四自由度并联仿生髋关节试验机控制系统及方法技术方案

本发明专利技术提供一种具有三个转动自由度和一个移动自由度的四自由度并联仿生髋关节试验机控制系统，包括四自由度并联仿生髋关节试验机、工控机、上位机、多轴运动控制卡、数据采集卡以及外围支架。本发明专利技术还提供一种四自由度并联仿生髋关节试验机控制方法。本发明专利技术克服了现有技术中的单一运动性，在模拟人体髋关节复杂运动的同时还可以进行动态加载，具有响应快速、性能稳定、精准度高、灵活性好的特点，对人体髋关节运动轨迹的研究具有重大意义。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种空间并联机器人的控制系统及方法，特别是一种四自由度并联仿生髋关节试验机的控制系统及方法。
技术介绍
人工髋关节是人体已损坏或病变髋关节的重要替代器官。在人工髋关节的研发过程中，进行摩擦磨损测试试验为衡量人工髋关节质量合格与否的重要参数之一，因此提供具有良好性能的髋关节试验机是非常重要的。在专利申请号为201010501834.2的专利文献中，公开了《一种多轴型人工关节试验机》，该试验机以并联机构为核心，能够模拟人体髋关节的复杂运动。由于并联仿生髋关节试验机不仅要模拟人体髋关节复杂的运动，还要满足动态加载的要求，因此，开发出一种新型并联仿生髋关节试验机控制系统，使试验机在多种运动轨迹及动态加载的条件下能够具有良好的运动控制性能，以获取更接近人体髋关节的运动轨迹，对人体髋关节运动轨迹的研究具有重大现实意义。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于提供一种四自由度并联仿生髋关节试验机控制系统及方法，利用该系统及方法使并联仿生髋关节试验机在多种运动轨迹及动态加载的条件下能够具有良好的运动控制性能，以获取更接近人体髋关节的运动轨迹。本专利技术提供一种四自由度并联仿生髋关节试验机控制系统，包括四自由度并联仿生髋关节试验机、工控机、上位机、多轴运动控制卡、数据采集卡以及外围支架。所述四自由度并联仿生髋关节试验机包括伺服驱动器、传感器模块、电动缸、中间支柱液压缸、中间支柱液压缸电磁阀、加载液压缸、加载液压缸电磁阀、动平台和定平台，其中伺服驱动器与电动缸连接，电动缸体通过球铰链与定平台连接，中间支柱液压缸的下端与定平台连接、上端通过推力球轴承与动平台连接，中间支柱液压缸电动阀设置在中间支柱液压缸上，加载液压缸电动阀设置在加载液压缸上。所述电动缸的数量为3个，且安装方式均相同。所述伺服驱动器的数量为3组，且结构均相同。所述加载液压缸安装在外围支架的上横梁上。所述传感器模块包括位移传感器、编码器、力传感器、惯性测量单元、限位传感器和回零传感器。所述位移传感器的数量为4个，包括1个第一位移传感器和3个第二位移传感器，3个第二位移传感器的安装方式均相同且第二位移传感器和第一位移传感器分别固定在电动缸和中间支柱液压缸的缸体上，其移动端分别固定在电动缸及中间支柱液压缸的缸杆上。所述编码器的数量为3个，3个编码器的安装方式均相同且分别与伺服驱动器和电动缸连接。所述力传感器的数量为4个，包括1个第一力传感器和3个第二力传感器，3个第二力传感器的安装方式均相同且第二力传感器分别固定在电动缸缸杆与动平台球铰链间，第一力传感器固定在加载液压缸缸杆与人工髋关节关节窝间。所述惯性测量单元的数量为1个，且固定在动平台上。所述限位传感器的数量为6个，并以两两一组的形式分成3组，每组的安装方式均相同且分别安装在电动缸缸体的上端和下端。所述回零传感器的数量为3个，3个回零传感器的安装方式均相同且分别安装在电动缸的缸体上。所述编码器、位移传感器、力传感器与电动缸连接。所述工控机用于人机交互、数据保存和处理且与多轴运动控制卡及数据采集卡连接。所述上位机用于进行数据分析且设置在工控机上。所述多轴运动控制卡用于位置和速度调控，且其接口端子分别与加载液压缸的电磁阀、中间支柱液压缸的电磁阀、伺服驱动器、位移传感器、限位传感器以及回零传感器连接。所述数据采集卡用于测量数据，且与力传感器、惯性测量单元连接。本专利技术还提供一种四自由度并联仿生髋关节试验机控制方法，应用于所述的四自由度并联仿生髋关节试验机控制系统，包括如下步骤：多轴运动控制卡和数据采集卡实时地将采集到的数据传递至工控机。通过工控机上的上位机对数据进行分析。通过多轴运动控制卡向伺服驱动器、加载液压缸的电磁阀、中间支柱液压缸的电磁阀发送控制指令，实现四自由度并联仿生髋关节试验机3个电动缸的协调运动及动态加载，完成四自由度并联仿生髋关节试验机动平台对人体髋关节运动轨迹的精确模拟运动。本专利技术的有益效果在于，本专利技术克服了现有技术中的单一运动性，在模拟人体髋关节复杂运动的同时还可以进行动态加载，具有响应快速、性能稳定、精准度高、灵活性好的特点。本专利技术以惯性测量单元直接获得试验机动平台的位姿参数作为反馈信号，是一种基于动平台工作空间的控制方式。试验机的3个电动缸运动支链采用分布式控制结构，通过位移传感器保证其位置精度。安装在电动缸缸杆上的力传感器可实时测得电动缸的负载力，方便观测试验机的动力学性能。安装在电动缸缸体上的限位传感器可控制电动缸的伸缩程度。采用工控机、多轴运动控制卡的控制模式，实现并联仿生髋关节试验机动平台对人体髋关节运动轨迹的精确模拟，对人体髋关节运动轨迹的研究具有重大的现实意义。附图说明图1所示为本专利技术的原理框图具体实施方式下文将结合附图详细描述本专利技术的实施例。应当注意的是，下述实施例中描述的技术特征或者技术特征的组合不应当被认为是孤立的，它们可以被相互组合从而达到更好的技术效果。图1所示为本专利技术的原理框图。本专利技术提供一种四自由度并联仿生髋关节试验机控制系统，包括四自由度并联仿生髋关节试验机、工控机、上位机、多轴运动控制卡、数据采集卡以及外围支架。所述四自由度并联仿生髋关节试验机包括伺服驱动器、传感器模块、电动缸、中间支柱液压缸、中间支柱液压缸电磁阀、加载液压缸、加载液压缸电磁阀、动平台和定平台，其中伺服驱动器与电动缸连接，电动缸体通过球铰链与定平台连接，中间支柱液压缸的下端与定平台连接、上端通过推力球轴承与动平台连接，中间支柱液压缸电动阀设置在中间支柱液压缸上，加载液压缸电动阀设置在加载液压缸上。所述电动缸的数量为3个，且安装方式均相同。所述伺服驱动器的数量为3组，且结构均相同。所述加载液压缸安装在外围支架的上横梁上。所述传感器模块包括位移传感器、编码器、力传感器、惯性测量单元、限位传感器和回零传感器。所述位移传感器的数量为4个，包括1个第一位移传感器和3个第二位移传感器，3个第二位移传感器的安装方式均相同且第二位移传感器和第一位移传感器分别固定在电动缸和中间支柱液压缸的缸体上，其移动端分别固定在电动缸及中间支柱液压缸的缸杆上。所述编码器的数量为3个，3个编码器的安装方式均相同且分别与伺服驱动器和电动缸连接。所述力传感器的数量为4本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种四自由度并联仿生髋关节试验机控制系统，包括四自由度并联仿生髋关节试验机、工控机、上位机、多轴运动控制卡、数据采集卡以及外围支架，其特征在于：所述四自由度并联仿生髋关节试验机包括伺服驱动器、传感器模块、电动缸、中间支柱液压缸、中间支柱液压缸电动阀、加载液压缸、加载液压缸电动阀、动平台和定平台，其中伺服驱动器与电动缸连接，电动缸体通过球铰链与定平台连接，中间支柱液压缸的下端与定平台连接、上端通过推力球轴承与动平台连接，中间支柱液压缸电动阀设置在中间支柱液压缸上，加载液压缸电动阀设置在加载液压缸上；所述工控机与多轴运动控制卡及数据采集卡连接，用于人机交互、数据保存和处理；所述上位机设置在工控机上，用于进行数据分析；所述多轴运动控制卡用于位置和速度调控；所述数据采集卡用于测量数据。

【技术特征摘要】
1.一种四自由度并联仿生髋关节试验机控制系统，包括四自由
度并联仿生髋关节试验机、工控机、上位机、多轴运动控制卡、数据
采集卡以及外围支架，其特征在于：
所述四自由度并联仿生髋关节试验机包括伺服驱动器、传感器模
块、电动缸、中间支柱液压缸、中间支柱液压缸电动阀、加载液压缸、
加载液压缸电动阀、动平台和定平台，其中伺服驱动器与电动缸连接，
电动缸体通过球铰链与定平台连接，中间支柱液压缸的下端与定平台
连接、上端通过推力球轴承与动平台连接，中间支柱液压缸电动阀设
置在中间支柱液压缸上，加载液压缸电动阀设置在加载液压缸上；
所述工控机与多轴运动控制卡及数据采集卡连接，用于人机交
互、数据保存和处理；
所述上位机设置在工控机上，用于进行数据分析；
所述多轴运动控制卡用于位置和速度调控；
所述数据采集卡用于测量数据。
2.如权利要求1所述的四自由度并联仿生髋关节试验机控制系
统，其特征在于：
所述加载液压缸的电磁阀、中间支柱液压缸的电磁阀以及伺服驱
动器与多轴运动控制卡的接口端子连接；
所述加载液压缸安装在外围支架的上横梁上。
3.如权利要求1所述的四自由度并联仿生髋关节试验机控制系
统，其特征在于所述传感器模块包括位移传感器、编码器、力传感器、
惯性测量单元、限位传感器和回零传感器。
4.如权利要求3所述的四自由度并联仿生髋关节试验机控制系
统，其特征在于：
所述位移传感器的数量为4个，包括1个第一位移传感器和3个

\t第二位移传感器，3个第二位移传感器的安装方式均相同且第二位移
传感器和第一位移传感器分别固定在电动缸和中间支柱液压缸的缸
体上，其移动端分别固定在电动缸及中间支柱液压缸的缸杆上；
所述编码器的数量为3个，3个编码器的安装方式均相同且分别

【专利技术属性】
技术研发人员：程刚，山显雷，刘相镇，陈曦晖，李中凯，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32