一種雙動(dòng)平臺(tái)并聯(lián)仿生髖關(guān)節(jié)試驗(yàn)機(jī)的控制系統(tǒng)及其方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明專利設(shè)計(jì)一種髖關(guān)節(jié)試驗(yàn)機(jī)的控制系統(tǒng)及方法，特別是涉及一種雙動(dòng)平臺(tái)髖關(guān)節(jié)試驗(yàn)機(jī)的控制系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著人類社會(huì)步入高齡化階段，各種與高齡有關(guān)的關(guān)節(jié)疾病將會(huì)大量發(fā)生，因此對(duì)人工關(guān)節(jié)的需求也會(huì)日益增多。因此，積極開展對(duì)人工關(guān)節(jié)的生物摩擦學(xué)特性研究，對(duì)提高人工關(guān)節(jié)的使用質(zhì)量、臨床使用壽命具有重大意義。
[0003]由于雙動(dòng)平臺(tái)髖關(guān)節(jié)試驗(yàn)機(jī)需要對(duì)兩個(gè)人工髖關(guān)節(jié)同步進(jìn)行復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)還要滿足動(dòng)態(tài)加載的要求，因此，設(shè)計(jì)出合適的控制系統(tǒng)，使試驗(yàn)機(jī)可以精確地實(shí)現(xiàn)多種軌跡下的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)態(tài)加載，具有重要的意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]發(fā)明目的:為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種雙動(dòng)平臺(tái)并聯(lián)仿生髖關(guān)節(jié)試驗(yàn)機(jī)的控制系統(tǒng)及其方法，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)試驗(yàn)機(jī)的精確、穩(wěn)定的控制。
[0005]技術(shù)方案:為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:
[0006]—種雙動(dòng)平臺(tái)并聯(lián)仿生髖關(guān)節(jié)試驗(yàn)機(jī)的控制系統(tǒng)，包括設(shè)置在雙動(dòng)平臺(tái)并聯(lián)仿生髖關(guān)節(jié)試驗(yàn)機(jī)上的驅(qū)動(dòng)控制單元、測(cè)量單元、多軸運(yùn)動(dòng)控制卡、數(shù)據(jù)采集卡和工控機(jī)，所述測(cè)量單元的信號(hào)輸出端分別與數(shù)據(jù)采集卡和多軸運(yùn)動(dòng)控制卡的信號(hào)輸入端連接，所述驅(qū)動(dòng)控制單元的信號(hào)輸出端與多軸運(yùn)動(dòng)控制卡的信號(hào)輸入端連接，所述數(shù)據(jù)采集卡和多軸運(yùn)動(dòng)控制卡的信號(hào)輸出端分別與工控機(jī)信號(hào)輸入端連接，所述工控機(jī)的信號(hào)輸出端與多軸運(yùn)動(dòng)控制卡的信號(hào)輸入端連接，所述多軸運(yùn)動(dòng)控制卡的信號(hào)輸出端與驅(qū)動(dòng)控制單元的信號(hào)輸入端連接。
[0007]進(jìn)一步的，所述雙動(dòng)平臺(tái)并聯(lián)仿生髖關(guān)節(jié)試驗(yàn)機(jī)包括支撐框架、液壓加載系統(tǒng)、力傳感器一、力傳感器二、滾珠花鍵軸、滾珠花鍵軸套、動(dòng)平臺(tái)組件一、動(dòng)平臺(tái)組件二和三個(gè)直線導(dǎo)軌，所述支撐框架包括上支撐板、外圍支柱、中間支撐板和底面基座構(gòu)成的支撐體系，所述液壓加載系統(tǒng)包括液壓缸和導(dǎo)向套，所述液壓缸固定在上支撐板上并通過固定在上支撐板上的導(dǎo)向套與位于上支撐板下方的力傳感器一的上端連接，所述力傳感器一的下端與動(dòng)平臺(tái)組件一的人工髖關(guān)節(jié)連接，所述動(dòng)平臺(tái)組件一的下端球面與球面基座一的上端接觸連接，所述球面基座一的下端與中間支柱一上端固定連接；所述滾珠花鍵軸套固定在中間支撐板上，所述滾珠花鍵軸設(shè)置在滾珠花鍵軸套內(nèi)，所述中間支柱一的下端與滾珠花鍵軸的上端連接，所述滾珠花鍵軸的下端與中間支柱二的上端連接，所述中間支柱的下端與力傳感器二的上端連接，所述力傳感器二的下端與動(dòng)平臺(tái)組件二的人工髖關(guān)節(jié)連接，動(dòng)平臺(tái)組件二的下端球面與球面基座二的上端接觸連接，所述球面基座二的下端與中間支柱三上端固定連接，所述中間支柱三下端與地面基座固定連接；三個(gè)直線導(dǎo)軌豎直設(shè)置在地面基座上，每個(gè)直線導(dǎo)軌上分別上、下設(shè)置第一滑塊和第二滑塊，所述每個(gè)直線導(dǎo)軌上的第一滑塊與動(dòng)平臺(tái)組件一通過連桿鉸接，所述每個(gè)直線導(dǎo)軌上的第二滑塊與動(dòng)平臺(tái)組件二通過連桿鉸接。
[0008]進(jìn)一步的，所述每個(gè)直線導(dǎo)軌包括兩個(gè)導(dǎo)程相同、螺旋方向相反的上絲桿和下絲桿連接而成，所述上絲桿上設(shè)置有第一滑塊，所述下絲桿上設(shè)置有第二滑塊。
[0009]進(jìn)一步的，所述驅(qū)動(dòng)控制單元分為三組分別對(duì)應(yīng)一個(gè)直線導(dǎo)軌，每組驅(qū)動(dòng)控制單元結(jié)構(gòu)相同，分別包括編碼器、伺服驅(qū)動(dòng)器和對(duì)應(yīng)的直線導(dǎo)軌的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，所述伺服驅(qū)動(dòng)器的信號(hào)輸入端與多軸運(yùn)動(dòng)控制卡的信號(hào)輸出端連接，所述伺服驅(qū)動(dòng)器的信號(hào)輸出端與對(duì)應(yīng)的直線導(dǎo)軌的驅(qū)動(dòng)電機(jī)的信號(hào)輸入端連接，所述對(duì)應(yīng)的直線導(dǎo)軌的驅(qū)動(dòng)電機(jī)的信號(hào)輸出端分別與編碼器和伺服驅(qū)動(dòng)器的信號(hào)輸入端連接，所述編碼器的信號(hào)輸出端與伺服驅(qū)動(dòng)器的信號(hào)輸入端連接。
[0010]進(jìn)一步的，所述測(cè)量單元分為三組分別對(duì)應(yīng)一個(gè)直線導(dǎo)軌，每組測(cè)量單元結(jié)構(gòu)相同，分別包括力感應(yīng)裝置一、力感應(yīng)裝置二、光柵尺一和光柵尺二，所述力感應(yīng)裝置一安裝在第一滑塊與動(dòng)平臺(tái)組件一之間的連桿上，所述力感應(yīng)裝置二安裝在第二滑塊與動(dòng)平臺(tái)組件二之間的連桿上，所述光柵尺一安裝在第一滑塊上，所述光柵尺二安裝在第二滑塊上；所述力感應(yīng)裝置一和力感應(yīng)裝置二的信號(hào)輸出端分別與數(shù)據(jù)采集卡的信號(hào)輸入端連接，所述光柵尺一和光柵尺二的信號(hào)輸出端分別與多軸運(yùn)動(dòng)控制卡的信號(hào)輸入端連接。
[0011]進(jìn)一步的，包括慣性測(cè)量單元一和慣性測(cè)量單元二，所述慣性測(cè)量單元一和慣性測(cè)量單元二分別固定在動(dòng)平臺(tái)組件一和動(dòng)平臺(tái)組件二上，所述慣性測(cè)量單元一和慣性測(cè)量單元二的信號(hào)輸出端分別與數(shù)據(jù)采集卡的信號(hào)輸入端連接。
[0012]進(jìn)一步的，所述力傳感器一和力傳感器二的信號(hào)輸出端與數(shù)據(jù)采集卡信號(hào)輸入端連接，所述加載液壓缸電磁閥的信號(hào)輸入端多與軸運(yùn)動(dòng)控制卡的信號(hào)輸出端連接，加載液壓缸電磁閥控制液壓缸的加載強(qiáng)度。
[0013]—種雙動(dòng)平臺(tái)并聯(lián)仿生髖關(guān)節(jié)試驗(yàn)機(jī)的控制系統(tǒng)的控制方法，包括以下步驟:
[0014]I)雙動(dòng)平臺(tái)并聯(lián)仿生髖關(guān)節(jié)試驗(yàn)機(jī)開始工作時(shí)，驅(qū)動(dòng)控制單元控制直線導(dǎo)軌進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，所述測(cè)量單元、加載力傳感器、慣性測(cè)量單元一、慣性測(cè)量單元二和編碼器對(duì)試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)??；由加載力傳感器測(cè)得的液壓缸加載力數(shù)據(jù)信號(hào)，慣性測(cè)量單元一和慣性測(cè)量單元二測(cè)得動(dòng)平臺(tái)組件一和動(dòng)平臺(tái)組件二的姿態(tài)信號(hào)，力感應(yīng)裝置一和力感應(yīng)裝置二測(cè)得直線導(dǎo)軌分別與動(dòng)平臺(tái)組件一和動(dòng)平臺(tái)組件二之間的感應(yīng)力數(shù)據(jù)信號(hào)，均通過數(shù)據(jù)采集卡傳輸?shù)焦た貦C(jī)上；由光柵尺一和光柵尺二測(cè)得第一滑塊和第二滑塊的位置數(shù)據(jù)信號(hào)通過多軸運(yùn)動(dòng)控制卡傳輸?shù)焦た貦C(jī)上；由編碼器測(cè)得直線導(dǎo)軌的驅(qū)動(dòng)電機(jī)的數(shù)據(jù)信號(hào)通過伺服驅(qū)動(dòng)器由多軸運(yùn)動(dòng)控制卡傳遞到工控機(jī)上；
[0015]2)工控機(jī)中的上位軟件可完成人機(jī)交互功能，同時(shí)通過對(duì)力感應(yīng)裝置一和力感應(yīng)裝置二測(cè)得的感應(yīng)力數(shù)據(jù)信號(hào)，以及力傳感器一和力傳感器二測(cè)得的液壓缸加載力數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行計(jì)算分析，完成雙動(dòng)平臺(tái)并聯(lián)仿生髖關(guān)節(jié)試驗(yàn)機(jī)的力學(xué)計(jì)算，獲得控制指令，并將控制指令傳輸至多軸運(yùn)動(dòng)控制卡；
[0016]3)工控機(jī)中的上位軟件通過對(duì)慣性測(cè)量單元一和慣性測(cè)量單元二測(cè)得動(dòng)平臺(tái)組件一和動(dòng)平臺(tái)組件二的姿態(tài)信號(hào)，以及光柵尺一和光柵尺二測(cè)得的位置信號(hào)進(jìn)行誤差分析，分析出誤差值，選取誤差值中最大值作為雙動(dòng)平臺(tái)并聯(lián)仿生髖關(guān)節(jié)試驗(yàn)機(jī)的補(bǔ)償誤差，并完成雙動(dòng)平臺(tái)并聯(lián)仿生髖關(guān)節(jié)試驗(yàn)機(jī)的運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算和控制系統(tǒng)的解算，獲得控制指令，并將控制指令傳遞到多軸運(yùn)動(dòng)控制卡；
[0017]4)多軸運(yùn)動(dòng)控制卡對(duì)控制指令進(jìn)行處理，并將處理后的控制指令傳遞到伺服驅(qū)動(dòng)器和加載液壓缸電磁閥上。
[0018]5)伺服驅(qū)動(dòng)器將接收到的控制指令轉(zhuǎn)化成電信號(hào)發(fā)送到直線導(dǎo)軌的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)協(xié)調(diào)控制三個(gè)直線導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)，使三個(gè)直線導(dǎo)軌上的第一滑塊和第二滑塊按照運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)雙動(dòng)平臺(tái)并聯(lián)仿生髖關(guān)節(jié)試驗(yàn)機(jī)的動(dòng)平臺(tái)按照預(yù)設(shè)軌跡運(yùn)動(dòng)；加載液壓缸電磁閥控制液壓缸按一定的規(guī)律輸出加載力。
[0019]6)雙動(dòng)平臺(tái)并聯(lián)仿生髖關(guān)節(jié)試驗(yàn)機(jī)完成一周期運(yùn)動(dòng)后，試驗(yàn)機(jī)立即停止，并回到初始位置，準(zhǔn)備下一周期運(yùn)動(dòng)。
[0020]有益效果:由于采用了上述方案，可以實(shí)現(xiàn)雙動(dòng)平臺(tái)并聯(lián)仿生髖關(guān)節(jié)試驗(yàn)機(jī)的兩個(gè)動(dòng)平臺(tái)按照預(yù)定的軌跡同步進(jìn)行運(yùn)動(dòng)；雙動(dòng)平臺(tái)并聯(lián)仿生髖關(guān)節(jié)試驗(yàn)機(jī)的控制系統(tǒng)采用分布式結(jié)構(gòu)，由操作管理級(jí)工控機(jī)、實(shí)時(shí)控制的多軸運(yùn)動(dòng)控制卡、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集的數(shù)據(jù)采集卡、實(shí)時(shí)測(cè)量直線導(dǎo)軌位移的光柵尺、實(shí)時(shí)測(cè)量動(dòng)平臺(tái)位姿參數(shù)并作為反饋信號(hào)的的慣性測(cè)量單元構(gòu)成，這種控制模式具有控制精度高、穩(wěn)定性高、可靠性高等特點(diǎn)。試驗(yàn)機(jī)的三個(gè)直線導(dǎo)軌通過光柵尺保證其位置精度；采用多軸運(yùn)動(dòng)控制卡可方便地保證各直線導(dǎo)軌的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)；安裝在連桿上的力感應(yīng)裝置可實(shí)時(shí)測(cè)得各個(gè)連接桿的負(fù)載力，方便觀測(cè)試驗(yàn)機(jī)的動(dòng)力學(xué)性能；安裝在動(dòng)平臺(tái)上慣性測(cè)量單元可實(shí)時(shí)測(cè)得兩動(dòng)平臺(tái)的位姿，保證兩動(dòng)平臺(tái)的同步運(yùn)動(dòng)。
[0021]優(yōu)點(diǎn):該雙動(dòng)平臺(tái)并聯(lián)仿生髖關(guān)節(jié)試驗(yàn)機(jī)控制系統(tǒng)及方法能夠有效地控制雙動(dòng)平臺(tái)并聯(lián)仿生髖關(guān)節(jié)試驗(yàn)機(jī)的高精度、高可靠性運(yùn)動(dòng)；采用工控機(jī)、多軸運(yùn)動(dòng)控制卡的控