摘要：目的研究并建立基于6自由度机械臂的脊柱运动控制系统,为模拟脊柱运动及内固定植入物相关生物力学测试提供稳定有效的测试方案。方法首先研究L2~5节段脊柱系统刚度矩阵识别方法,并通过此刚度矩阵对进行系统解耦。其次,联合六轴机械臂控制系统及增步式PID控制算法,建立各个轴向运动的直接力控制系统。最后,通过此套六轴直接力控制系统对L2~5节段脊柱模型进行前屈后伸(flexion-extension,FE)、左右侧弯(lateral bending,LB)、左右扭转(axial rotation,AR)运动模拟,各个运动中均只在主运动轴方向上施加7.5 N·m纯力矩。结果脊柱L2~5节段在FE、LB、AR运动中活动度(range of motion, ROM)分别为23.01°、27.92°、9.81°。主运动轴运动载荷均能达到7.5 N·m,其他非主运动轴均能保持在零载荷,控制误差均方根值(root mean square, RMS)小于3 N和0.1 N·m。结论提出的含系统刚度矩阵解耦和增步式PID的直接力控算法,能够有效地对脊柱施加FE、LB、AR运动上的纯力矩,控制精度较高。研究结果对各类腰颈椎生物力学测试具有较高的工程应用价值。

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