并聯(lián)仿生髖關(guān)節(jié)試驗系統(tǒng)運動及動力學(xué)分析

內(nèi)容概要

　　《并聯(lián)仿生髖關(guān)節(jié)試驗系統(tǒng)運動及動力學(xué)分析》以3SPS+1PS型并聯(lián)仿生髖關(guān)節(jié)試驗機為研究對象，系統(tǒng)介紹了試驗機的運動學(xué)分析、運動空間分析及優(yōu)化、奇異位形分析、誤差建模及運動學(xué)標(biāo)定、動力學(xué)分析、剛度分析及優(yōu)化、運動穩(wěn)定性分析等關(guān)鍵問題，并設(shè)計研制出一臺3SPS+1PS型并聯(lián)仿生髖關(guān)節(jié)試驗樣機?！　　恫⒙?lián)仿生髖關(guān)節(jié)試驗系統(tǒng)運動及動力學(xué)分析》可作為機械工程、運動生物學(xué)等專業(yè)的研究生教材，也可供從事并聯(lián)機構(gòu)、仿生機械研究與應(yīng)用的科研和工程技術(shù)人員參考。

書籍目錄

前言變量注釋表第1章 緒論1.1 研究背景1.2 并聯(lián)髖關(guān)節(jié)試驗機研究現(xiàn)狀1.3 人體步態(tài)研究現(xiàn)狀1.4 并聯(lián)機構(gòu)研究現(xiàn)狀1.4.1 并聯(lián)機構(gòu)運動學(xué)研究1.4.2 并聯(lián)機構(gòu)工作空間研究1.4.3 并聯(lián)機構(gòu)奇異位形研究1.4.4 并聯(lián)機構(gòu)運動學(xué)標(biāo)定研究1.4.5 并聯(lián)機構(gòu)動力學(xué)研究1.4.6 并聯(lián)機構(gòu)剛度特性研究1.4.7 并聯(lián)機構(gòu)運動穩(wěn)定性研究1.5 本書主要內(nèi)容第2章 中國人正常步態(tài)運動特性分析2.1 引言2.2 人體步態(tài)分析方法2.2.1 試驗樣本2.2.2 試驗設(shè)備2.2.3 試驗方法2.2.4 數(shù)據(jù)采集2.2.5 數(shù)據(jù)分析2.3 試驗結(jié)果2.3.1 中國男性/女性在時間/空間參數(shù)上的對比2.3.2 行走、跑步、下蹲及下跪運動學(xué)試驗結(jié)果2.4 結(jié)果討論2.5 小結(jié)第3章 并聯(lián)髖關(guān)節(jié)試驗機運動學(xué)分析3.1 引言3.2 試驗機拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與參考坐標(biāo)系3.3 運動自由度分析3.4 剛體姿態(tài)描述方法3.4.1 Euler角描述法3.4.2 方向余弦矩陣法3.4.3 四元數(shù)姿態(tài)描述法3.4.4 Rodrigues參數(shù)法3.5 運動學(xué)逆位姿分析3.6 運動學(xué)速度逆/正解分析3.7 加速度逆/正解分析3.8 運動學(xué)數(shù)值仿真3.9 小結(jié)第4章 并聯(lián)髖關(guān)節(jié)試驗機運動空間分析及優(yōu)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(yōu)化算法4.3 運動空間與結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系4.4 運動空間優(yōu)化指標(biāo)及優(yōu)化分析4.4.1 混合自由度并聯(lián)機構(gòu)的量綱一速度Jacobi矩陣求解4.4.2 運動空間優(yōu)化分析4.4.3 基于Jacobi矩陣條件數(shù)均值的結(jié)構(gòu)優(yōu)化4.5 小結(jié)第5章 并聯(lián)髖關(guān)節(jié)試驗機奇異位形研究5.1 引言5.2 Grassmann線幾何與Grassmann-Cayley代數(shù)簡介5.3 機構(gòu)靜力學(xué)分析5.4 奇異位形分析5.4.1 基于Grassmann線幾何的奇異位形分析5.4.2 基于Grassmann-Cayley代數(shù)的奇異位形分析5.5 奇異軌跡數(shù)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(jié)第6章 并聯(lián)髖關(guān)節(jié)試驗機誤差建模及運動學(xué)標(biāo)定6.1 并聯(lián)髖關(guān)節(jié)試驗機誤差分析6.1.1 誤差模型6.1.2 機構(gòu)誤差數(shù)值分析6.2 運動學(xué)標(biāo)定6.2.1 集合參數(shù)6.2.2 運動學(xué)數(shù)值正解算法6.2.3 標(biāo)定方法6.3 運動學(xué)標(biāo)定數(shù)值仿真6.4 小結(jié)第7章 并聯(lián)髖關(guān)節(jié)試驗機動力學(xué)研究7.1 引言7.2 動力學(xué)分析坐標(biāo)系建立7.3 逆運動學(xué)模型7.3.1 機構(gòu)位姿矩陣化7.3.2 速度加速度矩陣化7.4 逆動力學(xué)分析7.5 動力學(xué)數(shù)值模擬7.6 小結(jié)第8章 并聯(lián)髖關(guān)節(jié)試驗機剛度分析及優(yōu)化8.1 引言8.2 并聯(lián)髖關(guān)節(jié)試驗機剛度模型描述8.2.1 運動/靜力學(xué)模型描述8.2.2 機構(gòu)Jacobi矩陣求解8.3 并聯(lián)髖關(guān)節(jié)試驗機剛度及彈性變形8.3.1 機構(gòu)各部件剛度求解8.3.2 整機剛度模型8.4 剛度數(shù)值分析8.4.1 機構(gòu)彈性變形8.4.2 剛度優(yōu)化8.5 有限元分析8.6 小結(jié)第9章 并聯(lián)髖關(guān)節(jié)試驗機運動穩(wěn)定性研究9.1 引言9.2 并聯(lián)髖關(guān)節(jié)試驗機質(zhì)點系Lagrange方程9.3 動力學(xué)方程消元處理9.4 動態(tài)分岔方程和一階近似系統(tǒng)9.5 并聯(lián)髖關(guān)節(jié)試驗機運動穩(wěn)定性分析9.5.1 Ляпунов第一近似系統(tǒng)穩(wěn)定性判據(jù)9.5.2 主動支鏈輸入?yún)?shù)對并聯(lián)髖關(guān)節(jié)試驗機運動穩(wěn)定性的影響9.6 小結(jié)第10章 并聯(lián)髖關(guān)節(jié)試驗機試驗研究10.1 引言10.2 并聯(lián)髖關(guān)節(jié)試驗機的試制10.2.1 機械結(jié)構(gòu)總體設(shè)計方案10.2.2 運動過程分析10.2.3 機械結(jié)構(gòu)詳細(xì)設(shè)計10.3 并聯(lián)髖關(guān)節(jié)試驗機控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)10.3.1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)10.3.2 數(shù)據(jù)傳遞模塊設(shè)計10.4 并聯(lián)髖關(guān)節(jié)試驗機試驗10.4.1 試驗系統(tǒng)測試設(shè)備10.4.2 液壓加載系統(tǒng)10.4.3 試驗機系統(tǒng)安裝與調(diào)試10.4.4 試驗過程10.5 試驗系統(tǒng)改進(jìn)意見10.6 小結(jié)參考文獻(xiàn)附錄

章節(jié)摘錄

第1章緒論1.1研究背景人工關(guān)節(jié)是人體重要的替代器官，它是模擬人體關(guān)節(jié)而制成的植入性假體，能夠替換已損壞或病變的人體關(guān)節(jié)，從而恢復(fù)其運動功能。目前，關(guān)節(jié)置換手術(shù)越來越普遍，全球每年進(jìn)行的人工關(guān)節(jié)置換手術(shù)大概有100萬例以上，其中髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)占了較大的比例，僅美國每年就有約873000人需進(jìn)行髖關(guān)節(jié)或膝關(guān)節(jié)的置換手術(shù)，而且這個數(shù)字每年還以20%～30%的速度增長。中國是人口大國，民政部門調(diào)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(guān)節(jié)炎患者，需置換人工關(guān)節(jié)的患者有100萬～150萬。據(jù)專家預(yù)計，中國對人工關(guān)節(jié)的需求量年增長為25%以上，年需求量將達(dá)到20萬～30萬套［1］。目前，中國市場上可使用的人工關(guān)節(jié)數(shù)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(jìn)口產(chǎn)品。雖然進(jìn)口產(chǎn)品性能比較好，但其價格昂貴，往往是國產(chǎn)同類產(chǎn)品的2～3倍。另一方面，進(jìn)口產(chǎn)品往往按照西方人種的生理特點進(jìn)行設(shè)計，應(yīng)用于中國種族可能會出現(xiàn)生物特性不匹配的問題，不僅造成置換手術(shù)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(chǎn)權(quán)的人工關(guān)節(jié)試驗技術(shù)，并將之應(yīng)用于人工關(guān)節(jié)特性參數(shù)的評估上，不但可以提高人民的生活質(zhì)量，而且還能產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益。材料表面耐磨性能不是材料的內(nèi)在性質(zhì)，而是依賴于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(huán)境等。理論上，對于每一種新型的人工髖關(guān)節(jié)生物材料都應(yīng)在摩擦磨損試驗機上檢測其摩擦學(xué)特性，而所選用的試驗設(shè)備很大程度上影響了生物材料摩擦學(xué)試驗的準(zhǔn)確性［2～4］。故所選用試驗機應(yīng)能模擬髖關(guān)節(jié)運動副的實際工作條件，如運動狀態(tài)、接觸方式、載荷及運動環(huán)境等［5］，以設(shè)計與人體髖關(guān)節(jié)摩擦條件相似的試驗環(huán)境［6，7］。研究者們還發(fā)現(xiàn)，對同一種材料性質(zhì)的生物材料，在不同的摩擦磨損試驗機上進(jìn)行摩擦學(xué)試驗，測得的結(jié)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(xué)特性測試要求，選擇能準(zhǔn)確反映出工作參數(shù)和材料摩擦磨損特性的試驗設(shè)備及方法［8，9］，是研究人工關(guān)節(jié)摩擦學(xué)試驗機的重點。因此，為能真實反映人工關(guān)節(jié)材料在植入后的摩擦磨損情況，在進(jìn)行摩擦學(xué)試驗時，應(yīng)盡量采用具備模擬人體實際生物特性能力的試驗設(shè)備來進(jìn)行材料摩擦磨損性能的評估。1.2并聯(lián)髖關(guān)節(jié)試驗機研究現(xiàn)狀在20世紀(jì)60年代，美國潤滑工程師學(xué)會列出了在用的200多種摩擦磨損試驗機或設(shè)備［10］。最近，多軸摩擦磨損試驗機的應(yīng)用，更好地模擬了人體的內(nèi)部運動，這對于研究生物材料磨損具有特殊的意義［11，12］。一般而言，實驗室用的摩擦磨損試驗機主要分為兩類：（1）一類是用于研究材料固有摩擦學(xué)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(shè)備成本較低。1965年以來，采用銷盤、球盤、球環(huán)磨損試驗方式的關(guān)節(jié)模擬試驗儀器，如圖1-1所示。它們專用于測試材料的某種固有特性信息，使用的是較簡化的人體關(guān)節(jié)假體磨損機制模型，其測試過程簡單快速，但不能準(zhǔn)確反映所測試材料的幾何特性，對移植關(guān)節(jié)材料的磨損率測試不夠準(zhǔn)確［13～15］，試驗結(jié)果相差較大。（2）另一類是人工關(guān)節(jié)摩擦磨損試驗機，此類試驗機能夠模擬人工關(guān)節(jié)在人體生理環(huán)境中的特性，如人體關(guān)節(jié)的實際運動、載荷及生理潤滑情況等。Saikko設(shè)計了做3軸往復(fù)擺動的髖關(guān)節(jié)磨損模擬試驗機［16］，如圖1-2所示。此類髖關(guān)節(jié)磨損模擬試驗機由串聯(lián)機構(gòu)組成，試驗中將假體髖關(guān)節(jié)副按照實際髖關(guān)節(jié)解剖學(xué)位置安裝，其摩擦環(huán)境也與人體內(nèi)環(huán)境較為接近。此類試驗機可提供較為復(fù)雜的、動態(tài)的測試條件，但只能模擬人體髖關(guān)節(jié)的部分運動形式，不能提供全面的復(fù)合摩擦形式［16～22］。目前，在不同的應(yīng)用需求下，髖關(guān)節(jié)模擬試驗機各種參數(shù)不盡相同，這些參數(shù)包括髖關(guān)節(jié)模擬試驗機的自由度數(shù)、載荷、球杯的相對安裝位置、工作臺數(shù)量及潤滑液的溫度控制等。表1-1總結(jié)了2001年以來出現(xiàn)的髖關(guān)節(jié)模擬試驗機。表1-1中，F(xiàn)E表示彎曲/外伸角，AA表示外展/內(nèi)收角，IER表示內(nèi)旋/外旋角，BI-AX表示雙向擺動角。其中的幾種典型髖關(guān)節(jié)模擬試驗機的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)如圖1-3所示。圖1-3（a）是Helsinki大學(xué)研制的HUT-4型髖關(guān)節(jié)試驗機，以簡化的關(guān)節(jié)運動曲線代替人體髖關(guān)節(jié)實際的運動曲線來模擬正常行走時關(guān)節(jié)運動狀態(tài)，存在較大的誤差。圖1-3（b）是Harris研制的AMTI髖關(guān)節(jié)試驗機，可較好地模擬人體髖關(guān)節(jié)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(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。圖1-3（c）是美國ShoreWestern公司研制的髖關(guān)節(jié)試驗機，可模擬人體髖關(guān)節(jié)的一維運動并施加循環(huán)載荷，并在每一運動循環(huán)內(nèi)設(shè)置不同的載荷曲線，加載力可達(dá)5000N。圖1-3（d）是Leeds大學(xué)研制的PROSIM髖關(guān)節(jié)試驗機，以彎曲/外伸和內(nèi)旋/外旋運動來合成試驗時的髖關(guān)節(jié)運動，但卻忽略了內(nèi)收/外展運動，雖然這樣降低了機械結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度和系統(tǒng)控制的難度，但與人體髖關(guān)節(jié)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(guān)節(jié)模擬試驗機，在髖關(guān)節(jié)運動模擬或者載荷施加方面，能夠近似模擬人體實際髖關(guān)節(jié)正常步態(tài)時的部分運動和受載特性，但由于這些試驗機的運動執(zhí)行機構(gòu)均為串聯(lián)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(fù)合的摩擦運動［5］，也無法施加相應(yīng)動載荷。相對于串聯(lián)機構(gòu)，并聯(lián)機構(gòu)具有高剛度、大承載、高精度、高速度、能模擬復(fù)雜運動等眾多優(yōu)點［23］。目前，并聯(lián)機構(gòu)已得到了深入研究，并已成功應(yīng)用于飛行模擬器裝置、大型射電望遠(yuǎn)鏡、微操作裝置等方面。受到并聯(lián)模擬裝置的啟發(fā)，人們將并聯(lián)機構(gòu)運用到髖關(guān)節(jié)摩擦磨損試驗機的研制上。并聯(lián)機構(gòu)的上述優(yōu)點，使得并聯(lián)髖關(guān)節(jié)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(guān)節(jié)在多種運動方式中不同的生物運動學(xué)特性，能夠提供更為可靠的髖關(guān)節(jié)關(guān)節(jié)材料評價平臺。1.3人體步態(tài)研究現(xiàn)狀實際人體髖關(guān)節(jié)的運動過程較復(fù)雜，臼窩與股骨頭之間有3個轉(zhuǎn)動自由度：彎曲/外伸運動（FE）、外展/內(nèi)收運動（AA）、外旋/內(nèi)旋運動（IER），各自的運動范圍如圖1-4（a）所示。從圖中可看出，髖關(guān)節(jié)實際運動規(guī)律是不規(guī)則曲線，要模擬此運動規(guī)律非常困難。2002年世界標(biāo)準(zhǔn)組織制定了人工髖關(guān)節(jié)假體摩擦磨損試驗標(biāo)準(zhǔn)ISO14242―1：2002（E）［24］，該標(biāo)準(zhǔn)推薦的髖關(guān)節(jié)試驗機運動角度如圖1-4（b）所示，從圖中可發(fā)現(xiàn)兩者之間差異，這將導(dǎo)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(yīng)對現(xiàn)有試驗機進(jìn)行改進(jìn)，使其能盡可能真實地模擬人體髖關(guān)節(jié)的實際運動。這就需要能模擬復(fù)雜運動軌跡的機構(gòu)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(guān)節(jié)受到的載荷是動態(tài)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(xiàn)有髖關(guān)節(jié)模試驗機的加載方向與實際人體髖關(guān)節(jié)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(shù)試驗機的加載機構(gòu)采用懸臂式機構(gòu)，受到機構(gòu)剛度以及控制復(fù)雜程度的限制，通常加載力多為定值，這勢必會導(dǎo)致試驗機模擬的人工髖關(guān)節(jié)運動副間的接觸應(yīng)力情況與實際情況不符，而這樣的差異會給試驗結(jié)果帶來一定的影響［25］。ISO14242―1：2002（E）標(biāo)準(zhǔn)推薦的髖關(guān)節(jié)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(guān)節(jié)真實的運動動力特性，應(yīng)根據(jù)實際人體的接觸力學(xué)特性，使髖關(guān)節(jié)模擬試驗機具有變載荷加載功能，并正確調(diào)整加載方向。這就需要運動部件具有較大結(jié)構(gòu)剛度來承載動態(tài)加載力。

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程剛等專著的《并聯(lián)仿生髖關(guān)節(jié)試驗系統(tǒng)運動及動力學(xué)分析》以3SPS+1PS型并聯(lián)仿生髖關(guān)節(jié)試驗機為研究對象，系統(tǒng)介紹了試驗機的運動學(xué)分析、運動空間分析及優(yōu)化、奇異位形分析、誤差建模及運動學(xué)標(biāo)定、動力學(xué)分析、剛度分析及優(yōu)化、運動穩(wěn)定性分析等關(guān)鍵問題，并設(shè)計研制出一臺3SPS+1PS型并聯(lián)仿生髖關(guān)節(jié)試驗樣機。

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