组合式滚压滑动生物反应器研究

向红标，王收军，张春秋，李醒飞

（1.天津理工大学先进机电系统设计与智能控制重点实验室，天津300384；2.天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室，天津300072）

组合式滚压滑动生物反应器研究

向红标1，王收军1，张春秋1，李醒飞2

（1.天津理工大学先进机电系统设计与智能控制重点实验室，天津300384；2.天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室，天津300072）

研制一种具有滚压、滑动加载功能的组合式生物反应器，采用摩擦补偿方法提高系统的性能和控制精度。控制系统以PMAC控制器为核心，以直线电机、伺服驱动器、光栅尺形成全闭环，通过编写运动控制程序实现滚压、滑动加载功能，并基于改进型LuGre模型的摩擦补偿抑制摩擦干扰。实验结果表明：该生物反应器能模拟软骨组织的加载功能，重复定位准确度＜3μm，稳态误差通过摩擦补偿后能控制在±4μm以内。该生物反应器能模拟人工软骨的力学环境构建组织工程，实现微米级别的控制，为后续软骨的力学生物学研究奠定基础。

生物反应器；LuGre模型；稳态误差；转矩脉动

0 引言

软骨的缺损与退化容易引起关节疼痛、活动障碍、甚至造成关节功能完全丧失。虽然在临床上有很多新技术可以治疗并缓解患者疼痛，但并不能根治，所以效果并不理想。软骨组织由于无血管、神经，组织构建较为单一，新陈代谢低，所以较适合于体外构建。软骨组织的结构-功能和力学环境有直接关系[1-3]，力学环境对细胞的基因表达、生长、增殖、凋亡等都具有非常重要的影响，因此软骨组织机理规律等研究多采用生物反应器来实现，其目的是在体外为组织工程构建与组织体内类似的结构和功能条件，从而促使组织生长发育。

由于作用在组织水平上的力学载荷模式较多，因此软骨培养的生物反应器种类繁多，有搅拌式、灌流式、旋转壁式、拉伸式、直接压缩式、液体压力式、滑动式、滚动式等[4-6]。目前软组织生物反应器没有统一的衡量标准，不同载荷模式在同等条件下引起的力学生物学效应当量值无对比分析，如同样的压缩幅值、相同的加载次数直接压缩、拉伸、滚压、滑动的比较，高频低幅与低频高幅效应的比较等，这方面探索将加深认识力学环境对组织的影响，有助于评价不同载荷模式在软组织工程中的效果。此外，目前国内软组织生物反应器多处于研发实验阶段，控制准确度较低，未达到微米级别，稳定性与可靠性也有待提高，与国外Bose公司等生物反应器有较大差距[7]。

本项目拟研制一种具有滚压、滑动加载功能的组合式生物反应器，对培养物实现滚压、滑动载荷，弥补现有仪器的不足，在准确度、稳定性、响应时间、可靠性、控制方法等方面得到较大改善。该生物反应器能模拟人工软骨组织工程构建的力学环境，实现微米级别的控制，为后续软骨的力学生物学研究奠定基础。

1 机械结构设计

滚压、滑动组合式生物反应器机械结构包括双动子直线电机平台、滚压-滑动载荷模块、灌流系统、实验数据（力、温度、位移）监测传感器等。

图1 多功能组合式生物反应器

图2 双动子直线电机平台

组合式生物反应器实物如图1所示，图2为双动子直线电机，通过光栅尺（分辨率0.1μm）的位移反馈构成全闭环控制系统。该机构两个动子在同一定子上运动，能实现同一直线上的两轴运动。通过采用不同的加载模块来实现多种加载模式，采用滚压-滑动模块实现滚压、滑动加载。

滚压-滑动载荷模块如图3所示，主要包括压缩调节部分滚动部分以及培养室滑动部分。压缩量通过手动旋钮调节，并通过力传感器测试所受压力。上下滑台分别通过左右两边电机动子驱动，两滑台紧扣在导轨上并与导轨形成滑动配合，辊子滚动时实现滚压加载，固定不动时实现滑动加载。培养物的压缩量0～4mm可调，滚动/滑动速度0～100mm/s可调。

图3 滚压-滑动模块

2 控制系统设计

组合式生物反应器平台如图4所示，是由嵌入式工控机、运动控制器、直线电机平台、伺服驱动器、数据采集卡等组成的全闭环控制系统，采用PC+ PMAC构成的开放式控制平台，能完成高精度的伺服控制。

图4 生物反应器运动控制平台结构图

图5 伺服系统控制模型

多功能生物反应器控制模型如图5所示，图中，R（s）为系统的理想位移，X（s）为实际位移，T0为电机的时间常数，M为质量，Kp为比例增益，Kd为微分增益，Kvff为速度前馈，Kaff为加速度前馈，u为PMAC控制器的控制输出量，Ff为平台的总摩擦力。

3 基于改进型LuGre模型的摩擦补偿

由于摩擦力的高度非线性和复杂性，对高准确度控制系统有较大的影响，主要表现为机械伺服系统低速时出现爬行，稳态时有较大的静差或出现极限环振荡等[8-10]。LuGre摩擦模型[11]是目前常用的一种摩擦模型，能较为全面地反映伺服系统的摩擦特性。但实验证明，传统的LuGre摩擦模型其粘性摩擦系数随速度变化而改变[12-13]，因此对其粘性摩擦进行了修正，采用基于改进型LuGre摩擦模型的补偿控制方法。

改进型LuGre摩擦模型可描述为

式中：σ0、σ1——动态摩擦参数；

Fc、Fs、νs——静态摩擦参数，其中Fc为库伦摩擦，Fs为静摩擦，νs为切换速度；

Bv1——粘性摩擦斜率因子；

Bv2——粘性摩擦变化因子。

另外，该模型假设g（ν）总是严格正实且有界。

摩擦前馈补偿是在直线电机输出力上叠加一个补偿信号来消除摩擦力造成的干扰，从而提高伺服系统的性能和跟踪精度，基于改进型LuGre模型的前馈补偿如图6所示。通过PMAC控制器的用户自定义伺服算法功能，在准确辨识模型常数后，编写实现该控制策略的伺服算法程序，其流程图如图7所示。

4 实验及结果

图6 改进型LuGre模型摩擦前馈补偿控制框图

图7 伺服算法程序的流程图

通过激光干涉仪对0.1μm分辨率光栅尺进行误差补偿，经反复检验，该生物反应器的重复定位准确度能控制在3μm以内。

再根据以上的控制补偿策略，本文采用两种不同的补偿方法进行对比，一种方法是采用PMAC速度、加速度前馈补偿；另一种方法是采用基于改进型LuGre模型摩擦补偿。

当输入匀加速运动信号（加速度为500mm/s2）时，其跟踪误差曲线如图8所示。可以看出，采用PMAC速度、加速度前馈补偿时，系统的跟踪误差从0以较快速度增大到45μm；采用基于改进型LuGre模型补偿时，稳态误差在±4μm的范围内波动。

图8 匀加速运动跟踪误差曲线

当输入正弦信号r（t）=5sin（0.3πt）时，其对应的跟踪误差曲线如图9所示。可以看出，采用PMAC速度、加速度前馈补偿时，其稳态误差在±22μm范围内波动；采用基于改进型LuGre模型补偿时，稳态误差在±4μm的范围内波动。

图9 正弦运动时的跟踪误差曲线

由以上对比实验可知，采用PMAC自身速度加速度前馈补偿时能将跟踪误差控制在一定范围内，但其补偿效果有限，而采用改进型LuGre摩擦补偿效果明显优于速度加速度前馈补偿，跟踪误差能控制在零值附近波动，稳态误差在±4μm以内。

5 结束语

该生物反应器能模拟软骨组织的各种加载功能，重复定位准确度＜3μm，采用改进型LuGre摩擦补偿效果明显优于速度加速度前馈补偿，稳态误差控制在±4μm以内，提高伺服系统的控制性能和准确度。该生物反应器能模拟人工软骨组织工程构建的力学环境，实现微米级别的控制，为后续软骨的力学生物学研究奠定基础。

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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文章编号：1674-5124（2015）08-0059-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2015.08.014

2015-03-17；

2015-04-28

国家自然科学基金项目（11172208）；天津市高等学校科技发展基金计划项目（20130401）；天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室开放基金项目（PIL1302）

向红标（1982-），男，讲师，博士，研究方向为控制技术、测试计量技术及仪器。