基于液压控制方式的闭环力控制系统及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及医疗机器人技术领域的装置，尤其涉及一种基于液压控制方式的闭环 力控制系统及方法。
【背景技术】
[0002] 在目前的小臂骨折矫正手术中，需要两名医生，其中一名医生进行正骨、接骨、打 石膏等操作，而另外一名医生主要是对患者手臂进行牵引、拉拽。对于后一名医生主要做的 是"力气活"，技术含量低，在几十分钟的手术过程中大量消耗了体力和精力，容易造成失误 而影响手术效果，再加上医生的经验和能力存在差异性，使得手术效果难于把握，不利于手 术流程规范化和标准化。
[0003] 随着现代医疗器械技术的快速发展，医疗设备越来越智能化，多功能化，越来越多 的手术通过甚至是必须依靠先进的医疗设备来完成。但是，在小臂骨折手术中任然采用人 工牵引和拉拽的传统方法，这种落后的方式不但安全性差，还浪费了宝贵的医疗资源。
【发明内容】
[0004] 针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种安全可靠的基于液压控制方式的闭环 力控制系统。
[0005] -种基于液压控制方式的闭环力控制系统，包括：
[0006] 语音模块、控制器模块、液压控制元件、液压执行元件、手腕夹持器、反馈测量元 件；
[0007] 所述语音模块，信号连接于所述控制器模块，用于识别外界语音输入并将外界语 音转化为语音信号；所述按键信号连接于所述控制器模块，用于提供控制信号；
[0008] 所述控制器模块通过所述语音模块获取力闭环控制参数及执行所述语音信号，并 根据所述控制参数设定所述液压执行元件输出步进量及判断是否进行输出力控制；所述液 压控制元件根据所述输出力控制流入液压缸的油液的方向和压力，所述液压执行元件根据 油缸两腔内液压油存在压力差而推动活塞运动产生拉拽力，所述手腕夹持器在所述拉拽力 的作用下对其夹持伤员手臂施加拉拽力，所述反馈测量元件检测所述拉拽力的大小，并将 所述拉拽力的大小信号处理后反馈至所述控制器模块，所述控制器模块采样所述拉拽力， 并将所述拉拽力的大小作为力闭环控制算法的力反馈值；
[0009] 所述控制器模块根据所述语音模块获取力闭环控制参数及所述力反馈值进行增 量PI计算，并将增量PI计算后的输入值转换为模拟量再经功率放大后作为液压控制元件 的输入值，所述液压控制元件根据所述输出力控制流入液压缸的油液的方向和压力，所述 液压执行元件根据油缸两腔内液压油存在压力差而推动活塞运动产生拉拽力，所述手腕夹 持器在所述拉拽力的作用下对其夹持伤员手臂施加拉拽力。
[0010] 优选地，所述控制器模块包括DSP模块，所述DSP模块包括SCI、SPI、AD、I/O接 口，用于通过所述语音模块获取力闭环控制参数及执行所述语音信号和所述控制信号，并 根据所述控制参数设定液压执行元件输出步进量及判断是否进行输出力控制及采样所述 反馈测量元件检测所述拉拽力的大小，并将所述拉拽力的大小作为力闭环控制算法的力反 馈值，同时对所述力反馈值进行增量PI计算，并将计算后的输入值转换为模拟量再经功率 放大后作为液压控制元件的输入值。
[0011] 优选地，所述控制器模块还包括RS232接口电路，所述RS232接口电路的两端分别 信号连接于所述SCI及所述语音模块。
[0012] 优选地，所述控制器模块还包括电源模块，所述电源模块电性连接于所述DSP模 块，用于为所述DSP模块及其它模块提供正常工作所必须的电源。
[0013] 优选地，所述控制器模块还包括数模转换电路及功率放大器，所述数模转换电路 用于接收所述DSP模块给定的数字量转换为对应的模拟量输出，数模转换电路与所述SPI 接口信号连接，所述功率放大器与所述模数转换单元电气连接，所述功率放大器将所述模 拟量经放大转换后通过屏蔽电缆输入液压控制元件。
[0014] 优选地，所述控制器模块还包括IO隔离模块，所述按键通过所述IO隔离模块与 DSP模块信号连接。
[0015] 优选地，所述液压控制元件为控制液压油压力和方向的比例阀，所述比例阀可根 据给定的输入信号连续的或按比例的控制液流的压力、流量和方向。
[0016] 优选地，所述液压执行元件接收比例阀调压后的液压油运动而输出拉拽力。
[0017] 优选地，所述手腕夹持器机械连接于所述液压执行元件，用于夹持伤员手臂手腕。
[0018] 优选地，所述反馈测量元件与所述DSP模块的AD接口连接，用于检测所述拉拽力 的大小，所述DSP模块对所述拉拽力的大小经多通道采样取平均值和数字滤波。
[0019] 另外，本发明还提供了 一种基于液压控制方式的闭环力控制方法，包括下述步 骤：
[0020] 所述控制器模块通过所述语音模块获取力闭环控制参数及执行所述语音信号；
[0021] 所述控制器模块根据所述控制参数设定液压缸输出步进量；
[0022] 所述控制器模块判断是否进行输出力控制；
[0023] 若是，所述控制器模块采样所述反馈测量元件检测的拉拽力，并将所述拉拽力的 大小作为力闭环控制算法的力反馈值；若否，返回第一步；
[0024] 所述控制器模块根据所述语音模块获取力闭环控制参数及所述力反馈值进行增 量PI计算；
[0025] 所述控制器模块将增量PI计算后的输入值转换为模拟量再经功率放大后作为所 述液压控制元件的输入值，通过控制流入液压缸的油液的方向和压力，实现对液压缸输出 力和速度的控制。
[0026] 优选地，每环都采用增量PI调节，所述增量PI计算为：Λ u (k) =? [e (k) -e (k-1) ] +Kie (k)， 其中，所述Au (k)为增量PI，&为所述增量PI计算时的比例系数，所述Ki为所述增量PI计算 时的积分系数，所述e为输入值和反馈值之间的差值，所述k为（1，2, 3……）。
[0027] 上述基于液压控制方式的闭环力控制系统及控制方法，根据所述控制器模块获取 力闭环控制参数及执行所述语音信号，并对根据所述控制参数设定液压缸输出步进量及判 断是否进行输出力控制，若是，所述DSP模块采样所述反馈测量元件检测的拉拽力，并将所 述拉拽力的大小作为力闭环控制算法的力反馈值，所述DSP模块再根据所述语音模块获取 力闭环控制参数及所述力反馈值进行增量PI计算，并将计算后的值作为液压控制元件的 输入值。本发明能提供的闭环力控制系统及控制方法可以在小臂骨折手术中为患者提供安 全可靠地拉拽力，由于采用液压方式实现力控制，使得力控制系统重量轻、结构紧凑、体积 小，在力输出控制中动作平稳，定位准确。
[0028] 另外，本发明应用在小臂骨折手术中，可以代替其中一名医生，避免无谓体力劳 动，提高手术的安全性，有利于手术流程的标准化和规范化。
【附图说明】
[0029] 图1为本发明提供的基于液压控制方式的闭环力控制系统的结构示意图；
[0030] 图2为图1所示的基于液压控制方式的闭环力控制系统的DSP模块结构示意图；
[0031] 图3为图1所示的基于液压控制方式的闭环力控制算法的结构简图；
[0032] 图4为本发明提供的基于液压控制方式的闭环力控制系统的步骤流程图。
【具体实施方式】
[0033] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清晰，以下结合附图及实施例，对本发 明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用 于限定本发明。
[0034] 请参阅图1，图1为本发明提供的一种基于液压控制方式的闭环力控制系统的结 构示意图，包括：
[0035] 语音模块100、控制器模块101、按键102、液压控制元件103、反馈测量元件104、液 压执行元件105、手腕夹持器106。
[0036] 语音模块100信号连接于控制器模块101，用于识别外界语音输入并将外界语音 转化为语音信号。按键102信号连接于控制器模块101，用于提供控制信号。
[0037] 控制器模块101通过语音模块100获取力闭环控制参数及执行语音信号和控制信 号，并根据控制参数设定液压执行元件103输出步进量及判断是否进行输出力控制；液压 控制元件103根据输出力控制流入液压缸的油液的方向和压力，液压执行元件105根据油 缸两腔内液压油存在压力差而推动活塞运动，手腕夹持器106在拉拽力的作用下对其夹持 伤员手臂107施加拉拽力，反馈测量元件104检测拉拽力的大小，并将拉拽力的大小信号处 理后反馈至控制器模块101，控制器模块101采样拉拽力，并将拉拽力的大小作为力闭环控 制算法的力反馈值。
[0038] 控制器模块101根据语音模块获取力闭环控制参数及力反馈值进行增量PI计算， 并将计算后的值作为液压控制元件103的输入值，控制器模块101将增量PI计算后的输入 值转换为模拟量再经功率放大后作为液压控制元件103的输入值，液压控制元件103根据 输出力控制流入液压缸的油液的方向和压力，液压执行元件105根据油缸两腔内液压油存 在压力差而推动活塞运动，手腕夹持器106在拉拽力的作用下对其夹持伤员手臂施加拉拽 力。
[0039] 请参阅图2,为图1所示的基于液压控制方式的闭环力控制系统的DSP模块结构示 意图。
[0040] 控制器模块101包括DSP模块202, DSP模块202包括SCI、SPI、AD及I/