《人工髖關節仿生試驗裝備動態特性及系統穩定性研究》是依託中國礦業大學，由程剛擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：人工髖關節仿生試驗裝備動態特性及系統穩定性研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：程剛
- 依託單位：中國礦業大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
人工關節是一類重要的人體替換器官，能代替病變或損傷的關節並恢復其功能，其材料的摩擦磨損特性對關節可靠性及功能性有很大影響。中國人口眾多，隨著高齡人群比例的增大，人工關節市場開始不斷增長，研製具有中國人髖關節解剖特點和日常生活行為特徵的人工關節材料摩擦磨損試驗裝備變得愈發迫切。本項目試圖在現有並聯髖關節試驗裝備的研究基礎上，針對中國人各種典型日常運動，構建具有中國人特徵的髖關節運動及力學參數資料庫；在基於有限元分析方法建立並聯仿生髖關節試驗裝備真實機構一體化建模體系的基礎上，通過對試驗裝備的振動控制、摩擦補償及運動穩定性分析等關鍵技術基礎的研究，確保其具有動態模擬中國人髖關節運動及力學特性的能力；改進並完善此並聯仿生髖關節試驗裝備，且在其上進行所研究各技術基礎的實驗驗證研究。研究成果可為具有自主智慧財產權的並聯仿生髖關節試驗裝備綜合性能最佳化、提升、開發及在工程中的套用奠定理論及實驗基礎。
結題摘要
人工髖關節的研製過程中需要進行大量摩擦磨損特性評價實驗，而實驗結果與實驗裝備和實驗條件息息相關，另一方面，隨著中國人口老齡化的加劇，人工關節市場不斷增長，因此，研製能夠真實反映人體髖關節運動及力學性能、符合中國人行為特徵的髖關節試驗裝備變得愈發迫切。本項目圍繞3SPS+1PS並聯仿生髖關節試驗裝備及2(3HUS+S)並聯仿生髖關節試驗裝備，進行了相關基礎的理論及實驗研究。為使並聯仿生髖關節試驗裝備能夠更好地模擬中國人髖關節的運動及力學性能，對中國人日常運動時髖關節的生物運動特性進行了測試分析，構建了具有中國人特徵的髖關節典型運動及力學參數資料庫；通過綜合剛體有限元、柔性有限元及時空有限元的性質，建立了以有限元理論為基礎的並聯仿生髖關節試驗裝備參數一體化理論體系，實現了並在線上構理論中線性問題與非線性問題在理論層面的統一，並對並聯仿生髖關節試驗裝備的運動特性、剛度及動態特性等進行了研究；考慮並聯仿生髖關節試驗裝備的結構變形、振動等擾動因素，建立了動態回響預測模型，研究了致動器和感測器的分布策略，構建了模型預測控制架構，並通過試驗裝備進行了測試驗證；為了提高並聯仿生髖關節試驗裝備的動態穩定性，構建了質點系運動和力的空間分布曲面與解析方程，研究了奇異位置處質點系的運動分布規律，提出了規避運動奇異性的軌跡規劃策略；為了降低運動副摩擦對並聯仿生髖關節試驗裝備運動控制性能的影響，建立了考慮摩擦的整機動力學模型，基於摩擦的時變特性影響研究了摩擦參數的辨識方法，並結合併在線上構動力學控制方法設計了試驗裝備的摩擦補償控制策略。通過對並聯仿生髖關節試驗裝備相關基礎的理論及實驗研究，改善了試驗裝備的工作性能，真實反映了中國人髖關節的運動及力學性能，為具有自主智慧財產權的並聯仿生髖關節試驗裝備在工程中套用奠定了理論基礎。
