基于髋关节试验机的并联仿生模块关键技术基础研究

人工关节是一类重要的人体替换器官，它是模拟人体关节而制成的植入性假体，以代替病变或损伤的关节并恢复其功能。人工关节摩擦学试验设备对关节材料摩擦磨损特性的相关参数测试有很大影响，其试验过程能否真实的反映实际人体运动与动力特性很关键。本项目试图利用四自由度并联模块代替传统的串联机械传动与加载系统，模拟髋关节复杂的空间运动轨迹与变载荷曲线，从而尽可能的实现人体髋关节的实际运动工况模拟，准确的测试人工髋关节材料的生物摩擦学性能，为其临床应用提供实验基础。研究重点是结合实际人体髋关节的生物运动与动力特性，对四自由度并联模块的型综合与选型、运动学建模、奇异位形分析、工作空间优化以及动力学建模等方面进行研究，实现髋关节试验机的仿生运动学与动力学模拟，最终研制一套并联仿生模块样机，测试并验证其运动与动力特性，为建立具有自主知识产权的新型髋关节仿生运动与动力试验机制提供理论依据及关键技术。

在评价人工髋关节生物材料摩擦磨损特性以及验证其理论计算结果与实际应用的吻合程度时，需要进行摩擦学试验，而摩擦学试验结果在很大程度上受试验设备影响。并联机构具有模块化程度高，刚度质量比大，响应速度快及适应性强等优点。因此，本课题以3SPS+1PS型并联机构作为髋关节试验机的主体运动模块，设计并研制出一台新型并联仿生髋关节试验样机。基于Rodrigues参数，对试验机进行了运动学分析，得到其位置、速度和加速度的逆/正解的解析表达式以及Jacobian矩阵和Hessian矩阵；分析并仿真了该机构的可达姿态工作空间，得到了姿态运动空间的优化结构参数，之后研究了整体位姿空间内Jacobian矩阵条件数均值随结构参数的变化情况，最终得出条件数良好的结构优化参数及相应的灵活位姿运动空间；基于Grassmann线几何理论辅助以Grassmann-Cayley代数，从几何本质上对试验机可能存在的正运动学奇异位形进行了研究，通过分析各线簇秩的空间分布特点，得到各线簇秩对应的奇异位形，并推导出试验机处于奇异位形时的各种约束方程；基于矩阵全微分理论，建立了试验机整机误差分析模型，采用不完全测量正运动学标定方法，利用2个姿态角恒定不变的约束条件，构建了试验机姿态残差向量，并由此定义了代价函数，利用非线性最小二乘技术对代价函数进行迭代求解，辨识出了作为主要误差源的结构参数；基于虚功原理，结合运动学分析结果对机构的逆动力学问题进行了分析，建立了试验机整机逆动力学模型，通过对该模型的求解得到了试验机主动输入力和输入功率的递归矩阵表达式；基于虚位移原理，得到各支链弹性变形与其引起的动平台位姿变化关系式，求得并联试验机全局刚度矩阵，采用刚度矩阵的最大、最小特征值来评价整体运动空间内的全局刚度值，得到试验机在模拟人体髋关节正常步态运动轨迹及受载荷情况时全局刚度矩阵特征值的变化情况；通过步态试验，得到健康中国人正常步态髋关节运动特性，并据此规划髋关节并联试验机的运动轨迹，对研制的髋关节并联试验机样机的运动学性能进行了测试。本研究结果表明，尽管由于机构加工装配误差以及开环控制等原因，造成并联试验机实际轨迹与拟定轨迹之间仍存在一定的运动误差，但此试验机基本上可以实现所规划的运动轨迹模拟。项目研究成果将会为髋关节生物材料的摩擦磨损特性提供一种较准确的评价手段，在此基础上开发的产品也具有广阔的市场前景。