基于磁粉離合器控制方式的閉環(huán)力控制裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及醫(yī)療器械技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種應(yīng)用于骨科機(jī)械手基于磁粉離合器控制方式的閉環(huán)力控制裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]在現(xiàn)有小臂骨折手術(shù)中，需要兩名醫(yī)生，其中一名醫(yī)生進(jìn)行正骨、接骨、打石膏等操作，另外一名醫(yī)生對病人手臂進(jìn)行牽引和拉拽操作。
[0003]其中進(jìn)行牽引、拉拽操作的醫(yī)生主要做的是力氣活，毫無技術(shù)含量；同時整個手術(shù)耗時較長，對后一名醫(yī)生的體力消耗很大。由于能力和經(jīng)驗的差異性很難保證良好的手術(shù)效果，不利于手術(shù)流程的標(biāo)準(zhǔn)化。
[0004]加之手術(shù)過程需要兩名醫(yī)生，使得本來就很匱乏的醫(yī)療資源變得更加緊張。因此開發(fā)一種先進(jìn)的醫(yī)療設(shè)備代替負(fù)責(zé)牽引操作的醫(yī)生亟待解決。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于一種基于磁分離合器控制方式的閉環(huán)力控制裝置，在小臂骨折正骨手術(shù)中為病人提供安全、穩(wěn)定、可靠的拉拽力。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案包括一種基于磁粉離合器控制的閉環(huán)力控制裝置，包括:控制器、直流電機(jī)模塊、磁粉離合器、傳動機(jī)構(gòu)、手腕夾持器、末端力傳感器；所述控制器，為核心控制單元，用于系統(tǒng)信號采集、控制運(yùn)算處理；所述直流電機(jī)模塊，接收控制器的控制量，與所述磁粉離合器輸入軸相連；所述磁粉離合器，分別與所述直流電機(jī)模塊和所述傳動機(jī)構(gòu)相連；所述傳動機(jī)構(gòu)，與所述磁粉離合器相連；所述手腕夾持器，與傳動機(jī)構(gòu)相連，用于夾持病人手腕；所述末端力傳感器，與所述控制器電連接，將采用值輸入控制器。
[0007]優(yōu)選地，所述控制器包括DSP模塊、電源模塊、AD模塊、SPI模塊、QEP模塊、1模塊、PWM模塊、驅(qū)動放大電路、電流傳感器、恒流源、穩(wěn)壓源；
[0008]其中，所述DSP模塊為邏輯主控制單元；所述1模塊，用于控制信息輸入；所述QEP模塊，用于速度環(huán)控制的反饋輸入量；所述PWM模塊，用于接收電流環(huán)的輸出，產(chǎn)生占空比可調(diào)的PWM信號；所述SPI模塊，用于DSP模塊與外部數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片通信；所述AD模塊，用于將所述末端力傳感器和對電流傳感器輸出模擬量采樣轉(zhuǎn)換為數(shù)字量；所述電源模塊，用于提供+3.3V、+5V和+1.9V電源；所述驅(qū)動放大電路，用于接收PWM信號，輸出驅(qū)動電機(jī)的電流信號，與直流電機(jī)模塊相連；所述電流傳感器，與所述AD模塊電氣連接；所述恒流源，接收所述AD模塊輸出信號；所述穩(wěn)壓源，與所述恒流源電連接，為電流源生成電路提供電壓。
[0009]優(yōu)選地，所述DSP模塊接收按鍵的控制命令，對所述末端力傳感器輸出量模數(shù)轉(zhuǎn)換，進(jìn)行力閉環(huán)控制；讀取電機(jī)碼盤值和采樣電流傳感器的輸出，分別作為速度環(huán)和電流環(huán)的輸入，進(jìn)行速度環(huán)和電流環(huán)的閉環(huán)控制。
[0010]優(yōu)選地，所述磁粉離合器的主動轉(zhuǎn)子與直流電機(jī)軸相連，所述磁粉離合器的從動軸與傳動機(jī)構(gòu)相連，且由所述恒流源輸出電流控制，實現(xiàn)力控制。
[0011]優(yōu)選地，所述傳動機(jī)構(gòu)為滑動絲杠，用于隨所述磁粉離合器從動軸轉(zhuǎn)動帶動所述手月:?夾持器的軸向運(yùn)動。
[0012]所述手腕夾持器，用于夾持病人手腕，與傳動機(jī)構(gòu)相連，直流電機(jī)的旋轉(zhuǎn)扭矩轉(zhuǎn)換成軸向拉力，對手臂實施拉拽力。
[0013]優(yōu)選地，所述末端力傳感器，經(jīng)與所述DSP模塊的電相連，用于對輸出力采樣，采樣值作為力閉環(huán)控制的反饋量。
[0014]優(yōu)選地，所述DSP模塊采用TMS320F2812。
[0015]本發(fā)明的有益效果，通過對電機(jī)兩環(huán)控制使電機(jī)按給定的速度運(yùn)轉(zhuǎn)，增加末端力傳感器實現(xiàn)力閉環(huán)處理，對磁粉離合器的勵磁電流實施控制，即可輸出要求的轉(zhuǎn)矩，最終實現(xiàn)力控制；在小臂骨折正骨手術(shù)中為病人提供安全、穩(wěn)定、可靠的拉拽力。
【附圖說明】
[0016]圖1為本發(fā)明勵磁電流和傳遞轉(zhuǎn)矩基本成線性關(guān)系器特性圖
[0017]圖2為本發(fā)明勵磁電流和傳遞轉(zhuǎn)矩基本成線性關(guān)系器特性圖。
[0018]圖3為本發(fā)明一實施方式中系統(tǒng)物理結(jié)構(gòu)圖。
[0019]圖4為本發(fā)明一實施方式中力閉環(huán)和電機(jī)速度控制圖。
[0020]圖5為本發(fā)明一實施方式中軟件線程規(guī)劃圖。
[0021]圖6為本發(fā)明一實施方式中基于電機(jī)驅(qū)動控制方式實現(xiàn)閉環(huán)力控制的流程圖。
【具體實施方式】
[0022]下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0023]本發(fā)明提供一種基于磁粉離合器控制的閉環(huán)力控制裝置，包括:控制器、直流電機(jī)模塊、磁粉離合器、傳動機(jī)構(gòu)、手腕夾持器、末端力傳感器；控制器，為核心控制單元，用于系統(tǒng)信號采集、控制運(yùn)算處理；直流電機(jī)模塊，接收控制器的控制量，與磁粉離合器輸入軸相連；磁粉離合器，分別與直流電機(jī)模塊和傳動機(jī)構(gòu)相連；傳動機(jī)構(gòu)，與磁粉離合器相連；手腕夾持器，與傳動機(jī)構(gòu)相連，用于夾持病人手腕；末端力傳感器，與控制器電連接，將采用值輸入控制器。
[0024]本發(fā)明實施例提供的基于磁粉離合器控制的閉環(huán)力控制裝置，通過對電機(jī)兩環(huán)控制使電機(jī)按給定的速度運(yùn)轉(zhuǎn)，增加末端力傳感器實現(xiàn)力閉環(huán)處理，對磁粉離合器的勵磁電流實施控制，即可輸出要求的轉(zhuǎn)矩，最終實現(xiàn)力控制；在小臂骨折正骨手術(shù)中為病人提供安全、穩(wěn)定、可靠的拉拽力。
[0025]控制器包括DSP (digital singnal processor,微處理器)模塊、電源模塊、AD (模數(shù)轉(zhuǎn)換)模塊、SPI (同步串行通信接口)模塊、QEP (Quadrature Encoder Pulse，正交編碼脈沖電路)模塊、1 (Input/Output,輸入 / 輸出)模塊、PWM (Pulse Width Modulat1n,脈寬調(diào)制)模塊、驅(qū)動放大電路、電流傳感器、恒流源、穩(wěn)壓源。
[0026]其中，DSP模塊為邏輯主控制單元；進(jìn)一步地，DSP模塊接收按鍵的控制命令，對末端力傳感器輸出量模數(shù)轉(zhuǎn)換，進(jìn)行力閉環(huán)控制；讀取電機(jī)碼盤值和采樣電流傳感器的輸出，分別作為速度環(huán)和電流環(huán)的輸入，進(jìn)行速度環(huán)和電流環(huán)的閉環(huán)控制。
[0027]1模塊，用于將外部按鍵信息經(jīng)電氣隔離后引入DSP模塊，用于控制信息輸入；
[0028]QEP模塊，對編碼器輸出的正交編碼脈沖進(jìn)行解碼和計數(shù)，計算電機(jī)的運(yùn)行速度，作為速度環(huán)控制的反饋輸入量；
[0029]PWM模塊，用于接收電流環(huán)的輸出，產(chǎn)生占空比可調(diào)的PWM信號，用于電機(jī)的驅(qū)動信號;
[0030]SPI模塊，用于DSP模塊與外部數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片通信；
[0031]AD模塊，用于將末端力傳感器和對電流傳感器輸出模擬量采樣轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，分別作為力閉環(huán)和電流環(huán)的反饋量；
[0032]電源模塊，用于提供+3.3V、+5V和+1.9V電源；
[0033]驅(qū)動放大電路,用于接收PWM信號,輸出驅(qū)動電機(jī)的電流信號，與直流電機(jī)模塊相連，實現(xiàn)對直流伺服電機(jī)的控制；
[0034]電流傳感器，將PWM輸出電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號與AD模塊電連接，對電機(jī)驅(qū)動信號進(jìn)行采樣，作為電流環(huán)控制的反饋輸入；
[0035]恒流源，接收所述DA模塊輸出的經(jīng)放大處理后的信號，為磁粉離合器提供穩(wěn)定電流源；
[0036]穩(wěn)壓源，與恒流源電連接，為電流源生成電路提供電壓。
[0037]所述直流電機(jī)模塊，用于接收數(shù)字控制器的控制量，與磁粉離合器輸入軸相連，為磁粉離合器提供輸出轉(zhuǎn)矩動力。
[0038]優(yōu)選地，磁粉離合器的主動轉(zhuǎn)子與直流電機(jī)軸相連，磁粉離合器的從動軸與傳動機(jī)構(gòu)相連，且由恒流源輸出電流控制，實現(xiàn)力控制。
[0039]傳動機(jī)構(gòu)為滑動絲杠，用于隨磁粉離合器從動軸轉(zhuǎn)動帶動手腕夾持器的軸向運(yùn)動。
[0040]手腕夾持器，用于夾持病人手腕，與傳動機(jī)構(gòu)相連，直流電機(jī)的旋轉(zhuǎn)扭矩轉(zhuǎn)換成軸向拉力，對手臂實施拉拽力。
[0041]末端力傳感器，經(jīng)與DSP模塊的電相連,用于對輸出力米樣,米樣值作為力閉環(huán)控制的反饋量。
[0042]本發(fā)明基于磁粉離合器控制方式實現(xiàn)閉環(huán)力控制裝置的方式，包括:
[0043]1、接受直流電機(jī)的控制信息，其中直流電機(jī)的控制參數(shù)事先給定；
[0044]2、根據(jù)按鍵信息判斷是否直流電機(jī)受控；
[0045]3、若是，讀取末端拉力值和驅(qū)動電機(jī)電流值以及碼盤值；
[0046]4、根據(jù)碼盤值計算當(dāng)前電機(jī)速度，結(jié)合電機(jī)的控制參數(shù)，進(jìn)行增量PI計算，輸出作為電流環(huán)的參考輸入；
[0047]5、根據(jù)電機(jī)的控制參數(shù)、電流環(huán)的參考輸入和電流反饋至進(jìn)行增量PI計算，輸出作為電機(jī)驅(qū)動器的輸入，電機(jī)驅(qū)動器控制電機(jī)按給定速度轉(zhuǎn)動，帶動與其連接的磁粉離合器的主動軸；
[0048]6、根據(jù)