髋关节试验机四自由度并联模块运动学与动力学特性分析

    0　引言

    人工髋关节假体一直是近年的研究热点,其中假体的摩擦磨损性能是其关键技术[1-2]。摩擦磨损性能直接关系到假体的使用寿命和生物相容性[3]。因此临床应用之前,对髋关节假体进行摩擦磨损检测是至关重要的环节,在避免患者二次翻修,减轻患者痛苦方面有重要意义[4-5]。而准确检测人工髋关节材料的摩擦磨损特性需要有较高运行性能的检测设备。合理选择试验设备和试验方法[6],在所要求的精度上,真实、可靠、敏地反映出工作参数和材料的摩擦磨损特性,是人工关节摩擦学研究中的重要组成部分。目前国内外的髋关节试验机运动平台均是采用串联模块,但其存在复杂运动轨迹模拟及变载荷动力加载方面的不足。

    对于具有试验循环量极大、载荷变化快以及运动曲线不规则等特点的髋关节试验机,四自由度并联模块较之其它的模块更加适宜[7],主要体现在:①具有更大的刚度、结构更加稳定;②承载能力强、运动惯性小;③位姿逆解求解较易,利于反馈控制;④可使试验机运动模块更紧凑[8]355-365,为下一步实现模块化、系列化、标准化打下基础。本课题利用四自由度并联模块代替传统的串联机械传动和加载系统,模拟髋关节复杂的运动位移和变载荷曲线,从而尽可能地实现人体髋关节的实际运动工况,如偶件接触方式、运动状态、载荷、速度等。结合实际人体髋关节的生物运动与动力特性,选用3SPS+1PS并联机构作为髋关节仿生并联模块的核心部分,并在其基础上输入生物特性曲线进行仿真研究。

    1　3SPS+1PS并联机构三维模型建立

    新型髋关节仿生3SPS+1PS并联机构由静平台、动平台、4条可伸缩移动副驱动支链(r0、r1、r2、r3)组成。机构模型如图1,机构的基本参数如表1所示。3个旁侧支链(r1、r2、r3)分别一端由球铰(r11、r21、r31)与动平台连接,另一端由球铰(r12、r22、r32)与静平台连接;r1、r2、r3的两端与动、静平台以球副连接均组成正三角形。主支链r0一端通过球铰r01与动平台联接,另一端与静平台固接,r01、固接点分别位于上述正三角形的中心。

    装配时,以可使动平台水平上升或下降等长度位移的位置进行装配便于运动学分析。装配完成后,即可利用Pro/E和ADAMS软件的接口程序Mechanism/Pro将并联机构的各个零件为刚体,在各球铰中心处建立球副约束;在各支链连接杆与驱动杆的连接处建立移动副约束。

    2　3SPS+1PS并联机构运动学分析

    各主动支链通过步进电机滚珠丝杠螺母副驱动。主动支链杆长与动平台位姿之间的对应关系是非线性的,但二者之间的微分关系,即主动支链驱动速度与动平台的运动速度之间的映射关系则是线性的。因此,在进行运动控制时,必须通过逆运动学模型,将事先给定的机构位姿及速度信息变换为伺服系统各杆杆长的控制指令,从而驱动并联机构动平台实现期望运动。