膝关节标本实验测试系统是运动医学实验室中研究膝关节生物力学特性的关键设备。将膝关节标本安装在测试设备上,通过模拟膝关节肌肉的肌力加载和各向外部载荷,测量膝关节受载荷后的生物力学参数变化,其实验结果能够定量评估膝关节功能,指导临床手术策略的制定。国内目前还没有针对膝关节标本生物力学检测系统的设计研究。本文基于膝关节解剖学理论和机械设计方法开发了针对ACL生物力学研究的膝关节标本生物力学实验平台,并且通过尸体标本实验验证实验平台的性能,主要工作内容及成果如下:1)运用QFD方法,借助文献检索与走访调研筛选膝关节标本生物力学实验平台的用户需求,并由此推导出设计要求,建立用户需求与设计要求之间的关系矩阵,确立了各项设计要求的重要度。针对各项设计要求,展开详细的方案设计与机械结构设计。包括标本安装方案设计,膝关节屈曲角度调节方案设计、仿生肌力加载方案设计、胫骨模块设计。提出了新的胫骨位姿测量方案,解决了关节转动轴心改变引起的胫骨位姿测不准问题。提出了新的外部载荷加载方案,实现由关节转动轴病理性移位导致的胫骨多自由度耦合运动量的测量。提出了Z轴导轨内置弹簧进行重力补偿的办法,减少胫骨模块自身重量对实验的影响,提升内外翻力矩加载精度。针对平台进行了静力学分析,确定极限工况载荷,对关键部件进行了有限元仿真与强度校核,保证了实验平台的刚度。与传统机器人测试系统相比,本实验平台具备更紧凑的结构、更低的成本,更可靠的测量结果。2)根据功能需求,以工控机为核心搭建了测控硬件系统。以电气比例阀为执行元件,单轴拉力传感器为反馈元件,采用了PID算法,建立了8路力闭环阀控系统,并且针对有换向阀回路采用分段PID算法实现快速响应。实现了胫骨前向位移量,胫骨姿态角度,股骨近端六维反应力,ACL应变量的测量数据采集,采集到的各生物力学参数通过总线协议传输到工控机进行后处理、存储与显示。基于LabVIEW软件开发了实验平台的软件操作系统,满足用户进行力控制参数设置,力加载状态切换操作,实现测量参数可视化、校准、数据导出等功能。3)为了检验本实验平台的性能,利用一具膝关节标本进行了实验验证。首先进行了静态和动态力闭环肌力加载,分析了静态加载下的控制系统超调量、稳态误差、调整时间,分析了动态加载下控制系统相位滞后时间,最大误差。计算了多次重复实验加载力实测值的标准差(SD)和与设定值之间的均方根误差(RMSE),评估静态和动态力加载的精度和重复性。在标本上重复了同行研究中的实验方案,测量参数结果表现出同样的变化趋势,并且数据的标准差(SD)更小,表现出更好的重复性。在标本上进行了前外侧韧带(ALL)破坏性试验,测量参数结果成功验证了ALL功能理论。实验结果表明,本文设计的膝关节生物力学实验平台的力加载系统精度高、重复性好。生物力学参数测量功能重复性好、可靠性高。