一種基于力的氣動方式控制的骨科機械手系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及運動模擬醫(yī)療設(shè)備，具體涉及在骨科手術(shù)中基于力的氣動方式控制的 骨科機械手系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著自動化、電子等領(lǐng)域的發(fā)展，以及醫(yī)療手術(shù)對先進設(shè)備的需求，越來越多的機 械人開始應(yīng)用在醫(yī)療手術(shù)系統(tǒng)中一醫(yī)療機器人。現(xiàn)有醫(yī)療機器人主要包括外科手術(shù)機器 人、醫(yī)療陪護機器人等，上述機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行牽引、拉拽。其中，進行牽引、拉拽操作的醫(yī)生主要依 靠其體力進行操作，技術(shù)含低，同時由于正骨、接骨、打石膏需要較長時間，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)問題在于提供一種基于力的氣動方式控制的骨科機械手系 統(tǒng)，具有高穩(wěn)定性、可靠性、安全性。
[0005] 本發(fā)明的技術(shù)方案包括一種基于力的氣動方式控制的骨科機械手系統(tǒng)，包括DSP 核心模塊、觸摸屏、電源模塊、IO模塊、AD模塊、電-氣比例壓力閥控制模塊；所述DSP核心 模塊，為核心控制單元，用于處理與所述觸摸屏的人機交互；所述DSP核心模塊處理所述IO 模塊的按鍵和腳踏的輸入信息，并發(fā)送相應(yīng)的輸出信息到所述IO模塊；所述DSP核心模塊 采集經(jīng)所述AD模塊末端力傳感器的輸出值，并通過DA芯片相應(yīng)的輸出值控制所述電-氣 比例壓力閥的開度，用以控制輸出力的大??；所述電源模塊為系統(tǒng)供電。
[0006] 優(yōu)選地，所述觸摸屏通過RS232串口與所述DSP核心模塊通信；所述觸摸屏為系統(tǒng) 上位機，所述DSP核心模塊為系統(tǒng)下位機，實時顯示控制中的設(shè)定和采集數(shù)據(jù)。
[0007] 優(yōu)選地，所述電源模塊，包括1.9V、3. 3V、5V、24V的直流電源；其中，所述1.9V用于 DSP核心模塊內(nèi)核的供電，所述3. 3V用于所述DSP核心模塊、隔離的光耦供電，所述5V用于 所述DA芯片供電。
[0008] 優(yōu)選地，所述IO模塊，用于采集按鍵和腳踏信息，所述按鍵和腳踏信息經(jīng)所述IO 模塊的光耦隔離，輸入到所述DSP核心模塊。
[0009] 優(yōu)選地，所述AD模塊由放大電路和濾波電容組成；所述AD模塊包括第一 AD單元 和第二AD單元，所述第一 AD單元用于采集DA芯片輸出端電流信號作為內(nèi)環(huán)閉環(huán)控制的反 饋量；所述第二AD單元采集力傳感器的信號作為外環(huán)閉環(huán)控制的反饋量。
[0010] 優(yōu)選地，所述AD模塊對信號多次采樣，去除采樣信號的最大值和最小值，之后求 取采樣信號的平均值，得到誤差較小的信號值，作為力的氣動控制的內(nèi)環(huán)和外環(huán)的閉環(huán)控 制的反饋量。
[0011] 優(yōu)選地，所述氣動比例閥控制模塊包括DA模塊和電-氣比例壓力閥。
[0012] 優(yōu)選地，所述DA模塊采用基于SPI通信的DA芯片，經(jīng)所述放大電路進行信號放大 后，輸出到所述電-氣比例壓力閥的控制信號輸入端；所述電-氣比例閥由一比例電磁鐵直 接驅(qū)動主閥芯，使主閥芯的位移和輸入電流成線性關(guān)系，實現(xiàn)閥出口流量或壓力的連續(xù)控 制。
[0013] 優(yōu)選地，所述放大電路由四個LM2904D組成。
[0014] 本發(fā)明的有益效果，通過對電-氣比例壓力閥的雙閉環(huán)控制，即電-氣比例壓力閥 控制信號輸入端的電流信號作為反饋量的內(nèi)環(huán)控制，和由采集到的壓力傳感器信號作為反 饋量的外環(huán)控制。通過雙閉環(huán)控制，可以對拉拽力和牽引力進行精確的控制，通過觸摸屏或 者按鍵對力進行步進式操作。在對患者手臂的牽引力和拉拽力提供了更穩(wěn)定、可靠、安全的 控制。
【附圖說明】
[0015] 圖1為本發(fā)明的骨科機械手系統(tǒng)的控制系統(tǒng)物理結(jié)構(gòu)圖。
[0016] 圖2為本發(fā)明的骨科機械手系統(tǒng)的氣動控制閉環(huán)算法圖。
[0017] 圖3為本發(fā)明的骨科機械手系統(tǒng)的AD采樣處理圖。
[0018] 圖4為本發(fā)明的骨科機械手系統(tǒng)的主程序流程圖。
【具體實施方式】
[0019] 下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步詳細說明。
[0020] 本發(fā)明提供一種基于力的氣動方式控制的骨科機械手系統(tǒng)，包括DSP核心模塊、 觸摸屏、電源模塊、IO模塊、AD模塊、電-氣比例壓力閥控制模塊；所述DSP核心模塊，為核 心控制單元，用于處理與所述觸摸屏的人機交互；所述DSP核心模塊處理所述IO模塊的按 鍵和腳踏的輸入信息，并發(fā)送相應(yīng)的輸出信息到所述IO模塊；所述DSP核心模塊采集經(jīng)所 述AD模塊末端力傳感器的輸出值，并通過DA芯片相應(yīng)的輸出值控制所述電-氣比例壓力 閥的開度，用以控制輸出力的大?。凰鲭娫茨K為系統(tǒng)供電。
[0021] 本發(fā)明通過對電-氣比例壓力閥的雙閉環(huán)控制，即電-氣比例壓力閥控制信號輸 入端的電流信號作為反饋量的內(nèi)環(huán)控制，和由采集到的壓力傳感器信號作為反饋量的外環(huán) 控制。通過雙閉環(huán)控制，可以對拉拽力和牽引力進行精確的控制，通過觸摸屏或者按鍵對力 進行步進式操作。在對患者手臂的牽引力和拉拽力提供了更穩(wěn)定、可靠、安全的控制。
[0022] 所述DSP核心模塊采用TI公司的TMS320F2812芯片，DSP核心模塊集成力的氣動 控制的算法，采用雙閉環(huán)控制，通過AD模塊采集DA芯片輸出端的電流值進行了內(nèi)環(huán)的閉環(huán) 控制；通過AD模塊采集的力傳感器輸出端的電流值進行外環(huán)的閉環(huán)控制。
[0023] 所述觸摸屏采用昆侖通態(tài)公司的觸摸屏，通過RS232串口與所述DSP核心模塊通 信；采用Modbus通信協(xié)議。
[0024] 所述觸摸屏為系統(tǒng)上位機，所述DSP核心模塊為系統(tǒng)下位機，實時顯示控制中的 設(shè)定和采集數(shù)據(jù)。
[0025] 所述電源模塊，包括I. 9V、3. 3V、5V、24V的直流電源；其中，所述I. 9V用于DSP核 心模塊內(nèi)核的供電，所述3. 3V用于所述DSP核心模塊、隔離的光耦供電，所述5V用于所述 DA芯片供電。
[0026] 所述IO模塊，用于采集外部除觸摸屏之外的按鍵和腳踏信息，完善人機交互功 能；所述按鍵和腳踏信息經(jīng)所述IO模塊的光耦隔離，輸入到所述DSP核心模塊。
[0027] 所述AD模塊由放大電路和濾波電容組成；所述AD模塊包括第一 AD單元和第二AD 單元，所述第一 AD單元用于采集DA芯片輸出端電流信號作為內(nèi)環(huán)閉環(huán)控制的反饋量，即直 接從DA芯片的輸出端采樣，經(jīng)過放大電路對信號進行放大，同時經(jīng)過濾波電容進行硬件濾 波，直接輸入到DSP核心模塊的AD端口；所述第二AD單元采集力傳感器的信號作為外環(huán)閉 環(huán)控制的反饋量，即由力傳感器采集到的信號經(jīng)過放大電路對信號進行放大，同時經(jīng)過濾 波電容進行硬件濾波，直接輸入到DSP核心模塊的AD端口。
[0028] 所述AD模塊對信號多次采樣，去除采樣信號的最大值和最小值，之后求取采樣信 號的平均值，得到誤差較小的信號值，作為力的氣動控制的內(nèi)環(huán)和外環(huán)的閉環(huán)控制的反饋 量。
[0029] 所述氣動比例閥控制模塊包括DA模塊和電-氣比例壓力閥。
[0030] 所述DA模塊采用基于SPI通信的DA芯片MAX539,經(jīng)所述放大電路進行信號放大 后，輸出到所述電-氣比例壓力閥的控制信號輸入端；所述電-氣比例閥由一比例電磁鐵直 接驅(qū)動主閥芯，利用彈簧力和位移的關(guān)系，使主閥芯的位移和輸入電流成線性關(guān)系，實現(xiàn)閥 出口流量或壓力的連續(xù)控制，籍此可以實現(xiàn)氣動執(zhí)行機構(gòu)的位置、速度和力的控制。
[0031] 所述放大電路由四個LM2904D組成。
[0032] 本發(fā)明實施例的系統(tǒng)流程如下：
[0033] 1、通過觸摸屏或者按鍵對本骨科機械手控制系統(tǒng)進行命令輸入，同時觀測由控制 系統(tǒng)反饋至觸摸屏的相關(guān)系統(tǒng)數(shù)據(jù)。
[0034] 2、觸摸屏和DSP之間采用Modbus通信協(xié)議，觸摸屏作為系統(tǒng)的上位機，DSP作為 系統(tǒng)下位機，兩者通過SCI串口進行實時通信。
[0035] 3、由觸摸屏設(shè)定的控制參數(shù)，進行系統(tǒng)初始化，為系統(tǒng)進行力控制做準(zhǔn)備。
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