并联式髋关节摩擦特性试验机驱动机构运动学研究

     0   引言

    人工髋关节是人体重要的替代器官，它是模拟天然髋关节而制成的植入性假体，以代替病变或损坏的关节并恢复其功能。评价人工髋关节材料的摩擦磨损特性需要进行摩擦学试验。目前国内外髋关节试验机的驱动机构大多采用串联机构。串联驱动机构的各自由度串接相连、传动链长、累积误差较大导致其驱动精度较低。而且串联机构的位置逆解复杂，而试验机要求在线实时计算位置逆解，这势必使串联驱动机构在复杂运动轨迹模拟方面的运用受到限制。目前国内外的串联式髋关节试验机大多通过简化试验运动曲线的方法来缩短传动链的长度和降低实时控制的难度，例如忽略髋关节的外展/内收(AA)运动。这种简化使得模拟运动与人体髋关节的实际运动曲线相差较大，对试验结果有不良影响。此外串联式髋关节试验机的末端自由度普遍采用悬臂结构，这使得其承载能力降低，在变载荷动力加载时会出现机构振动和变形等问题。

    相对于串联机构，并联机构精度高、工作速度快、刚度大、承载能力强，此外结构简单惯性小［1］。经历半个多世纪的发展，并联机构已经在很多地方得到了成熟的运用，其中重要的一项运用就是运动模拟器，如基于Stewart平台的并联运动模拟器［2］。本文以3SPS+1PS并联机构为核心驱动模块搭建了一台髋关节摩擦磨损试验机样机。以3SPS+1PS并联机构为研究对象，分析了该髋关节试验机驱动机构的运动学特性，通过数值仿真确定了该试验机的运动方案，验证了该试验机驱动件选型的合理性。

     1   3SPS+1PS髋关节试验机

    根据ISO14242-1:2002(E)标准的相关规定，人工髋关节假体在进行摩擦学试验时，所采用的试验机应至少具备三个转动自由度来模拟实际人体髋关节的屈曲/背伸(FE)、外展/内收(AA)和内旋/外旋(IER)运动。试验机的运动频率应为1Hz±0.1Hz。完成一次实验，试验机至少需要持续运转5×106个周期。试验加载力为3kN±90N，按一定的规律以1Hz频率变化。ISO14242-1:2002(E)标准推荐的试验机具体参数要求如表1所示。

     参照表1的相关规定，本文提出一种以空间结构对称的3SPS+1PS并联机构为核心驱动模块的并联式髋关节试验机，其样机如图1所示。该试验机由定动两平台构成，两平台之间由3根SPS形式的主动支链和一根PS形式的中心支柱连接。绝对坐标系{B}固定在定平台上，原点为O点。其Y轴通过A2点，Z轴垂直于定平台平面B，方向指向动平台m，X轴根据右手定则确定。相对坐标系{m}固定在动平台上，原点位于o点。其y轴通过a2点，z轴垂直于动平台平面m，指向动平台m外侧，x、y、z三轴的方向遵循右手定则。定、动平台上球铰链围绕平台中心点均布，安装半径分别为E和e。中心支柱固定于定平台上，与动平台接合处采用推力关节轴承连接。试验加载依靠电液伺服系统控制液压缸进行变载荷动力加载。