重庆电子工程职业学院学报稿件信息
自动式滑膜炎造模专用关节活动器研制
赵东亮 郭艳幸▲ 郭珈宜 郭马珑 陆成龙 崔宏勋
河南省正骨研究院 河南省洛阳正骨医院（河南省骨科医院）河南 洛阳 471000
[摘 要] 目的 研制一种自动式滑膜炎造模专用关节活动器，为建立膝关节创伤性滑膜炎动物模型提供一种新的方法。方法 小腿固定板相对于大腿固定板向上有10º的偏角，采用轴承转动、皮带传动等机械设计方法和PLC、步进电机等先进控制技术使小腿固定板绕大腿固定板连接轴自动转动。对8只大白兔右膝关节进行创伤性滑膜炎造模，观察造模前后大白兔膝关节的一般情况，测量其膝关节表皮温度、周径及彩色多普勒超声检查，采用SPSS21.0数据软件包对试验数据进行分析。结果 研制出的样机结构紧凑、使用方便、自动化程度高，关节伸屈可控角度60º-180º，造模前与造模后所测指标差异均有统计学意义（p<0.05）。结论 自动式滑膜炎造模专用关节活动器对创伤性滑膜炎的造模过程有一定的作用。
[关键词] 膝关节创伤性滑膜炎；滑膜炎造模；动物模型；关节活动器；
Development of automatic joint active device for synovitis model
Zhao Dong-liang, Guo Yan-xing, Guo Jia-yi, Guo Ma-long, Lu Cheng-long,
Cui Hong-xun
Orthopedic Institute of Henan Province Luoyang Orthopedic Hospital of Henan Province (Orthopedic Hospital of Henan Province) Luoyang Henan, 471000
[Abstract] Objective:A special automatic joint active device for synovitis model was developed to provide a new method for establishing an animal model about traumatic synovitis of knee joint. Methods: The lower leg fixing plate has an upward deflection angle of 10 degrees relative to the upper leg fixing plate. Mechanical design methods such as bearing rotation、belt transmission and advanced control technologies such as PLC、step motor were used so that the lower leg fixing plate can rotate around the connecting shaft of the upper leg fixing plate automatically. Traumatic synovitis model was made to the right knee joint of 8 white rabbits. the general condition of the knee joint of the white rabbits before and after the modeling was observed. the skin temperature, circumference and color Doppler ultrasound of the knee joint were measured. SPSS 21.0 software package was used to analyze the experimental data. Results: The developed prototype has the advantages of compact structure, convenient operation and high automation degree. The joint extension and flexion angle can be controlled between 60-180 degree. the difference between the indexes measured before and after the model is statistically significant（P<0.05).
Conclusion: Automatic joint active device for synovitis model has certain effect on traumatic synovitis modeling process.
Key words: traumatic synovitis of knee joint; synovitis model; animal model; joint active device;
0 前言
膝关节创伤性滑膜炎临床上很常见，发病率达2%—3%。目前认为主要原因是膝关节负重过大、被动屈伸时间过长，或者受到外力的撞击而形成。但其病因病机、演变规律及生物学特征尚未完全被认识。为开展其病因学及预防治疗学研究，很有必要建立实验动物的关节创伤性滑膜炎模型，获取资料，提供科学的实验依据，探索最佳治疗手段和诊断方法[1] 。
创伤性滑膜炎的造模过程较为不易,因而近年来相关实验研究相对少见，造模方法也没有统一性。
Miyasaka K[2]大鼠背部皮下注入空气形成气囊，气囊内注射角叉莱引起炎症反应，发现与急性创伤性滑膜炎相类似。Muto T [3-4]等通过超负荷被迫wistar大鼠颞下颌关节连续运动造成颞下颌创伤性滑膜炎。Val-ntino LA [5]等运用弹性钝器反复敲击血友病大鼠的膝关节建立关节外伤性滑膜炎模型。国外多数研究都是采用腔注射药物引起滑膜炎症反应，但是腔注射有一定的局限性，并不能够反映出创伤性滑膜炎的病因病机。
国内对创伤性滑膜炎的实验研究比较少,近些年，易世宏等将新西兰大白兔麻醉，针灸垂直刺入兔后肢股四头肌和腓肠肌中点，连接电针仪并通电，使其膝关节不停地被动屈伸，每天2次，每次运动45分钟，第10天后建立兔的膝关节创伤性滑膜炎模型。由于兔子对麻醉药存在个体差异，容易出现麻醉不够而无法完成预定的时间，或者麻醉过程导致死亡[6] 。
本文通过创伤性滑膜炎造模专用关节活动器带动兔膝关节模仿人类单一往返引起创伤性滑膜炎的病因造成兔膝关节滑膜炎的损伤，从而形成关节创伤性滑膜炎模型。
1 机械结构设计
本文自动式滑膜炎造模专用关节活动器主要由关节活动机构、滑台、定位检测元件和控制箱构成[7-9] ，如图1所示。
关节活动机构包括大腿固定板40、小腿固定板3、直角形连杆39和连杆8。大腿固定板40和小腿固定板3通过大小腿板连接轴2、大小腿板连接轴承1、大腿板连接轴套42及小腿板连接轴套43连接，小腿固定板可绕轴转动。上下两个大小腿板连接轴承1分别固定在大腿板连接轴套42内，大小腿板连接轴2紧配合固定在大小腿板连接轴承内圈和小腿板连接轴套43内。小腿固定板3相对于小腿板连接轴套43向上保证有10°的偏角，并焊接在一起，小腿固定板3、小腿板连接轴套43和大小腿板连接轴2带动大小腿板连接轴承1内圈转动。大腿固定板40与大腿板连接轴套42（上下两个）焊接在一起，大腿固定板40与大腿板连接轴套42带动上下两个大小腿板连接轴承1外圈转动。在大腿固定板40上设有四个用于固定兔子大腿的大腿固定孔41，在小腿固定板3上设有四个用于固定兔子小腿的小腿固定孔4。可用绳子穿过固定孔分别将兔子的大腿和小腿固定好。所述小腿固定板3的下端中间位置焊接有小腿固定板连杆连接轴5，小腿固定板连杆连接轴承6的内圈与该小腿固定板连杆连接轴5紧配合套接，小腿固定板连杆连接轴套7紧配合套接在小腿固定板与连杆连接轴承6外圈，并与连杆8的一端焊接在一起。焊接在连杆8另一端的轴套紧配合套接在滑块连杆连接轴承12的外圈上，由轴承内圈固定螺栓13与滑块连杆连接轴承12内圈紧配合连接。轴承内圈固定螺栓13的下端为螺纹结构，将滑块连杆连接轴承12内圈与滑块11固定在一起。实验中发现，小腿固定板3相对于大腿固定板40向上10度偏角时造模效果最佳，小于该度数不起作用，大于该度数容易导致骨折。这样，实验时，可使兔子大小腿活动时不在一条直线上，引起兔子膝关节形成不正常的活动，最终形成创伤性滑膜炎。所述大腿固定板40的另一端与直角连杆39的一端固定连接，直角连杆39的另一端固定在滑台底座37内侧的固定槽内，其固定位置可沿固定槽移动，便于调整兔子膝关节活动的最大角度和最小角度。
滑台包括步进电机9、齿形皮带10、滑块11、滑台底座37、齿形皮带轮14、齿形皮带轮固定座15及齿形皮带轮轴16。所述的滑台底座37上方安装有导向轨道31，滑块11可沿导向轨道31滑动。在滑台底座37的上部一端固定有齿形皮带轮固定座15，并在该齿形皮带轮固定座15的内部固定有齿形皮带轮轴16，在齿形皮带轮轴上套接有齿形皮带轮14。滑台底座37上部另一端固定有步进电机固定座38，步进电机9固定在该步进电机固定座38上。步进电机9的轴上紧配合套接有齿形皮带轮14。齿形皮带10环绕在该两个齿形皮带轮14的外围。滑台底座侧壁上设置有光电传感器固定槽36，在光电传感器固定槽36上设置有定位检测元件。
定位检测元件包括感应铁块29、终点检测光电传感器18和起点检测光电传感器34。所述的感应铁块29通过固定螺栓30压紧齿形皮带10固定在滑块11的一侧侧壁上。这样，步进电机9带动固定在其轴上的齿形皮带轮14转动，齿形皮带轮14带动齿形皮带10绕两个齿形皮带轮14转动，从而带动滑块11与感应铁块29一起沿导向轨道直线移动。所述的起点检测光电传感器34和终点检测光电传感器18位于滑台底座外侧导向轨道31的两端，分别通过光电传感器固定座28固定支撑。其固定位置则由光感位置调整螺栓35来调整，主要用于调整控制兔子膝关节的活动角度范围。在光电传感器固定座28与光电传感器的连接部位均连接有光电传感器前后调节螺母17，可调整光感与感应铁块之间的距离，使其保持在最佳的工作距离5mm~10mm。同时，通过调节光感位置调整螺栓35，使光电固定支座28可沿着光电传感器固定槽36任意移动到合适位置时，用螺栓螺母锁紧后，确定探测滑块移动的起点和终点位置。当滑块11和感应铁块29移动到终点光电传感器18探测位置时，步进电机9自动反转，带动齿形皮带轮14和齿形皮带10反向转动，从而带动滑块11与感应铁块29反向移动，当移动到起点光电传感器34探测位置时自动反向移动，实现滑块11和感应铁块29在起点和终点之间自动往返移动的目的。滑块11移动时带动连杆8推动小腿固定板3绕大小腿板连接轴2转动。
控制箱为滑台提供动力和调控滑台的移动速度和方向。控制箱19内设置有CPU模块、驱动器、开关电源、时间继电器、报警器和漏电断路器等控制元件。所述的起点检测光电传感器34通过起点光感连接电缆32和连接起点光感航空插头25与控制箱19内部的CPU模块相连；终点检测光电传感器18通过终点光感连接电缆27和连接终点光感航空插头26与控制箱19内部的CPU模块相连。步进电机9通过步进电机连接电缆33和连接步进电机航空插头24与控制箱19内部的驱动器相连。这样设计拆卸方便、安全可靠。控制箱门22上设置有启动按钮20和停止按钮23，并安装有门锁21，便于检修。
图1机械结构示意图
2 控制系统设计
由于本系统的输入输出信号都为开关量信号，为了提高系统的可靠性同时兼顾设计成本、输入输出信号等因素，我们选用三菱FX1S-10MT-001型PLC作为控制核心，拥有无以匹及的速度，高级的功能逻辑选件以及定位控制等特点。控制系统主要由启动按钮、停止按钮、起点光电传感器、终点光电传感器、PLC、步进电机、步进驱动器等组成，如图2所示。
图2控制系统框图
如图3所示：S1为启动按钮，S2为停止按钮，Q1为起点光电传感器，Q2为终点光电传感器，作为PLC的4个开关量输入信号分别接在I/O口的X0、X1、X2、X3输入点上，DIR(+5V)、DIR-为方向信号:对应步进电机正反向，为保证电机可靠相应。方向信号应先于脉冲信号至少5uS建立，电机的初始化运行方向与电机的接线有关，互换任一相绕组（如A+、A-交换）可以改变电机初始化运行的方向，DIR-高电平时4-5V，低电平时0-0.5V。PUL+（+5V)、PUL-为脉冲信号：脉冲控制信号，此时脉冲下降沿有效：PUL-高电平时4-5V，低电平时0-0.5V，为了可靠响应，脉冲宽度大于1.5uS。ENA+(+5V)、ENA-为使能信号：用于使能/禁止，高电平使能，低电平时驱动器不能工作，一般情况下不接，使之悬空而自动使能。DIR- 、PUL-作为PLC的2个开关量输出信号分别接在I/O口的Y0、Y1输出点上。步进电机的运转方向和运转速度都由PLC程序自动控制。通过控制脉冲数量来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的；通过改变通电顺序，从而达到改变电机旋转方向的目的。
图3控制系统接线图
3 使用方法
使用时，调整好兔子姿势，将兔子的大小腿分别放在大腿固定板40和小腿固定板3上，用绳子穿过大腿固定孔41和小腿固定孔4固定好。按下控制箱启动按钮20，设备自动开始工作：步进驱动器驱动步进电机9正转，齿形皮带轮14正转。带动外围的齿形皮带10转动，齿形皮带又带动感应铁块29和滑块11一起沿定向导轨31直线移动。当移动到终点光电传感器18探测位置时，步进电机9自动反转，带动齿形皮带轮14和齿形皮带10反向转动，感应铁块29和滑块11一起做反方向直线移动。当移动到起点光电传感器34探测位置时，步进电机9正转，齿形皮带轮14和齿形皮带10又反方向转动。如此循环，便可实现滑块11和感应铁块29在起点和终点位置自动往返直线移动，同时带动连杆8推动小腿固定板3绕大小腿板连接轴2转动，从而实现兔子小腿以膝关节为轴自动做伸屈锻炼。按下停止按钮，设备停止工作。
4 动物实验
4.1 实验方法
将重量为2.2—2.8千克，月龄为三至四个月左右大白兔固定于实验台上的固定板上，用动物电推剪剪去右后肢膝关节周围的毛。将兔仰卧于实验台上，将除造模肢外其余3只前后肢固定在固定板上。兔的右后肢固定于造模机器上，迫使兔膝关节连续被动屈伸活动，每天强迫被动运动2次，每次90分钟，共10天。通过观察大白兔膝关节的一般情况，测量其膝关节表皮温度、周径及彩色多普勒超声检查确立模型成功。
4.2观察指标和方法
4.2.2 一般观察
观察大白兔的精神状态、饮食、活动情况及右膝关节的外形（是否出现红肿、发热、关节活动障碍），并分别于造模前、造模后用千分卡尺及尼龙带连续测量膝关节的周径三次，而后在标记点用皮温计测量皮温，取其平均数。
4.2.3 多普勒彩超检查
造模前及造模后用3%戊巴比妥钠将白兔麻醉后,采用美国GE log-E9超声检查仪，用L6—15宽频线阵探头,选用骨骼肌肉低速血流条件，频率设置为8-12 MHz，调节超声增益使灵敏度达到最大值并且无噪音信号，校正声束与血流之间的夹角，并保持其在小于60°的范围内。将大白兔固定于固定板上后摆放于超声诊断床上，仰卧位右膝关节屈膝30°，检查内容：1、髌上囊液体厚度；2、髌上囊滑膜厚度；每个关节在髌上囊检测3次，由专业的彩超医师进行评估。采用Walther M[11]等提出的膝关节积液和滑膜增生进行半定量评判。
5 统计学处理
所得的计量资料先进行正态性检验，满足正态分布及方差齐性的采用方差分析，以均数±标准差（
）表示，不满足要求的采用秩和检验；等级资料采用Kruskal-Wallis H秩和检验。所有统计学检验均采用双侧检验，P<0.05时，认为差异有统计学意义。
6 结果
对8只兔子右膝关节进行创伤性滑膜炎造模，通过膝关节的表皮温度、周径及多普勒彩超的检查分析。
6.1 一般观察
造模前，8只兔子右关膝关节肤色正常，皮肤表面无结节，无红肿。
造模后兔子无死亡，饮食无异常，兔膝关节均出现红肿，未出现关节皮肤破损、骨折。正常情况下，兔膝关节表皮温度在33.5-35℃，造模后兔膝关节皮表温度均有不同程度的升高，较造模前明显。造模后兔膝关节周径均有增大。所得结果如下表。
表1 兔子膝关节表皮温度数据统计
|
组别 |
例数（只） |
表皮温度（°C） |
P值 |
|
造模前 |
8 |
34.69±0.89 |
P=0.037 |
|
造模后 |
8 |
36.59±0.31 |
表2 兔子膝关节周径变化数据统计
|
组别 |
动物例数（只） |
关节周长（cm） |
P值 |
|
造模前 |
8 |
11.60±0.08 |
P=0.001 |
|
造模后 |
8 |
12.17±0.12 |
6.2滑膜多普勒彩超
兔子彩色多普勒超声检测由有专业和经验丰富的医师完成，对关节腔积液、滑膜肥厚程度分布进行统计分析。造模后，8只兔子中有7只兔子关节积液和滑膜出现不同程度的改变。
表3 兔子膝关节腔内积液数据统计
|
组别 |
例数（只） |
无关节腔积液 |
轻度关节腔积液 |
中度关节腔积液 |
重度关节腔积液 |
P值 |
|
造模前 |
8 |
8 |
0 |
0 |
0 |
P=0.003 |
|
造模后 |
8 |
1 |
1 |
3 |
3 |
表4 兔子膝关节滑膜厚度数据统计
|
组别 |
例数（只） |
正常滑膜 |
轻度滑膜肥厚 |
中度滑膜肥厚 |
重度滑膜肥厚 |
P值 |
|
造模前 |
8 |
8 |
0 |
0 |
0 |
P=0.038 |
|
造模后 |
8 |
2 |
0 |
4 |
2 |
|
7、总结
目前，创伤性滑膜炎在基层医院较为常见，人们对其了解甚微，导致后期形成慢性滑膜炎，缠绵难愈。本实验是通过对该机器的研究模拟人类关节反复运动导致滑膜炎的病因造成兔膝关节滑膜炎的损伤。通过自动式滑膜炎造模专用关节活动器造模，其造模过程避免了因麻醉导致兔子死亡，同时也可以避免了因腔注射药物而引起关节腔感染。造模后从兔子膝关节表皮温度、周径及多普勒彩超的检测，造模前与造模后的对比均有差异（p<0.05），差异有统计学意义，表明自动式滑膜炎造模机器对兔膝关节创伤性滑膜炎的造模过程有一定作用。当然此实验也存在着不足：（1）由于样本量少，此机器每次只能对一只兔子进行被动活动，后期应进一步加大此机器数量，使得出结果更加准确。（2）本实验检测指标较少，后期可对兔膝关节滑膜进行炎性因子和病理切片的分析。（3）实验中两只兔子多普勒彩超滑膜未见异常的原因有两个。第一：自愈性，实验可以立时间点进行比较。第二：耐受性，兔子耐受性较高，滑膜炎机器达不到造成创伤的条件，可将机器的速度、频率进行调试。
参考文献：
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[3] Muto T,Kawakami J,Kananzawa M,et al.Development and hydrologic Characteridtics of tynovitis indueed by trauma in the rat temporomandibular joint[J].Int J Oral Maxillofac Surg,1998, 27:470-475.
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[5] Valentino LA Hakobyan N Kazarian T,et al. ExPrimental haemoPhilie synovitis: rationale and development of a murine model of human faetor Ⅷ DEFICIENCY[J].Haemophilia,2004.10 (3):280-287.
[6] 庞向华,鲍运平，邹篪等.膝关节创伤性滑膜炎的实验研究与治疗概况[J].中医正骨，2004，16（07）：57-58.
[7] 黄红拾,敖英芳，陈里宁等. 兔膝关节持续被动活动器的研制与初步应用[J].中国运动医学杂志，2007，26（03）：313-317.
[8] 洪时清,洪小灵,洪涛等.膝关节康复器的研制及其临床应用[J].中医正骨，2005，17(07):41-42.
[9] 张鹏,张建设，张建富等.腰椎背伸锻炼器的研制及临床应用[J].中医正骨，2006，18(11):17-18.
[10] 尹志勇,王正国，刘海鹏等.多功能生物撞击机的研制与应用[J].生物医学工程学杂志，2000，17(03):309-312.
[11] Walther M,Harms H,Krenn V,et al.Correlation of power doppler sonography with vasculatity of synovial tissue of knee joint in patients with osteoarthritis and rheumatoid arthritis[J]. Arthritis the Um,2001,44(2):331-338.
论文来源：河南省工程技术中心项目，项目名称：平乐正骨外固定器的改良创新与系统开发，项目编号：112102313105。
赵东亮 郭艳幸▲ 郭珈宜 郭马珑 陆成龙 崔宏勋
河南省正骨研究院 河南省洛阳正骨医院（河南省骨科医院）河南 洛阳 471000
[摘 要] 目的 研制一种自动式滑膜炎造模专用关节活动器，为建立膝关节创伤性滑膜炎动物模型提供一种新的方法。方法 小腿固定板相对于大腿固定板向上有10º的偏角，采用轴承转动、皮带传动等机械设计方法和PLC、步进电机等先进控制技术使小腿固定板绕大腿固定板连接轴自动转动。对8只大白兔右膝关节进行创伤性滑膜炎造模，观察造模前后大白兔膝关节的一般情况，测量其膝关节表皮温度、周径及彩色多普勒超声检查，采用SPSS21.0数据软件包对试验数据进行分析。结果 研制出的样机结构紧凑、使用方便、自动化程度高，关节伸屈可控角度60º-180º，造模前与造模后所测指标差异均有统计学意义（p<0.05）。结论 自动式滑膜炎造模专用关节活动器对创伤性滑膜炎的造模过程有一定的作用。
[关键词] 膝关节创伤性滑膜炎；滑膜炎造模；动物模型；关节活动器；
Development of automatic joint active device for synovitis model
Zhao Dong-liang, Guo Yan-xing, Guo Jia-yi, Guo Ma-long, Lu Cheng-long,
Cui Hong-xun
Orthopedic Institute of Henan Province Luoyang Orthopedic Hospital of Henan Province (Orthopedic Hospital of Henan Province) Luoyang Henan, 471000
[Abstract] Objective:A special automatic joint active device for synovitis model was developed to provide a new method for establishing an animal model about traumatic synovitis of knee joint. Methods: The lower leg fixing plate has an upward deflection angle of 10 degrees relative to the upper leg fixing plate. Mechanical design methods such as bearing rotation、belt transmission and advanced control technologies such as PLC、step motor were used so that the lower leg fixing plate can rotate around the connecting shaft of the upper leg fixing plate automatically. Traumatic synovitis model was made to the right knee joint of 8 white rabbits. the general condition of the knee joint of the white rabbits before and after the modeling was observed. the skin temperature, circumference and color Doppler ultrasound of the knee joint were measured. SPSS 21.0 software package was used to analyze the experimental data. Results: The developed prototype has the advantages of compact structure, convenient operation and high automation degree. The joint extension and flexion angle can be controlled between 60-180 degree. the difference between the indexes measured before and after the model is statistically significant（P<0.05).
Conclusion: Automatic joint active device for synovitis model has certain effect on traumatic synovitis modeling process.
Key words: traumatic synovitis of knee joint; synovitis model; animal model; joint active device;
0 前言
膝关节创伤性滑膜炎临床上很常见，发病率达2%—3%。目前认为主要原因是膝关节负重过大、被动屈伸时间过长，或者受到外力的撞击而形成。但其病因病机、演变规律及生物学特征尚未完全被认识。为开展其病因学及预防治疗学研究，很有必要建立实验动物的关节创伤性滑膜炎模型，获取资料，提供科学的实验依据，探索最佳治疗手段和诊断方法[1] 。
创伤性滑膜炎的造模过程较为不易,因而近年来相关实验研究相对少见，造模方法也没有统一性。
Miyasaka K[2]大鼠背部皮下注入空气形成气囊，气囊内注射角叉莱引起炎症反应，发现与急性创伤性滑膜炎相类似。Muto T [3-4]等通过超负荷被迫wistar大鼠颞下颌关节连续运动造成颞下颌创伤性滑膜炎。Val-ntino LA [5]等运用弹性钝器反复敲击血友病大鼠的膝关节建立关节外伤性滑膜炎模型。国外多数研究都是采用腔注射药物引起滑膜炎症反应，但是腔注射有一定的局限性，并不能够反映出创伤性滑膜炎的病因病机。
国内对创伤性滑膜炎的实验研究比较少,近些年，易世宏等将新西兰大白兔麻醉，针灸垂直刺入兔后肢股四头肌和腓肠肌中点，连接电针仪并通电，使其膝关节不停地被动屈伸，每天2次，每次运动45分钟，第10天后建立兔的膝关节创伤性滑膜炎模型。由于兔子对麻醉药存在个体差异，容易出现麻醉不够而无法完成预定的时间，或者麻醉过程导致死亡[6] 。
本文通过创伤性滑膜炎造模专用关节活动器带动兔膝关节模仿人类单一往返引起创伤性滑膜炎的病因造成兔膝关节滑膜炎的损伤，从而形成关节创伤性滑膜炎模型。
1 机械结构设计
本文自动式滑膜炎造模专用关节活动器主要由关节活动机构、滑台、定位检测元件和控制箱构成[7-9] ，如图1所示。
关节活动机构包括大腿固定板40、小腿固定板3、直角形连杆39和连杆8。大腿固定板40和小腿固定板3通过大小腿板连接轴2、大小腿板连接轴承1、大腿板连接轴套42及小腿板连接轴套43连接，小腿固定板可绕轴转动。上下两个大小腿板连接轴承1分别固定在大腿板连接轴套42内，大小腿板连接轴2紧配合固定在大小腿板连接轴承内圈和小腿板连接轴套43内。小腿固定板3相对于小腿板连接轴套43向上保证有10°的偏角，并焊接在一起，小腿固定板3、小腿板连接轴套43和大小腿板连接轴2带动大小腿板连接轴承1内圈转动。大腿固定板40与大腿板连接轴套42（上下两个）焊接在一起，大腿固定板40与大腿板连接轴套42带动上下两个大小腿板连接轴承1外圈转动。在大腿固定板40上设有四个用于固定兔子大腿的大腿固定孔41，在小腿固定板3上设有四个用于固定兔子小腿的小腿固定孔4。可用绳子穿过固定孔分别将兔子的大腿和小腿固定好。所述小腿固定板3的下端中间位置焊接有小腿固定板连杆连接轴5，小腿固定板连杆连接轴承6的内圈与该小腿固定板连杆连接轴5紧配合套接，小腿固定板连杆连接轴套7紧配合套接在小腿固定板与连杆连接轴承6外圈，并与连杆8的一端焊接在一起。焊接在连杆8另一端的轴套紧配合套接在滑块连杆连接轴承12的外圈上，由轴承内圈固定螺栓13与滑块连杆连接轴承12内圈紧配合连接。轴承内圈固定螺栓13的下端为螺纹结构，将滑块连杆连接轴承12内圈与滑块11固定在一起。实验中发现，小腿固定板3相对于大腿固定板40向上10度偏角时造模效果最佳，小于该度数不起作用，大于该度数容易导致骨折。这样，实验时，可使兔子大小腿活动时不在一条直线上，引起兔子膝关节形成不正常的活动，最终形成创伤性滑膜炎。所述大腿固定板40的另一端与直角连杆39的一端固定连接，直角连杆39的另一端固定在滑台底座37内侧的固定槽内，其固定位置可沿固定槽移动，便于调整兔子膝关节活动的最大角度和最小角度。
滑台包括步进电机9、齿形皮带10、滑块11、滑台底座37、齿形皮带轮14、齿形皮带轮固定座15及齿形皮带轮轴16。所述的滑台底座37上方安装有导向轨道31，滑块11可沿导向轨道31滑动。在滑台底座37的上部一端固定有齿形皮带轮固定座15，并在该齿形皮带轮固定座15的内部固定有齿形皮带轮轴16，在齿形皮带轮轴上套接有齿形皮带轮14。滑台底座37上部另一端固定有步进电机固定座38，步进电机9固定在该步进电机固定座38上。步进电机9的轴上紧配合套接有齿形皮带轮14。齿形皮带10环绕在该两个齿形皮带轮14的外围。滑台底座侧壁上设置有光电传感器固定槽36，在光电传感器固定槽36上设置有定位检测元件。
定位检测元件包括感应铁块29、终点检测光电传感器18和起点检测光电传感器34。所述的感应铁块29通过固定螺栓30压紧齿形皮带10固定在滑块11的一侧侧壁上。这样，步进电机9带动固定在其轴上的齿形皮带轮14转动，齿形皮带轮14带动齿形皮带10绕两个齿形皮带轮14转动，从而带动滑块11与感应铁块29一起沿导向轨道直线移动。所述的起点检测光电传感器34和终点检测光电传感器18位于滑台底座外侧导向轨道31的两端，分别通过光电传感器固定座28固定支撑。其固定位置则由光感位置调整螺栓35来调整，主要用于调整控制兔子膝关节的活动角度范围。在光电传感器固定座28与光电传感器的连接部位均连接有光电传感器前后调节螺母17，可调整光感与感应铁块之间的距离，使其保持在最佳的工作距离5mm~10mm。同时，通过调节光感位置调整螺栓35，使光电固定支座28可沿着光电传感器固定槽36任意移动到合适位置时，用螺栓螺母锁紧后，确定探测滑块移动的起点和终点位置。当滑块11和感应铁块29移动到终点光电传感器18探测位置时，步进电机9自动反转，带动齿形皮带轮14和齿形皮带10反向转动，从而带动滑块11与感应铁块29反向移动，当移动到起点光电传感器34探测位置时自动反向移动，实现滑块11和感应铁块29在起点和终点之间自动往返移动的目的。滑块11移动时带动连杆8推动小腿固定板3绕大小腿板连接轴2转动。
控制箱为滑台提供动力和调控滑台的移动速度和方向。控制箱19内设置有CPU模块、驱动器、开关电源、时间继电器、报警器和漏电断路器等控制元件。所述的起点检测光电传感器34通过起点光感连接电缆32和连接起点光感航空插头25与控制箱19内部的CPU模块相连；终点检测光电传感器18通过终点光感连接电缆27和连接终点光感航空插头26与控制箱19内部的CPU模块相连。步进电机9通过步进电机连接电缆33和连接步进电机航空插头24与控制箱19内部的驱动器相连。这样设计拆卸方便、安全可靠。控制箱门22上设置有启动按钮20和停止按钮23，并安装有门锁21，便于检修。
图1机械结构示意图
2 控制系统设计
由于本系统的输入输出信号都为开关量信号，为了提高系统的可靠性同时兼顾设计成本、输入输出信号等因素，我们选用三菱FX1S-10MT-001型PLC作为控制核心，拥有无以匹及的速度，高级的功能逻辑选件以及定位控制等特点。控制系统主要由启动按钮、停止按钮、起点光电传感器、终点光电传感器、PLC、步进电机、步进驱动器等组成，如图2所示。
图2控制系统框图
如图3所示：S1为启动按钮，S2为停止按钮，Q1为起点光电传感器，Q2为终点光电传感器，作为PLC的4个开关量输入信号分别接在I/O口的X0、X1、X2、X3输入点上，DIR(+5V)、DIR-为方向信号:对应步进电机正反向，为保证电机可靠相应。方向信号应先于脉冲信号至少5uS建立，电机的初始化运行方向与电机的接线有关，互换任一相绕组（如A+、A-交换）可以改变电机初始化运行的方向，DIR-高电平时4-5V，低电平时0-0.5V。PUL+（+5V)、PUL-为脉冲信号：脉冲控制信号，此时脉冲下降沿有效：PUL-高电平时4-5V，低电平时0-0.5V，为了可靠响应，脉冲宽度大于1.5uS。ENA+(+5V)、ENA-为使能信号：用于使能/禁止，高电平使能，低电平时驱动器不能工作，一般情况下不接，使之悬空而自动使能。DIR- 、PUL-作为PLC的2个开关量输出信号分别接在I/O口的Y0、Y1输出点上。步进电机的运转方向和运转速度都由PLC程序自动控制。通过控制脉冲数量来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的；通过改变通电顺序，从而达到改变电机旋转方向的目的。
图3控制系统接线图
3 使用方法
使用时，调整好兔子姿势，将兔子的大小腿分别放在大腿固定板40和小腿固定板3上，用绳子穿过大腿固定孔41和小腿固定孔4固定好。按下控制箱启动按钮20，设备自动开始工作：步进驱动器驱动步进电机9正转，齿形皮带轮14正转。带动外围的齿形皮带10转动，齿形皮带又带动感应铁块29和滑块11一起沿定向导轨31直线移动。当移动到终点光电传感器18探测位置时，步进电机9自动反转，带动齿形皮带轮14和齿形皮带10反向转动，感应铁块29和滑块11一起做反方向直线移动。当移动到起点光电传感器34探测位置时，步进电机9正转，齿形皮带轮14和齿形皮带10又反方向转动。如此循环，便可实现滑块11和感应铁块29在起点和终点位置自动往返直线移动，同时带动连杆8推动小腿固定板3绕大小腿板连接轴2转动，从而实现兔子小腿以膝关节为轴自动做伸屈锻炼。按下停止按钮，设备停止工作。
4 动物实验
4.1 实验方法
将重量为2.2—2.8千克，月龄为三至四个月左右大白兔固定于实验台上的固定板上，用动物电推剪剪去右后肢膝关节周围的毛。将兔仰卧于实验台上，将除造模肢外其余3只前后肢固定在固定板上。兔的右后肢固定于造模机器上，迫使兔膝关节连续被动屈伸活动，每天强迫被动运动<
