了得網工業技術_並聯仿生髖關節試驗繫統運動及動力學分析

內容簡介

《並聯仿生髖關節試驗繫統運動及動力學分析》以3SPS+1PS型並聯仿生髖關節試驗機為研究對像，繫統介紹了試驗機的運動學分析、運動空間分析及優化、奇異位形分析、誤差建模及運動學標定、動力學分析、剛度分析及優化、運動穩定性分析等關鍵問題，並設計研制出一臺3SPS+1PS型並聯仿生髖關節試驗樣機。

《並聯仿生髖關節試驗繫統運動及動力學分析》可作為機械工程、運動生物學等專業的研究生教材，也可供從事並聯機構、仿生機械研究與應用的科研和工程技術人員參考。

前言
變量注釋表
第1章緒論
1.1 研究背景
1.2 並聯髖關節試驗機研究現狀
1.3 人體步態研究現狀
1.4 並聯機構研究現狀
1.4.1 並聯機構運動學研究
1.4.2 並聯機構工作空間研究
1.4.3 並聯機構奇異位形研究
1.4.4 並聯機構運動學標定研究
1.4.5 並聯機構動力學研究
1.4.6 並聯機構剛度特性研究
1.4.7 並聯機構運動穩定性研究前言
變量注釋表
第1章緒論
1.1 研究背景
1.2 並聯髖關節試驗機研究現狀
1.3 人體步態研究現狀
1.4 並聯機構研究現狀
1.4.1 並聯機構運動學研究
1.4.2 並聯機構工作空間研究
1.4.3 並聯機構奇異位形研究
1.4.4 並聯機構運動學標定研究
1.4.5 並聯機構動力學研究
1.4.6 並聯機構剛度特性研究
1.4.7 並聯機構運動穩定性研究
1.5 本書主要內容
第2章中國人正常步態運動特性分析
2.1 引言
2.2 人體步態分析方法
2.2.1 試驗樣本
2.2.2 試驗設備
2.2.3 試驗方法
2.2.4 數據采集
2.2.5 數據分析
2.3 試驗結果
2.3.1 中國男性/女性在時間/空間參數上的對比
2.3.2 行走、跑步、下蹲及下跪運動學試驗結果
2.4 結果討論
2.5 小結
第3章並聯髖關節試驗機運動學分析
3.1 引言
3.2 試驗機拓撲結構與參考坐標繫
3.3 運動自由度分析
3.4 剛體姿態描述方法
3.4.1 Euler角描述法
3.4.2 方向餘弦矩陣法
3.4.數姿態描述法
3.4.4 Rodrigues參數法
3.5 運動學逆位姿分析
3.6 運動學速度逆/正解分析
3.7 加速度逆/正解分析
3.8 運動學數值仿真
3.9 小結
第4章並聯髖關節試驗機運動空間分析及優化
4.1 引言
4.2 運動空間約束條件及求解算法
4.2.1 運動空間的約束條件分析
4.2.2 運動空間的求解及優化算法
4.3 運動空間與結構參數的關繫
4.4 運動空間優化指標及優化分析
4.4.1 混合自由度並聯機構的量綱一速度Jacobi矩陣求解
4.4.2 運動空間優化分析
4.4.3 基於Jacobi矩陣條件數均值的結構優化
4.5 小結
第5章並聯髖關節試驗機奇異位形研究
5.1 引言
5.2 Grassmann線幾何與Grassmann-Cayley代數簡介
5.3 機構靜力學分析
5.4 奇異位形分析
5.4.1 基於Grassmann線幾何的奇異位形分析
5.4.2 基於Grassmann-Cayley代數的奇異位形分析
5.5 奇異軌跡數值仿真
5.5.1 線簇秩為1時奇異軌跡
5.5.2 線簇秩為2時奇異軌跡
5.5.3 線簇秩為3時奇異軌跡
5.5.4 線簇秩為4時奇異軌跡
5.5.5 線簇秩為5時奇異軌跡
5.5.6 [abcg][defg]=[abdg][cefg]≠0時的奇異軌跡
5.6 小結
第6章並聯髖關節試驗機誤差建模及運動學標定
6.1 並聯髖關節試驗機誤差分析
6.1.1 誤差模型
6.1.2 機構誤差數值分析
6.2 運動學標定
6.2.1 集合參數
6.2.2 運動學數值正解算法
6.2.3 標定方法
6.3 運動學標定數值仿真
6.4 小結
第7章並聯髖關節試驗機動力學研究
7.1 引言
7.2 動力學分析坐標繫建立
7.3 逆運動學模型
7.3.1 機構位姿矩陣化
7.3.2 速度加速度矩陣化
7.4 逆動力學分析
7.5 動力學數值模擬
7.6 小結
第8章並聯髖關節試驗機剛度分析及優化
8.1 引言
8.2 並聯髖關節試驗機剛度模型描述
8.2.1 運動/靜力學模型描述
8.2.2 機構Jacobi矩陣求解
8.3 並聯髖關節試驗機剛度及彈性變形
8.3.1 機構各部件剛度求解
8.3.2 整機剛度模型
8.4 剛度數值分析
8.4.1 機構彈性變形
8.4.2 剛度優化
8.5分析
8.6 小結
第9章並聯髖關節試驗機運動穩定性研究
9.1 引言
9.2 並聯髖關節試驗機質點繫Lagrange方程
9.3 動力學處理
9.4 動態分岔方程和一階近似繫統
9.5 並聯髖關節試驗機運動穩定性分析
9.5.1 Ляпунов近似繫統穩定性判據
9.5.2 主動支鏈輸入參數對並聯髖關節試驗機運動穩定性的影響
9.6 小結
第10章並聯髖關節試驗機試驗研究
10.1 引言
10.2 並聯髖關節試驗機的試制
10.2.1 機械結構總體設計方案
10.2.2 運動過程分析
10.2.3 機械結構詳細設計
10.3 並聯髖關節試驗機控制繫統結構
10.3.1 控制繫統結構
10.3.2 數據傳遞模塊設計
10.4 並聯髖關節試驗機試驗
10.4.1 試驗繫統測試設備
10.4.2 液壓加載繫統
10.4.3 試驗機繫統安裝與調試
10.4.4 試驗過程
10.5 試驗繫統改進意見
10.6 小結
參考文獻
附錄

在線試讀

第1 章緒論
1.1 研究背景
人工關節是人體重要的替代器官，它是模擬人體關節而制成的植入性假體，能
夠替換已損壞或病變的人體關節，從而恢復其運動功能。目前，關節置換手術越來
越普遍，全球每年進行的人工關節置換手術大概有100 萬例以上，其中髖關節和膝
關節置換手術占了較大的比例，僅美國每年就有約873 000 人需進行髖關節或膝
關節的置換手術，而且這個數字每年還以20 %～30 % 的速度增長。中國是人口大
國，民政部門調查報告顯示，中國肢體不適患者約有1500 萬，其中殘疾約780 萬；
全國有約300 萬骨損患者、3600 萬～ 4000 萬關節炎患者，需置換人工關節的患者
有100 萬～ 150 萬。據專家預計，中國對人工關節的需求量年增長為25 % 以上，年
需求量將達到20 萬～ 30 萬套［1］。目前，中國市場上可使用的人工關節數量大約
為3 萬套，無法滿足市場的需求，更多患者采用的是進口產品。雖然進口產品性能
比較好，但其價格昂貴，往往是國產同類產品的2～3 倍。另一方面，進口產品往往
按照西方人種的生理特點進行設計，應用於中國種族可能會出現生物特性不匹配
的問題，不僅造成置換手術的難度加大，還在很大程度上影響了患者的治療效果。
因此，研究具有自主知識產權的人工關節試驗技術，並將之應用於人工關節特性參
數的評估上，不但可以提高人民的生活質量，而且還能產生巨大的經濟效益。
材料表面耐磨性能不是材料的內在性質，而是依賴於影響其摩擦性能的各種
因素，如工作條件、配合面類型、周圍環境等。理論上，對於每一種新型的人工髖關第1 章緒論

1.1 研究背景

人工關節是人體重要的替代器官，它是模擬人體關節而制成的植入性假體，能

夠替換已損壞或病變的人體關節，從而恢復其運動功能。目前，關節置換手術越來

越普遍，全球每年進行的人工關節置換手術大概有100 萬例以上，其中髖關節和膝

關節置換手術占了較大的比例，僅美國每年就有約873 000 人需進行髖關節或膝

關節的置換手術，而且這個數字每年還以20 %～30 % 的速度增長。中國是人口大

國，民政部門調查報告顯示，中國肢體不適患者約有1500 萬，其中殘疾約780 萬；

全國有約300 萬骨損患者、3600 萬～ 4000 萬關節炎患者，需置換人工關節的患者

有100 萬～ 150 萬。據專家預計，中國對人工關節的需求量年增長為25 % 以上，年

需求量將達到20 萬～ 30 萬套［1］。目前，中國市場上可使用的人工關節數量大約

為3 萬套，無法滿足市場的需求，更多患者采用的是進口產品。雖然進口產品性能

比較好，但其價格昂貴，往往是國產同類產品的2～3 倍。另一方面，進口產品往往

按照西方人種的生理特點進行設計，應用於中國種族可能會出現生物特性不匹配

的問題，不僅造成置換手術的難度加大，還在很大程度上影響了患者的治療效果。

因此，研究具有自主知識產權的人工關節試驗技術，並將之應用於人工關節特性參

數的評估上，不但可以提高人民的生活質量，而且還能產生巨大的經濟效益。

材料表面耐磨性能不是材料的內在性質，而是依賴於影響其摩擦性能的各種

因素，如工作條件、配合面類型、周圍環境等。理論上，對於每一種新型的人工髖關

節生物材料都應在摩擦磨損試驗機上檢測其摩擦學特性，而所選用的試驗設備很

大程度上影響了生物材料摩擦學試驗的準確性［2～4］。故所選用試驗機應能模擬髖

關節運動副的實際工作條件，如運動狀態、接觸方式、載荷及運動環境等［5］，以設計

與人體髖關節摩擦條件相似的試驗環境［6 ， 7］。研究者們還發現，對同一種材料性

質的生物材料，在不同的摩擦磨損試驗機上進行摩擦學試驗，測得的結果相差卻很

大，這是由不同試驗機所提供的摩擦運動機制不同造成的。針對不同的生物材料

摩擦學特性測試要求，選擇能準確反映出工作參數和材料摩擦磨損特性的試驗設

備及方法［8 ， 9］，是研究人工關節摩擦學試驗機的重點。因此，為能真實反映人工關

節材料在植入後的摩擦磨損情況，在進行摩擦學試驗時，應盡量采用具備模擬人體

實際生物特性能力的試驗設備來進行材料摩擦磨損性能的評估。

1.2 並聯髖關節試驗機研究現狀

在20 世紀60 年代，美國潤滑工程師學會列出了在用的200 多種摩擦磨損試

驗機或設備［10］。近，多軸摩擦磨損試驗機的應用，更好地模擬了人體的內部運

動，這對於研究生物材料磨損具有特殊的意義［1 1 ，12］。一般而言，實驗室用的摩擦

磨損試驗機主要分為兩類：

（1）一類是用於研究材料固有摩擦學特性的快速測試試驗機，此類試驗機的

試驗周期短，試件制作方便。試驗機的運動形式簡單，試驗設備成本較低。1965

年以來，采用銷盤、球盤、球環磨損試驗方式的關節模擬試驗儀器，如圖1-1 所

示。它們專用於測試材料的某種固有特性信息，使用的是較簡化的人體關節假體

磨損機制模型，其測試過程簡單快速，但不能準確反映所測試材料的幾何特性，對

移植關節材料的磨損率測試不夠準確［13～15 ］，試驗結果相差較大。

（2）另一類是人工關節摩擦磨損試驗機，此類試驗機能夠模擬人工關節在人

體生理環境中的特性，如人體關節的實際運動、載荷及生理潤滑情況等。Saikko

設計了做3 軸往復擺動的髖關節磨損模擬試驗機［16］，如圖1-2 所示。此類髖關節

磨損模擬試驗機由串聯機構組成，試驗中將假體髖關節副按照實際髖關節解剖學

位置安裝，其摩擦環境也與人體內環境較為接近。此類試驗機可提供較為復雜的、

動態的測試條件，但隻能模擬人體髖關節的部分運動形式，不能提供全面的復合摩

擦形式［16～2 2］。

目前，在不同的應用需求下，髖關節模擬試驗機各種參數不盡相同，這些參數

包括髖關節模擬試驗機的自由度數、載荷、球杯的相對安裝位置、工作臺數量及潤

滑液的溫度控制等。表1-1 總結了2001 年以來出現的髖關節模擬試驗機。表1-1

中，FE 表示彎曲/外伸角，AA 表示外展/內收角，IER 表示內旋/外旋角，BI-AX 表

示雙向擺動角。其中的幾種典型髖關節模擬試驗機的結構繫統如圖1-3 所示。

圖1-3（a）是Helsinki 大學研制的HUT-4 型髖關節試驗機，以簡化的關節運動曲

線代替人體髖關節實際的運動曲線來模擬正常行走時關節運動狀態，存在較大的

誤差。圖1-3（b）是Harris 研制的AM TI 髖關節試驗機，可較好地模擬人體髖關

節在步行和爬樓梯等運動過程的軌跡，但與實際情況存在一定差距，且結構較為

復雜。

圖1-3（c）是美國Shore Western 公司研制的髖關節試驗機，可模擬人體髖關節的

一維運動並施加循環載荷，並在每一運動循環內設置不同的載荷曲線，加載力可達

5000N 。圖1-3（d）是Leeds 大學研制的PROSIM 髖關節試驗機，以彎曲/外伸和

內旋/外旋運動來合成試驗時的髖關節運動，但卻忽略了內收/外展運動，雖然這樣

降低了機械結構的復雜程度和繫統控制的難度，但與人體髖關節的實際運動曲線

仍存在較大差異。

盡管表1-1 中所列出的髖關節模擬試驗機，在髖關節運動模擬或者載荷施加

方面，能夠近似模擬人體實際髖關節正常步態時的部分運動和受載特性，但由於這

些試驗機的運動執行機構均為串聯模塊，所能提供的運動軌跡樣式較少，不能提供

不同的、全面復合的摩擦運動［5］，也無法施加相應動載荷。相對於串聯機構，並聯

機構具有高剛度、大承載、高精度、高速度、能模擬復雜運動等眾多優點［23］。目前，

並聯機構已得到了深入研究，並已成功應用於飛行模擬器裝置、大型射電望遠鏡、

微操作裝置等方面。受到並聯模擬裝置的啟發，人們將並聯機構運用到髖關節摩

擦磨損試驗機的研制上。並聯機構的上述優點，使得並聯髖關節試驗機能夠模擬

多種運動軌跡及動載荷的加載，因此可較好地反映髖關節在多種運動方式中不同

的生物運動學特性，能夠提供更為可靠的髖關節關節材料評價平臺。

1.3 人體步態研究現狀

實際人體髖關節的運動過程較復雜，臼窩與股骨頭之間有3 個轉動自由度：彎

曲/外伸運動（FE）、外展/內收運動（AA）、外旋/內旋運動（IER），各自的運動範圍

如圖1-4（a）所示。從圖中可看出，髖關節實際運動規律是不規則曲線，要模擬此運

動規律非常困難。2002 年世界標準組織制定了人工髖關節假體摩擦磨損試驗標

準ISO14242 ― 1 ： 2002（E）［24］，該標準推薦的髖關節試驗機運動角度如圖1-4（b）

所示，從圖中可發現兩者之間差異，這將導致試驗機運動特性與人體真實運動特性

之間存在差異。因此，應對現有試驗機進行改進，使其能盡可能真實地模擬人體髖

關節的實際運動。這就需要能模擬復雜運動軌跡的機構作為運動部件。

人體在行走、奔跑、跳躍等運動過程中，實際髖關節受到的載荷是動態變化的，

而且其方向與人體股骨垂直方向存在一個角度，如圖1-5（a）所示。現有髖關節模

擬試驗機的加載方向與實際人體髖關節的受力方向不同，存在一定的角度差，如圖

1-5（b）所示；而且大多數試驗機的加載機構采用懸臂式機構，受到機構剛度以及控

制復雜程度的限制，通常加載力多為定值，這勢必會導致試驗機模擬的人工髖關節

運動副間的接觸應力情況與實際情況不符，而這樣的差異會給試驗結果帶來一定

的影響［25］。ISO14242 ― 1 ：2002（E）標準推薦的髖關節假體試驗加載載荷變化曲

線如圖1-5（c）所示。為了能夠盡可能模擬人體髖關節真實的運動動力特性，應根

據實際人體的接觸力學特性，使髖關節模擬試驗機具有變載荷加載功能，並正確調

整加載方向。這就需要運動部件具有較大結構剛度來承載動態加載力。

1.4 並聯機構研究現狀

1.4.1 並聯機構運動學研究

並聯機構運動學分析是研究並聯機構各種特性的基礎，它分為正、逆運動學求

解，包括位姿正逆解、速度正逆解及加速度正逆解。其中逆運動學求解較易，正運

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