《基於髖關節試驗機的並聯仿生模組關鍵技術基礎研究》是依託中國礦業大學，由程剛擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：基於髖關節試驗機的並聯仿生模組關鍵技術基礎研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 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，它是模擬人體關節而製成的植入性假體，以代替病變或損傷的關節並恢復其功能。人工關節摩擦學試驗設備對關節材料摩擦磨損特性的相關參數測試有很大影響，其試驗過程能否真實的反映實際人體運動與動力特性很關鍵。本項目試圖利用四自由度並聯模組代替傳統的串在線上械傳動與載入系統，模擬髖關節複雜的空間運動軌跡與變載荷曲線，從而儘可能的實現人體髖關節的實際運動工況模擬，準確的測試人工髖關節材料的生物摩擦學性能，為其臨床套用提供實驗基礎。研究重點是結合實際人體髖關節的生物運動與動力特性，對四自由度並聯模組的型綜合與選型、運動學建模、奇異位形分析、工作空間最佳化以及動力學建模等方面進行研究，實現髖關節試驗機的仿生運動學與動力學模擬，最終研製一套並聯仿生模組樣機，測試並驗證其運動與動力特性，為建立具有自主智慧財產權的新型髖關節仿生運動與動力試驗機制提供理論依據及關鍵技術。
結題摘要
在評價人工髖關節生物材料摩擦磨損特性以及驗證其理論計算結果與實際套用的吻合程度時，需要進行摩擦學試驗，而摩擦學試驗結果在很大程度上受試驗設備影響。並在線上構具有模組化程度高，剛度質量比大，回響速度快及適應性強等優點。因此，本課題以3SPS+1PS型並在線上構作為髖關節試驗機的主體運動模組，設計並研製出一台新型並聯仿生髖關節試驗樣機。基於Rodrigues參數，對試驗機進行了運動學分析，得到其位置、速度和加速度的逆/正解的解析表達式以及Jacobian矩陣和Hessian矩陣；分析並仿真了該機構的可達姿態工作空間，得到了姿態運動空間的最佳化結構參數，之後研究了整體位姿空間內Jacobian矩陣條件數均值隨結構參數的變化情況，最終得出條件數良好的結構最佳化參數及相應的靈活位姿運動空間；基於Grassmann線幾何理論輔助以Grassmann-Cayley代數，從幾何本質上對試驗機可能存在的正運動學奇異位形進行了研究，通過分析各線簇秩的空間分布特點，得到各線簇秩對應的奇異位形，並推導出試驗機處於奇異位形時的各種約束方程；基於矩陣全微分理論，建立了試驗機整機誤差分析模型，採用不完全測量正運動學標定方法，利用2個姿態角恆定不變的約束條件，構建了試驗機姿態殘差向量，並由此定義了代價函式，利用非線性最小二乘技術對代價函式進行疊代求解，辨識出了作為主要誤差源的結構參數；基於虛功原理，結合運動學分析結果對機構的逆動力學問題進行了分析，建立了試驗機整機逆動力學模型，通過對該模型的求解得到了試驗機主動輸入力和輸入功率的遞歸矩陣表達式；基於虛位移原理，得到各支鏈彈性變形與其引起的動平台位姿變化關係式，求得並聯試驗機全局剛度矩陣，採用剛度矩陣的最大、最小特徵值來評價整體運動空間內的全局剛度值，得到試驗機在模擬人體髖關節正常步態運動軌跡及受載荷情況時全局剛度矩陣特徵值的變化情況；通過步態試驗，得到健康中國人正常步態髖關節運動特性，並據此規劃髖關節並聯試驗機的運動軌跡，對研製的髖關節並聯試驗機樣機的運動學性能進行了測試。本研究結果表明，儘管由於機構加工裝配誤差以及開環控制等原因，造成並聯試驗機實際軌跡與擬定軌跡之間仍存在一定的運動誤差，但此試驗機基本上可以實現所規劃的運動軌跡模擬。項目研究成果將會為髖關節生物材料的摩擦磨損特性提供一種較準確的評價手段，在此基礎上開發的產品也具有廣闊的市場前景。
