[發(fā)明專利]四自由度并聯(lián)仿生髖關(guān)節(jié)試驗(yàn)機(jī)控制系統(tǒng)及方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410566296.3
• 申請日: 2014-10-22
• 公開（公告）號: CN104460338A
• 公開（公告）日: 2015-03-25
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 程剛;山顯雷;劉相鎮(zhèn);陳曦暉;李中凱
• 申請（專利權(quán)）人: 中國礦業(yè)大學(xué)
• 主分類號: G05B17/02
• 分類號: G05B17/02
• 代理公司: 北京科億知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11350
• 代理人: 湯東鳳

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種空間并聯(lián)機(jī)器人的控制系統(tǒng)及方法，特別是一種四自由度并聯(lián)仿生髖關(guān)節(jié)試驗(yàn)機(jī)的控制系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)

人工髖關(guān)節(jié)是人體已損壞或病變髖關(guān)節(jié)的重要替代器官。在人工髖關(guān)節(jié)的研發(fā)過程中，進(jìn)行摩擦磨損測試試驗(yàn)為衡量人工髖關(guān)節(jié)質(zhì)量合格與否的重要參數(shù)之一，因此提供具有良好性能的髖關(guān)節(jié)試驗(yàn)機(jī)是非常重要的。

在專利申請?zhí)枮?01010501834.2的專利文獻(xiàn)中，公開了《一種多軸型人工關(guān)節(jié)試驗(yàn)機(jī)》，該試驗(yàn)機(jī)以并聯(lián)機(jī)構(gòu)為核心，能夠模擬人體髖關(guān)節(jié)的復(fù)雜運(yùn)動。由于并聯(lián)仿生髖關(guān)節(jié)試驗(yàn)機(jī)不僅要模擬人體髖關(guān)節(jié)復(fù)雜的運(yùn)動，還要滿足動態(tài)加載的要求，因此，開發(fā)出一種新型并聯(lián)仿生髖關(guān)節(jié)試驗(yàn)機(jī)控制系統(tǒng)，使試驗(yàn)機(jī)在多種運(yùn)動軌跡及動態(tài)加載的條件下能夠具有良好的運(yùn)動控制性能，以獲取更接近人體髖關(guān)節(jié)的運(yùn)動軌跡，對人體髖關(guān)節(jié)運(yùn)動軌跡的研究具有重大現(xiàn)實(shí)意義。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的主要目的在于提供一種四自由度并聯(lián)仿生髖關(guān)節(jié)試驗(yàn)機(jī)控制系統(tǒng)及方法，利用該系統(tǒng)及方法使并聯(lián)仿生髖關(guān)節(jié)試驗(yàn)機(jī)在多種運(yùn)動軌跡及動態(tài)加載的條件下能夠具有良好的運(yùn)動控制性能，以獲取更接近人體髖關(guān)節(jié)的運(yùn)動軌跡。

本發(fā)明提供一種四自由度并聯(lián)仿生髖關(guān)節(jié)試驗(yàn)機(jī)控制系統(tǒng)，包括四自由度并聯(lián)仿生髖關(guān)節(jié)試驗(yàn)機(jī)、工控機(jī)、上位機(jī)、多軸運(yùn)動控制卡、數(shù)據(jù)采集卡以及外圍支架。

所述四自由度并聯(lián)仿生髖關(guān)節(jié)試驗(yàn)機(jī)包括伺服驅(qū)動器、傳感器模塊、電動缸、中間支柱液壓缸、中間支柱液壓缸電磁閥、加載液壓缸、加載液壓缸電磁閥、動平臺和定平臺，其中伺服驅(qū)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(shè)置在中間支柱液壓缸上，加載液壓缸電動閥設(shè)置在加載液壓缸上。

所述電動缸的數(shù)量為3個，且安裝方式均相同。

所述伺服驅(qū)動器的數(shù)量為3組，且結(jié)構(gòu)均相同。

所述加載液壓缸安裝在外圍支架的上橫梁上。

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。

所述位移傳感器的數(shù)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(shù)量為3個，3個編碼器的安裝方式均相同且分別與伺服驅(qū)動器和電動缸連接。

所述力傳感器的數(shù)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(guān)節(jié)關(guān)節(jié)窩間。

所述慣性測量單元的數(shù)量為1個，且固定在動平臺上。

所述限位傳感器的數(shù)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(shù)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。

所述編碼器、位移傳感器、力傳感器與電動缸連接。

所述工控機(jī)用于人機(jī)交互、數(shù)據(jù)保存和處理且與多軸運(yùn)動控制卡及數(shù)據(jù)采集卡連接。

所述上位機(jī)用于進(jìn)行數(shù)據(jù)分析且設(shè)置在工控機(jī)上。

所述多軸運(yùn)動控制卡用于位置和速度調(diào)控，且其接口端子分別與加載液壓缸的電磁閥、中間支柱液壓缸的電磁閥、伺服驅(qū)動器、位移傳感器、限位傳感器以及回零傳感器連接。

所述數(shù)據(jù)采集卡用于測量數(shù)據(jù)，且與力傳感器、慣性測量單元連接。

本發(fā)明還提供一種四自由度并聯(lián)仿生髖關(guān)節(jié)試驗(yàn)機(jī)控制方法，應(yīng)用于所述的四自由度并聯(lián)仿生髖關(guān)節(jié)試驗(yàn)機(jī)控制系統(tǒng)，包括如下步驟：

多軸運(yùn)動控制卡和數(shù)據(jù)采集卡實(shí)時地將采集到的數(shù)據(jù)傳遞至工控機(jī)。

通過工控機(jī)上的上位機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

通過多軸運(yùn)動控制卡向伺服驅(qū)動器、加載液壓缸的電磁閥、中間支柱液壓缸的電磁閥發(fā)送控制指令，實(shí)現(xiàn)四自由度并聯(lián)仿生髖關(guān)節(jié)試驗(yàn)機(jī)3個電動缸的協(xié)調(diào)運(yùn)動及動態(tài)加載，完成四自由度并聯(lián)仿生髖關(guān)節(jié)試驗(yàn)機(jī)動平臺對人體髖關(guān)節(jié)運(yùn)動軌跡的精確模擬運(yùn)動。