用于關(guān)節(jié)運(yùn)動模擬的方法和設(shè)備的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種模擬生物力學(xué)運(yùn)動的關(guān)節(jié)運(yùn)動模擬器包括其上安裝假體裝置的底座、連接到該底座以驅(qū)動該底座的致動器、以及用來驅(qū)動這些致動器以平移該底座并且使該底座圍繞獨(dú)立于平移可控的旋轉(zhuǎn)中心而旋轉(zhuǎn)的可編程控制器。該模擬器可以包括用來在基本上平行于旋轉(zhuǎn)軸的線性方向平移該底座的線性致動器。該線性致動器可以包括在一個(gè)套筒之內(nèi)的活塞，該活塞連接至該底座并且被液壓驅(qū)動以平移該底座，并且這些致動器可以連接至該套筒。該控制器可以被編程為改變該底座的具有線性平移和旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)中心?？梢园y量這些致動器的位移的傳感器。該控制器可以基于測量的位移而驅(qū)動這些致動器。
【專利說明】用于關(guān)節(jié)運(yùn)動模擬的方法和設(shè)備
[0001]相關(guān)申請
[0002]本申請要求于2010年11月15日提交的美國臨時(shí)申請?zhí)?1/413，873的權(quán)益。
[0003]上述申請的全部傳授內(nèi)容通過弓丨用結(jié)合在此。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0004]本發(fā)明涉及一種用于關(guān)節(jié)運(yùn)動模擬的方法和設(shè)備。
【背景技術(shù)】
[0005]假體植入物失效機(jī)理是多樣的。最普遍的失效原因是聚乙烯磨損、松動、感染、以及不對準(zhǔn)。聚乙烯磨損包括目前植入物失效的最重大的單個(gè)可識別的原因。此外，由于增加的改造組織的負(fù)載，聚乙烯磨損可能使植入物易于松動。隨著植入物技術(shù)的發(fā)展，正在鑒定新的并且更復(fù)雜的磨損、損傷、和失效模式。由于這些事實(shí)，非常需要在能夠復(fù)制人類運(yùn)動的細(xì)微之處的模擬機(jī)中的嚴(yán)密的植入物生命周期測試。
[0006]通過提供其中使用加速的壽命測試評估新的和現(xiàn)有的假體裝置的非人類環(huán)境，模擬機(jī)解決了植入物壽命問題。這些模擬機(jī)允許研究人員隔離且研究設(shè)計(jì)缺陷，識別并且校正材料問題，且最終為醫(yī)師和患者提供較長壽命的假體系統(tǒng)。模擬機(jī)近似于人類關(guān)節(jié)運(yùn)動。顯然，人類關(guān)節(jié)運(yùn)動的近似越近，結(jié)果就越可靠。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明總體上涉及用于關(guān)節(jié)運(yùn)動模擬的設(shè)備和方法，提供了增強(qiáng)的對假體模擬器的運(yùn)動控制。通過加速的壽命測試，假體模擬器提供了其中評估新的和現(xiàn)有的假體裝置特別是可植入的假體裝置的非人類環(huán)境。
[0008]一種模擬生物力學(xué)運(yùn)動的關(guān)節(jié)運(yùn)動模擬器包括其上安裝假體裝置的底座、連接到該底座以驅(qū)動該底座的致動器、以及用來驅(qū)動這些致動器以平移該底座并且使該底座圍繞獨(dú)立于平移可控的旋轉(zhuǎn)中心而旋轉(zhuǎn)的可編程控制器。
[0009]致動器可以包括至少三個(gè)線性致動器，它們可以連接到一個(gè)套筒，例如垂直(Z軸)致動器的外套筒，并且可以沿該套筒垂直移位。該控制器可以被編程為改變該底座的具有線性平移和旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)中心。該關(guān)節(jié)運(yùn)動模擬器可以進(jìn)一步包括位移傳感器，該傳感器測量這些致動器的位移，并且該控制器可以基于測量的位移驅(qū)動這些致動器。在一些實(shí)施例中，這些致動器包括線性致動器并且這些位移傳感器包括長度傳感器。旋轉(zhuǎn)中心或旋轉(zhuǎn)軸可以是瞬時(shí)旋轉(zhuǎn)中心。
[0010]在一個(gè)實(shí)施例中，用來模擬生物力學(xué)運(yùn)動的關(guān)節(jié)運(yùn)動模擬器包括其上安裝假體裝置的底座以及連接到該底座的用來使該底座旋轉(zhuǎn)和平移的至少三個(gè)線性致動器。
[0011]除了這至少三個(gè)線性致動器之外，該關(guān)節(jié)運(yùn)動模擬器可以進(jìn)一步包括用來在基本上平行于旋轉(zhuǎn)軸的線性方向平移該底座的線性致動器。用來平移的線性致動器可以包括在一個(gè)套筒之內(nèi)的活塞，該活塞連接至該底座并且被液壓驅(qū)動以平移該底座，并且這至少三個(gè)線性致動器可以連接至該套筒。此外，用來平移的線性致動器可以包括連接至該底座的第二活塞，其中該第一活塞和第二活塞是以相反方向被驅(qū)動的。至少三個(gè)致動器中的每一個(gè)可以包括在汽缸中被液壓驅(qū)動的活塞，其中該活塞通過鉸鏈接合連接至該套筒。
[0012]用來模擬生物力學(xué)運(yùn)動的關(guān)節(jié)運(yùn)動模擬器包括其上安裝假體裝置的底座；連接到該底座以驅(qū)動該底座的致動器；以及用來驅(qū)動這些致動器使該底座圍繞一個(gè)軸旋轉(zhuǎn)以便在相對于該旋轉(zhuǎn)軸的橫向平移該底座并且以獨(dú)立于該底座的平移而橫向平移該旋轉(zhuǎn)軸的可編程控制器。
[0013]用來模擬關(guān)節(jié)運(yùn)動的驅(qū)動假體裝置的方法包括沿著一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)而驅(qū)動該假體裝置，并且在多個(gè)方向橫向移動該旋轉(zhuǎn)軸。
[0014]該假體裝置可以被安裝到一個(gè)底座上，在這種情況下，驅(qū)動該假體裝置旋轉(zhuǎn)可以包括驅(qū)動連接至該底座的致動器以使該底座旋轉(zhuǎn)。在一個(gè)實(shí)施例中，至，三個(gè)線性致動器連接至該底座。驅(qū)動該假體裝置的方法可以進(jìn)一步包括驅(qū)動這些致動器以相對于該旋轉(zhuǎn)軸橫向平移該底座。該旋轉(zhuǎn)軸進(jìn)而可以獨(dú)立于該底座的平移而橫向移動。在一些實(shí)施例中，驅(qū)動該假體裝置的方法進(jìn)一步包括感測這些致動器的位移，并且驅(qū)動這些致動器可以包括基于感測的位移驅(qū)動這些致動器。這些致動器可以包括線性致動器，并且感測位移可以包括感測這些線性致動器的長度。在一個(gè)實(shí)施例中，驅(qū)動該假體裝置的方法進(jìn)一步包括在基本上平行于該旋轉(zhuǎn)軸的線性方向驅(qū)動該假體裝置平移。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例的以下更具體的說明，上述內(nèi)容將是清楚的，如在這些附圖中展示的，其中貫穿這些不同的視圖的相同的參照字符是指相同的部分。這些圖不一定是按比例繪出，而是著重展示本發(fā)明的實(shí)施例。
[0016]圖1A為根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的假體模擬系統(tǒng)；
[0017]圖1B為是針對假體裝置的現(xiàn)有技術(shù)模擬器臺的示意圖；
[0018]圖1C-1F為假體膝關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)元件的位勢運(yùn)動；
[0019]圖2為圖1A的系統(tǒng),其中移除了一部分下殼和液壓流體系統(tǒng)；
[0020]圖3為從下方看的三個(gè)χ-y- Θ致動器的視圖；
[0021]圖4為平臺致動器組件的細(xì)節(jié)；
[0022]圖5為下平臺致動器組件的局部剖視圖；
[0023]圖6A為下平臺致動器組件的局部透視圖，該組件展示了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的垂直致動器；
[0024]圖6B為圖6A的下平臺致動器組件的俯視圖；
[0025]圖6C為如在圖6B中指示的圖6A的下平臺致動器組件的截面圖；
[0026]圖7為圖3的三個(gè)χ-y- Θ致動器之一的另外的細(xì)節(jié)；
[0027]圖8為機(jī)械臺和用來產(chǎn)生x-y平移和圍繞任何軸的角旋轉(zhuǎn)的三個(gè)致動器的示意圖；
[0028]圖9為機(jī)械臺的旋轉(zhuǎn)中心的運(yùn)動如何可以由向量rp指定的，同時(shí)該臺的取向如何可以由角Φ指定；
[0029]圖10為旋轉(zhuǎn)中心如何可以由向量ro指定；[0030]圖11為用于根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的假體模擬器的控制系統(tǒng)的示意圖；
[0031]圖12A至12H為假體模擬器的機(jī)械臺的一些可能的運(yùn)動。
【具體實(shí)施方式】
[0032]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖及具體實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。在此，本發(fā)明的示意性實(shí)施例及說明用于解釋本發(fā)明，但是不能認(rèn)為是對本發(fā)明的限定。
[0033]圖1A展示了實(shí)施本發(fā)明的模擬系統(tǒng)100。關(guān)于現(xiàn)有系統(tǒng)，關(guān)節(jié)的一個(gè)元件被安裝到上底座102中，并且該關(guān)節(jié)的其他元件被安裝至下底座(平臺)104。下底座104，在此也稱為樣品臺或機(jī)械臺，是用X-Y-Z- Θ自由度可控制的。
[0034]圖1B展示了假體膝關(guān)節(jié)，雖然該系統(tǒng)可以攜帶任何關(guān)節(jié)的假體元件。關(guān)節(jié)元件106、108在兩個(gè)底座之間彼此抵靠對接并且分別通過編程的運(yùn)動驅(qū)動。在布魯斯F.懷特(Bruce F.White)的美國專利號7，823，460中描述了現(xiàn)有模擬系統(tǒng)，通過引用以其全文結(jié)合。在現(xiàn)有模擬系統(tǒng)中，上底座可由致動器在橫向Y方向35移動，并且還圍繞從前到后的軸X以角度α可旋轉(zhuǎn)31。下平臺在Z軸37是可移動的，并且還圍繞垂直的Z軸以角度Θ可旋轉(zhuǎn)33。在現(xiàn)有系統(tǒng)中，未控制的自由度包括下平臺的平移39和旋轉(zhuǎn)41。
[0035]現(xiàn)有模擬器包括安裝在模擬器臺的脛骨托23下方的多軸力/扭矩傳感器19，使得可以監(jiān)測股骨-脛骨接觸力(和力矩)的三個(gè)分量。傳感器19可以是六通道應(yīng)變儀傳感器。另外，現(xiàn)有模擬器可以包括用來測量模擬器的股骨22和脛骨23分量的相對平移和旋轉(zhuǎn)位置的一個(gè)或多個(gè)位置傳感器(sensor)或傳感器(transducer)。如在圖1B中顯示,位置傳感器可以監(jiān)測假體的屈角/伸角31、內(nèi)/外(IE)旋轉(zhuǎn)角33、前/后(AP)平移35、以及垂直(加壓/撐開)位置37。還可以監(jiān)測中-側(cè)(ML)膝關(guān)節(jié)平移39和內(nèi)翻外翻旋轉(zhuǎn)41。
[0036]雖然現(xiàn)有模擬系統(tǒng)的組合運(yùn)動允許用于磨損測試的兩個(gè)關(guān)節(jié)元件之間的復(fù)雜相對運(yùn)動，它們不能完全模擬正常生物運(yùn)動。具體地，現(xiàn)有系統(tǒng)并不控制沿著X軸的相對運(yùn)動。此外，旋轉(zhuǎn)軸是固定的；然而，在身體中，該旋轉(zhuǎn)軸可以偏離該中心，并且甚至可以通過關(guān)節(jié)的作用而移動。本發(fā)明允許在X、Y和Z軸中的每一個(gè)連同圍繞旋轉(zhuǎn)中心的角Θ中的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動中進(jìn)行控制，該旋轉(zhuǎn)中心自身可以沿著X和Y軸移動。雖然在上底座102中并未初始實(shí)施，本發(fā)明可以類似地施用至該底座，以允許角α的旋轉(zhuǎn)中心的移動。
[0037]關(guān)節(jié)模擬器的目標(biāo)是達(dá)到和/或控制正確的(例如解剖學(xué)上正確的)接觸剛體(例如假體關(guān)節(jié)元件)中的運(yùn)動學(xué)。為此目的，本發(fā)明的實(shí)施例提供了在兩個(gè)正交軸方向的旋轉(zhuǎn)中心的獨(dú)立編程控制，而沒有接觸剛體的相對平移。貫穿本說明書，術(shù)語旋轉(zhuǎn)中心和旋轉(zhuǎn)軸被可互換地使用。
[0038]在剛體力學(xué)中，術(shù)語瞬時(shí)旋轉(zhuǎn)中心可以適用于旋轉(zhuǎn)的速度(瞬時(shí))中心，并且適用于旋轉(zhuǎn)的加速度中心。旋轉(zhuǎn)的速度中心典型地是相對于固定或全局參考坐標(biāo)系而定義的。以平坦表面上滾動的輪子為例，該表面相對于全局參考坐標(biāo)系是固定的。該輪子的運(yùn)動可以被描述為以平行于該平坦表面的方向平移、以及圍繞該輪子的中心的同時(shí)旋轉(zhuǎn)。在任何給定時(shí)間點(diǎn)，旋轉(zhuǎn)的加速度中心在輪子的中心，而旋轉(zhuǎn)的速度(瞬時(shí))中心是在與該表面接觸的點(diǎn)。在另一實(shí)例中，桿圍繞固定軸(例如桿的中心軸)旋轉(zhuǎn)。在此，在任何給定時(shí)間點(diǎn)，旋轉(zhuǎn)的速度中心與旋轉(zhuǎn)的加速度中心是相同的。因此，示例性桿的瞬時(shí)旋轉(zhuǎn)中心同時(shí)是旋轉(zhuǎn)的速度(瞬時(shí))和加速度中心。
[0039]圖1C-F展示了假體膝關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)元件106、108的位勢運(yùn)動。圖1C和ID展示了圍繞該系統(tǒng)的垂直固定Z軸的下脛骨元件108的旋轉(zhuǎn)。圖1E和IF展示了下脛骨元件108的旋轉(zhuǎn)中心的平移，使得該脛骨元件圍繞該系統(tǒng)的軸Z’而不是垂直Z軸而旋轉(zhuǎn)。Z’軸是瞬時(shí)旋轉(zhuǎn)中心。描述的現(xiàn)有技術(shù)僅允許圖1C-1D的運(yùn)動，而不允許圖1E-1F的運(yùn)動。
[0040]圖2展示了圖1A的系統(tǒng)，其中移除了下殼和液壓流體收集系統(tǒng)，以展示實(shí)施本發(fā)明的部件。在圖2中可見導(dǎo)致下平臺104的垂直運(yùn)動的Z軸致動器206。還展示了安裝在下模擬器臺面212的三個(gè)X-Y-Θ致動器中的兩個(gè)208和210。如將在以下詳細(xì)描述，三個(gè)X-Y- Θ致動器在Z和Y方向驅(qū)動Z軸致動器的套筒，并且還使該套筒圍繞可以在X和Y方向移位的旋轉(zhuǎn)中心旋轉(zhuǎn)通過角Θ。
[0041]圖3是如從下方看的三個(gè)X-Y- Θ致動器208、210和302的視圖。如將在以下詳細(xì)討論，每個(gè)致動器包括鉸接在垂直致動器套筒上的驅(qū)動活塞。每個(gè)致動器208、210和302被安裝到臺面212的底部。例如，致動器208通過支柱304安裝到臺子的底部，致動器302通過支柱306安裝到臺子的底部，致動器210通過支柱308安裝到臺子的底部。如所示，致動器208、210和302分別經(jīng)由鉸鏈305、307、和309而連接至支柱。因此，每個(gè)致動器包括鉸接端319和游離端320。致動器可以經(jīng)由適合的液壓導(dǎo)管(未顯示)而被連接至液壓閥歧管316。通過發(fā)送驅(qū)動信號至閥歧管316的閥，控制器可以驅(qū)動各個(gè)致動器。雖然致動器208,210和302在此被描述為被液壓驅(qū)動，但是將理解的是，其他類型的可控制致動器可以被用作X-Y-Θ致動器。一般而言，三個(gè)或更多個(gè)獨(dú)立地和相互依賴地線性或旋轉(zhuǎn)致動器可以被用于產(chǎn)生X-Y平移和按θ的角旋轉(zhuǎn)。
[0042]圖4展示了下平臺致動器組件的另外的細(xì)節(jié)。運(yùn)動圖解402顯示了在X、y、z方向的平移，以及圍繞下底座104的旋轉(zhuǎn)中心的旋轉(zhuǎn)Θ。垂直致動器206的外套筒被安裝到液體靜壓軸承板408，該軸承板抵靠臺面212的底部并且由懸掛在臺面下方的板318支撐。在它的上表面和下表面中的每一個(gè)中，軸承板408包括三個(gè)橢圓端口 410、412和414，通過它們，將液壓流體快速遞送以形成液體靜力軸承。一次方式，快速遞送的液壓流體可以產(chǎn)生軸承板408的上表面409和下表面(未顯示)上的液體靜力膜?？梢詫⒁后w靜力流體提供至端口 410、412和414，穿過進(jìn)給管420。如以下將討論，通過臺面212中的開口(圖6C中的612)，關(guān)節(jié)元件支承平臺或樣品板416被連接至Z軸致動器。臺面212可以包括鄰近臺面212的開口的槽418。
[0043]在圖5和6A-C、以及圖4中可見垂直致動器206的細(xì)節(jié)。圖5是下平臺致動器組件的局部剖視圖。圖6A-C分別是下平臺致動器組件的透視圖、俯視圖、和截面圖，為了清楚起見，其中移除了致動器208、210和310。垂直致動器206包括外套筒502，其中定位了兩個(gè)液壓驅(qū)動活塞?；钊?04、506各自通過負(fù)荷傳感器508而直接連接至樣品平臺416。負(fù)荷傳感器508感測在三個(gè)正交線性方向中的力、以及圍繞這些軸的三個(gè)正交矩。由于要測試的假體關(guān)節(jié)元件安裝至樣品平臺416，該平臺被安裝至負(fù)荷傳感器508，該負(fù)荷傳感器可以用來監(jiān)測在關(guān)節(jié)元件處起作用的力和力矩。負(fù)荷傳感器508可以是六通道應(yīng)變儀傳感器，例如參考圖1B描述的傳感器19。通過鉸鏈510，活塞504被直接連接至傳感器板512。通過上導(dǎo)向板513并且通過從固定至下活塞506的環(huán)(下導(dǎo)向板)514延伸穿過套筒502的三個(gè)棒310、312和314，下活塞506被連接至同一個(gè)板512。[0044]塞子516被固定至在活塞504與506之間的套筒502。在壓力Pl下通過端口 518將液壓流體引入在塞子516與活塞504之間的空間。分開地，在壓力P2下通過端口 520將液壓流體引入在塞子516與活塞506之間的空間?？梢钥吹饺缓笤趬毫l的液壓流體向上擠壓活塞504以向上驅(qū)動樣品平臺416 ;然而，壓力P2向下驅(qū)動活塞506，以通過棒310、312和314向下移動樣品平臺。壓力Pl和P2之間的差決定樣品平臺是否向上移動、向下移動或一點(diǎn)也不動，其中這些活塞通過它們的共同連接，板512, —起移動。下活塞506包括磁力連接至霍爾效應(yīng)傳感器的磁鐵522和524，該霍爾效應(yīng)傳感器用于活塞組件和樣品底座的垂直位移感測。
[0045]如在圖6C中顯示，垂直致動器206通過負(fù)荷傳感器508連接至樣品平臺416，并且該連接延伸穿過臺面212中的開口 612。致動器208、210和302的相對于垂直致動器206的位置顯示于圖4和5中，并且顯示于圖6C中的在604、606和608處的假想圖中。致動器208、210和302沿著垂直致動器206的套筒502垂直移位。如通過假想圖608所展示，通過沿著Z軸延伸的支架和鉸鏈610，致動器302被連接至垂直致動器206的套筒502。同樣，分別相應(yīng)于假想圖606和604的位置的水平，致動器208和210各自通過支架和鉸鏈連接至套筒502 (參見圖4和5)。
[0046]還在圖6A和6C中顯示的是附接到臺面212的隔離管602和周圍負(fù)荷傳感器508。隔離管提供了對抗可能由尸體測試和磨損測試的流體和潤滑劑引起的下致動器組件的污染的防塵蓋。附接至套筒502的底部的PC板603可以包括用于Z軸致動器206例如用于垂直位移感測的控制電路。
[0047]圖7展示了三個(gè)X-Y- Θ致動器之一的細(xì)節(jié)，應(yīng)當(dāng)理解的是，這三個(gè)致動器是完全相同的，但是以120度角移位，并且沿著套筒502垂直移位以防彼此干擾。
[0048]如圖7所示，致動器210包括在外部汽缸702內(nèi)的單個(gè)活塞704。通過沿著Z軸延伸的鉸鏈309，汽缸702被鉸接在支柱308的一端。汽缸702的另一端是游離的。汽缸702被沿著鄰近垂直致動器206的長度切掉，以暴露活塞，并且使其通過支架708和沿著Z軸延伸的鉸鏈710能夠被連接至垂直致動器的套筒502。該活塞自身在支架708處被切掉(706)，以允許更緊湊的組件。
[0049]通過油端口(配件)711和713，以不同的壓力將液壓流體施用至在氣缸702內(nèi)的活塞的相反端的油體積712和714。有差別的壓力體積引起活塞沿著其軸移動，并且通過鉸鏈710將力施用至Z軸致動器的套筒或活塞502。磁鐵716和718嵌入活塞704的相反端，并且由安裝至汽缸702上的支架720的霍爾效應(yīng)傳感器感測，用于感測汽缸702內(nèi)的活塞704的位移。通過感測活塞的位移，致動器的長度(例如在鉸鏈309與鉸鏈710之間的距離)可以被感測。控制器可以然后基于感測的長度或長度方面的變化來驅(qū)動致動器。
[0050]如將在以下更詳細(xì)描述，在線性致動器208、210和302中的三個(gè)活塞的組合線性運(yùn)動導(dǎo)致任何在X-Y方向的運(yùn)動以及在該系統(tǒng)的可允許范圍之內(nèi)的通過圍繞任何旋轉(zhuǎn)中心的角Θ的旋轉(zhuǎn)。例如，如果各個(gè)活塞都朝向?qū)?yīng)的安裝柱以相等位移被驅(qū)動，套筒502將以如在圖7中所見的逆時(shí)針方向圍繞中心軸旋轉(zhuǎn)。然而，當(dāng)施用不同位移至這些活塞時(shí)，旋轉(zhuǎn)可以圍繞不同的軸，并且可以強(qiáng)加X-Y移動。如另一簡單說明，如果在致動器208和302(參見圖3)中的每一個(gè)中的活塞被驅(qū)動朝向止動器210，由于沒有力被施加至活塞210，Z致動器套筒502以及因此樣品將在朝向致動器210的鉸鏈708的方向移動。[0051]以下呈現(xiàn)了 X-Υ-θ運(yùn)動的控制的詳細(xì)數(shù)學(xué)分析。該分析源自Atul RavindraJoshi(阿圖萊文德拉喬希)的著作“A Design and Control of a Three Degree-Of-FreedomPlanar Parallel Robot (三自由度平面并聯(lián)機(jī)器人的設(shè)計(jì)和控制)”,碩士論文，OhioUniversity (俄亥俄大學(xué)),2003年8月，通過引用以其全文結(jié)合在此。然而，該分析已經(jīng)被顯著地延伸至結(jié)合一個(gè)參數(shù)r0以允許控制旋轉(zhuǎn)軸。此外，Joshi (喬希)的著作是針對機(jī)器人；沒有提示將其用于針對假體關(guān)節(jié)運(yùn)動模擬的系統(tǒng)中。
[0052]用于這種模擬器的控制系統(tǒng)可以是披露于美國專利申請?zhí)?2/942，886 (由BruceF.White (布魯斯F.懷特)在2010年11月9日提交)中的模擬器的延伸，通過引用將該專利申請以其全文結(jié)合。以下呈現(xiàn)了具體實(shí)施。用該控制器，旋轉(zhuǎn)中心是可控制的并且在獨(dú)立于底座的X-Y平移的范圍內(nèi)無限可變。
[0053]位移控制:
[0054]向致動器系統(tǒng)的輸入(稱為平面致動器陣列)包括平移、旋轉(zhuǎn)和約束。這些輸入是:
[0055]I) X 和 y 平移；
[0056]2)角旋轉(zhuǎn)；以及
[0057]3)約束，例如旋轉(zhuǎn)軸的X、y位置。
[0058]旋轉(zhuǎn)軸的約束是數(shù)學(xué)上必需的，以明白地區(qū)分旋轉(zhuǎn)和平移。平移可以被認(rèn)為是圍繞無限遠(yuǎn)的一個(gè)軸旋轉(zhuǎn)。X平移將會是圍繞I無限遠(yuǎn)的一個(gè)軸旋轉(zhuǎn)，而I平移會是圍繞X無限遠(yuǎn)的一個(gè)軸旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)變換的通常公式化是圍繞原點(diǎn)(即0，0)。
[0059]在根據(jù)本發(fā)明的原理的致動器系統(tǒng)中，旋轉(zhuǎn)軸可以被選擇為在X和y位置的范圍之內(nèi)的任何地方一那么它可以被選擇在某處(約束的)，以便計(jì)算所希望的各致動器的延伸(位移長度)。
[0060]直觀地，似乎更易于相對于固定的全局坐標(biāo)系定義旋轉(zhuǎn)軸。然而，在天然膝關(guān)節(jié)中，這個(gè)軸更“天然地”與脛骨干的長軸相關(guān)。在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的致動器系統(tǒng)中，脛骨平臺平移，并且因此脛骨干的長軸平移，這引起更令人希望的相對于固定全局系統(tǒng)移動的軸的呈現(xiàn)。
[0061]在位移控制下，控制問題可以被考慮為兩個(gè)數(shù)學(xué)過程:1)來自輸入設(shè)定點(diǎn)信號的致動器驅(qū)動信號的復(fù)合，以及2)將測量位置和取向分解成分量，這些分量可以與設(shè)定點(diǎn)信號比較，或者與致動器驅(qū)動信號比較，以確定當(dāng)前的跟蹤誤差。向該系統(tǒng)的輸入，包括設(shè)定點(diǎn)X和I位置、設(shè)定點(diǎn)角旋轉(zhuǎn)以及所選擇的旋轉(zhuǎn)中心的X、y坐標(biāo)，被稱為輸入設(shè)定點(diǎn)信號。致動器驅(qū)動信號包括提供為向各個(gè)控制環(huán)輸入的單獨(dú)信號，該控制環(huán)可以被用來提供例如閥驅(qū)動信號，用于液壓驅(qū)動致動器。閥驅(qū)動信號不同于致動器驅(qū)動信號，在于它已經(jīng)根據(jù)一個(gè)或多個(gè)誤差量度(例如，χ-y位置誤差)被確定，并且已經(jīng)通過控制過程起作用。
[0062]回到控制問題的兩個(gè)分量，在數(shù)學(xué)上，旋轉(zhuǎn)被認(rèn)為是圍繞原點(diǎn)。在剛體力學(xué)中，當(dāng)嵌入剛體的參考坐標(biāo)系的坐標(biāo)(在所希望的旋轉(zhuǎn)中心)相對于全局坐標(biāo)系是已知的時(shí)，可以將旋轉(zhuǎn)施用至剛體。使用已知的坐標(biāo)，可以將剛體平移至原點(diǎn)，然后使其旋轉(zhuǎn)，然后平移返回到初始位置(旋轉(zhuǎn)中心的初始位置)。在平面系統(tǒng)中，單個(gè)角和兩個(gè)線性坐標(biāo)足以解決該問題。由于各致動器附接點(diǎn)相對于嵌入的坐標(biāo)系統(tǒng)的坐標(biāo)是已知的，并且假定相對于全局系統(tǒng)它們的初始位置是已知的，可以確定各附接點(diǎn)的變換坐標(biāo)。根據(jù)這些坐標(biāo)，各個(gè)單獨(dú)的致動器的獨(dú)特延伸長度可以被確定。[0063]回到控制問題的第二部分，如果局部地測量致動器延伸(長度)，那么這些測量可以直接用于模擬器的反饋控制。要不然，可以使用確定用于剛體的三個(gè)參數(shù)的全局測量系統(tǒng)。旋轉(zhuǎn)中心的角和x、y坐標(biāo)可以提供一種提供反饋的自然手段。可以按與設(shè)定點(diǎn)信號幾乎相同的方式處理這些測量值，以確定一組獨(dú)特的致動器延伸，然后可以被用作控制通道的反饋信號。
[0064]力控制:
[0065]在力控制下，人們可以指定所希望的力和扭矩，然后驅(qū)動模擬器臺或機(jī)器的致動器來實(shí)現(xiàn)這些力和扭矩。向致動器系統(tǒng)的輸入包括力、扭矩和約束。輸入是:
[0066]I) X 和 y 力;
[0067]2)扭矩；以及
[0068]3)旋轉(zhuǎn)軸的x、y位置，或引導(dǎo)旋轉(zhuǎn)的其他約束。
[0069]關(guān)于位移控制范例，旋轉(zhuǎn)軸的約束是必需的。人們可以考慮當(dāng)前的機(jī)器設(shè)計(jì)以及天然膝關(guān)節(jié)。當(dāng)前的機(jī)器設(shè)計(jì)強(qiáng)加了固定的旋轉(zhuǎn)軸或平移的旋轉(zhuǎn)軸。在任一情況下，用于旋轉(zhuǎn)的軸承系統(tǒng)提供了平衡致動器施加的力的反應(yīng)力。
[0070]在力控制下，可以根據(jù)計(jì)算的力和扭矩(例如基于韌帶和關(guān)節(jié)面)確立旋轉(zhuǎn)中心。旋轉(zhuǎn)中心還可以基于感測的力和扭矩，例如由多軸感測元件(例如負(fù)荷傳感器508 (圖5))感測的力和扭矩。
[0071]下位移臺:
[0072]根據(jù)本發(fā)明的關(guān)節(jié)運(yùn)動模擬器的實(shí)施例包括設(shè)計(jì)為允許三個(gè)自由度，即X和y平移以及圍繞任意軸旋轉(zhuǎn)的一個(gè)平臺、底座或臺104。如以上參考圖4、5和6A-C描述的，臺自身可以是被約束在一個(gè)平面中由液體靜壓支承系統(tǒng)移動的剛體?？梢酝ㄟ^三個(gè)致動器將運(yùn)動傳遞給該臺，每個(gè)致動器都在致動器的一端連接至該臺，并且在另一端連接至機(jī)器本體，雖然在致動器端不必發(fā)生連接(參見例如圖3)。在每個(gè)附接點(diǎn)，可以用轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)將這些致動器連接至機(jī)器本體，該轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)具有垂直于運(yùn)動平面的軸。
[0073]數(shù)學(xué)分析:
[0074]考慮在圖8中顯示的3RPR平面并聯(lián)致動器800。致動器800由三個(gè)具有長度(I1、d2和d3的三個(gè)線性致動器801、802、803組成，這三個(gè)致動器以相對于全局參考坐標(biāo)系的x軸的同位角Qp 92和03而定向。
[0075]全局參考坐標(biāo)系804被定義為具有在Og的原點(diǎn)，并且附接到可移動臺或底座808的可移動參考坐標(biāo)系806被定義為具有在Om的原點(diǎn)。Om相對于Oe的位置是由位置向量rm指定的，并且Om相對于Oe的旋轉(zhuǎn)角被定義為Φ。
[0076]通過在各個(gè)Ap A2、和A3的轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)將致動器801、802、803附接到機(jī)器框架，同時(shí)通過在點(diǎn)CpC2、和C3的轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)類似地被附接到可移動臺808。位置向量rai和6分別表示點(diǎn)Ai和Ci相對于Oe的位置。
[0077]臺808相對于Og的特定位姿或配置810是通過位姿位置向量(pose positionvector) rp、取向角Φ、以及位置向量r°指定的，該位置向量r°定義了相對于Om的旋轉(zhuǎn)軸，其中該臺在參考位置。
[0078]圖9展示了在時(shí)間h和&的臺808的兩個(gè)連續(xù)位姿902和904。代表臺的平移的向量是rp,這是向量差:[0079]rp=rm (t0)-rm Ct1)(I)
[0080]其中rm (tj和rm U1)代表在連續(xù)時(shí)間間隔h和&的臺的原點(diǎn)Om的位置。在連續(xù)時(shí)間間隔(在相對于位姿902的位姿904處)的臺的取向被顯示為角Φ Ct1).[0081]圖10展示了可以用來指定相對于臺的原點(diǎn)Oni的旋轉(zhuǎn)中心或軸的向量r°。所希望的旋轉(zhuǎn)中心在全局坐標(biāo)系中在Oe處被指定為
[0082]‘rW-r0(2)
[0083]其中rn代表臺的原點(diǎn)Oni的位置。圖展示了臺808的兩個(gè)位姿1002、1004。位姿1004代表圍繞新的旋轉(zhuǎn)中心旋轉(zhuǎn)，該旋轉(zhuǎn)中心已經(jīng)被指定為用一個(gè)量r°從臺的原點(diǎn)Om重新定位，導(dǎo)致在‘0m的新的旋轉(zhuǎn)中心。換言之，‘0m是如通過r°指定的平移的旋轉(zhuǎn)中心。圖10展示可以通過向量r°以編程方式修改旋轉(zhuǎn)中心。
[0084]3RPR致動器已經(jīng)被用于不同目的，并且正向和反向運(yùn)動學(xué)兩者的數(shù)學(xué)求解已經(jīng)在文獻(xiàn)中被開發(fā)。主題分析是基于Atul Ravindra Joshi(阿圖萊文德拉喬希)的著作,發(fā)現(xiàn)于他的 2003 論文中，名稱為“A Design and Control of a Three Degree-Of-Freedom PlanarParallel Robot (三自由度平面并聯(lián)機(jī)器人的設(shè)計(jì)和控制)”。需要對他的報(bào)告的分析的若干校正以開發(fā)校正的正向和反向運(yùn)動學(xué)。Joshi (喬希)相信R.LWilliams (威廉斯)和
B.H.Shelley (雪莉)的論文，“Inverse Kinematics for Planar Parallel Manipulators(用于平面并聯(lián)機(jī)械手的反向運(yùn)動學(xué))”，Proceedings of DETC (《設(shè)計(jì)工程技術(shù)會議記錄》)97，ASME設(shè)計(jì)技術(shù)會議，DETC97/DAC-3851，薩克拉曼多，加利福尼亞州，9月14-17，1997，第1-6頁,具有對這個(gè)問題的先前求解。
[0085]在用于使用三個(gè)線性致動器的關(guān)節(jié)模擬器的控制系統(tǒng)中，以下描述的反向運(yùn)動學(xué)可以用來驅(qū)動該模擬器臺。一旦指定模擬器臺的位置或位姿，例如χ-y平移、旋轉(zhuǎn)角、以及旋轉(zhuǎn)中心位置，反向運(yùn)動學(xué)可以計(jì)算線性`致動器的長度以實(shí)現(xiàn)該位置或位姿。以下描述的正向運(yùn)動學(xué)可以用來確定臺的位置和/或取向，例如相對于全局參考坐標(biāo)系，給定線性致動器的長度。例如，可以使用位移傳感器感測這些致動器的長度?；诟袦y的長度，基于如使用正向運(yùn)動學(xué)確定的臺的位置，或基于這兩者者，然后控制器可以使用反饋來控制驅(qū)動這些致動器。
[0086]反向運(yùn)動學(xué):
[0087]反向運(yùn)動學(xué)求解確定了三個(gè)致動器元件的必要長度(屯、d2、d3)，以實(shí)現(xiàn)指定的致動器位姿，其中該位姿是由rp、r°和Φ指定的。
[0088]以上定義的五個(gè)定義的位置向量是:
ff = }
[0089]rffl = |Λ-,Μ, J*}(3)
rp = \χ!\νρ}
O4 (Iφ I
r ? -J.τ ?ν }
[0090]其中 < 是需要相對于Oe產(chǎn)生希望的位姿的標(biāo)記C1X2和C3的各個(gè)轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)的位置，r0是相對于Om的旋轉(zhuǎn)軸的位置，并且rj是將這些致動器附接至全局坐標(biāo)系Oe的轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)的位置(標(biāo)記Ap A2、和A3的點(diǎn))。位置向量rm是在參考位置中相對于Oe的Om的位置，并且rp是所希望的Om的位移，以實(shí)現(xiàn)所希望的配置或位姿。
[0091]定義了旋轉(zhuǎn)矩陣:
【權(quán)利要求】
1.一種用來模擬生物力學(xué)運(yùn)動的關(guān)節(jié)運(yùn)動模擬器，其特征在于，包括: 其上安裝一個(gè)假體裝置的一個(gè)底座； 連接到該底座以驅(qū)動該底座的多個(gè)致動器；以及 用來驅(qū)動這些致動器以平移該底座并且使該底座圍繞獨(dú)立于平移可控的旋轉(zhuǎn)中心而旋轉(zhuǎn)的可編程控制器。
2.一種用來模擬生物力學(xué)運(yùn)動的關(guān)節(jié)運(yùn)動模擬器，其特征在于，包括: 其上安裝一個(gè)假體裝置的一個(gè)底座；以及 連接到該底座的用來使該底座旋轉(zhuǎn)和平移的至少三個(gè)線性致動器。
3.如權(quán)利要求2中所述的關(guān)節(jié)運(yùn)動模擬器，進(jìn)一步包括用來驅(qū)動這些致動器以平移該底座并且使該底座圍繞獨(dú)立于平移可控的旋轉(zhuǎn)中心而旋轉(zhuǎn)的可編程控制器。
4.如權(quán)利要求1或3中所述的關(guān)節(jié)運(yùn)動模擬器，其中該控制器被編程為改變該底座的具有線性平移和旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)中心。
5.如權(quán)利要求1、3或4中任一項(xiàng)中所述的關(guān)節(jié)運(yùn)動模擬器，其中該控制器被編程為使該底座圍繞一個(gè)軸旋轉(zhuǎn)、相對于該旋轉(zhuǎn)軸的橫向平移該底座、以及以獨(dú)立于該底座的平移而橫向平移該旋轉(zhuǎn)軸。
6.如權(quán)利要求1或3至5中任一項(xiàng)中所述的關(guān)節(jié)運(yùn)動模擬器，其中該旋轉(zhuǎn)中心是瞬時(shí)旋轉(zhuǎn)中心。
7.如以上權(quán)利要求的任一項(xiàng)中所述的關(guān)節(jié)運(yùn)動模擬器，進(jìn)一步包括用來在基本上平行于旋轉(zhuǎn)軸的線性方向平移該底座的`線性致動器。
8.如權(quán)利要求7中所述的關(guān)節(jié)運(yùn)動模擬器，其中用來平移的線性致動器包括在一個(gè)套筒之內(nèi)的活塞，該活塞連接至該底座并且被液壓驅(qū)動以平移該底座，并且至少三個(gè)線性致動器被連接至該套筒。
9.如權(quán)利要求8中所述的關(guān)節(jié)運(yùn)動模擬器，其中這至少三個(gè)線性致動器沿著該套筒垂直地移位。
10.如權(quán)利要求1或3至9中任一項(xiàng)中所述的關(guān)節(jié)運(yùn)動模擬器，進(jìn)一步包括測量這些致動器的位移的多個(gè)位移傳感器。
11.如權(quán)利要求10中所述的關(guān)節(jié)運(yùn)動模擬器，其中該控制器基于測量的位移驅(qū)動這些致動器。
12.如權(quán)利要求10或11中所述的關(guān)節(jié)運(yùn)動模擬器，其中這些致動器包括線性致動器，并且這些位移傳感器包括長度傳感器。
13.—種驅(qū)動假體裝置以模擬關(guān)節(jié)運(yùn)動的方法，其特征在于，包括: 驅(qū)動該假體裝置往日要一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)；以及 在多個(gè)方向橫向移動該旋轉(zhuǎn)軸。
14.如權(quán)利要求13中所述的驅(qū)動假體裝置的方法，其中該假體裝置被安裝至一個(gè)底座，并且驅(qū)動該假體裝置旋轉(zhuǎn)包括驅(qū)動連接至該底座的多個(gè)致動器使該底座旋轉(zhuǎn)。
15.如權(quán)利要求14中所述的驅(qū)動假體裝置的方法，進(jìn)一步包括驅(qū)動這些致動器以相對于該旋轉(zhuǎn)軸橫向平移該底座。
16.如權(quán)利要求14或15中所述的驅(qū)動假體裝置的方法，進(jìn)一步包括感測這些致動器的位移。
17.如權(quán)利要求16中所述的驅(qū)動假體裝置的方法，其中驅(qū)動這些致動器包括基于感測的位移驅(qū)動這些致動器。
18.如權(quán)利要求16或17中所述的驅(qū)動假體裝置的方法，其中這些致動器包括線性致動器，并且感測位移包括感測這些線性致動器的長度。
19.如權(quán)利要求13至18中任一項(xiàng)中所述的驅(qū)動假體裝置的方法，其中該旋轉(zhuǎn)軸獨(dú)立于該底座的平移而橫向移動。
20.如權(quán)利要求13至19中任一項(xiàng)中所述的驅(qū)動假體裝置的方法，進(jìn)一步包括驅(qū)動該假體裝置在基本上平行于該旋轉(zhuǎn)軸的線性方向平移。
21.如權(quán)利要求1至12或14至20中所述的關(guān)節(jié)運(yùn)動模擬器或驅(qū)動假體裝置的方法，其中這些致動器包括至少三個(gè)線 性致動器。
【文檔編號】G09B23/32GK103503050SQ201180065019
【公開日】2014年1月8日 申請日期:2011年11月14日 優(yōu)先權(quán)日:2010年11月15日
【發(fā)明者】佛瑞司特·J·卡里楠, 布魯斯·F·懷特 申請人:先進(jìn)機(jī)械技術(shù)公司