骨科机械手的整体控制系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及医疗设备技术领域，具体涉及一种用于骨科矫正手术中的骨科机械手 的整体控制系统。
【背景技术】
[0002] 随着自动化、电子等领域的发展，以及医疗手术对先进设备的需求，越来越多的机 械人开始应用在医疗手术系统中一医疗机器人。现有医疗机器人主要包括外科手术机器 人、医疗陪护机器人等，上述机器人得使用大大的提高了医疗手术的精度、稳定性及安全 性。
[0003] 目前，在小臂骨折矫正过程中，除一名医生进行正骨、接骨、打石膏等操作，还需要 一名医生，其主要是对患者手臂进行牵引、拉拽。其中，进行牵引、拉拽操作的医生主要依 靠其体力进行操作，技术含低，同时由于正骨、接骨、打石膏需要较长时间，至少需要几十分 钟，因此在矫正过程中，对于医生的体力也有很大的消耗。针对上述小臂骨折矫正过程中存 在的不足，非常有必要研制一种设备替代其中做拉升工作的医生。
【发明内容】
[0004] 本发明要解决的技术问题在于提供一种骨科机械手的整体控制系统，稳定、可靠 的运行。
[0005] 本发明的技术方案包括一种骨科机械手的整体控制系统，包括触摸屏、DSP核心控 制板、牵引机构旋转运动模块、牵引机构直线运动模块、力控制模块；所述DSP核心控制板 分别与所述触摸屏、牵引机构旋转运动模块、牵引机构直线运动模块、力控制模块连接；所 述DSP核心控制板为核心控制部分，接收所述触摸屏信号；所述DSP核心控制板控制牵引机 构旋转运动模块、牵引机构直线运动模块的转动；所述DSP核心控制板控制力控制模块，用 于实现牵引和拉拽。
[0006] 优选地，所述DSP核心控制板包括SCI通信电路、AD转换电路、DA转换电路、直流 电机驱动电路、QEP采集电路、GPIO驱动；所述SCI通信电路，用于和触摸屏的通信；所述AD 转换电路，用于电机三环控制中电流的采样、气阀控制中压力的采样、气阀控制中DA输出 的回路采样；所述DA转换电路，用于控制气动电磁的开度；所述QEP采集电路，用于采集电 机运动过程中的码盘值；所述直流电机驱动电路，用于控制牵引机构旋转运动电机和牵引 机构直线运动电机的转动；所述GPIO驱动包括气动电磁阀的开关控制、机械限位传感器的 信号反馈及系统的急停。
[0007] 优选地，所述气阀的开度根据DA转换电路输出电压的大小变化而变化。
[0008] 优选地，所述力控制模块包括用于提供动力源的微型气泵和气缸、气动电磁，所述 气动阀通过电压控制开度。
[0009] 优选地，所述牵引机构旋转运动模块包括牵引机构旋转运动电机和用于牵引机构 旋转运动电机的控制单元，所述牵引机构直线运动模块包括牵引机构旋转运动电机和用于 牵引机构旋转运动电机的控制单元。
[0010] 优选地，所述牵引机构旋转运动电机、牵引机构直线运动电机的控制单元采用三 环控制，包括电流环、速度环和位置环定位控制。
[0011] 优选地，所述三环控制包括：
[0012] S1、路径规划：采用T型速度规划，包括匀加速、匀速、匀减速；
[0013] S2、均值滤波：一个采样周期内输入的采样数据位4个，因此采用算术平均值滤 波，公式如下：
【主权项】
1. 一种骨科机械手的整体控制系统，其特征在于，包括触摸屏、DSP核心控制板、牵引 机构旋转运动模块、牵引机构直线运动模块、カ控制模块；所述DSP核心控制板分别与所述 触摸屏、牵引机构旋转运动模块、牵引机构直线运动模块、カ控制模块连接； 所述DSP核心控制板为核心控制部分，接收所述触摸屏信号； 所述DSP核心控制板控制牵引机构旋转运动模块、牵引机构直线运动模块的转动； 所述DSP核心控制板控制カ控制模块，用于实现牵引和拉拽。
2. 根据权利要求1所述的整体控制系统，其特征在于，所述DSP核心控制板包括SCI通 信电路、AD转换电路、DA转换电路、直流电机驱动电路、QEP采集电路、GPIO驱动； 所述SCI通信电路，用于和触摸屏的通信； 所述AD转换电路，用于电机三环控制中电流的采样、气阀控制中压カ的采样、气阀控 制中DA输出的回路采样； 所述DA转换电路，用于控制气动电磁的开度； 所述QEP采集电路，用于采集电机运动过程中的码盘值； 所述直流电机驱动电路，用于控制牵引机构旋转运动电机和牵引机构直线运动电机的 转动； 所述GPIO驱动包括气动电磁阀的开关控制、机械限位传感器的信号反馈及系统的急 停。
3. 根据权利要求2所述的整体控制系统，其特征在于，所述气阀的开度根据DA转换电 路输出电压的大小变化而变化。
4. 根据权利要求1所述的整体控制系统，其特征在于，所述カ控制模块包括用于提供 动カ源的微型气泵和气缸、气动电磁，所述气动阀通过电压控制开度。
5. 根据权利要求1所述的整体控制系统，其特征在于，所述牵引机构旋转运动模块包 括牵引机构旋转运动电机和用于牵引机构旋转运动电机的控制单元，所述牵引机构直线运 动模块包括牵引机构旋转运动电机和用于牵引机构旋转运动电机的控制单元。
6. 根据权利要求5所述的整体控制系统，其特征在于，所述牵引机构旋转运动电机、牵 引机构直线运动电机的控制单元采用三环控制，包括电流环、速度环和位置环定位控制。
7. 根据权利要求6所述的整体控制系统，其特征在于，所述三环控制包括： 51、 路径规划：采用T型速度规划，包括匀加速、匀速、匀减速； 52、 均值滤波：一个采样周期内输入的采样数据位4个，因此采用算木平均值滤波，公 式如下：
53、M法测速：速度环的采样周期为lms，単位时间内编码器的脉冲增量，采用M法测速， 公式如下：
其中，n为电动机的转速，单位为r/min;Z为电动机姆转ー圈产生的脉冲个数，是已知 值；T。为采样周期为0. 001s，M1采样周期内德脉冲増量； 54、 位置值计算：位置值的增量为：
55、PI控制算法：每个环都采用增量式PI调节，其算法为： Au(k) =Kp[e(k)-e(k_l) ] +K# (k)。
【专利摘要】本发明公开一种骨科机械手的整体控制系统，DSP核心控制板为核心控制部分，接收所述触摸屏信号；DSP核心控制板控制牵引机构旋转运动模块、牵引机构直线运动模块的转动；DSP核心控制板控制力控制模块，用于实现牵引和拉拽。本发明运用电机三环控制，实现了牵引机构旋转运动部分电机和牵引机构直线运动部分电机；运用一个微型气泵和气缸提供动力源，通过电压控制气阀的开度，实现了力的控制。实现了传统骨科矫正过程中，对患者手臂的牵引和拉拽，可以省去传统骨科手术过程中的一名专门负责牵引和拉拽的医生。利用先进的控制技术使该机械手远远大于人手的控制精度。能够替代正骨治疗中负责拉伸的医生完成所有的工作，并且可以稳定、可靠的运行。
【IPC分类】A61B19-00, B25J13-00, B25J13-08
【公开号】CN104626163
【申请号】CN201310576626
【发明人】曲道奎, 徐方, 闫林林, 董状, 刘晓帆, 宋吉来
【申请人】沈阳新松机器人自动化股份有限公司
【公开日】2015年5月20日
【申请日】2013年11月14日