骨科機(jī)械手的整體控制系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及醫(yī)療設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于骨科矯正手術(shù)中的骨科機(jī)械手 的整體控制系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著自動(dòng)化、電子等領(lǐng)域的發(fā)展，以及醫(yī)療手術(shù)對先進(jìn)設(shè)備的需求，越來越多的機(jī) 械人開始應(yīng)用在醫(yī)療手術(shù)系統(tǒng)中一醫(yī)療機(jī)器人?，F(xiàn)有醫(yī)療機(jī)器人主要包括外科手術(shù)機(jī)器 人、醫(yī)療陪護(hù)機(jī)器人等，上述機(jī)器人得使用大大的提高了醫(yī)療手術(shù)的精度、穩(wěn)定性及安全 性。
[0003] 目前，在小臂骨折矯正過程中，除一名醫(yī)生進(jìn)行正骨、接骨、打石膏等操作，還需要 一名醫(yī)生，其主要是對患者手臂進(jìn)行牽引、拉拽。其中，進(jìn)行牽引、拉拽操作的醫(yī)生主要依 靠其體力進(jìn)行操作，技術(shù)含低，同時(shí)由于正骨、接骨、打石膏需要較長時(shí)間，至少需要幾十分 鐘，因此在矯正過程中，對于醫(yī)生的體力也有很大的消耗。針對上述小臂骨折矯正過程中存 在的不足，非常有必要研制一種設(shè)備替代其中做拉升工作的醫(yī)生。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于提供一種骨科機(jī)械手的整體控制系統(tǒng)，穩(wěn)定、可靠 的運(yùn)行。
[0005] 本發(fā)明的技術(shù)方案包括一種骨科機(jī)械手的整體控制系統(tǒng)，包括觸摸屏、DSP核心控 制板、牽引機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模塊、牽引機(jī)構(gòu)直線運(yùn)動(dòng)模塊、力控制模塊；所述DSP核心控制板 分別與所述觸摸屏、牽引機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模塊、牽引機(jī)構(gòu)直線運(yùn)動(dòng)模塊、力控制模塊連接；所 述DSP核心控制板為核心控制部分，接收所述觸摸屏信號；所述DSP核心控制板控制牽引機(jī) 構(gòu)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模塊、牽引機(jī)構(gòu)直線運(yùn)動(dòng)模塊的轉(zhuǎn)動(dòng)；所述DSP核心控制板控制力控制模塊，用 于實(shí)現(xiàn)牽引和拉拽。
[0006] 優(yōu)選地，所述DSP核心控制板包括SCI通信電路、AD轉(zhuǎn)換電路、DA轉(zhuǎn)換電路、直流 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、QEP采集電路、GPIO驅(qū)動(dòng)；所述SCI通信電路，用于和觸摸屏的通信；所述AD 轉(zhuǎn)換電路，用于電機(jī)三環(huán)控制中電流的采樣、氣閥控制中壓力的采樣、氣閥控制中DA輸出 的回路采樣；所述DA轉(zhuǎn)換電路，用于控制氣動(dòng)電磁的開度；所述QEP采集電路，用于采集電 機(jī)運(yùn)動(dòng)過程中的碼盤值；所述直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，用于控制牽引機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)電機(jī)和牽引 機(jī)構(gòu)直線運(yùn)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)；所述GPIO驅(qū)動(dòng)包括氣動(dòng)電磁閥的開關(guān)控制、機(jī)械限位傳感器的 信號反饋及系統(tǒng)的急停。
[0007] 優(yōu)選地，所述氣閥的開度根據(jù)DA轉(zhuǎn)換電路輸出電壓的大小變化而變化。
[0008] 優(yōu)選地，所述力控制模塊包括用于提供動(dòng)力源的微型氣泵和氣缸、氣動(dòng)電磁，所述 氣動(dòng)閥通過電壓控制開度。
[0009] 優(yōu)選地，所述牽引機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模塊包括牽引機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)電機(jī)和用于牽引機(jī)構(gòu) 旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)電機(jī)的控制單元，所述牽引機(jī)構(gòu)直線運(yùn)動(dòng)模塊包括牽引機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)電機(jī)和用于 牽引機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)電機(jī)的控制單元。
[0010] 優(yōu)選地，所述牽引機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)電機(jī)、牽引機(jī)構(gòu)直線運(yùn)動(dòng)電機(jī)的控制單元采用三 環(huán)控制，包括電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)定位控制。
[0011] 優(yōu)選地，所述三環(huán)控制包括：
[0012] S1、路徑規(guī)劃：采用T型速度規(guī)劃，包括勻加速、勻速、勻減速；
[0013] S2、均值濾波：一個(gè)采樣周期內(nèi)輸入的采樣數(shù)據(jù)位4個(gè)，因此采用算術(shù)平均值濾 波，公式如下：
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種骨科機(jī)械手的整體控制系統(tǒng)，其特征在于，包括觸摸屏、DSP核心控制板、牽引 機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模塊、牽引機(jī)構(gòu)直線運(yùn)動(dòng)模塊、カ控制模塊；所述DSP核心控制板分別與所述 觸摸屏、牽引機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模塊、牽引機(jī)構(gòu)直線運(yùn)動(dòng)模塊、カ控制模塊連接； 所述DSP核心控制板為核心控制部分，接收所述觸摸屏信號； 所述DSP核心控制板控制牽引機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模塊、牽引機(jī)構(gòu)直線運(yùn)動(dòng)模塊的轉(zhuǎn)動(dòng)； 所述DSP核心控制板控制カ控制模塊，用于實(shí)現(xiàn)牽引和拉拽。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的整體控制系統(tǒng)，其特征在于，所述DSP核心控制板包括SCI通 信電路、AD轉(zhuǎn)換電路、DA轉(zhuǎn)換電路、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、QEP采集電路、GPIO驅(qū)動(dòng)； 所述SCI通信電路，用于和觸摸屏的通信； 所述AD轉(zhuǎn)換電路，用于電機(jī)三環(huán)控制中電流的采樣、氣閥控制中壓カ的采樣、氣閥控 制中DA輸出的回路采樣； 所述DA轉(zhuǎn)換電路，用于控制氣動(dòng)電磁的開度； 所述QEP采集電路，用于采集電機(jī)運(yùn)動(dòng)過程中的碼盤值； 所述直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，用于控制牽引機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)電機(jī)和牽引機(jī)構(gòu)直線運(yùn)動(dòng)電機(jī)的 轉(zhuǎn)動(dòng)； 所述GPIO驅(qū)動(dòng)包括氣動(dòng)電磁閥的開關(guān)控制、機(jī)械限位傳感器的信號反饋及系統(tǒng)的急 停。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的整體控制系統(tǒng)，其特征在于，所述氣閥的開度根據(jù)DA轉(zhuǎn)換電 路輸出電壓的大小變化而變化。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的整體控制系統(tǒng)，其特征在于，所述カ控制模塊包括用于提供 動(dòng)カ源的微型氣泵和氣缸、氣動(dòng)電磁，所述氣動(dòng)閥通過電壓控制開度。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的整體控制系統(tǒng)，其特征在于，所述牽引機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模塊包 括牽引機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)電機(jī)和用于牽引機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)電機(jī)的控制單元，所述牽引機(jī)構(gòu)直線運(yùn) 動(dòng)模塊包括牽引機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)電機(jī)和用于牽引機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)電機(jī)的控制單元。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的整體控制系統(tǒng)，其特征在于，所述牽引機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)電機(jī)、牽 引機(jī)構(gòu)直線運(yùn)動(dòng)電機(jī)的控制單元采用三環(huán)控制，包括電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)定位控制。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的整體控制系統(tǒng)，其特征在于，所述三環(huán)控制包括： 51、 路徑規(guī)劃：采用T型速度規(guī)劃，包括勻加速、勻速、勻減速； 52、 均值濾波：一個(gè)采樣周期內(nèi)輸入的采樣數(shù)據(jù)位4個(gè)，因此采用算木平均值濾波，公 式如下：
53、M法測速：速度環(huán)的采樣周期為lms，単位時(shí)間內(nèi)編碼器的脈沖增量，采用M法測速， 公式如下：
其中，n為電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，單位為r/min;Z為電動(dòng)機(jī)姆轉(zhuǎn)ー圈產(chǎn)生的脈沖個(gè)數(shù)，是已知 值；T。為采樣周期為0. 001s，M1采樣周期內(nèi)德脈沖増量； 54、 位置值計(jì)算：位置值的增量為：
55、PI控制算法：每個(gè)環(huán)都采用增量式PI調(diào)節(jié)，其算法為： Au(k) =Kp[e(k)-e(k_l) ] +K# (k)。
【專利摘要】本發(fā)明公開一種骨科機(jī)械手的整體控制系統(tǒng)，DSP核心控制板為核心控制部分，接收所述觸摸屏信號；DSP核心控制板控制牽引機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模塊、牽引機(jī)構(gòu)直線運(yùn)動(dòng)模塊的轉(zhuǎn)動(dòng)；DSP核心控制板控制力控制模塊，用于實(shí)現(xiàn)牽引和拉拽。本發(fā)明運(yùn)用電機(jī)三環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)了牽引機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)部分電機(jī)和牽引機(jī)構(gòu)直線運(yùn)動(dòng)部分電機(jī)；運(yùn)用一個(gè)微型氣泵和氣缸提供動(dòng)力源，通過電壓控制氣閥的開度，實(shí)現(xiàn)了力的控制。實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)骨科矯正過程中，對患者手臂的牽引和拉拽，可以省去傳統(tǒng)骨科手術(shù)過程中的一名專門負(fù)責(zé)牽引和拉拽的醫(yī)生。利用先進(jìn)的控制技術(shù)使該機(jī)械手遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于人手的控制精度。能夠替代正骨治療中負(fù)責(zé)拉伸的醫(yī)生完成所有的工作，并且可以穩(wěn)定、可靠的運(yùn)行。
【IPC分類】A61B19-00, B25J13-00, B25J13-08
【公開號】CN104626163
【申請?zhí)枴緾N201310576626
【發(fā)明人】曲道奎, 徐方, 閆林林, 董狀, 劉曉帆, 宋吉來
【申請人】沈陽新松機(jī)器人自動(dòng)化股份有限公司
【公開日】2015年5月20日
【申請日】2013年11月14日