下肢假肢疲勞測(cè)試試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

林礪宗，陳升泰，楊誠(chéng)曉，佘順順，錢文榮

（華東理工大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200237）

0 引言

據(jù)第二次全國(guó)殘疾人抽樣調(diào)查數(shù)據(jù)推算，全國(guó)現(xiàn)有肢體殘疾人2 412 萬(wàn)，其中有226 萬(wàn)截肢者；截肢者中70%為下肢截肢［1］。下肢假肢包括接受腔、膝關(guān)節(jié)、小腿腿管、假腳［2］。其中膝關(guān)節(jié)對(duì)假肢穿戴者的行走能力具有決定性的影響［3］，同時(shí)也是最為脆弱的部分，該部分的材料性能好壞直接影響假肢的壽命，因此，可靠的下肢假肢性能檢測(cè)方法是維護(hù)殘疾患者利益的重要手段。

目前，國(guó)家康復(fù)器械質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)中心作為這一領(lǐng)域最主要的檢測(cè)機(jī)構(gòu)。下肢假肢的性能檢測(cè)分為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)試驗(yàn)［4］，靜態(tài)試驗(yàn)對(duì)應(yīng)于各種活動(dòng)中出現(xiàn)的最惡劣的加載；動(dòng)態(tài)試驗(yàn)對(duì)應(yīng)于正常行走過(guò)程中每一步有規(guī)律的加載［5］。試驗(yàn)過(guò)程中器械中的部件，產(chǎn)生裂紋、破損等破壞，即為不合格產(chǎn)品［6］。

根據(jù)下肢假肢檢測(cè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)以及康復(fù)器械的安全要求，設(shè)計(jì)了基于固高運(yùn)動(dòng)控制卡的具有高頻率跟蹤能力、高精度振動(dòng)載荷的下肢假肢器械性能測(cè)試系統(tǒng)，為制定完善的下肢假肢檢測(cè)體系提供測(cè)試數(shù)據(jù)和參考，同時(shí)采用電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的液壓系統(tǒng)，具有低噪聲、設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊、維護(hù)性強(qiáng)等特點(diǎn)。

1 檢測(cè)要求

下肢假肢的加載需要模擬人行走或站立時(shí)的真實(shí)受力，對(duì)加載的作用點(diǎn)與方向都有明確要求，見(jiàn)圖1。

圖1 假肢載荷施加作用點(diǎn)與方向

靜態(tài)試驗(yàn)是在頂部與底部載荷作用點(diǎn)之間施加極限力值，驗(yàn)證假肢的承載性能。加載理論曲線如圖2所示，OA段為預(yù)加載階段，AB 段為穩(wěn)定試驗(yàn)力階段，BC段為勻速加載階段，CD 段為驗(yàn)證試驗(yàn)力階段，DE為卸載階段，EF 為穩(wěn)定試驗(yàn)力階段，F(xiàn)G 為回零階段。其中，穩(wěn)定試驗(yàn)力Fstab＝50 N，F(xiàn)sp的值根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)給出的相關(guān)試驗(yàn)加載條件和試驗(yàn)載荷等級(jí)而定，同時(shí)，力值必須以100～250 N／s 的速率均勻平滑地增加驗(yàn)證試驗(yàn)力Fsp［7］。試驗(yàn)結(jié)束后，記錄底部和頂部加載點(diǎn)間的永久變形量，若試驗(yàn)樣品永久變形量大于15 mm，則判斷為不合格。

圖2 靜態(tài)試驗(yàn)加載理論曲線

目前，國(guó)內(nèi)外進(jìn)行動(dòng)態(tài)力測(cè)試主要采用絕對(duì)法確定動(dòng)態(tài)力，采用以下3 種類型的動(dòng)態(tài)力標(biāo)準(zhǔn)：①?zèng)_擊力標(biāo)準(zhǔn)；②正弦力標(biāo)準(zhǔn)；③階躍式動(dòng)態(tài)力標(biāo)準(zhǔn)。Fujii［8］對(duì)上述3 種動(dòng)態(tài)力校準(zhǔn)裝置和方法進(jìn)行了介紹和比較；Beresnev［9］研究了力反饋和位移反饋各自的特點(diǎn)。本系統(tǒng)采用第2 種標(biāo)準(zhǔn)來(lái)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)試驗(yàn)。具體實(shí)施方案為：在假肢頂部與底部載荷作用點(diǎn)之間施加一個(gè)周期性正弦力，如果與正弦波形有偏差，也應(yīng)該保證波形平滑并且不能超過(guò)正弦波形的峰值［10］。理論波形圖如圖3 所示，其中，試驗(yàn)力最大值Fmax由動(dòng)態(tài)試驗(yàn)力Fc和初始力Fmin疊加產(chǎn)生，F(xiàn)c的值根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)給出的相關(guān)試驗(yàn)加載條件和試驗(yàn)載荷等級(jí)而定，F(xiàn)min＝50 N。試驗(yàn)過(guò)程中，當(dāng)樣品破壞或達(dá)到規(guī)定的循環(huán)次數(shù)則認(rèn)為試驗(yàn)完成。

圖3 動(dòng)態(tài)試驗(yàn)加載理論曲線

2 試驗(yàn)系統(tǒng)整體方案

該假肢疲勞測(cè)試試驗(yàn)機(jī)的測(cè)試原理如圖4 所示，分別采用交流伺服電動(dòng)機(jī)和電動(dòng)缸作為驅(qū)動(dòng)模塊和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。交流伺服驅(qū)動(dòng)器工作在位置模式。試驗(yàn)機(jī)控制的基本工作原理為：通過(guò)上位機(jī)設(shè)定期望的力值信號(hào)，在每個(gè)采樣周期內(nèi)，將期望信號(hào)與力傳感器反饋得到的實(shí)際輸出力信號(hào)進(jìn)行比較，得到偏差信號(hào)，此偏差信號(hào)作為輸入信號(hào)，經(jīng)過(guò)控制器，得到脈沖的輸出信號(hào)，通過(guò)伺服驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)伺服電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)一定的角度，經(jīng)過(guò)電動(dòng)缸，從而帶動(dòng)假肢連接件上下運(yùn)動(dòng)，完成假肢的加載控制。編碼器對(duì)實(shí)際位移信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋，輔助整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程，監(jiān)測(cè)試驗(yàn)的異常情況，同時(shí)確保實(shí)際力值能高精度地跟隨期望力值信號(hào)。

圖4 疲勞試驗(yàn)機(jī)的系統(tǒng)原理圖

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 硬件系統(tǒng)

系統(tǒng)采用PC ＋運(yùn)動(dòng)控制卡＋伺服電動(dòng)機(jī)的開(kāi)放式控制技術(shù)［11］，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5 所示。

圖5 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

運(yùn)動(dòng)控制卡是控制系統(tǒng)的核心部分，用于對(duì)被控制硬件的位置、速度、加速度進(jìn)行控制使其能夠按預(yù)定的軌跡或運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，根據(jù)需求采用固高科技GTS-400-PV系列的運(yùn)動(dòng)控制卡，測(cè)試裝置由伺服電動(dòng)機(jī)、電動(dòng)缸、萬(wàn)向球頭、連接桿、500KG 傳感器、假肢上夾具組件、假肢、假肢下夾具組件、螺旋絲桿升降平臺(tái)等部件組成。

本系統(tǒng)采用的力傳感器為天沐NS-WL5 型號(hào)的力傳感器。該傳感器能檢測(cè)拉壓雙向力，同時(shí)，抗過(guò)載能力強(qiáng)，能抵抗一定的沖擊載荷，有效保護(hù)硬件。

信號(hào)放大器采用C＆V Signal Amplifier，保證傳感器處于零點(diǎn)狀態(tài)時(shí)，通過(guò)調(diào)整零點(diǎn)電位器使輸出電壓穩(wěn)定在0 V（零漂為±2 mV）。在傳感器過(guò)載（≥10 mV）狀態(tài)下，調(diào)整SPAN 電位器使輸出電壓穩(wěn)定在10 V。

電壓經(jīng)過(guò)信號(hào)放大器后輸入到運(yùn)動(dòng)控制卡配套端子板的模擬量信號(hào)口，由上位機(jī)實(shí)時(shí)讀取該信號(hào)口的電壓值，并轉(zhuǎn)化為力值（1 V ＝500 N），進(jìn)而向運(yùn)動(dòng)控制卡發(fā)送指令，調(diào)整輸入到電動(dòng)機(jī)的脈沖數(shù)，來(lái)控制電動(dòng)缸的升降，實(shí)現(xiàn)力的反饋控制。

本系統(tǒng)的伺服單元為安川的SGM7A 系列伺服電動(dòng)機(jī)，具體型號(hào)為SGM7A-15AFA61，伺服驅(qū)動(dòng)器（伺服單元）的具體型號(hào)為SGD7S-120A00A002，該電動(dòng)機(jī)的額定功率為1.5 kW，額定扭矩為14.7 N·m，A 系列表示小慣量的電動(dòng)機(jī)，便于實(shí)現(xiàn)高頻往復(fù)運(yùn)動(dòng)。且該電動(dòng)機(jī)從啟動(dòng)到達(dá)最大角速度的時(shí)間僅為0.01 s。實(shí)際運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)所選電動(dòng)機(jī)完全滿足要求。

3.2 軟件系統(tǒng)

3.2.1 上位機(jī)界面

采用VC編譯器編寫(xiě)上位機(jī)交互界面，本系統(tǒng)的人機(jī)交互界面如圖6 所示。上位機(jī)界面由點(diǎn)動(dòng)調(diào)試與自動(dòng)回零、參數(shù)設(shè)置、試驗(yàn)數(shù)據(jù)輸入、實(shí)時(shí)圖像與數(shù)據(jù)顯示、試驗(yàn)數(shù)據(jù)報(bào)表5 大模塊組成。在調(diào)整假肢夾具高度或試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)故障時(shí)，可用點(diǎn)動(dòng)調(diào)試模塊檢驗(yàn)運(yùn)動(dòng)的正確性［12］。動(dòng)態(tài)試驗(yàn)是最為常用一項(xiàng)試驗(yàn)，假肢上不同關(guān)節(jié)對(duì)應(yīng)不同的一套檢測(cè)力值［13］。該項(xiàng)試驗(yàn)的輸入數(shù)據(jù)包括：設(shè)定試驗(yàn)力、穩(wěn)定試驗(yàn)力、動(dòng)態(tài)試驗(yàn)力、下限力、動(dòng)載頻率及循環(huán)次數(shù)。

圖6 系統(tǒng)上位機(jī)整體結(jié)構(gòu)

3.2.2 基于PT模式的靜態(tài)試驗(yàn)勻速加載算法

本系統(tǒng)控制算法建立在固高運(yùn)動(dòng)控制器的PT 運(yùn)動(dòng)模式，指僅僅使用脈沖數(shù)和時(shí)間兩個(gè)參數(shù)來(lái)描述運(yùn)動(dòng)規(guī)律，該模式可以不對(duì)機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)學(xué)建模，只需使用一連串由脈沖和時(shí)間組成的數(shù)據(jù)點(diǎn)來(lái)描述一段速度規(guī)劃［14］。采用PT 的NORMAL 模式可以保證每組數(shù)據(jù)點(diǎn)的速度不產(chǎn)生突變，運(yùn)動(dòng)更平滑。

實(shí)現(xiàn)靜態(tài)試驗(yàn)勻速加載的難點(diǎn)在于位移與力值轉(zhuǎn)化的實(shí)時(shí)性控制。假肢受力后產(chǎn)生的變形主要為假肢關(guān)節(jié)材料的彈性變形，由于非金屬材料的力-形變量曲線為非線性，無(wú)法準(zhǔn)確標(biāo)識(shí)出力與形變量的對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此，為實(shí)現(xiàn)線性勻速加載，本系統(tǒng)采用一種多級(jí)迭代算法。算法流程圖如圖7 所示。

線性因子能在一定程度調(diào)整加載的線性度，理論上當(dāng)加載曲線呈現(xiàn)上拋型，可適度增大該值；加載曲線呈現(xiàn)右拋型，可適度減小該值，甚至為負(fù)值。該算法理論上可適應(yīng)任意材料的勻速加載，通用性好，但是待調(diào)整的參數(shù)較多，步驟較復(fù)雜。

3.2.3 基于PT模式的動(dòng)態(tài)試驗(yàn)實(shí)時(shí)力控算法

由于動(dòng)態(tài)試驗(yàn)對(duì)波形沒(méi)有嚴(yán)格要求，對(duì)正弦力峰谷值的要求較高，因此，本系統(tǒng)采用變幅值的正弦位移信號(hào)實(shí)現(xiàn)類似正弦力信號(hào)控制。算法流程圖如圖8所示。

該算法的主要功能是每執(zhí)行一個(gè)周期正弦位移后，將動(dòng)態(tài)力的峰谷值與設(shè)定值進(jìn)行比對(duì)，進(jìn)行反饋控制，確保動(dòng)態(tài)力峰谷值始終處在許可精度范圍內(nèi)，該循環(huán)不斷觸發(fā)，直到中斷產(chǎn)生或完成指定的動(dòng)態(tài)力次數(shù)才會(huì)結(jié)束，滿足長(zhǎng)時(shí)間試驗(yàn)的要求。

3.2.4 系統(tǒng)的安全性

測(cè)試系統(tǒng)的安全性尤為重要，本系統(tǒng)從以下兩個(gè)方面對(duì)設(shè)備進(jìn)行保護(hù)。

（1）動(dòng)態(tài)試驗(yàn)最大變形量保護(hù)［15］。系統(tǒng)在每個(gè)周期都會(huì)實(shí)時(shí)測(cè)量假肢位移量，假肢位移量的幅值不能超過(guò)設(shè)定的上限（mm），一旦超過(guò)，表明假肢關(guān)節(jié)出現(xiàn)疲勞損傷，此時(shí)應(yīng)停止試驗(yàn)防止破壞設(shè)備。

圖7 靜態(tài)勻速加載算法流程圖

圖8 動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)力控算法流程圖

（2）靜態(tài)試驗(yàn)力值突變保護(hù)。假肢在靜載下可能發(fā)生關(guān)節(jié)壓潰或斷裂，此時(shí)力值會(huì)發(fā)生突變，設(shè)定力值突變上限為設(shè)定靜載力的10%，一旦實(shí)際突變值大于該值，則認(rèn)為發(fā)生了靜載破壞，將自動(dòng)停止試驗(yàn)，并顯示試件已破壞。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 靜態(tài)試驗(yàn)結(jié)果分析

將穩(wěn)定試驗(yàn)力設(shè)定為50 N，驗(yàn)證試驗(yàn)力設(shè)定為700 N，持續(xù)時(shí)間為30 s，加載速度為100 N／s，試驗(yàn)結(jié)束后，調(diào)用報(bào)表可顯示出加載的力值曲線，如圖9所示。

圖9 靜態(tài)試驗(yàn)實(shí)測(cè)結(jié)果

正式加載前有一段梯形曲線，在此區(qū)間完成相關(guān)參數(shù)的測(cè)量與調(diào)整。由圖可見(jiàn)，從穩(wěn)定試驗(yàn)力加載至驗(yàn)證試驗(yàn)力的過(guò)程中，力值呈穩(wěn)定且平滑的上升趨勢(shì)，滿足試驗(yàn)要求。

4.2 動(dòng)態(tài)試驗(yàn)結(jié)果分析

將動(dòng)態(tài)試驗(yàn)力設(shè)定為700 N，下限力設(shè)定為50 N，頻率為4 Hz，加載過(guò)程中力-時(shí)間、位移-時(shí)間圖如圖10所示。由圖看出，力曲線光滑，峰值始終保持在750 N附近，同時(shí)力曲線圖略微滯后于位移曲線圖，力跟隨性能良好，但需要注意的是當(dāng)頻率大于5 Hz，曲線發(fā)生一定程度的畸變，對(duì)曲線平滑度要求高的場(chǎng)合不宜采用過(guò)高的加載頻率［16］。

圖10 動(dòng)態(tài)試驗(yàn)力與位移的波形圖

將動(dòng)態(tài)試驗(yàn)力設(shè)定為500 N，下限力設(shè)定為60 N，頻率為5 Hz，進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)8 h試驗(yàn)，對(duì)力的峰谷值與位移峰谷值數(shù)據(jù)作為報(bào)表數(shù)據(jù)保存，力值報(bào)表與位移報(bào)表分別如圖11、12 所示。

由圖可以看出，力的峰谷值始終在設(shè)定值的正負(fù)10N以內(nèi)，即絕對(duì)誤差小于2%，控制精度較高；同時(shí)，振幅等于峰值位移與谷值位移之差的一半，遠(yuǎn)小于振幅的上限10 mm，即認(rèn)為試驗(yàn)過(guò)程中試件始終處于正常狀態(tài)，未發(fā)生疲勞破壞。

圖11 8 h動(dòng)態(tài)試驗(yàn)力峰谷值控制結(jié)果

圖12 8 h動(dòng)態(tài)試驗(yàn)位移峰谷值控制結(jié)果

5 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)基于PC ＋運(yùn)動(dòng)控制卡的下肢假肢疲勞測(cè)試試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)了力值控制閉環(huán)控制模式，能實(shí)現(xiàn)假肢的靜態(tài)與動(dòng)態(tài)試驗(yàn)的加載，并滿足精度、實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性等多方面的要求。同時(shí)，具有對(duì)電機(jī)、力傳感器、振幅、報(bào)警等各方面的監(jiān)控，整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的安全性和可靠性都達(dá)到許可標(biāo)準(zhǔn)。在軟件界面上能實(shí)時(shí)顯示力值與位移相對(duì)時(shí)間的曲線圖，及時(shí)反應(yīng)出測(cè)試過(guò)程中真實(shí)情況。在測(cè)試結(jié)束后，整個(gè)測(cè)試過(guò)程中數(shù)據(jù)將會(huì)被完整保存到數(shù)據(jù)庫(kù)，測(cè)試人員通過(guò)報(bào)表形式打開(kāi)數(shù)據(jù)，即可得知試件何時(shí)出現(xiàn)破壞或異常情況，最終判斷試件的質(zhì)量合格與否。