CN101541270B - 牵引装置及牵引装置的牵引力控制方法 - Google Patents

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Abstract

通过牵引机构对被牵引体施加期望的牵引力的本发明的牵引装置的牵引力控制方法具有：通过牵引力传感器测量被牵引体上所施加的施加牵引力为零的零牵引状态时的施加牵引力，并输出零牵引值的步骤；生成将零牵引值与来自控制电路的调整输出相加的加法值的步骤；将加法值提供给驱动牵引机构的驱动机构的驱动电路，输出与加法值对应的驱动信号的步骤；通过增减调整输出进行调整，以使驱动信号成为使被牵引体为零牵引状态的基准值的步骤；以及将零牵引值和通过调整步骤获得的调整输出作为各个零牵引力传感器的零点和控制电路的控制输出的零点的步骤。

Description

牵引装置及牵引装置的牵引力控制方法
技术领域
本发明涉及在整体、整形外科等中实行的牵引上使用的牵引装置及牵引装置的牵引力控制方法。 
背景技术
作为以往的这种牵引装置，提出了包括将患者的腋下吊起来的提升装置和具有将腿部固定的固定器具的坐垫部，通过将坐垫部(患者的上半身)上下地牵引，治疗腰椎等的座位牵引装置(例如，参照专利文献1)。 
此外，作为以往的牵引装置，提出了具有检测牵引力的测力传感器(loadcell)，检测牵引力，并且构成为将该检测信号用于牵引力的驱动源即电机的驱动控制的牵引装置(例如，参照专利文献2)。 
专利文献1：特开2003-88540号公报 
专利文献2：特开昭59-118156号公报 
发明内容
发明要解决的课题 
以往的牵引装置基于牵引力控制时作为牵引力传感器的测力传感器的检测输出而将牵引力显示在显示单元上。在该显示中，使用测力传感器输出的模拟/数字变换值(A/D值)、与设定的牵引力对应的控制信号即数字/模拟变换值(D/A值)。这些A/D值及D/A值使用被校正后的值。 
但是，有牵引力传感器即测力传感器输出的零点，因电源接通后紧随的过渡状态、环境变化、老化而产生变动的情况。若牵引力传感器的零点产生变动，则直接对牵引力的检测值产生影响。因这种影响，因而有不能高精度地进行牵引力控制的问题。 
本发明鉴于这样的情况而完成，目的在于提供能够高精度地进行牵引力控制的牵引装置及牵引装置的牵引力控制方法。 
用于解决课题的方案 
为了实现上述目的，通过牵引机构对被牵引体施加期望的牵引力的本发明的牵引装置的牵引力控制方法包括：通过牵引力传感器测量所述被牵引体上所施加的施加牵引力为零的零牵引状态时的输出值，并作为零牵引力值而输出的步骤；生成将所述零牵引力值与来自控制电路的调整输出相加的加法值的步骤；将所述加法值提供给驱动所述牵引机构的驱动机构的驱动电路，输出与所述加法值对应的驱动信号的步骤；通过增减所述调整输出进行调整，以使所述驱动信号成为使所述被牵引体为所述零牵引状态的基准值的步骤；以及将所述零牵引力值和通过所述调整步骤获得的所述调整输出分别作为所述零牵引力传感器的零点和所述控制电路的控制输出的零点的步骤。 
所述驱动信号是脉宽调制信号，在所述调整步骤中，调整所述脉宽调制信号，以使其成为由所述脉宽调制信号的占空比规定的所述基准值。 
也可以在对所述被牵引体施加所述期望的牵引力前实行所述牵引力控制方法。 
也可以在对所述被牵引体停止施加所述期望的牵引力时实行所述牵引力控制方法。 
在上述结构的本发明的牵引装置的牵引力控制方法中，检测对被牵引体所施加的牵引力的牵引力传感器的输出，在对所述被牵引体所施加的牵引力为零时进行牵引力传感器的输出和控制电路的控制输出的零点调整。 
此外，对被牵引体施加期望的牵引力的本发明的牵引装置包括：操作单元，设定对所述被牵引体施加的牵引力；牵引机构，包括所述被牵引体上所安装的固定器具和所述固定器具上所连接的钢丝，对所述被牵引体施加牵引力；驱动结构，卷扬所述钢丝；驱动电路，对所述驱动机构供给驱动信号；牵引力传感器，检测所述钢丝上所施加的牵引力；以及控制电路，基于所述操作单元所设定的设定牵引力的设定输出及所述牵引力传感器的检测输出，对所述驱动电路供给用于驱动控制所述驱动机构的控制信号，所述控制电路在所述被牵引体上所施加的牵引力为零的零牵引力，并且没有通过所述操作单元设定所述设定牵引力时，输出用于校正所述牵引力传感器的输出的信号，并调整所述驱动信号，以使所述驱动信号成为不使所述驱动机构产生驱动力的基准值。 
也可以在对所述驱动信号的所述被牵引体施加所述期望的牵引力前，所述控制电路调整所述驱动信号，以使其成为所述基准值。 
也可以在对所述被牵引体停止施加所述期望的牵引力时，所述控制电路调整所述驱动信号，以使其成为所述基准值。 
在上述结构的本发明的牵引装置中，控制电路停止对驱动电路输出向作为驱动机构的电机的驱动信号。在停止了这种电机的驱动的状态下，以控制电路的控制输出来校正对被牵引体所施加的牵引力为零时的牵引力传感器的输出，从而将驱动电路的驱动信号调整为原来的牵引力为零时的值。 
因此，根据本发明的牵引力控制方法和牵引装置，由于进行牵引力传感器的零点调整，所以即使牵引力传感器的零点因电源接通后紧随的过渡状态、环境变化、老化而变动，也可以按照设定值正确地控制对被牵引体所施加的牵引力，提高牵引力控制的精度。 
发明效果 
如以上说明，根据本发明，由于进行牵引力传感器和控制电路的控制输出的零点调整，所以即使牵引力传感器的零点因电源接通后紧随的过渡状态、环境变化、老化而变动，也可以按照设定值正确地控制对被牵引体所施加的牵引力，提高牵引力控制的精度。 
附图说明
图1是表示本发明的实施方式的牵引装置整体的概略结构的图。 
图2是表示图1所示的本发明的实施方式的牵引装置的主要部分的具体结构的电路图。 
图3是表示图1所示的本发明的实施方式的牵引装置的动作的流程图。 
图4是表示图1所示的本发明的实施方式的牵引装置的动作的流程图。 
图5是表示图1所示的本发明的实施方式的测力传感器的零点调整时的处理内容的流程图。 
图6是表示图1所示的本发明的实施方式的测力传感器的零点调整时的状态的说明图。 
图7是表示本发明的其他实施方式的牵引装置的初始牵引时的一例控制特性的图。 
图8是表示图1所示的本发明的实施方式的牵引装置的一例牵引力控制特性的图。 
标号说明 
1牵引装置 
2被牵引体 
3、5固定器具 
4固定部分 
6牵引机构 
10钢丝 
11、12滑轮(pulley) 
13卷绕辊 
14减速机构 
15电机 
16转速检测器 
17测力传感器 
20直流放大器 
21加法器 
22PWM变换器 
23电机驱动电路 
24操作单元 
25控制电路 
26显示驱动电路 
27显示单元 
220比较器 
221三角波发生装置 
230电机驱动器 
231、232、233、234开关元件 
具体实施方式
以下，参照附图详细地说明本发明的实施方式。图1表示本发明的实施方式的牵引装置的概略结构。在图1中，本实施方式的牵引装置1经由固定器具3和被牵引体2而通过钢丝10与固定部分4连接。被牵引体2为弹性体，在图1中，示意地图示，例如为人体。 
牵引装置1具有：操作单元24；牵引机构6；电机(驱动机构)15；测 力传感器(牵引力传感器)17；以及控制电路25。操作单元24设定对被牵引体2施加的牵引力。牵引机构6包括被安装在被牵引体2上的固定器具5、以及固定器具5上所连接的钢丝10。牵引机构6对被牵引体2施加牵引力。电机15卷扬钢丝10。测力传感器17检测钢丝10上作用的牵引力。控制电路25取入由操作单元24设定的牵引力的设定输出及测力传感器17的检测输出，对电机(驱动机构)15进行驱动控制。 
钢丝10经由滑轮11、12而由卷绕辊13卷绕，其驱动力是电机15的旋转力，通过减速机构14传递到卷绕辊13的旋转轴。 
转速检测器16是检测电机的旋转的转速的检测器。转速检测器16的检测输出被输入到控制电路25。 
此外，牵引装置1具有：直流放大器20；加法器21；脉宽调制(PWM)变换器22；电机驱动电路23；显示单元27；以及显示驱动电路26。直流放大器20将测力传感器17的检测输出放大。加法器21将直流放大器20的输出信号和从控制电路25输出的控制信号相加。PWM变换器22输出与加法器21的输出电平(level)对应的占空(duty)的脉冲信号。电机驱动电路23对电机15输出驱动信号。显示驱动电路26驱动显示单元27。 
控制电路25进行以下的牵引力控制处理。首先，控制电路25通过第1牵引力控制，通过电机15卷扬钢丝10的松弛部分，从而去除被牵引体2上所连接的钢丝10的松弛。接着，控制电路25通过第2牵引力控制，将操作单元24所设定的设定牵引力换算为牵引量而算出换算值，并基于该换算值而将所设定的牵引量中的规定量作为初始目标值，通过电机15连续地卷扬钢丝10直至达到该初始目标值为止。接着，控制电路25通过第3牵引力控制，由测力传感器17检测被牵引体2上所施加的牵引力，并基于该测力传感器17的检测输出而将设定牵引力作为最终目标值来计算电机15的驱动停止时间，同时驱动所述驱动机构，并在达到了该驱动停止时间的时刻使电机15的驱动停止。 
操作单元24由多个按键(key)构成。显示单元27进行操作单元24的按键功能、治疗模式、各种参数、牵引力、错误(error)等的显示。 
下面，图2表示图1所示的牵引装置中的与牵引力控制相关的具体结构。在图2中，在与图1所示的要素相同的要素上附加相同的标号，并省略重复的说明。 
在图2中，测力传感器17具有电阻R1、R2、R3、R4组成的电桥电路(bridge circuit)、以及电阻R5、R6。电桥电路上经由电阻R5、R6而被施加电源电压。在牵引力作用于钢丝10上时，电桥电路的平衡被破坏，从而输出与牵引力的大小对应的电平的直流电压。 
直流放大器20将电桥电路的输出、即测力传感器17的检测输出放大后的信号TRC ADIN输入到控制电路25的端子251。以下，有时也将直流放大器20放大了测力传感器17的输出后的输出称为测力传感器17的输出。 
在加法器21中，来自控制电路25的端子252、与操作单元24设定的牵引力对应的控制输出TRC_CNT和信号TRC_ADIN被相加。该加法输出被输入到控制电路25的端子253，同时被输入到构成PWM变换器22的比较器220的反相输入端子。 
另一方面，在比较器220的同相输入端子上，被输入从三角波发生器221输出的三角波信号。该三角波信号和加法器21的输出被比较器220比较，从而与加法器21的输出电平对应的占空的脉冲信号被输出到电机驱动电路23。 
在电机驱动电路23中，在电机15的两端子间经由开关元件231、232，例如被施加+24V的电压。电机15的两端子经由开关元件232、234而被接地。开关元件231～234基于从控制电路25输出的控制信号而被导通、截止控制，以使电机正向或反向地旋转。即，来自控制电路25的控制信号被输入到电机驱动电路23，变换器220的输出信号被输出到开关元件231～234中特定的开关元件的栅极(gate)。 
参照图3至图5说明上述结构组成的牵引装置的动作。在这些图中，在牵引力控制开始时进行作为牵引力传感器的测力传感器17的零点调整(步骤30)。这里，参照图5来具体地说明步骤30的处理内容。在步骤30-1中，控制电路25对电机驱动电路23输出控制信号，以停止从电机驱动电路23向电机15输出驱动信号(比较器220的输出信号)。其结果，电机15的旋转驱动被停止。此时，没有施加该牵引力时的测力传感器的输出值被存储在控制电路内的存储器中。在该状态下，被牵引体2上没有被施加牵引力。因此，具有作为牵引力传感器功能的测力传感器17的此时的输出值，在老化等中，如果零点没有变动，则应该是相当于原来的零(kg)的值。如果测力传感器17的输出是相当于零的值，则在不增加来自控制电路25的端子252的调整输出的状态下，由PWM变换器22输出的PWM信号的占空为50％(基准值)。 电机15在PWM信号的占空为50％时被设定，以使其不进行驱动。此外，在该步骤30的处理中，PWM信号被输入到构成电机驱动电路23的电机驱动器230。但是，步骤30的处理中，由于从电机驱动器230对电机15的输出被截止(OFF)，所以电机15不被驱动。 
这里，图6是表示测力传感器17的输出的A/D值(TRC_ADIN)和牵引力之间的关系的牵引力数据(在出厂时已经校正的数据)。在图6的牵引力数据中，纵轴表示测力传感器17的输出的A/D值。校正该牵引力数据的测力传感器17的输出的A/D值的零点。即，将该A/D值的零点校正为上述存储器中存储的、没有施加牵引力时取得的测力传感器17的输出值。例如，没有施加牵引力时的测力传感器17的输出的A/D值设为1V。这种情况下，进行将该纵轴的牵引力为0kg时的零点设定为1V的零点校正。根据以进行了这种校正的零点作为基准的牵引力和A/D输入之间的关系，控制电路25在牵引力控制时基于测力传感器17的输出的A/D值来计算被牵引体上所负载的牵引力。 
接着，进行PWM变换器22的输出调整(步骤30-2)。即，调整PWM变换器22的输出信号即PWM信号的占空。该PWM信号的占空通过增减从控制电路25的端子252输出的控制输出TRC CNT的电平来进行。调整该控制输出TRC CNT的电平，以在PWM信号的占空低于50％时被增加，在PWM信号的占空超过50％时被减少。 
接着，增减了从PWM信号控制电路25的端子252输出的控制输出TRCCNT的电平的结果，判定PWM变换器22的输出信号即PWM信号的占空是否达到了50％(步骤30-3)。在PWM信号的占空没有达到50％时返回到步骤30-2，重复相同的处理。 
从PWM变换器22输入到电机驱动器230的PWM信号，进而从电机驱动器230被输入到控制电路25。使用被输入到该控制电路25的信号，在控制电路25中进行PWM信号的占空的判定。 
在步骤30-3中PWM信号的占空为50％时，处理转移到步骤30-4。接着，在步骤30-4中判定PWM信号的占空为50％的状态是否持续了规定时间(例如，2秒)。在该判定被否定时，处理返回到步骤30-2，重复与上述相同的处理。 
另一方面，在步骤30-4中判定为PWM信号的占空为50％的状态持续了 规定时间时，判定零点(0kg点)的调整结束。这里，图6也是表示控制输出TRC_CNT和牵引力之间的关系的牵引力数据。在图6的牵引力数据中，纵轴还表示控制输出的D/A值。在图6的牵引力数据中，校正从控制电路25输出的表示与牵引力的设定值对应的大小的控制信号即D/A值(TRC_CNT)的零点(步骤30-5)。即，将在步骤30-4中判定为PWM信号的占空为50％的状态持续了规定时间时的控制输出的D/A值作为控制输出D/A的零点的值进行校正。例如，PWM信号的占空被校正为50％时的控制输出D/A值设为pV。这种情况下，进行在该纵轴的牵引力为0kg时将控制输出D/A的零点设定为pV的零点校正。根据以该零点为基准的牵引力和控制输出TRC_CNT之间的关系，控制电路25计算与被牵引体上施加的设定牵引力对应的控制输出TRC_CNT的值。 
将校正后的控制输出D/A值的零点的值的上述牵引力数据存储在控制电路内的存储器中(步骤30-6)，结束该测力传感器零点调整的处理。如以上所示，图6的牵引力数据的零点校正用测力传感器17的输出和控制电路的控制输出分别单独地进行。该存储器中存储的牵引力数据以后被用于操作单元24的牵引力的设定、牵引力控制。即，该牵引力数据用于基于测力传感器17的输出的A/D值，计算被牵引体上所负载的牵引力。此时，使用将没有施加该牵引力时的测力传感器的输出值校正为零点的数据。此外，该牵引力数据用于根据被牵引体上所施加的牵引力，计算控制输出TRC CNT的输出值。此时，对判定为PWM信号的占空为50％的状态持续了规定时间时的控制输出TRC_CNT的值使用将控制输出TRC CNT的输出值作为零点的数据。在以下的牵引力控制中，使用上述那样校正后的牵引力数据，根据测力传感器17的输出来计算被牵引体上所施加的牵引力。此外，使用该牵引力数据，设定与对被牵引体上施加的设定牵引力对应的控制电路的输出信号的大小。 
该步骤30也可以在牵引力控制动作停止时(停止对被牵引体施加期望的牵引力时)进行。 
返回到图3及图4进行说明。在图3及图4中，通过用户使用操作单元24而设定作为期望的目标值的牵引力，在用于开始牵引动作的开关被操作时，电机15被驱动(步骤300)。接着，基于转速检测器16的检测输出来判定电机旋转的转速R是否达到了R-R0(R0设为与初始牵引时的牵引量对应的旋转的转速)(步骤301)。在步骤301的判定为‘否定’时，返回到步骤300， 继续进行电机15的旋转驱动。 
此外，步骤301的判定为‘肯定’时，停止电机15的驱动(步骤302)。接着，判定牵引力F是否为F＝F1(步骤303)。即，判定被牵引体2上所施加的牵引力F是否达到了足够卷扬钢丝10的松弛部分的牵引力F1。该牵引力F1的判定，用图6的牵引力数据，使用基于测力传感器17的输出的A/D值(TRC_ADIN)算出的牵引力。该牵引力F1在本实施方式中例如被设定为5kg。在步骤303的判定为‘否定’时，返回到步骤300。由此，为了卷扬钢丝10的松弛部分，使电机15稍微旋转后停止，重复该动作，直至牵引力F为F＝F1为止。 
至该步骤300～303为止，是第1牵引力控制处理。 
这里，在上述牵引力控制中，重复进行了使电机稍微旋转后停止，判定是否达到了规定的牵引力F1。作为其他的方法，如图7所示，在牵引力控制的开始后的紧随的初始牵引时，为了卷扬了钢丝10的松弛部分而达到足够的牵引力F1(5kg)为止的牵引，也可以进行以下的牵引力控制。首先，使控制输出TRC CNT上升。接着，将控制电路25的控制输出TRC-CNT和直流放大器20的输出信号TRC ADIN进行比较，在有2kg以上的差时，停止使控制电路25的控制输出TRC CNT上升。然后，在该牵引力的差为1kg以内时再开始使控制输出TRC CNT上升。重复进行这些牵引力控制，直至牵引力达到F1为止。 
另一方面，在步骤303的判定为‘肯定’时，结束第1牵引力控制处理，转移到使牵引力实质上作用于被牵引体2的第2牵引力控制处理。 
即，再次开始电机的驱动(步骤304)。接着，判定牵引量L是否达到了L＝L0(在本实施方式中，L0设为将目标值即牵引力Fi换算为牵引量所得的值的例如75％)(步骤305)。在该判定中，牵引量基于转速检测器16检测出的转速来算出。如果步骤305的判定为‘否定’，则处理返回到步骤304，如果为‘肯定’，则进入下一个处理步骤。 
第2牵引力控制处理的概要如上所述，但步骤305中，也可以用牵引力取代牵引量来进行判断。以下，说明用牵引力进行判断的具体的动作。 
如图8所示，在第2牵引力控制处理中，使控制输出TRC CNT以设定的速度上升，直至达到设定牵引力Fi为止。此时，控制输出TRC_CNT的大小使用图6的牵引力数据，基于设定牵引力Fi来计算。在控制输出TRC_CNT 达到了设定牵引力Fi后，保持其值。接着，直流放大器20的输出信号TRC_ADIN换算为牵引量并在达到了设定牵引力Fi的75％(图8中A的地点)的时刻tn，即如果步骤305的判定为‘肯定’，则降低控制输出TRC_CNT的值(在图8中相当于B)，直至其达到设定牵引力Fi的75％的电平(level)。 
从该位置转移到使控制输出TRC CNT的电平按设定后的牵引速度上升的第3牵引力控制处理。在该第3牵引力控制处理中，在被牵引体上所施加的牵引力正好为目标值即设定牵引力Fi的状态下进行使电机15的牵引停止的控制。 
在第3牵引处理中，首先，在时刻tn，停止电机15的驱动(步骤306)。接着，基于测力传感器17的检测输出，计算为了在被牵引体2上所施加的牵引力达到设定牵引力Fi所需要的电机15的驱动时间Δt(步骤307)。接着，驱动电机15，并且将对电机15的驱动时间进行计时的定时器T复位(步骤308、309)。接着，判定电机15的驱动时间T是否达到了T＝Δt(步骤310)。电机15的驱动时间T在时刻tn1达到了T＝Δt的情况下，停止电机15的驱动(步骤311)。 
如以上说明，根据本实施方式的牵引装置，由于在牵引力控制开始时进行牵引力传感器的零点调整，所以即使牵引力传感器的零点因电源接通后紧随的过渡状态、环境变化、老化而变动，也可以按照设定值正确地控制对被牵引体施加的牵引力，提高牵引力控制的精度。 
本申请要求2006年12月1日在日本申请的特愿2006-325802号的优先权，并将其内容引用于本申请。 
工业上的实用性 
本发明能够适用于在整体、整形外科等方面所使用的牵引装置和牵引力控制方法。根据本发明的牵引装置，由于在牵引力控制开始时进行牵引力传感器的零点调整，所以即使牵引力传感器的零点因电源接通后紧随的过渡状态、环境变化、老化而变动，也可以按照设定值正确地控制对被牵引体施加的牵引力，提高牵引力控制的精度。 

Claims (7)

1.一种牵引装置的牵引力控制方法，用于通过牵引机构对被牵引体施加期望的牵引力的牵引装置，包括：
通过牵引力传感器测量所述被牵引体上所施加的施加牵引力为零的零牵引状态时的输出值，并作为零牵引力值而输出的步骤；
生成将所述零牵引力值与来自控制电路的调整输出相加的加法值的步骤；
将所述加法值提供给驱动所述牵引机构的驱动机构的驱动电路，输出与所述加法值对应的驱动信号的步骤；
通过增减所述调整输出进行调整，以使所述驱动信号成为使所述被牵引体为所述零牵引状态的基准值的步骤；以及
将所述零牵引值和通过所述调整步骤获得的所述调整输出分别作为所述零牵引力传感器的零点和所述控制电路的控制输出的零点的步骤。
2.如权利要求1所述的牵引装置的牵引力控制方法，所述驱动信号是脉宽调制信号，在所述调整步骤中，调整所述脉宽调制信号，以使其成为由所述脉宽调制信号的占空比规定的所述基准值。
3.如权利要求1所述的牵引装置的牵引力控制方法，在对所述被牵引体施加所述期望的牵引力前实行所述牵引力控制方法。
4.如权利要求1所述的牵引装置的牵引力控制方法，在对所述被牵引体停止施加所述期望的牵引力时实行所述牵引力控制方法。
5.一种牵引装置，对被牵引体施加期望的牵引力，包括：
操作单元，设定对所述被牵引体施加的牵引力；
牵引机构，包括所述被牵引体上所安装的固定器具和所述固定器具上所连接的钢丝，对所述被牵引体施加牵引力；
驱动机构，卷扬所述钢丝；
驱动电路，对所述驱动机构供给驱动信号；
牵引力传感器，检测所述钢丝上所施加的牵引力；以及
控制电路，基于所述操作单元所设定的设定牵引力的设定输出及所述牵引力传感器的检测输出，对所述驱动电路供给用于驱动控制所述驱动机构的控制信号，
所述控制电路在所述被牵引体上所施加的牵引力为零的零牵引力，并且没有通过所述操作单元设定所述设定牵引力时，输出用于校正所述牵引力传感器的输出的信号，并调整所述驱动信号，以使所述驱动信号成为不使所述驱动机构产生驱动力的基准值。
6.如权利要求5所述的牵引装置，在对所述驱动信号的所述被牵引体施加所述期望的牵引力前，所述控制电路调整所述驱动信号，以使其成为所述基准值。
7.如权利要求5所述的牵引装置，在对所述被牵引体停止施加所述期望的牵引力时，所述控制电路调整所述驱动信号，以使其成为所述基准值。
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