[发明专利]膝关节假体垫片三维力传感器及其接触应力测量方法

权利要求书

1.一种膝关节假体垫片三维力传感器，其特征在于：包括：

中间柔弹性层，所述中间柔弹性层具有上曲面和下曲面，所述上曲面或者所述下曲面上设置有若干个感应元件；

上硬质层，所述上硬质层的形状与所述上曲面的形状相适配并贴合于所述上曲面上；

下硬质层，所述下硬质层的形状与所述下曲面的形状相适配并贴合于所述下曲面上；

所述膝关节假体垫片三维力传感器通过以下步骤实现接触应力的测量：

S01：通过拟合得到所述中间柔弹性层、所述上硬质层和所述下硬质层的表面形状的曲面方程f(x,y,z)＝0，每个所述感应元件的坐标为(x_i,y_i,z_i)(i＝1,2,3,4,5,6,7……m)，对应的法线方向为单位化后对应的法线方向记为每个所述感应元件输出的力大小为F_i；其中，i表示感应元件的数量；

S02：设合力点的坐标为(x₀,y₀,z₀)，合力大小为每个感应元件输出的力的矢量和求得合力单位方向向量n＝(n_x,n_y,n_z)，合力即为膝关节假体垫片三维力传感器的接触应力；

S03：根据力矩平衡求出合力点的坐标(x₀,y₀,z₀)：

2.根据权利要求1所述的膝关节假体垫片三维力传感器，其特征在于：所述下硬质层上设置有若干与各所述感应元件位置对应的支撑柱；

当所述上曲面上设置有若干个所述感应元件时，各所述支撑柱均与所述下曲面贴合；

当所述下曲面上设置有若干个所述感应元件时，各所述支撑柱分别与各所述感应元件贴合。

3.根据权利要求1所述的膝关节假体垫片三维力传感器，其特征在于：各所述感应元件均靠近所述下曲面的周缘间隔设置。

4.根据权利要求2所述的膝关节假体垫片三维力传感器，其特征在于：所述支撑柱的上端面的形状与所述下曲面对应位置的形状相适配。

5.根据权利要求1所述的膝关节假体垫片三维力传感器，其特征在于：所述中间柔弹性层为硅胶层，所述上硬质层和所述下硬质层均为聚乙烯层。

6.根据权利要求5所述的膝关节假体垫片三维力传感器，其特征在于：所述硅胶层和所述聚乙烯层均通过3D打印制成。

7.根据权利要求1所述的膝关节假体垫片三维力传感器，其特征在于：所述感应元件为柔性薄膜感应元件。

8.根据权利要求1～7任一项所述的膝关节假体垫片三维力传感器，其特征在于：所述中间柔弹性层的顶部设有上凹腔，所述上凹腔的腔底面为所述上曲面，所述上硬质层容置于所述上凹腔内。

9.根据权利要求1～7任一项所述的膝关节假体垫片三维力传感器，其特征在于：所述中间柔弹性层的底部设有下凹腔，所述下凹腔的腔底面为所述下曲面，所述下硬质层容置于所述下凹腔内。

10.一种膝关节假体垫片三维力传感器的接触应力测量方法，其特征在于：用于测量权利要求1～9任一项所述的膝关节假体垫片三维力传感器，包括以下步骤：

S01：通过拟合得到所述中间柔弹性层、所述上硬质层和所述下硬质层的表面形状的曲面方程f(x,y,z)＝0，每个所述感应元件的坐标为(x_i,y_i,z_i)(i＝1,2,3,4,5,6,7……m)，对应的法线方向为单位化后对应的法线方向记为每个所述感应元件输出的力大小为F_i；其中，i表示感应元件的数量；

S02：设合力点的坐标为(x₀,y₀,z₀)，合力大小为每个感应元件输出的力的矢量和求得合力单位方向向量n＝(n_x,n_y,n_z)，合力即为膝关节假体垫片三维力传感器的接触应力；

S03：根据力矩平衡求出合力点的坐标(x₀,y₀,z₀)：