缆线；所述第一电缆线和第二电缆线的屏蔽层可以与电路的覆铜层相连，并在信号调理模块中设置工频陷波器、高通滤波器、二阶低通滤波器等多种有效措施去除压力和角度信号中噪声和有效防止外部干扰。根据本实用新型的一个实施方式，本实用新型还包括角度电机细分驱动器和压力电机细分驱动器，其中角度电机细分驱动器与PWM控制模块及角度电机连接，压力电机细分驱动器与PWM控制模块及压力电机连接。本系统的有益效果在于本实用新型系统能够同时对两路压力载荷和转动角度信号进行采集、处理、分析和存储及对两个步进电机进行控制，控制转动频率和转动角度。此系统不但能够很好对采集到得压力载荷和转动角度进行数据处理同时能够实现对步进电机的精确控制，数据分析实时控制性较好。采用虚拟仪器技术开发的软件系统，不但使系统的开发周期大大缩短，且更容易进行系统功能的拓展，满足一些特殊情况下对压力和角度信号的分析和处理及对步进电机的控制。本系统具有开发简单、实用、可拓展性强、性价比高等特点，能够广泛的应用于工业控制、医疗器械、假体材料检测的研究当中。

图I是本实用新型人工髋关节试验机模拟人体环境的自动控制系统结构示意框图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本实用新型的具体实施方式
作进一步的说明，但不应以此限制本实用新型的保护范围。如图I所示人工髋关节试验机模拟人体环境的自动控制系统结构示意图，本实用新型自动控制系统包括角度电机6、角度传感器7、第一电缆线8、第二电缆线9、信号调理模块10、压力传感器11、压力电机12、开发板电源模块15、DSP开发板16、计算机17，DSP开发板16包括RS-232串口线I、A/D转换模块2、PWM控制模块14，其中压力传感器11和角度传感器7分别位于压力电机12和角度电机6处，压力传感器11和角度传感器7分别通过第一电缆线8和信号调理模块10相连,参考电极与信号调理模块10的参考地相连,信号调理模块10通过第二电缆线9连接到DSP开发板16，DSP开发板16与开发板电源模块15连接，并通过RS-232串口线I与计算机17相连。本实用新型自动控制系统还包括角度电机细分驱动器4和压力电机细分驱动器13，其中角度电机细分驱动器4与PWM控制模块14及角度电机6连接，压力电机细分驱动器13与PWM控制模块14及压力电机12连接。在进行压力和角度的信号采集时，计算机17发出信号，经过RS-232串口线I进入到DSP的开发板16中，接通开发板电源模块15、打开DSP开发板16。DSP开发板16中编好的程序对接收到的数字信号进行数模转换，变成模拟信号，模拟信号进入到开发板的PWM模块14中，输出不同的模拟电压和占空比。同时PWM模块14输出的模拟电压信号通过跳线3被压力电机细分控制器13和角度电机细分控制器4接受，压力电机细分控制器13和角度电机细分控制器4通过电线5输出不同的电压，从而使压力电机12和角度电机6产生不同的速度及运动的距离，即达到不同频率和角度、压力。当压力电机12和角度电机6运动后，装在压力电机12上的压力传感器11和角度电机6上的角度传感器7接收到信号，信号通过第一电缆线8进入到信号调理模块10。信号调理模块10将信号放大、滤波、去除信号 中的噪音达到DSP开发板16所能识别的标准电压信号。经过信号调理模块10调理好的标准电压信号，通过第二电缆线9输入到DSP开发板16的模拟信号输入通道，进行信号的模数转换，以转换成计算机17能够处理的数字信号，在计算机17中，操作系统采用为WindowsXP操作系统，用户应用程序编写所用软件为基于LabVIEW9. 0自行开发的信号采集分析控制软件，完成压力和角度的数据采集、处理、显示、分析、存储和对比。以备后续研究的分析应用。第一电缆线8或第二电缆线9选用三芯屏蔽缆线，而且还可以将两条电缆线的屏蔽层与电路的覆铜层相连，并在信号调理模块10中设置工频陷波器或高通滤波器或二阶低通滤波器等多种有效措施去除压力和角度信号中噪声和有效防止外部干扰。以上所述仅为本实用新型的较佳实施方式而已，并非用来限定本实用新型的实施范围。任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本实用新型的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰，因此本实用新型的保护范围应当以权利要求书所界定范围为准。
权利要求1.一种人工髋关节试验机模拟人体环境的自动控制系统，其特征在于包括角度电机(6)、角度传感器(7)、第一电缆线(8)、第二电缆线(9)、信号调理模块(10)、压力传感器(11)、压力电机(12)、开发板电源模块(15)、DSP开发板(16)、计算机(17)，所述DSP开发板(16)包括RS-232串口线(I)、A/D转换模块(2)、PWM控制模块(14)，其中所述压力传感器(11)和角度传感器(7)分别位于压力电机(12)和角度电机(6)处，压力传感器(11)和角度传感器(7)分别通过第一电缆线(8)和信号调理模块(10)相连，参考电极与信号调理模块(10)的参考地相连，信号调理模块(10)通过第二电缆线(9)连接到DSP开发板(16)，DSP开发板(16)与开发板电源模块(15)连接，并通过RS-232串口线(I)与计算机(17)相连。
2.根据权利要求I所述的人工髋关节试验机模拟人体环境的自动控制系统，其特征在于所述第一电缆线(8 )或所述第二电缆线(9 )为三芯屏蔽缆线。
3.根据权利要求I或2所述的人工髋关节试验机模拟人体环境的自动控制系统，其特征在于所述第一电缆线(8)和第二电缆线(9)的屏蔽层与电路的覆铜层相连，并在信号调理模块(10)中设置工频陷波器、高通滤波器或二阶低通滤波器。
4.根据权利要求I或2所述的人工髋关节试验机模拟人体环境的自动控制系统，其特征在于还包括角度电机细分驱动器(4)和压力电机细分驱动器(13)，其中角度电机细分驱动器(4 )与PWM控制模块(14 )及角度电机(6 )连接，压力电机细分驱动器(13 )与PWM控制模块(14)及压力电机(12)连接。
专利摘要本实用新型涉及一种人工髋关节试验机模拟人体环境的自动控制系统，其包括角度电机、角度传感器、第一电缆线、第二电缆线、信号调理模块、压力传感器、压力电机、开发板电源模块、DSP开发板、计算机，DSP开发板包括RS-232串口线、A/D转换模块、PWM控制模块，其中压力传感器和角度传感器分别位于压力电机和角度电机处，压力传感器和角度传感器分别通过第一电缆线和信号调理模块相连，参考电极与信号调理模块的参考地相连，信号调理模块通过第二电缆线连接到DSP开发板，DSP开发板与开发板电源模块连接，并通过RS-232串口线与计算机相连。本系统可以用于工业控制、医疗器械、假体材料检测的研究等，并且可以很方便的对系统进行拓展，使系统更加完善实用。
文档编号G01N3/02GK202582977SQ20112049235
公开日2012年12月5日 申请日期2011年12月1日 优先权日2011年12月1日
发明者项华中, 陈岚, 林春花, 陈晟达 申请人:上海理工大学