专利名称：通过将测量响应与虚拟模型集成来扩展测试的方法
背景技术：
本发明主要涉及对测试样本进行的耐久性测试，测试样本包括但不局限于人造整形外科移植(例如髋部，膝盖，脊骨等)。更确切地，本发明涉及一种系统和一种方法，用于将测量信号和通过模型产生的虚拟信号进行组合，来扩充负载测试的机械方法的范围。
背景技术：
实验室模拟是一项经常应用于验证整形外科移植设计的耐久性以及检验制造业的质量保证的技术。在人造膝盖关节案例中，需要在前后自由度和胫骨旋转自由度上控制负载或扭矩，同时在垂直自由度上控制负载。在这些方向上的纯位移控制是不完善的，因为它没有考虑样本随时间的改变或不同样本设计间的变化(例如约束水平)。另外，由于样本之间和给定样本在其自身的操作范围内的约束水平的变化(例如从静态到动力摩擦状态的转变，与嵌入样本内部的硬机械限制的碰撞等)，纯负载控制是难以做出的。先前的研究存在于进入身体的力量输入，相对于一个健康关节处的相对位移和周围软组织的行为。已经知道的是，随着时间的流逝和样本的磨损，约束水平和摩擦系数都会改变。合并活的有机体内环境的所有方面，例如活着的软组织，来进行长期的耐久性测试，不是切实可行的方法。因此，在样本局部故障的情况下，除了补偿技术之外，常用的测试系统面临一个逐渐困难的任务来将力量施加到充分仿效实际情况的样本上。设计模拟器来施加变化的负载是复杂的，由于信道间的交叉干扰和每个已编程负载的连续变化特征。更进一步的难点来自于移植设计中较大的变化以及相关的关节处约束的较宽变化程度。
一旦一个人造关节被移植，它就受到一组机械互锁、摩擦力和关节周围软组织的限制。机械互锁和摩擦力可以在样本中直接被复制，然而软组织却更难被模仿。
在以前的整形外科模拟器中，软组织的反作用力是通过使用机械弹力实现的，这种方法有明显的缺点，包括耐久性受到限制、难于改变数值、反作用力的机械特性受到限制，难于实现机械的适当配置、以及整个机械的复杂性。
因此，改进用于测试样本耐久性和其它因素的系统成为一个显著的需求。能够处理一个或多个上文所提缺点的系统，将会特别有用。
发明内容
本发明提供了一个系统和方法，来扩展对测试样本进行的耐久性测试和模拟的能力，例如那些已展现的软组织行为的样本。
在本发明的一个实施例中，虚拟信号通过组合一个传感器(transducer)产生的实际测量信号和一个追加的或模拟的信号而生成，追加的或模拟的信号通过一个基于位置，负载或另一已知的或可测量的参数的函数产生。该虚拟信号可以被插入到一个控制回路中，使得系统适应这个新的、已计算的或已组合的信号。
在另一个实施例中，多个虚拟参数阈值可以应用在上文提到的控制回路中，从而当达到或超越一个或更多函数的阈值时，更进一步的操作可以得到允许，以便执行后续的函数来进行更进一步的测试。
图1是一张系统原理图，该系统实现了本发明的一个简化实施例。
图2是示出了利用比图1更复杂的测试系统的各种参数来实现多个虚拟模型的装置的示意图。
具体实施例方式
本发明通过合并一个虚拟模型到控制回路中并对这个新的、计算的虚拟负载和/或位移进行控制，替代使用软件和硬件的单独的机械方法。虚拟负载和/或位移信号是通过来自传感器的实际测量的力和一个追加的或模拟的信号的组合而产生的，这个追加的或模拟的信号是由一个数学的或可导出的函数产生的，该函数基于已知的或可测量的参数(例如位移、温度等)，下面举例表示虚拟负载＝测量负载+F(n)这里，F(n)能够采用任意一种或几种形式的组合，包括数学等式、模拟、数字或逻辑运算符体系、线性或非线性等式体系、查找表，静态和动态系统模型、模糊逻辑等，此时n可以是任何已知或可测量的因子(位移，温度，负载等)。
下面是一个类似的等式，它描述了位移控制下的系统操作虚拟位移＝测量位移+F(n)这个模拟函数可以通过计算控制被实时地完全计算出来，或者通过使用以下形式进行扩展模拟、数字或逻辑运算符(例如“与”，“或”等)、线性或非线性等式体系、查找表、静态和动态系统模型，模糊逻辑等。例如，在一个特定范围内，函数F(n)可以是起作用的，如果产生的外部影响导致一个位移、负载或其它参数在指定范围外，可以应用函数F(nx)。
图1通过图解的方式示出了系统100的组成，该系统实现了上文提到的本发明的方案。系统100包括一个传动器110，它对测试样本120(例如一个人工膝盖)的单元(element)施予负载和/或引起一个位移。传动器110可以是一个水力的、风力的、电机设备或它们的组合。如本领域的技术人员能够意识到的，依赖于应用，传动器需要例如伺服阀、蓄电池、电源等支持组件，作为系统100的一部分，但由于已经是公知的，所以这里不做描述。
一个处理器/控制器105使用负载控制或位移控制技术为传动器110提供驱动信号。处理器/控制器105可以由模拟和/或数字电子配置组成，带有或不带有相配的软件例程。负载传感器115和/或位置或位移传感器125两者可操作地连接到测试样本120，这样可以在一个或多个自由度上感知负载和/或位移。处理器/控制器105接收用来表示感知到的负载或位移的信号。
正如上文指出，处理器/控制器105包括测试样本120的模拟方面的数学模型或表示130，在这里用上文所述的F(n)表示。处理器/控制器105接收从负载传感器115和位移传感器125发送的实际测量负载和/或位移，并将该信息与模型F(n)130产生的模拟信息结合起来。传动器110受处理器/控制器105控制，如同虚拟(测量+模拟)负载和/或位移已经实际发生一样。这样，传动器110可以在重复的周期中被适当地控制，举例来说，在一个耐久性测试中，测试样本120可以被移去，同时磨损特性也能得到测量。
在一个特殊的应用中，系统100可以被用于测试人工膝盖或其它修复的/整形外科的移植。举个例子，假设想要模拟关节时膝盖中两个主要部分之间的滑动。尽管从先前的测试中，研究者可以知道作用于关节处的(例如在剪切方向和前后自由度上)的外力输入、以及这样的部分的位移，但是当软组织存在时与关节相关的方面可能会使测试更加复杂。一些方法包括通过在两个部分之间应用机械弹力来模拟软组织。但是，这种方法的应用难点包括选择合适的弹力、准确的定位等。此外，使用机械弹力会导致软组织建模的不精确。例如，软组织的特性可能会随着时间改变，这样，为了测试人工膝盖，可能的方法是实施这样一个测试，该测试考虑软组织随时间(老化，康复，等)的变化情况以及过去的测试结果中的历史数据。另外，数学函数允许对速率敏感行为(粘弹性)进行模拟、以及在测试控制回路中插入集成有样本的微处理器硬件。所述表示130能够方便地包括这个信息。这样，本发明的一个方案包括建模或模拟一个机械的或其它的系统，诸如作为F(n)130的软组织(例如在软件上)，以及运用上文论述的这种表示来控制传动器110，作为虚拟(测量+模拟)负载和/或位移的函数。另外，F(n)能够考虑约束的较宽变化程度和由此带来的样本设计的广泛变化。
在另外的实施例中，测试样本(例如一个整形的或修复的移植)可以包括微处理器135和内部传感器，用来测量力或其它参数，或者检测这些参数的极限值等。通过函数F(n)，来自微处理器135的信息信号可以用来控制或改变控制回路。
图2示出了另一个和图1相似的典型应用，该系统200包括多个传动器210和212，用来为例如工业组件的测试样本220中的单元施予负载和/或引起其产生位移。运用负载控制或位移控制技术，处理器/控制器205为多个传动器(例如传动器210和212)提供驱动信号。负载传感器215和217以及位置或位移传感器225和227可操作地连接到测试样本220，以便检测多个自由度上的负载或位移。处理器/控制器205接收指示检测到的负载信号和检测到的位移信号，同时监控多个预定模型F(n)230和F(nx)232的结果。将来自多个负载传感器215和217的信号与多个位移传感器225和227、连同模型230和232中的模拟信息组合在一起，直到达到或超过阈值为止，引起传动器210和212中的一个或更多个改变它们的参数，在系统200中变为激活或禁止。在这样的实施例的一个方案中，当该样本的属性会随着时间发生改变或在极端条件下恶化时，控制逻辑可以在同一个样本上实现测量能力的扩展。
在另外的实施例中，测试样本(例如一个修复的移植)可以包括多个微处理器235和237、以及用于测量力或其它参数、或者检测它们极限值等的内部传感器。通过函数F(n)和F(nx)，来自多个微处理器235和237的信息信号可以用于控制或改变控制回路。
尽管已经参考优选实施例描述了本发明，本领域的技术人员将会意识到，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以在形式和细节上进行改变。
权利要求
1.一种用于对测试样本施加负载的系统，该系统包括控制器；至少一个与控制器可操作地相连的传动器，所述传动器基于来自控制器的控制信号操作，并且对测试样本施加负载或控制所述控制样本的位移。至少一个负载传感器和/或位移传感器，为控制器提供用于指示测试样本上的已测量负载或位移的信号；以及其中，控制器用于根据来自至少一个负载传感器和/或位移传感器的信号、以及用来产生模拟的负载和/或位移的测试样本的附加方面的表示，控制所述至少一个传动器。
2.根据权利要求1所述的系统，其中控制器接收来自负载传感器的处于预定线性可操作范围内的输入来控制传动器。
3.根据权利要求1所述的系统，其中控制器包括根据历史测量数据的测试样本附加方面的表示。
4.根据权利要求1所述的系统，其中控制器的表示还包括多个参数，由此，多于一个的传动器可以由控制器基于单一的表示来控制。
5.根据权利要求1所述的系统，其中控制器包括多于一个的表示。
6.根据权利要求5所述的系统，其中所存储的表示还包括逻辑运算符，以便应用附加的表示。
7.根据权利要求6所述的系统，其中附加的表示通过使用逻辑运算符得以应用允许对测试样本进行不间断的测试。
8.一种对测试样本施加负载的方法，该方法包括测量测试样本上的负载和/或位移；通过将指示已测负载和/或位移的信息与相应的模拟信息组合来产生用于控制至少一个传动器的虚拟负载和/或位移，控制至少一个与测试样本连接的传动器，以便将选定的负载和/或位移施加于测试样本上。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于通过组合指示已测负载和/或位移的信息和模拟信息进行控制包括通过历史数据决定的参数。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于模拟信息包括多于一个的函数。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于所述函数还包括逻辑运算符，以便应用附加的函数。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于附加函数可以得到应用，从而允许对样本进行不间断的测试。
13.根据权利要求11所述的方法，其特征在于所述测试样本是整形测试样本。
14.一种用来给测试样本施加负载的整形测试系统，该系统包括控制器；至少一个与控制器可操作地相连的传动器，所述传动器基于来自控制器的信号操作，用于对整形测试系统施加负载或控制整形测试系统的位移；至少一个负载传感器和/或位移传感器，用于为控制器提供指示整形测试样本上的已测量负载或位移的信号；以及其中的控制器用于根据来自至少一个负载传感器和/或位移传感器的信号、以及用来产生模拟负载和/或位移的整形测试样本附加方面的表示，控制所述至少一个传动器。
15.根据权利要求14所述的整形测试系统，其中控制器根据来自负载传感器的处于预定线性可操作范围内的输入来控制传动器。
16.根据权利要求14所述的整形测试系统，其中控制器包括根据历史测量数据的整形测试样本的附加方面的表示。
17.根据权利要求14所述的整形测试系统，其中控制器的表示还包括多个参数，由此，多于一个的传动器可以由控制器基于单一的表示来控制。
18.根据权利要求14所述的整形测试系统，其中控制器包括多于一个的表示。
19.根据权利要求18所述的整形测试系统，其中所述表示还包括逻辑运算符，以便应用附加的表示。
20.根据权利要求19所述的整形测试系统，其中，附加的表示通过使用逻辑运算符得以应用允许对整形测试样本进行不间断的测试。
全文摘要
一个系统(100，200)和一种方法，使用一个虚拟信号，来扩展测试状态下对一个样本(120，220)进行的耐久性测试和模拟的性能。该虚拟信号通过结合一个由传感器(115，125，215，217)产生的实际测量信号和一个追加的或模拟的信号而生成。追加的或模拟的信号通过一个基于位置，负载或另一已知的或可测量的参数的函数(130，230，232)产生。虚拟信号可以被插入到一个控制回路中，使得系统适应这个新的，已计算的或已结合的信号。
文档编号G01N3/08GK1901856SQ200480040365
公开日2007年1月24日 申请日期2004年12月3日 优先权日2003年12月5日
发明者布拉德利·D·舒尔茨 申请人:Mts系统公司