下肢假肢疲劳测试试验机系统开发

林砺宗，陈升泰，杨诚晓，佘顺顺，钱文荣

（华东理工大学机械与动力工程学院，上海 200237）

0 引言

据第二次全国残疾人抽样调查数据推算，全国现有肢体残疾人2 412 万，其中有226 万截肢者；截肢者中70%为下肢截肢［1］。下肢假肢包括接受腔、膝关节、小腿腿管、假脚［2］。其中膝关节对假肢穿戴者的行走能力具有决定性的影响［3］，同时也是最为脆弱的部分，该部分的材料性能好坏直接影响假肢的寿命，因此，可靠的下肢假肢性能检测方法是维护残疾患者利益的重要手段。

目前，国家康复器械质量监督检测中心作为这一领域最主要的检测机构。下肢假肢的性能检测分为静态和动态试验［4］，静态试验对应于各种活动中出现的最恶劣的加载；动态试验对应于正常行走过程中每一步有规律的加载［5］。试验过程中器械中的部件，产生裂纹、破损等破坏，即为不合格产品［6］。

根据下肢假肢检测相关标准以及康复器械的安全要求，设计了基于固高运动控制卡的具有高频率跟踪能力、高精度振动载荷的下肢假肢器械性能测试系统，为制定完善的下肢假肢检测体系提供测试数据和参考，同时采用电动机作为动力系统代替传统的液压系统，具有低噪声、设备结构紧凑、维护性强等特点。

1 检测要求

下肢假肢的加载需要模拟人行走或站立时的真实受力，对加载的作用点与方向都有明确要求，见图1。

图1 假肢载荷施加作用点与方向

静态试验是在顶部与底部载荷作用点之间施加极限力值，验证假肢的承载性能。加载理论曲线如图2所示，OA段为预加载阶段，AB 段为稳定试验力阶段，BC段为匀速加载阶段，CD 段为验证试验力阶段，DE为卸载阶段，EF 为稳定试验力阶段，FG 为回零阶段。其中，稳定试验力Fstab＝50 N，Fsp的值根据国家标准给出的相关试验加载条件和试验载荷等级而定，同时，力值必须以100～250 N／s 的速率均匀平滑地增加验证试验力Fsp［7］。试验结束后，记录底部和顶部加载点间的永久变形量，若试验样品永久变形量大于15 mm，则判断为不合格。

图2 静态试验加载理论曲线

目前，国内外进行动态力测试主要采用绝对法确定动态力，采用以下3 种类型的动态力标准：①冲击力标准；②正弦力标准；③阶跃式动态力标准。Fujii［8］对上述3 种动态力校准装置和方法进行了介绍和比较；Beresnev［9］研究了力反馈和位移反馈各自的特点。本系统采用第2 种标准来实现动态试验。具体实施方案为：在假肢顶部与底部载荷作用点之间施加一个周期性正弦力，如果与正弦波形有偏差，也应该保证波形平滑并且不能超过正弦波形的峰值［10］。理论波形图如图3 所示，其中，试验力最大值Fmax由动态试验力Fc和初始力Fmin叠加产生，Fc的值根据国家标准给出的相关试验加载条件和试验载荷等级而定，Fmin＝50 N。试验过程中，当样品破坏或达到规定的循环次数则认为试验完成。

图3 动态试验加载理论曲线

2 试验系统整体方案

该假肢疲劳测试试验机的测试原理如图4 所示，分别采用交流伺服电动机和电动缸作为驱动模块和传动机构。交流伺服驱动器工作在位置模式。试验机控制的基本工作原理为：通过上位机设定期望的力值信号，在每个采样周期内，将期望信号与力传感器反馈得到的实际输出力信号进行比较，得到偏差信号，此偏差信号作为输入信号，经过控制器，得到脉冲的输出信号，通过伺服驱动器驱动伺服电动机正转或反转一定的角度，经过电动缸，从而带动假肢连接件上下运动，完成假肢的加载控制。编码器对实际位移信号进行实时反馈，辅助整个试验过程，监测试验的异常情况，同时确保实际力值能高精度地跟随期望力值信号。

图4 疲劳试验机的系统原理图

3 系统设计

3.1 硬件系统

系统采用PC ＋运动控制卡＋伺服电动机的开放式控制技术［11］，运动控制系统结构如图5 所示。

图5 运动控制系统结构框图

运动控制卡是控制系统的核心部分，用于对被控制硬件的位置、速度、加速度进行控制使其能够按预定的轨迹或运动规律进行运动，根据需求采用固高科技GTS-400-PV系列的运动控制卡，测试装置由伺服电动机、电动缸、万向球头、连接杆、500KG 传感器、假肢上夹具组件、假肢、假肢下夹具组件、螺旋丝杆升降平台等部件组成。

本系统采用的力传感器为天沐NS-WL5 型号的力传感器。该传感器能检测拉压双向力，同时，抗过载能力强，能抵抗一定的冲击载荷，有效保护硬件。

信号放大器采用C＆V Signal Amplifier，保证传感器处于零点状态时，通过调整零点电位器使输出电压稳定在0 V（零漂为±2 mV）。在传感器过载（≥10 mV）状态下，调整SPAN 电位器使输出电压稳定在10 V。

电压经过信号放大器后输入到运动控制卡配套端子板的模拟量信号口，由上位机实时读取该信号口的电压值，并转化为力值（1 V ＝500 N），进而向运动控制卡发送指令，调整输入到电动机的脉冲数，来控制电动缸的升降，实现力的反馈控制。

本系统的伺服单元为安川的SGM7A 系列伺服电动机，具体型号为SGM7A-15AFA61，伺服驱动器（伺服单元）的具体型号为SGD7S-120A00A002，该电动机的额定功率为1.5 kW，额定扭矩为14.7 N·m，A 系列表示小惯量的电动机，便于实现高频往复运动。且该电动机从启动到达最大角速度的时间仅为0.01 s。实际运行中发现所选电动机完全满足要求。

3.2 软件系统

3.2.1 上位机界面

采用VC编译器编写上位机交互界面，本系统的人机交互界面如图6 所示。上位机界面由点动调试与自动回零、参数设置、试验数据输入、实时图像与数据显示、试验数据报表5 大模块组成。在调整假肢夹具高度或试验过程中出现故障时，可用点动调试模块检验运动的正确性［12］。动态试验是最为常用一项试验，假肢上不同关节对应不同的一套检测力值［13］。该项试验的输入数据包括：设定试验力、稳定试验力、动态试验力、下限力、动载频率及循环次数。

图6 系统上位机整体结构

3.2.2 基于PT模式的静态试验匀速加载算法

本系统控制算法建立在固高运动控制器的PT 运动模式，指仅仅使用脉冲数和时间两个参数来描述运动规律，该模式可以不对机械系统进行复杂的数学建模，只需使用一连串由脉冲和时间组成的数据点来描述一段速度规划［14］。采用PT 的NORMAL 模式可以保证每组数据点的速度不产生突变，运动更平滑。

实现静态试验匀速加载的难点在于位移与力值转化的实时性控制。假肢受力后产生的变形主要为假肢关节材料的弹性变形，由于非金属材料的力-形变量曲线为非线性，无法准确标识出力与形变量的对应关系，因此，为实现线性匀速加载，本系统采用一种多级迭代算法。算法流程图如图7 所示。

线性因子能在一定程度调整加载的线性度，理论上当加载曲线呈现上抛型，可适度增大该值；加载曲线呈现右抛型，可适度减小该值，甚至为负值。该算法理论上可适应任意材料的匀速加载，通用性好，但是待调整的参数较多，步骤较复杂。

3.2.3 基于PT模式的动态试验实时力控算法

由于动态试验对波形没有严格要求，对正弦力峰谷值的要求较高，因此，本系统采用变幅值的正弦位移信号实现类似正弦力信号控制。算法流程图如图8所示。

该算法的主要功能是每执行一个周期正弦位移后，将动态力的峰谷值与设定值进行比对，进行反馈控制，确保动态力峰谷值始终处在许可精度范围内，该循环不断触发，直到中断产生或完成指定的动态力次数才会结束，满足长时间试验的要求。

3.2.4 系统的安全性

测试系统的安全性尤为重要，本系统从以下两个方面对设备进行保护。

（1）动态试验最大变形量保护［15］。系统在每个周期都会实时测量假肢位移量，假肢位移量的幅值不能超过设定的上限（mm），一旦超过，表明假肢关节出现疲劳损伤，此时应停止试验防止破坏设备。

图7 静态匀速加载算法流程图

图8 动态实时力控算法流程图

（2）静态试验力值突变保护。假肢在静载下可能发生关节压溃或断裂，此时力值会发生突变，设定力值突变上限为设定静载力的10%，一旦实际突变值大于该值，则认为发生了静载破坏，将自动停止试验，并显示试件已破坏。

4 试验结果分析

4.1 静态试验结果分析

将稳定试验力设定为50 N，验证试验力设定为700 N，持续时间为30 s，加载速度为100 N／s，试验结束后，调用报表可显示出加载的力值曲线，如图9所示。

图9 静态试验实测结果

正式加载前有一段梯形曲线，在此区间完成相关参数的测量与调整。由图可见，从稳定试验力加载至验证试验力的过程中，力值呈稳定且平滑的上升趋势，满足试验要求。

4.2 动态试验结果分析

将动态试验力设定为700 N，下限力设定为50 N，频率为4 Hz，加载过程中力-时间、位移-时间图如图10所示。由图看出，力曲线光滑，峰值始终保持在750 N附近，同时力曲线图略微滞后于位移曲线图，力跟随性能良好，但需要注意的是当频率大于5 Hz，曲线发生一定程度的畸变，对曲线平滑度要求高的场合不宜采用过高的加载频率［16］。

图10 动态试验力与位移的波形图

将动态试验力设定为500 N，下限力设定为60 N，频率为5 Hz，进行了长达8 h试验，对力的峰谷值与位移峰谷值数据作为报表数据保存，力值报表与位移报表分别如图11、12 所示。

由图可以看出，力的峰谷值始终在设定值的正负10N以内，即绝对误差小于2%，控制精度较高；同时，振幅等于峰值位移与谷值位移之差的一半，远小于振幅的上限10 mm，即认为试验过程中试件始终处于正常状态，未发生疲劳破坏。

图11 8 h动态试验力峰谷值控制结果

图12 8 h动态试验位移峰谷值控制结果

5 结语

本文对基于PC ＋运动控制卡的下肢假肢疲劳测试试验机进行开发，实现了力值控制闭环控制模式，能实现假肢的静态与动态试验的加载，并满足精度、实时性、稳定性等多方面的要求。同时，具有对电机、力传感器、振幅、报警等各方面的监控，整个测试系统的安全性和可靠性都达到许可标准。在软件界面上能实时显示力值与位移相对时间的曲线图，及时反应出测试过程中真实情况。在测试结束后，整个测试过程中数据将会被完整保存到数据库，测试人员通过报表形式打开数据，即可得知试件何时出现破坏或异常情况，最终判断试件的质量合格与否。