[發明專利]四自由度并聯仿生髖關節試驗機控制系統及方法

在審

• 申請號: 201410566296.3
• 申請日: 2014-10-22
• 公開（公告）號: CN104460338A
• 公開（公告）日: 2015-03-25
• 發明（設計）人: 程剛;山顯雷;劉相鎮;陳曦暉;李中凱
• 申請（專利權）人: 中國礦業大學
• 主分類號: G05B17/02
• 分類號: G05B17/02
• 代理公司: 北京科億知識產權代理事務所(普通合伙) 11350
• 代理人: 湯東鳳

1.一種四自由度并聯仿生髖關節試驗機控制系統，包括四自由度并聯仿生髖關節試驗機、工控機、上位機、多軸運動控制卡、數據采集卡以及外圍支架，其特征在于：

所述四自由度并聯仿生髖關節試驗機包括伺服驅動器、傳感器模塊、電動缸、中間支柱液壓缸、中間支柱液壓缸電動閥、加載液壓缸、加載液壓缸電動閥、動平臺和定平臺，其中伺服驅動器與電動缸連接，電動缸體通過球鉸鏈與定平臺連接，中間支柱液壓缸的下端與定平臺連接、上端通過推力球軸承與動平臺連接，中間支柱液壓缸電動閥設置在中間支柱液壓缸上，加載液壓缸電動閥設置在加載液壓缸上；

所述工控機與多軸運動控制卡及數據采集卡連接，用于人機交互、數據保存和處理；

所述上位機設置在工控機上，用于進行數據分析；

所述多軸運動控制卡用于位置和速度調控；

所述數據采集卡用于測量數據。

2.如權利要求1所述的四自由度并聯仿生髖關節試驗機控制系統，其特征在于：

所述加載液壓缸的電磁閥、中間支柱液壓缸的電磁閥以及伺服驅動器與多軸運動控制卡的接口端子連接；

所述加載液壓缸安裝在外圍支架的上橫梁上。

3.如權利要求1所述的四自由度并聯仿生髖關節試驗機控制系統，其特征在于所述傳感器模塊包括位移傳感器、編碼器、力傳感器、慣性測量單元、限位傳感器和回零傳感器。

4.如權利要求3所述的四自由度并聯仿生髖關節試驗機控制系統，其特征在于：

所述位移傳感器的數量為4個，包括1個第一位移傳感器和3個第二位移傳感器，3個第二位移傳感器的安裝方式均相同且第二位移傳感器和第一位移傳感器分別固定在電動缸和中間支柱液壓缸的缸體上，其移動端分別固定在電動缸及中間支柱液壓缸的缸桿上；

所述編碼器的數量為3個，3個編碼器的安裝方式均相同且分別與伺服驅動器和電動缸連接；

所述力傳感器的數量為4個，包括1個第一力傳感器和3個第二力傳感器，3個第二力傳感器的安裝方式均相同且第二力傳感器分別固定在電動缸缸桿與動平臺球鉸鏈間，第一力傳感器固定在加載液壓缸缸桿與人工髖關節關節窩間；

所述慣性測量單元的數量為1個，且固定在動平臺上；

所述限位傳感器的數量為6個，并以兩兩一組的形式分成3組，每組的安裝方式均相同且分別安裝在電動缸缸體的上端和下端；

所述回零傳感器的數量為3個，3個回零傳感器的安裝方式均相同且分別安裝在電動缸的缸體上。

5.如權利要求3所述的四自由度并聯仿生髖關節試驗機控制系統，其特征在于：

所述位移傳感器、限位傳感器、回零傳感器與多軸運動控制卡的接口端子連接；

所述力傳感器、慣性測量單元與數據采集卡連接；

所述編碼器、位移傳感器、力傳感器與電動缸連接。

6.如權利要求1所述的四自由度并聯仿生髖關節試驗機控制系統，其特征在于所述電動缸的數量為3個，且安裝方式均相同。

7.如權利要求1所述的四自由度并聯仿生髖關節試驗機控制系統，其特征在于所述伺服驅動器的數量為3組，且結構均相同。

8.一種四自由度并聯仿生髖關節試驗機控制方法，應用于如權利要求1至7任一項所述的四自由度并聯仿生髖關節試驗機控制系統，其特征在于包括如下步驟：

多軸運動控制卡和數據采集卡實時地將采集到的數據傳遞至工控機；

通過工控機上的上位機對數據進行分析；

通過多軸運動控制卡向伺服驅動器、加載液壓缸的電磁閥、中間支柱液壓缸的電磁閥發送控制指令，實現四自由度并聯仿生髖關節試驗機3個電動缸的協調運動及動態加載，完成四自由度并聯仿生髖關節試驗機動平臺對人體髖關節運動軌跡的精確模擬運動。