組合式滾壓滑動(dòng)生物反應(yīng)器研究

向紅標(biāo)，王收軍，張春秋，李醒飛

（1.天津理工大學(xué)先進(jìn)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與智能控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300384；2.天津大學(xué)精密測(cè)試技術(shù)及儀器國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300072）

組合式滾壓滑動(dòng)生物反應(yīng)器研究

向紅標(biāo)1，王收軍1，張春秋1，李醒飛2

（1.天津理工大學(xué)先進(jìn)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與智能控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300384；2.天津大學(xué)精密測(cè)試技術(shù)及儀器國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300072）

研制一種具有滾壓、滑動(dòng)加載功能的組合式生物反應(yīng)器，采用摩擦補(bǔ)償方法提高系統(tǒng)的性能和控制精度。控制系統(tǒng)以PMAC控制器為核心，以直線電機(jī)、伺服驅(qū)動(dòng)器、光柵尺形成全閉環(huán)，通過編寫運(yùn)動(dòng)控制程序?qū)崿F(xiàn)滾壓、滑動(dòng)加載功能，并基于改進(jìn)型LuGre模型的摩擦補(bǔ)償抑制摩擦干擾。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該生物反應(yīng)器能模擬軟骨組織的加載功能，重復(fù)定位準(zhǔn)確度＜3μm，穩(wěn)態(tài)誤差通過摩擦補(bǔ)償后能控制在±4μm以內(nèi)。該生物反應(yīng)器能模擬人工軟骨的力學(xué)環(huán)境構(gòu)建組織工程，實(shí)現(xiàn)微米級(jí)別的控制，為后續(xù)軟骨的力學(xué)生物學(xué)研究奠定基礎(chǔ)。

生物反應(yīng)器；LuGre模型；穩(wěn)態(tài)誤差；轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)

0 引言

軟骨的缺損與退化容易引起關(guān)節(jié)疼痛、活動(dòng)障礙、甚至造成關(guān)節(jié)功能完全喪失。雖然在臨床上有很多新技術(shù)可以治療并緩解患者疼痛，但并不能根治，所以效果并不理想。軟骨組織由于無血管、神經(jīng)，組織構(gòu)建較為單一，新陳代謝低，所以較適合于體外構(gòu)建。軟骨組織的結(jié)構(gòu)-功能和力學(xué)環(huán)境有直接關(guān)系[1-3]，力學(xué)環(huán)境對(duì)細(xì)胞的基因表達(dá)、生長、增殖、凋亡等都具有非常重要的影響，因此軟骨組織機(jī)理規(guī)律等研究多采用生物反應(yīng)器來實(shí)現(xiàn)，其目的是在體外為組織工程構(gòu)建與組織體內(nèi)類似的結(jié)構(gòu)和功能條件，從而促使組織生長發(fā)育。

由于作用在組織水平上的力學(xué)載荷模式較多，因此軟骨培養(yǎng)的生物反應(yīng)器種類繁多，有攪拌式、灌流式、旋轉(zhuǎn)壁式、拉伸式、直接壓縮式、液體壓力式、滑動(dòng)式、滾動(dòng)式等[4-6]。目前軟組織生物反應(yīng)器沒有統(tǒng)一的衡量標(biāo)準(zhǔn)，不同載荷模式在同等條件下引起的力學(xué)生物學(xué)效應(yīng)當(dāng)量值無對(duì)比分析，如同樣的壓縮幅值、相同的加載次數(shù)直接壓縮、拉伸、滾壓、滑動(dòng)的比較，高頻低幅與低頻高幅效應(yīng)的比較等，這方面探索將加深認(rèn)識(shí)力學(xué)環(huán)境對(duì)組織的影響，有助于評(píng)價(jià)不同載荷模式在軟組織工程中的效果。此外，目前國內(nèi)軟組織生物反應(yīng)器多處于研發(fā)實(shí)驗(yàn)階段，控制準(zhǔn)確度較低，未達(dá)到微米級(jí)別，穩(wěn)定性與可靠性也有待提高，與國外Bose公司等生物反應(yīng)器有較大差距[7]。

本項(xiàng)目擬研制一種具有滾壓、滑動(dòng)加載功能的組合式生物反應(yīng)器，對(duì)培養(yǎng)物實(shí)現(xiàn)滾壓、滑動(dòng)載荷，彌補(bǔ)現(xiàn)有儀器的不足，在準(zhǔn)確度、穩(wěn)定性、響應(yīng)時(shí)間、可靠性、控制方法等方面得到較大改善。該生物反應(yīng)器能模擬人工軟骨組織工程構(gòu)建的力學(xué)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)微米級(jí)別的控制，為后續(xù)軟骨的力學(xué)生物學(xué)研究奠定基礎(chǔ)。

1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

滾壓、滑動(dòng)組合式生物反應(yīng)器機(jī)械結(jié)構(gòu)包括雙動(dòng)子直線電機(jī)平臺(tái)、滾壓-滑動(dòng)載荷模塊、灌流系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（力、溫度、位移）監(jiān)測(cè)傳感器等。

圖1 多功能組合式生物反應(yīng)器

圖2 雙動(dòng)子直線電機(jī)平臺(tái)

組合式生物反應(yīng)器實(shí)物如圖1所示，圖2為雙動(dòng)子直線電機(jī)，通過光柵尺（分辨率0.1μm）的位移反饋構(gòu)成全閉環(huán)控制系統(tǒng)。該機(jī)構(gòu)兩個(gè)動(dòng)子在同一定子上運(yùn)動(dòng)，能實(shí)現(xiàn)同一直線上的兩軸運(yùn)動(dòng)。通過采用不同的加載模塊來實(shí)現(xiàn)多種加載模式，采用滾壓-滑動(dòng)模塊實(shí)現(xiàn)滾壓、滑動(dòng)加載。

滾壓-滑動(dòng)載荷模塊如圖3所示，主要包括壓縮調(diào)節(jié)部分滾動(dòng)部分以及培養(yǎng)室滑動(dòng)部分。壓縮量通過手動(dòng)旋鈕調(diào)節(jié)，并通過力傳感器測(cè)試所受壓力。上下滑臺(tái)分別通過左右兩邊電機(jī)動(dòng)子驅(qū)動(dòng)，兩滑臺(tái)緊扣在導(dǎo)軌上并與導(dǎo)軌形成滑動(dòng)配合，輥?zhàn)訚L動(dòng)時(shí)實(shí)現(xiàn)滾壓加載，固定不動(dòng)時(shí)實(shí)現(xiàn)滑動(dòng)加載。培養(yǎng)物的壓縮量0～4mm可調(diào)，滾動(dòng)/滑動(dòng)速度0～100mm/s可調(diào)。

圖3 滾壓-滑動(dòng)模塊

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

組合式生物反應(yīng)器平臺(tái)如圖4所示，是由嵌入式工控機(jī)、運(yùn)動(dòng)控制器、直線電機(jī)平臺(tái)、伺服驅(qū)動(dòng)器、數(shù)據(jù)采集卡等組成的全閉環(huán)控制系統(tǒng)，采用PC+ PMAC構(gòu)成的開放式控制平臺(tái)，能完成高精度的伺服控制。

圖4 生物反應(yīng)器運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

圖5 伺服系統(tǒng)控制模型

多功能生物反應(yīng)器控制模型如圖5所示，圖中，R（s）為系統(tǒng)的理想位移，X（s）為實(shí)際位移，T0為電機(jī)的時(shí)間常數(shù)，M為質(zhì)量，Kp為比例增益，Kd為微分增益，Kvff為速度前饋，Kaff為加速度前饋，u為PMAC控制器的控制輸出量，F(xiàn)f為平臺(tái)的總摩擦力。

3 基于改進(jìn)型LuGre模型的摩擦補(bǔ)償

由于摩擦力的高度非線性和復(fù)雜性，對(duì)高準(zhǔn)確度控制系統(tǒng)有較大的影響，主要表現(xiàn)為機(jī)械伺服系統(tǒng)低速時(shí)出現(xiàn)爬行，穩(wěn)態(tài)時(shí)有較大的靜差或出現(xiàn)極限環(huán)振蕩等[8-10]。LuGre摩擦模型[11]是目前常用的一種摩擦模型，能較為全面地反映伺服系統(tǒng)的摩擦特性。但實(shí)驗(yàn)證明，傳統(tǒng)的LuGre摩擦模型其粘性摩擦系數(shù)隨速度變化而改變[12-13]，因此對(duì)其粘性摩擦進(jìn)行了修正，采用基于改進(jìn)型LuGre摩擦模型的補(bǔ)償控制方法。

改進(jìn)型LuGre摩擦模型可描述為

式中：σ0、σ1——?jiǎng)討B(tài)摩擦參數(shù)；

Fc、Fs、νs——靜態(tài)摩擦參數(shù)，其中Fc為庫倫摩擦，F(xiàn)s為靜摩擦，νs為切換速度；

Bv1——粘性摩擦斜率因子；

Bv2——粘性摩擦變化因子。

另外，該模型假設(shè)g（ν）總是嚴(yán)格正實(shí)且有界。

摩擦前饋補(bǔ)償是在直線電機(jī)輸出力上疊加一個(gè)補(bǔ)償信號(hào)來消除摩擦力造成的干擾，從而提高伺服系統(tǒng)的性能和跟蹤精度，基于改進(jìn)型LuGre模型的前饋補(bǔ)償如圖6所示。通過PMAC控制器的用戶自定義伺服算法功能，在準(zhǔn)確辨識(shí)模型常數(shù)后，編寫實(shí)現(xiàn)該控制策略的伺服算法程序，其流程圖如圖7所示。

4 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

圖6 改進(jìn)型LuGre模型摩擦前饋補(bǔ)償控制框圖

圖7 伺服算法程序的流程圖

通過激光干涉儀對(duì)0.1μm分辨率光柵尺進(jìn)行誤差補(bǔ)償，經(jīng)反復(fù)檢驗(yàn)，該生物反應(yīng)器的重復(fù)定位準(zhǔn)確度能控制在3μm以內(nèi)。

再根據(jù)以上的控制補(bǔ)償策略，本文采用兩種不同的補(bǔ)償方法進(jìn)行對(duì)比，一種方法是采用PMAC速度、加速度前饋補(bǔ)償；另一種方法是采用基于改進(jìn)型LuGre模型摩擦補(bǔ)償。

當(dāng)輸入勻加速運(yùn)動(dòng)信號(hào)（加速度為500mm/s2）時(shí)，其跟蹤誤差曲線如圖8所示。可以看出，采用PMAC速度、加速度前饋補(bǔ)償時(shí)，系統(tǒng)的跟蹤誤差從0以較快速度增大到45μm；采用基于改進(jìn)型LuGre模型補(bǔ)償時(shí)，穩(wěn)態(tài)誤差在±4μm的范圍內(nèi)波動(dòng)。

圖8 勻加速運(yùn)動(dòng)跟蹤誤差曲線

當(dāng)輸入正弦信號(hào)r（t）=5sin（0.3πt）時(shí)，其對(duì)應(yīng)的跟蹤誤差曲線如圖9所示。可以看出，采用PMAC速度、加速度前饋補(bǔ)償時(shí)，其穩(wěn)態(tài)誤差在±22μm范圍內(nèi)波動(dòng)；采用基于改進(jìn)型LuGre模型補(bǔ)償時(shí)，穩(wěn)態(tài)誤差在±4μm的范圍內(nèi)波動(dòng)。

圖9 正弦運(yùn)動(dòng)時(shí)的跟蹤誤差曲線

由以上對(duì)比實(shí)驗(yàn)可知，采用PMAC自身速度加速度前饋補(bǔ)償時(shí)能將跟蹤誤差控制在一定范圍內(nèi)，但其補(bǔ)償效果有限，而采用改進(jìn)型LuGre摩擦補(bǔ)償效果明顯優(yōu)于速度加速度前饋補(bǔ)償，跟蹤誤差能控制在零值附近波動(dòng)，穩(wěn)態(tài)誤差在±4μm以內(nèi)。

5 結(jié)束語

該生物反應(yīng)器能模擬軟骨組織的各種加載功能，重復(fù)定位準(zhǔn)確度＜3μm，采用改進(jìn)型LuGre摩擦補(bǔ)償效果明顯優(yōu)于速度加速度前饋補(bǔ)償，穩(wěn)態(tài)誤差控制在±4μm以內(nèi)，提高伺服系統(tǒng)的控制性能和準(zhǔn)確度。該生物反應(yīng)器能模擬人工軟骨組織工程構(gòu)建的力學(xué)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)微米級(jí)別的控制，為后續(xù)軟骨的力學(xué)生物學(xué)研究奠定基礎(chǔ)。

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Research on combined bioreactor w ith rolling and sliding

XIANG Hongbiao1，WANG Shoujun1，ZHANG Chunqiu1，LI Xingfei2
（1.Tianjin Key Laboratory of the Design and Intelligent Control of the Advanced Mechatronical System，Tianjin University of Technology，Tianjin 300384，China；2.State Key Laboratory of Precision Measuring Technology and Instruments，Tianjin University，Tianjin 300072，China）

A combined bioreactor that can be loaded by the way of rolling and sliding has been designed.With the help of friction compensation，it has improved the precision and performance of the control system，which is centered on a PMAC-opened control platform and forms a full closed loop through a liner motor，a servo driver and a grating scale.The rolling and sliding was achieved by a motion control program，and the friction interference was restrained by the compensation of a modified LuGre model.The experimental results indicate that the bioreactor can simulate different loading functions of the cartilage tissue，with a repetitive positioning accuracy lower than 3μm and a steady state error being controlled within 4μm after friction compensation. Moreover，it can also simulate the mechanical environment of artificial cartilage tissue to create tissue engineering and make the control a micrometer level，laying a foundation in the follow-up mechanobiology research of cartilages.

bioreactor；LuGremodel；steady state error；torque ripple

A文章編號(hào)：1674-5124（2015）08-0059-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2015.08.014

2015-03-17；

2015-04-28

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（11172208）；天津市高等學(xué)校科技發(fā)展基金計(jì)劃項(xiàng)目（20130401）；天津大學(xué)精密測(cè)試技術(shù)及儀器國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金項(xiàng)目（PIL1302）

向紅標(biāo)（1982-），男，講師，博士，研究方向?yàn)榭刂萍夹g(shù)、測(cè)試計(jì)量技術(shù)及儀器。