下肢假肢疲勞測試試驗機系統開發

林礪宗，陳升泰，楊誠曉，佘順順，錢文榮

（華東理工大學機械與動力工程學院，上海 200237）

0 引言

據第二次全國殘疾人抽樣調查數據推算，全國現有肢體殘疾人2 412 萬，其中有226 萬截肢者；截肢者中70%為下肢截肢［1］。下肢假肢包括接受腔、膝關節、小腿腿管、假腳［2］。其中膝關節對假肢穿戴者的行走能力具有決定性的影響［3］，同時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方法是維護殘疾患者利益的重要手段。

目前，國家康復器械質量監督檢測中心作為這一領域最主要的檢測機構。下肢假肢的性能檢測分為靜態和動態試驗［4］，靜態試驗對應于各種活動中出現的最惡劣的加載；動態試驗對應于正常行走過程中每一步有規律的加載［5］。試驗過程中器械中的部件，產生裂紋、破損等破壞，即為不合格產品［6］。

根據下肢假肢檢測相關標準以及康復器械的安全要求，設計了基于固高運動控制卡的具有高頻率跟蹤能力、高精度振動載荷的下肢假肢器械性能測試系統，為制定完善的下肢假肢檢測體系提供測試數據和參考，同時采用電動機作為動力系統代替傳統的液壓系統，具有低噪聲、設備結構緊湊、維護性強等特點。

1 檢測要求

下肢假肢的加載需要模擬人行走或站立時的真實受力，對加載的作用點與方向都有明確要求，見圖1。

圖1 假肢載荷施加作用點與方向

靜態試驗是在頂部與底部載荷作用點之間施加極限力值，驗證假肢的承載性能。加載理論曲線如圖2所示，OA段為預加載階段，AB 段為穩定試驗力階段，BC段為勻速加載階段，CD 段為驗證試驗力階段，DE為卸載階段，EF 為穩定試驗力階段，FG 為回零階段。其中，穩定試驗力Fstab＝50 N，Fsp的值根據國家標準給出的相關試驗加載條件和試驗載荷等級而定，同時，力值必須以100～250 N／s 的速率均勻平滑地增加驗證試驗力Fsp［7］。試驗結束后，記錄底部和頂部加載點間的永久變形量，若試驗樣品永久變形量大于15 mm，則判斷為不合格。

圖2 靜態試驗加載理論曲線

目前，國內外進行動態力測試主要采用絕對法確定動態力，采用以下3 種類型的動態力標準：①沖擊力標準；②正弦力標準；③階躍式動態力標準。Fujii［8］對上述3 種動態力校準裝置和方法進行了介紹和比較；Beresnev［9］研究了力反饋和位移反饋各自的特點。本系統采用第2 種標準來實現動態試驗。具體實施方案為：在假肢頂部與底部載荷作用點之間施加一個周期性正弦力，如果與正弦波形有偏差，也應該保證波形平滑并且不能超過正弦波形的峰值［10］。理論波形圖如圖3 所示，其中，試驗力最大值Fmax由動態試驗力Fc和初始力Fmin疊加產生，Fc的值根據國家標準給出的相關試驗加載條件和試驗載荷等級而定，Fmin＝50 N。試驗過程中，當樣品破壞或達到規定的循環次數則認為試驗完成。

圖3 動態試驗加載理論曲線

2 試驗系統整體方案

該假肢疲勞測試試驗機的測試原理如圖4 所示，分別采用交流伺服電動機和電動缸作為驅動模塊和傳動機構。交流伺服驅動器工作在位置模式。試驗機控制的基本工作原理為：通過上位機設定期望的力值信號，在每個采樣周期內，將期望信號與力傳感器反饋得到的實際輸出力信號進行比較，得到偏差信號，此偏差信號作為輸入信號，經過控制器，得到脈沖的輸出信號，通過伺服驅動器驅動伺服電動機正轉或反轉一定的角度，經過電動缸，從而帶動假肢連接件上下運動，完成假肢的加載控制。編碼器對實際位移信號進行實時反饋，輔助整個試驗過程，監測試驗的異常情況，同時確保實際力值能高精度地跟隨期望力值信號。

圖4 疲勞試驗機的系統原理圖

3 系統設計

3.1 硬件系統

系統采用PC ＋運動控制卡＋伺服電動機的開放式控制技術［11］，運動控制系統結構如圖5 所示。

圖5 運動控制系統結構框圖

運動控制卡是控制系統的核心部分，用于對被控制硬件的位置、速度、加速度進行控制使其能夠按預定的軌跡或運動規律進行運動，根據需求采用固高科技GTS-400-PV系列的運動控制卡，測試裝置由伺服電動機、電動缸、萬向球頭、連接桿、500KG 傳感器、假肢上夾具組件、假肢、假肢下夾具組件、螺旋絲桿升降平臺等部件組成。

本系統采用的力傳感器為天沐NS-WL5 型號的力傳感器。該傳感器能檢測拉壓雙向力，同時，抗過載能力強，能抵抗一定的沖擊載荷，有效保護硬件。

信號放大器采用C＆V Signal Amplifier，保證傳感器處于零點狀態時，通過調整零點電位器使輸出電壓穩定在0 V（零漂為±2 mV）。在傳感器過載（≥10 mV）狀態下，調整SPAN 電位器使輸出電壓穩定在10 V。

電壓經過信號放大器后輸入到運動控制卡配套端子板的模擬量信號口，由上位機實時讀取該信號口的電壓值，并轉化為力值（1 V ＝500 N），進而向運動控制卡發送指令，調整輸入到電動機的脈沖數，來控制電動缸的升降，實現力的反饋控制。

本系統的伺服單元為安川的SGM7A 系列伺服電動機，具體型號為SGM7A-15AFA61，伺服驅動器（伺服單元）的具體型號為SGD7S-120A00A002，該電動機的額定功率為1.5 kW，額定扭矩為14.7 N·m，A 系列表示小慣量的電動機，便于實現高頻往復運動。且該電動機從啟動到達最大角速度的時間僅為0.01 s。實際運行中發現所選電動機完全滿足要求。

3.2 軟件系統

3.2.1 上位機界面

采用VC編譯器編寫上位機交互界面，本系統的人機交互界面如圖6 所示。上位機界面由點動調試與自動回零、參數設置、試驗數據輸入、實時圖像與數據顯示、試驗數據報表5 大模塊組成。在調整假肢夾具高度或試驗過程中出現故障時，可用點動調試模塊檢驗運動的正確性［12］。動態試驗是最為常用一項試驗，假肢上不同關節對應不同的一套檢測力值［13］。該項試驗的輸入數據包括：設定試驗力、穩定試驗力、動態試驗力、下限力、動載頻率及循環次數。

圖6 系統上位機整體結構

3.2.2 基于PT模式的靜態試驗勻速加載算法

本系統控制算法建立在固高運動控制器的PT 運動模式，指僅僅使用脈沖數和時間兩個參數來描述運動規律，該模式可以不對機械系統進行復雜的數學建模，只需使用一連串由脈沖和時間組成的數據點來描述一段速度規劃［14］。采用PT 的NORMAL 模式可以保證每組數據點的速度不產生突變，運動更平滑。

實現靜態試驗勻速加載的難點在于位移與力值轉化的實時性控制。假肢受力后產生的變形主要為假肢關節材料的彈性變形，由于非金屬材料的力-形變量曲線為非線性，無法準確標識出力與形變量的對應關系，因此，為實現線性勻速加載，本系統采用一種多級迭代算法。算法流程圖如圖7 所示。

線性因子能在一定程度調整加載的線性度，理論上當加載曲線呈現上拋型，可適度增大該值；加載曲線呈現右拋型，可適度減小該值，甚至為負值。該算法理論上可適應任意材料的勻速加載，通用性好，但是待調整的參數較多，步驟較復雜。

3.2.3 基于PT模式的動態試驗實時力控算法

由于動態試驗對波形沒有嚴格要求，對正弦力峰谷值的要求較高，因此，本系統采用變幅值的正弦位移信號實現類似正弦力信號控制。算法流程圖如圖8所示。

該算法的主要功能是每執行一個周期正弦位移后，將動態力的峰谷值與設定值進行比對，進行反饋控制，確保動態力峰谷值始終處在許可精度范圍內，該循環不斷觸發，直到中斷產生或完成指定的動態力次數才會結束，滿足長時間試驗的要求。

3.2.4 系統的安全性

測試系統的安全性尤為重要，本系統從以下兩個方面對設備進行保護。

（1）動態試驗最大變形量保護［15］。系統在每個周期都會實時測量假肢位移量，假肢位移量的幅值不能超過設定的上限（mm），一旦超過，表明假肢關節出現疲勞損傷，此時應停止試驗防止破壞設備。

圖7 靜態勻速加載算法流程圖

圖8 動態實時力控算法流程圖

（2）靜態試驗力值突變保護。假肢在靜載下可能發生關節壓潰或斷裂，此時力值會發生突變，設定力值突變上限為設定靜載力的10%，一旦實際突變值大于該值，則認為發生了靜載破壞，將自動停止試驗，并顯示試件已破壞。

4 試驗結果分析

4.1 靜態試驗結果分析

將穩定試驗力設定為50 N，驗證試驗力設定為700 N，持續時間為30 s，加載速度為100 N／s，試驗結束后，調用報表可顯示出加載的力值曲線，如圖9所示。

圖9 靜態試驗實測結果

正式加載前有一段梯形曲線，在此區間完成相關參數的測量與調整。由圖可見，從穩定試驗力加載至驗證試驗力的過程中，力值呈穩定且平滑的上升趨勢，滿足試驗要求。

4.2 動態試驗結果分析

將動態試驗力設定為700 N，下限力設定為50 N，頻率為4 Hz，加載過程中力-時間、位移-時間圖如圖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，但需要注意的是當頻率大于5 Hz，曲線發生一定程度的畸變，對曲線平滑度要求高的場合不宜采用過高的加載頻率［16］。

圖10 動態試驗力與位移的波形圖

將動態試驗力設定為500 N，下限力設定為60 N，頻率為5 Hz，進行了長達8 h試驗，對力的峰谷值與位移峰谷值數據作為報表數據保存，力值報表與位移報表分別如圖11、12 所示。

由圖可以看出，力的峰谷值始終在設定值的正負10N以內，即絕對誤差小于2%，控制精度較高；同時，振幅等于峰值位移與谷值位移之差的一半，遠小于振幅的上限10 mm，即認為試驗過程中試件始終處于正常狀態，未發生疲勞破壞。

圖11 8 h動態試驗力峰谷值控制結果

圖12 8 h動態試驗位移峰谷值控制結果

5 結語

本文對基于PC ＋運動控制卡的下肢假肢疲勞測試試驗機進行開發，實現了力值控制閉環控制模式，能實現假肢的靜態與動態試驗的加載，并滿足精度、實時性、穩定性等多方面的要求。同時，具有對電機、力傳感器、振幅、報警等各方面的監控，整個測試系統的安全性和可靠性都達到許可標準。在軟件界面上能實時顯示力值與位移相對時間的曲線圖，及時反應出測試過程中真實情況。在測試結束后，整個測試過程中數據將會被完整保存到數據庫，測試人員通過報表形式打開數據，即可得知試件何時出現破壞或異常情況，最終判斷試件的質量合格與否。