[發明專利]基于磁粉離合器控制方式的閉環力控制裝置

有效

• 申請號: 201310567363.9
• 申請日: 2013-11-14
• 公開（公告）號: CN104622571B
• 公開（公告）日: 2017-02-22
• 發明（設計）人: 徐方;鄭立元;宋吉來;褚明杰;鄒風山;楊奇峰
• 申請（專利權）人: 沈陽新松機器人自動化股份有限公司
• 主分類號: A61B90/14
• 分類號: A61B90/14;G05B19/042
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司21002
• 代理人: 許宗富

技術領域

本發明涉及醫療器械技術領域，具體涉及一種應用于骨科機械手基于磁粉離合器控制方式的閉環力控制裝置。

背景技術

在現有小臂骨折手術中，需要兩名醫生，其中一名醫生進行正骨、接骨、打石膏等操作，另外一名醫生對病人手臂進行牽引和拉拽操作。

其中進行牽引、拉拽操作的醫生主要做的是力氣活，毫無技術含量；同時整個手術耗時較長，對后一名醫生的體力消耗很大。由于能力和經驗的差異性很難保證良好的手術效果，不利于手術流程的標準化。

加之手術過程需要兩名醫生，使得本來就很匱乏的醫療資源變得更加緊張。因此開發一種先進的醫療設備代替負責牽引操作的醫生亟待解決。

發明內容

本發明要解決的技術問題在于一種基于磁分離合器控制方式的閉環力控制裝置，在小臂骨折正骨手術中為病人提供安全、穩定、可靠的拉拽力。

本發明的技術方案包括一種基于磁粉離合器控制的閉環力控制裝置，包括：控制器、直流電機模塊、磁粉離合器、傳動機構、手腕夾持器、末端力傳感器；所述控制器，為核心控制單元，用于系統信號采集、控制運算處理；所述直流電機模塊，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模塊和所述傳動機構相連；所述傳動機構，與所述磁粉離合器相連；所述手腕夾持器，與傳動機構相連，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。

優選地，所述控制器包括DSP模塊、電源模塊、AD模塊、SPI模塊、QEP模塊、IO模塊、PWM模塊、驅動放大電路、電流傳感器、恒流源、穩壓源；

其中，所述DSP模塊為邏輯主控制單元；所述IO模塊，用于控制信息輸入；所述QEP模塊，用于速度環控制的反饋輸入量；所述PWM模塊，用于接收電流環的輸出，產生占空比可調的PWM信號；所述SPI模塊，用于DSP模塊與外部數模轉換芯片通信；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換為數字量；所述電源模塊，用于提供+3.3V、+5V和+1.9V電源；所述驅動放大電路，用于接收PWM信號，輸出驅動電機的電流信號，與直流電機模塊相連；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；所述穩壓源，與所述恒流源電連接，為電流源生成電路提供電壓。

優選地，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轉換，進行力閉環控制；讀取電機碼盤值和采樣電流傳感器的輸出，分別作為速度環和電流環的輸入，進行速度環和電流環的閉環控制。

優選地，所述磁粉離合器的主動轉子與直流電機軸相連，所述磁粉離合器的從動軸與傳動機構相連，且由所述恒流源輸出電流控制，實現力控制。

優選地，所述傳動機構為滑動絲杠，用于隨所述磁粉離合器從動軸轉動帶動所述手腕夾持器的軸向運動。

所述手腕夾持器，用于夾持病人手腕，與傳動機構相連，直流電機的旋轉扭矩轉換成軸向拉力，對手臂實施拉拽力。

優選地，所述末端力傳感器，經與所述DSP模塊的電相連，用于對輸出力采樣，采樣值作為力閉環控制的反饋量。

優選地，所述DSP模塊采用TMS320F2812。

本發明的有益效果，通過對電機兩環控制使電機按給定的速度運轉，增加末端力傳感器實現力閉環處理，對磁粉離合器的勵磁電流實施控制，即可輸出要求的轉矩，最終實現力控制；在小臂骨折正骨手術中為病人提供安全、穩定、可靠的拉拽力。

附圖說明

圖1為本發明勵磁電流和傳遞轉矩基本成線性關系器特性圖

圖2為本發明勵磁電流和傳遞轉矩基本成線性關系器特性圖。

圖3為本發明一實施方式中系統物理結構圖。

圖4為本發明一實施方式中力閉環和電機速度控制圖。

圖5為本發明一實施方式中軟件線程規劃圖。

圖6為本發明一實施方式中基于電機驅動控制方式實現閉環力控制的流程圖。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例對本發明作進一步詳細說明。

本發明提供一種基于磁粉離合器控制的閉環力控制裝置，包括：控制器、直流電機模塊、磁粉離合器、傳動機構、手腕夾持器、末端力傳感器；控制器，為核心控制單元，用于系統信號采集、控制運算處理；直流電機模塊，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，分別與直流電機模塊和傳動機構相連；傳動機構，與磁粉離合器相連；手腕夾持器，與傳動機構相連，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。