CN103503050A - 用于关节运动模拟的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种模拟生物力学运动的关节运动模拟器包括其上安装假体装置的底座、连接到该底座以驱动该底座的致动器、以及用来驱动这些致动器以平移该底座并且使该底座围绕独立于平移可控的旋转中心而旋转的可编程控制器。该模拟器可以包括用来在基本上平行于旋转轴的线性方向平移该底座的线性致动器。该线性致动器可以包括在一个套筒之内的活塞，该活塞连接至该底座并且被液压驱动以平移该底座，并且这些致动器可以连接至该套筒。该控制器可以被编程为改变该底座的具有线性平移和旋转的旋转中心。可以包括测量这些致动器的位移的传感器。该控制器可以基于测量的位移而驱动这些致动器。

Description

用于关节运动模拟的方法和设备

相关申请

本申请要求于2010年11月15日提交的美国临时申请号61/413,873的权益。

上述申请的全部传授内容通过引用结合在此。

技术领域

本发明涉及一种用于关节运动模拟的方法和设备。

背景技术

假体植入物失效机理是多样的。最普遍的失效原因是聚乙烯磨损、松动、感染、以及不对准。聚乙烯磨损包括目前植入物失效的最重大的单个可识别的原因。此外，由于增加的改造组织的负载，聚乙烯磨损可能使植入物易于松动。随着植入物技术的发展，正在鉴定新的并且更复杂的磨损、损伤、和失效模式。由于这些事实，非常需要在能够复制人类运动的细微之处的模拟机中的严密的植入物生命周期测试。

通过提供其中使用加速的寿命测试评估新的和现有的假体装置的非人类环境，模拟机解决了植入物寿命问题。这些模拟机允许研究人员隔离且研究设计缺陷，识别并且校正材料问题，且最终为医师和患者提供较长寿命的假体系统。模拟机近似于人类关节运动。显然，人类关节运动的近似越近，结果就越可靠。

发明内容

本发明总体上涉及用于关节运动模拟的设备和方法，提供了增强的对假体模拟器的运动控制。通过加速的寿命测试，假体模拟器提供了其中评估新的和现有的假体装置特别是可植入的假体装置的非人类环境。

一种模拟生物力学运动的关节运动模拟器包括其上安装假体装置的底座、连接到该底座以驱动该底座的致动器、以及用来驱动这些致动器以平移该底座并且使该底座围绕独立于平移可控的旋转中心而旋转的可编程控制器。

致动器可以包括至少三个线性致动器，它们可以连接到一个套筒，例如垂直（Z轴）致动器的外套筒，并且可以沿该套筒垂直移位。该控制器可以被编程为改变该底座的具有线性平移和旋转的旋转中心。该关节运动模拟器可以进一步包括位移传感器，该传感器测量这些致动器的位移，并且该控制器可以基于测量的位移驱动这些致动器。在一些实施例中，这些致动器包括线性致动器并且这些位移传感器包括长度传感器。旋转中心或旋转轴可以是瞬时旋转中心。

在一个实施例中，用来模拟生物力学运动的关节运动模拟器包括其上安装假体装置的底座以及连接到该底座的用来使该底座旋转和平移的至少三个线性致动器。

除了这至少三个线性致动器之外，该关节运动模拟器可以进一步包括用来在基本上平行于旋转轴的线性方向平移该底座的线性致动器。用来平移的线性致动器可以包括在一个套筒之内的活塞，该活塞连接至该底座并且被液压驱动以平移该底座，并且这至少三个线性致动器可以连接至该套筒。此外，用来平移的线性致动器可以包括连接至该底座的第二活塞，其中该第一活塞和第二活塞是以相反方向被驱动的。至少三个致动器中的每一个可以包括在汽缸中被液压驱动的活塞，其中该活塞通过铰链接合连接至该套筒。

用来模拟生物力学运动的关节运动模拟器包括其上安装假体装置的底座；连接到该底座以驱动该底座的致动器；以及用来驱动这些致动器使该底座围绕一个轴旋转以便在相对于该旋转轴的横向平移该底座并且以独立于该底座的平移而横向平移该旋转轴的可编程控制器。

用来模拟关节运动的驱动假体装置的方法包括沿着一个旋转轴旋转而驱动该假体装置，并且在多个方向横向移动该旋转轴。

该假体装置可以被安装到一个底座上，在这种情况下，驱动该假体装置旋转可以包括驱动连接至该底座的致动器以使该底座旋转。在一个实施例中，至,三个线性致动器连接至该底座。驱动该假体装置的方法可以进一步包括驱动这些致动器以相对于该旋转轴横向平移该底座。该旋转轴进而可以独立于该底座的平移而横向移动。在一些实施例中，驱动该假体装置的方法进一步包括感测这些致动器的位移，并且驱动这些致动器可以包括基于感测的位移驱动这些致动器。这些致动器可以包括线性致动器，并且感测位移可以包括感测这些线性致动器的长度。在一个实施例中，驱动该假体装置的方法进一步包括在基本上平行于该旋转轴的线性方向驱动该假体装置平移。

附图说明

根据本发明的示例性实施例的以下更具体的说明，上述内容将是清楚的，如在这些附图中展示的，其中贯穿这些不同的视图的相同的参照字符是指相同的部分。这些图不一定是按比例绘出，而是着重展示本发明的实施例。

图1A为根据本发明的一个实施例的假体模拟系统；

图1B为是针对假体装置的现有技术模拟器台的示意图；

图1C-1F为假体膝关节的关节元件的位势运动；

图2为图1A的系统，其中移除了一部分下壳和液压流体系统；

图3为从下方看的三个x-y-θ致动器的视图；

图4为平台致动器组件的细节；

图5为下平台致动器组件的局部剖视图；

图6A为下平台致动器组件的局部透视图，该组件展示了根据本发明的实施例的垂直致动器；

图6B为图6A的下平台致动器组件的俯视图；

图6C为如在图6B中指示的图6A的下平台致动器组件的截面图；

图7为图3的三个x-y-θ致动器之一的另外的细节；

图8为机械台和用来产生x-y平移和围绕任何轴的角旋转的三个致动器的示意图；

图9为机械台的旋转中心的运动如何可以由向量rp指定的，同时该台的取向如何可以由角φ指定；

图10为旋转中心如何可以由向量ro指定；

图11为用于根据本发明的实施例的假体模拟器的控制系统的示意图；

图12A至12H为假体模拟器的机械台的一些可能的运动。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例对本发明进行详细描述。在此，本发明的示意性实施例及说明用于解释本发明，但是不能认为是对本发明的限定。

图1A展示了实施本发明的模拟系统100。关于现有系统，关节的一个元件被安装到上底座102中，并且该关节的其他元件被安装至下底座（平台）104。下底座104，在此也称为样品台或机械台，是用X-Y-Z-θ自由度可控制的。

图1B展示了假体膝关节，虽然该系统可以携带任何关节的假体元件。关节元件106、108在两个底座之间彼此抵靠对接并且分别通过编程的运动驱动。在布鲁斯F.怀特（Bruce F.White）的美国专利号7,823,460中描述了现有模拟系统，通过引用以其全文结合。在现有模拟系统中，上底座可由致动器在横向Y方向35移动，并且还围绕从前到后的轴X以角度α可旋转31。下平台在Z轴37是可移动的，并且还围绕垂直的Z轴以角度θ可旋转33。在现有系统中，未控制的自由度包括下平台的平移39和旋转41。

现有模拟器包括安装在模拟器台的胫骨托23下方的多轴力/扭矩传感器19，使得可以监测股骨-胫骨接触力（和力矩）的三个分量。传感器19可以是六通道应变仪传感器。另外，现有模拟器可以包括用来测量模拟器的股骨22和胫骨23分量的相对平移和旋转位置的一个或多个位置传感器（sensor）或传感器（transducer）。如在图1B中显示，位置传感器可以监测假体的屈角/伸角31、内/外（IE）旋转角33、前/后（AP）平移35、以及垂直（加压/撑开）位置37。还可以监测中-侧（ML）膝关节平移39和内翻外翻旋转41。

虽然现有模拟系统的组合运动允许用于磨损测试的两个关节元件之间的复杂相对运动，它们不能完全模拟正常生物运动。具体地，现有系统并不控制沿着X轴的相对运动。此外，旋转轴是固定的；然而，在身体中，该旋转轴可以偏离该中心，并且甚至可以通过关节的作用而移动。本发明允许在X、Y和Z轴中的每一个连同围绕旋转中心的角θ中的旋转运动中进行控制，该旋转中心自身可以沿着X和Y轴移动。虽然在上底座102中并未初始实施，本发明可以类似地施用至该底座，以允许角α的旋转中心的移动。

关节模拟器的目标是达到和/或控制正确的（例如解剖学上正确的）接触刚体（例如假体关节元件）中的运动学。为此目的，本发明的实施例提供了在两个正交轴方向的旋转中心的独立编程控制，而没有接触刚体的相对平移。贯穿本说明书，术语旋转中心和旋转轴被可互换地使用。

在刚体力学中，术语瞬时旋转中心可以适用于旋转的速度（瞬时）中心，并且适用于旋转的加速度中心。旋转的速度中心典型地是相对于固定或全局参考坐标系而定义的。以平坦表面上滚动的轮子为例，该表面相对于全局参考坐标系是固定的。该轮子的运动可以被描述为以平行于该平坦表面的方向平移、以及围绕该轮子的中心的同时旋转。在任何给定时间点，旋转的加速度中心在轮子的中心，而旋转的速度（瞬时）中心是在与该表面接触的点。在另一实例中，杆围绕固定轴（例如杆的中心轴）旋转。在此，在任何给定时间点，旋转的速度中心与旋转的加速度中心是相同的。因此，示例性杆的瞬时旋转中心同时是旋转的速度（瞬时）和加速度中心。

图1C-F展示了假体膝关节的关节元件106、108的位势运动。图1C和1D展示了围绕该系统的垂直固定Z轴的下胫骨元件108的旋转。图1E和1F展示了下胫骨元件108的旋转中心的平移，使得该胫骨元件围绕该系统的轴Z’而不是垂直Z轴而旋转。Z’轴是瞬时旋转中心。描述的现有技术仅允许图1C-1D的运动，而不允许图1E-1F的运动。

图2展示了图1A的系统，其中移除了下壳和液压流体收集系统，以展示实施本发明的部件。在图2中可见导致下平台104的垂直运动的Z轴致动器206。还展示了安装在下模拟器台面212的三个X-Y-θ致动器中的两个208和210。如将在以下详细描述，三个X-Y-θ致动器在Z和Y方向驱动Z轴致动器的套筒，并且还使该套筒围绕可以在X和Y方向移位的旋转中心旋转通过角θ。

图3是如从下方看的三个X-Y-θ致动器208、210和302的视图。如将在以下详细讨论，每个致动器包括铰接在垂直致动器套筒上的驱动活塞。每个致动器208、210和302被安装到台面212的底部。例如，致动器208通过支柱304安装到台子的底部，致动器302通过支柱306安装到台子的底部，致动器210通过支柱308安装到台子的底部。如所示，致动器208、210和302分别经由铰链305、307、和309而连接至支柱。因此，每个致动器包括铰接端319和游离端320。致动器可以经由适合的液压导管（未显示）而被连接至液压阀歧管316。通过发送驱动信号至阀歧管316的阀，控制器可以驱动各个致动器。虽然致动器208、210和302在此被描述为被液压驱动，但是将理解的是，其他类型的可控制致动器可以被用作X-Y-θ致动器。一般而言，三个或更多个独立地和相互依赖地线性或旋转致动器可以被用于产生X-Y平移和按θ的角旋转。

图4展示了下平台致动器组件的另外的细节。运动图解402显示了在x、y、z方向的平移，以及围绕下底座104的旋转中心的旋转θ。垂直致动器206的外套筒被安装到液体静压轴承板408，该轴承板抵靠台面212的底部并且由悬挂在台面下方的板318支撑。在它的上表面和下表面中的每一个中，轴承板408包括三个椭圆端口410、412和414，通过它们，将液压流体快速递送以形成液体静力轴承。一次方式，快速递送的液压流体可以产生轴承板408的上表面409和下表面（未显示）上的液体静力膜。可以将液体静力流体提供至端口410、412和414，穿过进给管420。如以下将讨论，通过台面212中的开口（图6C中的612），关节元件支承平台或样品板416被连接至Z轴致动器。台面212可以包括邻近台面212的开口的槽418。

在图5和6A-C、以及图4中可见垂直致动器206的细节。图5是下平台致动器组件的局部剖视图。图6A-C分别是下平台致动器组件的透视图、俯视图、和截面图，为了清楚起见，其中移除了致动器208、210和310。垂直致动器206包括外套筒502，其中定位了两个液压驱动活塞。活塞504、506各自通过负荷传感器508而直接连接至样品平台416。负荷传感器508感测在三个正交线性方向中的力、以及围绕这些轴的三个正交矩。由于要测试的假体关节元件安装至样品平台416，该平台被安装至负荷传感器508，该负荷传感器可以用来监测在关节元件处起作用的力和力矩。负荷传感器508可以是六通道应变仪传感器，例如参考图1B描述的传感器19。通过铰链510，活塞504被直接连接至传感器板512。通过上导向板513并且通过从固定至下活塞506的环（下导向板）514延伸穿过套筒502的三个棒310、312和314，下活塞506被连接至同一个板512。

塞子516被固定至在活塞504与506之间的套筒502。在压力P1下通过端口518将液压流体引入在塞子516与活塞504之间的空间。分开地，在压力P2下通过端口520将液压流体引入在塞子516与活塞506之间的空间。可以看到然后在压力P1的液压流体向上挤压活塞504以向上驱动样品平台416；然而，压力P2向下驱动活塞506，以通过棒310、312和314向下移动样品平台。压力P1和P2之间的差决定样品平台是否向上移动、向下移动或一点也不动，其中这些活塞通过它们的共同连接，板512，一起移动。下活塞506包括磁力连接至霍尔效应传感器的磁铁522和524，该霍尔效应传感器用于活塞组件和样品底座的垂直位移感测。

如在图6C中显示，垂直致动器206通过负荷传感器508连接至样品平台416，并且该连接延伸穿过台面212中的开口612。致动器208、210和302的相对于垂直致动器206的位置显示于图4和5中，并且显示于图6C中的在604、606和608处的假想图中。致动器208、210和302沿着垂直致动器206的套筒502垂直移位。如通过假想图608所展示，通过沿着Z轴延伸的支架和铰链610，致动器302被连接至垂直致动器206的套筒502。同样，分别相应于假想图606和604的位置的水平，致动器208和210各自通过支架和铰链连接至套筒502（参见图4和5）。

还在图6A和6C中显示的是附接到台面212的隔离管602和周围负荷传感器508。隔离管提供了对抗可能由尸体测试和磨损测试的流体和润滑剂引起的下致动器组件的污染的防尘盖。附接至套筒502的底部的PC板603可以包括用于Z轴致动器206例如用于垂直位移感测的控制电路。

图7展示了三个X-Y-θ致动器之一的细节，应当理解的是，这三个致动器是完全相同的，但是以120度角移位，并且沿着套筒502垂直移位以防彼此干扰。

如图7所示，致动器210包括在外部汽缸702内的单个活塞704。通过沿着Z轴延伸的铰链309，汽缸702被铰接在支柱308的一端。汽缸702的另一端是游离的。汽缸702被沿着邻近垂直致动器206的长度切掉，以暴露活塞，并且使其通过支架708和沿着Z轴延伸的铰链710能够被连接至垂直致动器的套筒502。该活塞自身在支架708处被切掉（706），以允许更紧凑的组件。

通过油端口（配件）711和713，以不同的压力将液压流体施用至在气缸702内的活塞的相反端的油体积712和714。有差别的压力体积引起活塞沿着其轴移动，并且通过铰链710将力施用至Z轴致动器的套筒或活塞502。磁铁716和718嵌入活塞704的相反端，并且由安装至汽缸702上的支架720的霍尔效应传感器感测，用于感测汽缸702内的活塞704的位移。通过感测活塞的位移，致动器的长度（例如在铰链309与铰链710之间的距离）可以被感测。控制器可以然后基于感测的长度或长度方面的变化来驱动致动器。

如将在以下更详细描述，在线性致动器208、210和302中的三个活塞的组合线性运动导致任何在X-Y方向的运动以及在该系统的可允许范围之内的通过围绕任何旋转中心的角θ的旋转。例如，如果各个活塞都朝向对应的安装柱以相等位移被驱动，套筒502将以如在图7中所见的逆时针方向围绕中心轴旋转。然而，当施用不同位移至这些活塞时，旋转可以围绕不同的轴，并且可以强加X-Y移动。如另一简单说明，如果在致动器208和302（参见图3）中的每一个中的活塞被驱动朝向止动器210，由于没有力被施加至活塞210，Z致动器套筒502以及因此样品将在朝向致动器210的铰链708的方向移动。

以下呈现了X-Y-θ运动的控制的详细数学分析。该分析源自Atul RavindraJoshi（阿图莱文德拉乔希）的著作“A Design and Control of a ThreeDegree-Of-Freedom Planar Parallel Robot（三自由度平面并联机器人的设计和控制）”，硕士论文，Ohio University（俄亥俄大学），2003年8月，通过引用以其全文结合在此。然而，该分析已经被显著地延伸至结合一个参数rO以允许控制旋转轴。此外，Joshi（乔希）的著作是针对机器人；没有提示将其用于针对假体关节运动模拟的系统中。

用于这种模拟器的控制系统可以是披露于美国专利申请号12/942,886（由Bruce F.White（布鲁斯F·怀特）在2010年11月9日提交）中的模拟器的延伸，通过引用将该专利申请以其全文结合。以下呈现了具体实施。用该控制器，旋转中心是可控制的并且在独立于底座的X-Y平移的范围内无限可变。

位移控制：

向致动器系统的输入（称为平面致动器阵列）包括平移、旋转和约束。这些输入是：

1）x和y平移；

2）角旋转；以及

3）约束，例如旋转轴的x、y位置。

旋转轴的约束是数学上必需的，以明白地区分旋转和平移。平移可以被认为是围绕无限远的一个轴旋转。x平移将会是围绕y无限远的一个轴旋转，而y平移会是围绕x无限远的一个轴旋转。旋转变换的通常公式化是围绕原点（即0，0）。

在根据本发明的原理的致动器系统中，旋转轴可以被选择为在x和y位置的范围之内的任何地方——那么它可以被选择在某处（约束的），以便计算所希望的各致动器的延伸（位移长度）。

直观地，似乎更易于相对于固定的全局坐标系定义旋转轴。然而，在天然膝关节中，这个轴更“天然地”与胫骨干的长轴相关。在根据本发明的实施例的致动器系统中，胫骨平台平移，并且因此胫骨干的长轴平移，这引起更令人希望的相对于固定全局系统移动的轴的呈现。

在位移控制下，控制问题可以被考虑为两个数学过程：1）来自输入设定点信号的致动器驱动信号的复合，以及2）将测量位置和取向分解成分量，这些分量可以与设定点信号比较，或者与致动器驱动信号比较，以确定当前的跟踪误差。向该系统的输入，包括设定点x和y位置、设定点角旋转以及所选择的旋转中心的x、y坐标，被称为输入设定点信号。致动器驱动信号包括提供为向各个控制环输入的单独信号，该控制环可以被用来提供例如阀驱动信号，用于液压驱动致动器。阀驱动信号不同于致动器驱动信号，在于它已经根据一个或多个误差量度（例如，x-y位置误差）被确定，并且已经通过控制过程起作用。

回到控制问题的两个分量，在数学上，旋转被认为是围绕原点。在刚体力学中，当嵌入刚体的参考坐标系的坐标（在所希望的旋转中心）相对于全局坐标系是已知的时，可以将旋转施用至刚体。使用已知的坐标，可以将刚体平移至原点，然后使其旋转，然后平移返回到初始位置（旋转中心的初始位置）。在平面系统中，单个角和两个线性坐标足以解决该问题。由于各致动器附接点相对于嵌入的坐标系统的坐标是已知的，并且假定相对于全局系统它们的初始位置是已知的，可以确定各附接点的变换坐标。根据这些坐标，各个单独的致动器的独特延伸长度可以被确定。

回到控制问题的第二部分，如果局部地测量致动器延伸（长度），那么这些测量可以直接用于模拟器的反馈控制。要不然，可以使用确定用于刚体的三个参数的全局测量系统。旋转中心的角和x、y坐标可以提供一种提供反馈的自然手段。可以按与设定点信号几乎相同的方式处理这些测量值，以确定一组独特的致动器延伸，然后可以被用作控制通道的反馈信号。

力控制：

在力控制下，人们可以指定所希望的力和扭矩，然后驱动模拟器台或机器的致动器来实现这些力和扭矩。向致动器系统的输入包括力、扭矩和约束。输入是：

1）x和y力；

2）扭矩；以及

3）旋转轴的x、y位置，或引导旋转的其他约束。

关于位移控制范例，旋转轴的约束是必需的。人们可以考虑当前的机器设计以及天然膝关节。当前的机器设计强加了固定的旋转轴或平移的旋转轴。在任一情况下，用于旋转的轴承系统提供了平衡致动器施加的力的反应力。

在力控制下，可以根据计算的力和扭矩（例如基于韧带和关节面）确立旋转中心。旋转中心还可以基于感测的力和扭矩，例如由多轴感测元件（例如负荷传感器508（图5））感测的力和扭矩。

下位移台：

根据本发明的关节运动模拟器的实施例包括设计为允许三个自由度，即x和y平移以及围绕任意轴旋转的一个平台、底座或台104。如以上参考图4、5和6A-C描述的，台自身可以是被约束在一个平面中由液体静压支承系统移动的刚体。可以通过三个致动器将运动传递给该台，每个致动器都在致动器的一端连接至该台，并且在另一端连接至机器本体，虽然在致动器端不必发生连接（参见例如图3）。在每个附接点，可以用转动关节将这些致动器连接至机器本体，该转动关节具有垂直于运动平面的轴。

数学分析：

考虑在图8中显示的3RPR平面并联致动器800。致动器800由三个具有长度d₁、d₂和d₃的三个线性致动器801、802、803组成，这三个致动器以相对于全局参考坐标系的x轴的同位角θ₁、θ₂和θ₃而定向。

全局参考坐标系804被定义为具有在O^G的原点，并且附接到可移动台或底座808的可移动参考坐标系806被定义为具有在O^M的原点。O^M相对于O^G的位置是由位置向量r^m指定的，并且O^M相对于O^G的旋转角被定义为φ。

通过在各个A₁、A₂、和A₃的转动关节将致动器801、802、803附接到机器框架，同时通过在点C₁、C₂、和C₃的转动关节类似地被附接到可移动台808。位置向量r^a _i和r^c _i分别表示点A_i和C_i相对于O^G的位置。

台808相对于O^G的特定位姿或配置810是通过位姿位置向量（poseposition vector）r^p、取向角φ、以及位置向量r^o指定的，该位置向量r^o定义了相对于O^M的旋转轴，其中该台在参考位置。

图9展示了在时间t₀和t₁的台808的两个连续位姿902和904。代表台的平移的向量是rp，这是向量差：

r^p=r^m（t₀）-r^m（t₁）      （1）

其中r^m（t₀）和r^m（t₁）代表在连续时间间隔t₀和t₁的台的原点O^m的位置。在连续时间间隔（在相对于位姿902的位姿904处）的台的取向被显示为角φ（t₁）。

图10展示了可以用来指定相对于台的原点O^m的旋转中心或轴的向量r^o。所希望的旋转中心在全局坐标系中在O^G处被指定为

‘r^m=r^m-r^o      （2）

其中r^m代表台的原点O^m的位置。图展示了台808的两个位姿1002、1004。位姿1004代表围绕新的旋转中心旋转，该旋转中心已经被指定为用一个量r^o从台的原点O^m重新定位，导致在‘O^m的新的旋转中心。换言之，‘O^m是如通过r^o指定的平移的旋转中心。图10展示可以通过向量r^o以编程方式修改旋转中心。

3RPR致动器已经被用于不同目的，并且正向和反向运动学两者的数学求解已经在文献中被开发。主题分析是基于Atul Ravindra Joshi（阿图莱文德拉乔希）的著作，发现于他的2003论文中，名称为“A Design and Control of a ThreeDegree-Of-Freedom Planar Parallel Robot（三自由度平面并联机器人的设计和控制）”。需要对他的报告的分析的若干校正以开发校正的正向和反向运动学。Joshi（乔希）相信R.L.Williams（威廉斯）和B.H.Shelley（雪莉）的论文，“Inverse Kinematics for Planar Parallel Manipulators（用于平面并联机械手的反向运动学）”，Proceedings of DETC（《设计工程技术会议记录》）97，ASME设计技术会议，DETC97/DAC-3851，萨克拉曼多，加利福尼亚州，9月14-17，1997，第1-6页，具有对这个问题的先前求解。

在用于使用三个线性致动器的关节模拟器的控制系统中，以下描述的反向运动学可以用来驱动该模拟器台。一旦指定模拟器台的位置或位姿，例如x-y平移、旋转角、以及旋转中心位置，反向运动学可以计算线性致动器的长度以实现该位置或位姿。以下描述的正向运动学可以用来确定台的位置和/或取向，例如相对于全局参考坐标系，给定线性致动器的长度。例如，可以使用位移传感器感测这些致动器的长度。基于感测的长度，基于如使用正向运动学确定的台的位置，或基于这两者者，然后控制器可以使用反馈来控制驱动这些致动器。

反向运动学：

反向运动学求解确定了三个致动器元件的必要长度（d₁、d₂、d₃），以实现指定的致动器位姿，其中该位姿是由r^p、r^o和φ指定的。

以上定义的五个定义的位置向量是：

$\begin{array}{c}{r}_i^a=\{x_i^a,y_i^a\}\\ r_i^c=\{x_i^c,y_i^c\}\\ r^m=\{x^m,y^m\}\\ r^p=\{x^p,y^p\}\\ r^o=\{x^o,y^o\}\end{array}---\left(3\right)$

其中r_i ^c是需要相对于O^G产生希望的位姿的标记C₁、C₂和C₃的各个转动关节的位置，r^o是相对于O^M的旋转轴的位置，并且r_i ^a是将这些致动器附接至全局坐标系O^G的转动关节的位置（标记A₁、A₂、和A₃的点）。位置向量r^m是在参考位置中相对于O^G的O^M的位置，并且r^p是所希望的O^M的位移，以实现所希望的配置或位姿。

定义了旋转矩阵：

$R=\left[\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\φ}& -\sin \mathrm{\φ}\\ \sin \mathrm{\φ}& \cos \mathrm{\φ}\end{array}\right]---\left(4\right)$

按照可移动台的位移，各个转动关节C₁、C₂、以及C₃的坐标被定义为r _i ^c’ ，对于每个点用下式确定r_i ^c’，

${r_i}^{c\′}=(({r_i}^c-r^o)\×R)+r^o+r^p---\left(5\right)$

在使用R施用旋转变换之前，从用于各个转动关节的位置向量r_i ^c减去旋转中心位置向量r^o。换言之，首先将转动关节的位置向量平移至台的原点O^M。注意的是，在方程（5）中添加了r^o项，该方程允许这个系统的旋转轴的编程控制。这是控制方案的关键特征，并且在任何引证的参考文献中未发现表述。

需要实现所希望的位姿的三个致动器中的每一个的长度被计算如下：

$d_i=\sqrt{{(r_{\mathrm{xi}}^a-r_{\mathrm{xi}}^{c\′})}^2+{(r_{\mathrm{yi}}^a-r_{\mathrm{yi}}^{c\′})}^2}---\left(6\right)$

方程（5）和（6）是用来控制位置控制中的致动器所必需的反向运动学关系。自变量（输入）是如通过r^p、r^o和φ指定的位姿。因变量（输出）是d_i。机器设计的常量是r_i ^a和r_i ^c。

正向运动学：

根据三个致动器的长度d_i，正向运动学问题的求解确定了台的当前位置r^p、和取向φ。根据在（5）中表述的向量方程和在（6）中表述的长度方程，开发了正向运动学问题。（5）和（6）的展开导致必须同时求解的三个非线性方程。

为了简化标记，采取了以下定义。相对于固定坐标系O^G指定了三个点A_i，相对于移动坐标系O^M指定了点C_i。X和y是移动台的平移的分量，并且φ是该台的旋转。L_i是延伸的致动器的长度（d_i更早）。该台被假定为围绕OM旋转。

定义了三个辅助项B_1i、B_2i和B_3i：

$\begin{array}{c}{B}_{1i}=-2(C_{\mathrm{ix}}{A}_{\mathrm{ix}}+C_{\mathrm{iy}}{A}_{\mathrm{iy}})\\ B_{2i}=2(C_{\mathrm{iy}}{A}_{\mathrm{ix}}-C_{\mathrm{ix}}{A}_{\mathrm{iy}})\\ B_{3i}={C_{\mathrm{ix}}}^2+{C_{\mathrm{iy}}}^2+{A_{\mathrm{ix}}}^2+{A_{\mathrm{iy}}}^2-{L_i}^2\end{array}---\left(7\right)$

并且展开的向量关系（来自方程（5）和（6））被表述为：

F_i＝x²+y²+2(x(C_ixcφ-C_iysφ-A_ix)+y(C_ixsφ+C_iycφ-A_iy)+B_1icφ+B_2isφ+B_3i   （8）

在该组方程中，F_i相应于三个函数（对于I=1、2、3），这些函数相应于针对附加至移动台的三个致动器的各个转动关节的运动学方程。在此，可以认为Fi是由在方程（8）中表述的三个方程确定的哑变量。

定义了雅可比行列式：

$J\left(X\right)=\left[\begin{array}{ccc}\frac{\mathrm{\δ}{F}_1}{\mathrm{\δx}}& \frac{\mathrm{\δ}{F}_1}{\mathrm{\δy}}& \frac{\mathrm{\δ}{F}_1}{\mathrm{\δ\φ}}\\ \frac{\mathrm{\δ}{F}_2}{\mathrm{\δx}}& \frac{\mathrm{\δ}{F}_2}{\mathrm{\δy}}& \frac{\mathrm{\δ}{F}_2}{\mathrm{\δ\φ}}\\ \frac{\mathrm{\δ}{F}_3}{\mathrm{\δx}}& \frac{\mathrm{\δ}{F}_3}{\mathrm{\δy}}& \frac{\mathrm{\δ}{F}_3}{\mathrm{\δ\φ}}\end{array}\right]---\left(9\right)$

根据方程（8）产生了（9）中的偏导数，如下：

$\begin{array}{c}\frac{\mathrm{\δ}{F}_i}{\mathrm{\δx}}=2(x+C_{\mathrm{ix}}\mathrm{c\φ}-C_{\mathrm{iy}}\mathrm{s\φ}-A_{\mathrm{ix}})\\ \frac{\mathrm{\δ}{F}_i}{\mathrm{\δy}}=2(y+C_{\mathrm{ix}}\mathrm{s\φ}+C_{\mathrm{iy}}\mathrm{c\φ}-A_{\mathrm{iy}})\\ \frac{\mathrm{\δ}{F}_i}{\mathrm{\δ\φ}}=2[\left(x(-C_{\mathrm{ix}}\mathrm{s\φ}-C_{\mathrm{iy}}\mathrm{c\φ})\right)+\left(y(C_{\mathrm{ix}}\mathrm{c\φ}-C_{\mathrm{iy}}\mathrm{s\φ})\right)+(C_{\mathrm{ix}}{A}_{\mathrm{ix}}+C_{\mathrm{iy}}{A}_{\mathrm{iy}})\mathrm{s\φ}+(C_{\mathrm{iy}}{A}_{\mathrm{ix}}-C_{\mathrm{ix}}{A}_{\mathrm{iy}})\mathrm{c\φ}]\end{array}---\left(10\right)$

方程（7）、（8）、（9）和（10）被用来使用牛顿-拉弗森技术而使正向运动学问题的迭代解公式化。

控制方法实例：

在图11中示意性显示的控制系统1100展示了一种控制方法。通过仪器化的整形植入物记录了（或通过分析工具确定了）代表两个正交力F_x和F_y的三个时序数据输入或参考波形1101以及表征通过一个循环的生理运动起作用的肌肉系统的主动力的垂直力矩Mz。这些信号被输入到在1102处的系统，并且代表所希望的控制系统和致动器的控制作用。在求和结点1103处，用三个反馈信号1113之一将这些输入求和。反馈信号1113代表由多轴称重传感器1117测量的力和力矩，该称重传感器测量了在测试下的假体装置的接触力。还呈现在求和结点1103的是通过虚拟软组织约束模型1122确定的计算的约束力1106。在求和结点1103处求和之前，反馈源1106和1113两者都被反向，并且因此求和结点的输出是代表在约束力与在系统输入1102处呈现的参考力之间的差异的一个误差信号。将误差信号呈现给PID控制算法1104，它可以被调谐以提供所希望的控制比例增益、积分增益和微分增益。典型地，将在1104处只使用比例增益。PID块1104的输出被输入到三个求和结点1123之一，其中这些信号用来自三个反馈源1114之一的在1111处计算的时间导数信号求和。这些时间导数代表台1112的线速度V_x、V_y和角速度ω。求和结点1123计算速度误差信号1124。如果力和扭矩是平衡的，那么求和结点1103的输出将为零，并且PID控制块1104的输出将同样为零，并且求和结点1123的输入将同样为零。当已经达到所希望的力水平时，这会将速度控制环驱动到零，引起移动停止。如果未达到力平衡，那么将存在一些施用至求和结点1123的净信号，这将使系统维持某一速度，并且因此继续寻求力平衡。

将速度误差信号1124呈现给PI块1107，用于整合速度误差以产生位移（位置、取向）误差。必要的位移X、Y和φ被输入到反向运动学求解块1108，进而确定这三个致动器中的每一个的必要长度，并且将它们输出到三个求和结点1109之一。用在这三个致动器中的每一个的长度传感器测量的实际长度1115的反馈被反向并且呈现给求和结点1109。在求和结点1109确定的长度误差信号被输入到PID控制块1110，在该控制块中进行比例计算、积分计算和微分计算。来自这些控制块的信号被转化为模拟驱动信号，并且被用来驱动致动器系统台1112的线性致动器。用线性位移传感器1116测量每个致动器长度，并且将三个输出馈送至正向运动学求解块1118。正向运动学求解块1118确定当前位置和取向并且输出三个信号X、Y和φ1119。这三个输出信号1119被路由至微分计算块1111，并且路由至软组织约束模型1122。

软组织约束模型1122利用六个输入，三个输入1120源自这个控制环，并且三个输入1121源自屈曲致动器（例如图1B中的屈曲31）和垂直位置致动器的位移的测量，并且源自内翻外翻旋转（例如，在图1B中的旋转41）的测量。软组织约束模型1122确定将会由软组织结构提供的约束力并且输出这些约束力1106，转而在求和结点1103处用输入驱动力将这些约束力求和。

在输出1105处提供了致动器的旋转中心的定位。该旋转中心被表述为坐标对，其中：p^o={x^o，y^o}。这些值可以在算法上确定，或提供为表述所希望的贯穿编程运动的旋转中心的一对时序数据。将旋转中心值输入到反向运动学求解控制块1108中。

可能的运动：

根据本发明的一个实施例，图12A-H展示了测试机器的致动器台（例如，图1A的下底座104）的一些可能的运动。在每个图中，通过该台的一系列位姿展示了这些运动，这些位姿分别包括初始位姿1202、最终位姿1204a、1204b、1204c、1204d、1204e、1204f、1204g、1204h以及三个中间位姿。图12A和12B分别展示了x和y平移，而图12C展示了组合的x-y平移。图12D展示了结合有围绕台的中心旋转的组合x-y平移。在此，台在X、Y方向移动，并且围绕旋转中心旋转，该旋转中心自身沿着X和Y轴移动。图12E展示了围绕台的中心（0，0）的纯旋转，该台的中心是瞬时旋转中心，而图12F-H展示了围绕该台的每个顶点的对应旋转。在图12F中，台的左上顶点（位姿1202）是瞬时旋转中心。在图12G中，右上顶点是瞬时旋转中心，而在图12H中，它是下顶点。注意的是，旋转中心是可自由编程的，并且不限于在这些图中给出的若干实例。

虽然本发明参考其示例性的实施例已经进行了具体显示和描述，本领域的技术人员应当理解的是，在不偏离由所附权利要求书所包括的本发明的范围下，可以在其中做出在形式和细节方面的多种改变。例如，致动器不必是液压的或线性的，并且不必驱动Z致动器的套筒。致动器可以是气动的、电动的、或由任何其他方式驱动的。

Claims (21)

1.一种用来模拟生物力学运动的关节运动模拟器，其特征在于，包括：

其上安装一个假体装置的一个底座；

连接到该底座以驱动该底座的多个致动器；以及

用来驱动这些致动器以平移该底座并且使该底座围绕独立于平移可控的旋转中心而旋转的可编程控制器。

2.一种用来模拟生物力学运动的关节运动模拟器，其特征在于，包括：

其上安装一个假体装置的一个底座；以及

连接到该底座的用来使该底座旋转和平移的至少三个线性致动器。

3.如权利要求2中所述的关节运动模拟器，进一步包括用来驱动这些致动器以平移该底座并且使该底座围绕独立于平移可控的旋转中心而旋转的可编程控制器。

4.如权利要求1或3中所述的关节运动模拟器，其中该控制器被编程为改变该底座的具有线性平移和旋转的旋转中心。

5.如权利要求1、3或4中任一项中所述的关节运动模拟器，其中该控制器被编程为使该底座围绕一个轴旋转、相对于该旋转轴的横向平移该底座、以及以独立于该底座的平移而横向平移该旋转轴。

6.如权利要求1或3至5中任一项中所述的关节运动模拟器，其中该旋转中心是瞬时旋转中心。

7.如以上权利要求的任一项中所述的关节运动模拟器，进一步包括用来在基本上平行于旋转轴的线性方向平移该底座的线性致动器。

8.如权利要求7中所述的关节运动模拟器，其中用来平移的线性致动器包括在一个套筒之内的活塞，该活塞连接至该底座并且被液压驱动以平移该底座，并且至少三个线性致动器被连接至该套筒。

9.如权利要求8中所述的关节运动模拟器，其中这至少三个线性致动器沿着该套筒垂直地移位。

10.如权利要求1或3至9中任一项中所述的关节运动模拟器，进一步包括测量这些致动器的位移的多个位移传感器。

11.如权利要求10中所述的关节运动模拟器，其中该控制器基于测量的位移驱动这些致动器。

12.如权利要求10或11中所述的关节运动模拟器，其中这些致动器包括线性致动器，并且这些位移传感器包括长度传感器。

13.一种驱动假体装置以模拟关节运动的方法，其特征在于，包括：

驱动该假体装置往日要一个旋转轴旋转；以及

在多个方向横向移动该旋转轴。

14.如权利要求13中所述的驱动假体装置的方法，其中该假体装置被安装至一个底座，并且驱动该假体装置旋转包括驱动连接至该底座的多个致动器使该底座旋转。

15.如权利要求14中所述的驱动假体装置的方法，进一步包括驱动这些致动器以相对于该旋转轴横向平移该底座。

16.如权利要求14或15中所述的驱动假体装置的方法，进一步包括感测这些致动器的位移。

17.如权利要求16中所述的驱动假体装置的方法，其中驱动这些致动器包括基于感测的位移驱动这些致动器。

18.如权利要求16或17中所述的驱动假体装置的方法，其中这些致动器包括线性致动器，并且感测位移包括感测这些线性致动器的长度。

19.如权利要求13至18中任一项中所述的驱动假体装置的方法，其中该旋转轴独立于该底座的平移而横向移动。

20.如权利要求13至19中任一项中所述的驱动假体装置的方法，进一步包括驱动该假体装置在基本上平行于该旋转轴的线性方向平移。

21.如权利要求1至12或14至20中所述的关节运动模拟器或驱动假体装置的方法，其中这些致动器包括至少三个线性致动器。

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