CN104622571A - 基于磁粉离合器控制方式的闭环力控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于磁粉离合器控制的闭环力控制装置，包括：控制器，为核心控制单元，用于系统信号采集、控制运算处理；直流电机模块，接收控制器的控制量，与磁粉离合器输入轴相连；磁粉离合器，分别与直流电机模块和传动机构相连；传动机构，与磁粉离合器相连；手腕夹持器，与传动机构相连，用于夹持病人手腕；末端力传感器，与控制器电连接，将采样值输入控制器。本发明的有益效果，通过对电机两环控制使电机按给定的速度运转，增加末端力传感器实现力闭环处理，对磁粉离合器的励磁电流实施控制，即可输出要求的转矩，最终实现力控制；该闭环力控制装置，可在在小臂骨折正骨手术中为病人提供安全、稳定、可靠的拉拽力。

Description

基于磁粉离合器控制方式的闭环力控制装置

技术领域

本发明涉及医疗器械技术领域，具体涉及一种应用于骨科机械手基于磁粉离合器控制方式的闭环力控制装置。

背景技术

在现有小臂骨折手术中，需要两名医生，其中一名医生进行正骨、接骨、打石膏等操作，另外一名医生对病人手臂进行牵引和拉拽操作。

其中进行牵引、拉拽操作的医生主要做的是力气活，毫无技术含量；同时整个手术耗时较长，对后一名医生的体力消耗很大。由于能力和经验的差异性很难保证良好的手术效果，不利于手术流程的标准化。

加之手术过程需要两名医生，使得本来就很匮乏的医疗资源变得更加紧张。因此开发一种先进的医疗设备代替负责牵引操作的医生亟待解决。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于一种基于磁分离合器控制方式的闭环力控制装置，在小臂骨折正骨手术中为病人提供安全、稳定、可靠的拉拽力。

本发明的技术方案包括一种基于磁粉离合器控制的闭环力控制装置，包括：控制器、直流电机模块、磁粉离合器、传动机构、手腕夹持器、末端力传感器；所述控制器，为核心控制单元，用于系统信号采集、控制运算处理；所述直流电机模块，接收控制器的控制量，与所述磁粉离合器输入轴相连；所述磁粉离合器，分别与所述直流电机模块和所述传动机构相连；所述传动机构，与所述磁粉离合器相连；所述手腕夹持器，与传动机构相连，用于夹持病人手腕；所述末端力传感器，与所述控制器电连接，将采用值输入控制器。

优选地，所述控制器包括DSP模块、电源模块、AD模块、SPI模块、QEP模块、IO模块、PWM模块、驱动放大电路、电流传感器、恒流源、稳压源；

其中，所述DSP模块为逻辑主控制单元；所述IO模块，用于控制信息输入；所述QEP模块，用于速度环控制的反馈输入量；所述PWM模块，用于接收电流环的输出，产生占空比可调的PWM信号；所述SPI模块，用于DSP模块与外部数模转换芯片通信；所述AD模块，用于将所述末端力传感器和对电流传感器输出模拟量采样转换为数字量；所述电源模块，用于提供+3.3V、+5V和+1.9V电源；所述驱动放大电路，用于接收PWM信号，输出驱动电机的电流信号，与直流电机模块相连；所述电流传感器，与所述AD模块电气连接；所述恒流源，接收所述AD模块输出信号；所述稳压源，与所述恒流源电连接，为电流源生成电路提供电压。

优选地，所述DSP模块接收按键的控制命令，对所述末端力传感器输出量模数转换，进行力闭环控制；读取电机码盘值和采样电流传感器的输出，分别作为速度环和电流环的输入，进行速度环和电流环的闭环控制。

优选地，所述磁粉离合器的主动转子与直流电机轴相连，所述磁粉离合器的从动轴与传动机构相连，且由所述恒流源输出电流控制，实现力控制。

优选地，所述传动机构为滑动丝杠，用于随所述磁粉离合器从动轴转动带动所述手腕夹持器的轴向运动。

所述手腕夹持器，用于夹持病人手腕，与传动机构相连，直流电机的旋转扭矩转换成轴向拉力，对手臂实施拉拽力。

优选地，所述末端力传感器，经与所述DSP模块的电相连，用于对输出力采样，采样值作为力闭环控制的反馈量。

优选地，所述DSP模块采用TMS320F2812。

本发明的有益效果，通过对电机两环控制使电机按给定的速度运转，增加末端力传感器实现力闭环处理，对磁粉离合器的励磁电流实施控制，即可输出要求的转矩，最终实现力控制；在小臂骨折正骨手术中为病人提供安全、稳定、可靠的拉拽力。

附图说明

图1为本发明励磁电流和传递转矩基本成线性关系器特性图

图2为本发明励磁电流和传递转矩基本成线性关系器特性图。

图3为本发明一实施方式中系统物理结构图。

图4为本发明一实施方式中力闭环和电机速度控制图。

图5为本发明一实施方式中软件线程规划图。

图6为本发明一实施方式中基于电机驱动控制方式实现闭环力控制的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

本发明提供一种基于磁粉离合器控制的闭环力控制装置，包括：控制器、直流电机模块、磁粉离合器、传动机构、手腕夹持器、末端力传感器；控制器，为核心控制单元，用于系统信号采集、控制运算处理；直流电机模块，接收控制器的控制量，与磁粉离合器输入轴相连；磁粉离合器，分别与直流电机模块和传动机构相连；传动机构，与磁粉离合器相连；手腕夹持器，与传动机构相连，用于夹持病人手腕；末端力传感器，与控制器电连接，将采用值输入控制器。

本发明实施例提供的基于磁粉离合器控制的闭环力控制装置，通过对电机两环控制使电机按给定的速度运转，增加末端力传感器实现力闭环处理，对磁粉离合器的励磁电流实施控制，即可输出要求的转矩，最终实现力控制；在小臂骨折正骨手术中为病人提供安全、稳定、可靠的拉拽力。

控制器包括DSP（digital singnal processor，微处理器）模块、电源模块、AD（模数转换）模块、SPI（同步串行通信接口）模块、QEP（Quadrature EncoderPulse，正交编码脉冲电路）模块、IO（Input/Output，输入/输出）模块、PWM（Pulse Width Modulation，脉宽调制）模块、驱动放大电路、电流传感器、恒流源、稳压源。

其中，DSP模块为逻辑主控制单元；进一步地，DSP模块接收按键的控制命令，对末端力传感器输出量模数转换，进行力闭环控制；读取电机码盘值和采样电流传感器的输出，分别作为速度环和电流环的输入，进行速度环和电流环的闭环控制。

IO模块，用于将外部按键信息经电气隔离后引入DSP模块，用于控制信息输入；

QEP模块，对编码器输出的正交编码脉冲进行解码和计数，计算电机的运行速度，作为速度环控制的反馈输入量；

PWM模块，用于接收电流环的输出，产生占空比可调的PWM信号，用于电机的驱动信号；

SPI模块，用于DSP模块与外部数模转换芯片通信；

AD模块，用于将末端力传感器和对电流传感器输出模拟量采样转换为数字量，分别作为力闭环和电流环的反馈量；

电源模块，用于提供+3.3V、+5V和+1.9V电源；

驱动放大电路，用于接收PWM信号，输出驱动电机的电流信号，与直流电机模块相连，实现对直流伺服电机的控制；

电流传感器，将PWM输出电流信号转换为电压信号与AD模块电连接，对电机驱动信号进行采样，作为电流环控制的反馈输入；

恒流源，接收所述DA模块输出的经放大处理后的信号，为磁粉离合器提供稳定电流源；

稳压源，与恒流源电连接，为电流源生成电路提供电压。

所述直流电机模块，用于接收数字控制器的控制量，与磁粉离合器输入轴相连，为磁粉离合器提供输出转矩动力。

优选地，磁粉离合器的主动转子与直流电机轴相连，磁粉离合器的从动轴与传动机构相连，且由恒流源输出电流控制，实现力控制。

传动机构为滑动丝杠，用于随磁粉离合器从动轴转动带动手腕夹持器的轴向运动。

手腕夹持器，用于夹持病人手腕，与传动机构相连，直流电机的旋转扭矩转换成轴向拉力，对手臂实施拉拽力。

末端力传感器，经与DSP模块的电相连，用于对输出力采样，采样值作为力闭环控制的反馈量。

本发明基于磁粉离合器控制方式实现闭环力控制装置的方式，包括：

1、接受直流电机的控制信息，其中直流电机的控制参数事先给定；

2、根据按键信息判断是否直流电机受控；

3、若是，读取末端拉力值和驱动电机电流值以及码盘值；

4、根据码盘值计算当前电机速度，结合电机的控制参数，进行增量PI计算，输出作为电流环的参考输入；

5、根据电机的控制参数、电流环的参考输入和电流反馈至进行增量PI计算，输出作为电机驱动器的输入，电机驱动器控制电机按给定速度转动，带动与其连接的磁粉离合器的主动轴；

6、根据末端拉力值、力控制参数进行增量PI计算，输出经DA转换后输入恒流源；

7、根据恒流源的输入，磁粉离合器按给定电流大小输出转矩带动传动机构，传动机构带动与其相连的手腕夹持器将转动力转换为轴向拉拽力。

磁粉离合器根据电磁原理，利用磁粉离合器传递转矩。励磁电流和传递转矩基本成线性关系器特性，如图1和2所示，具有稳定的滑差功率即转矩与转速无关，静力矩和动力矩没有差别。因此，要获得所需转矩，只需调节励磁电流大小，便能准确控制并传达所需转矩。

如图3所示，本实施一例中，主控芯片DSP模块S102接收按键S100的控制信息，按键S100控制直流电机模块S109的转速及恒流源S107输出电流的大小，直流电机模块S109与磁粉离合器S110的主动轴相连，磁粉离合器S110由恒流源S107提供励磁电流，输出要求转矩通过传动机构S111带动手腕夹持器S112产生拉拽力，末端力传感器S113根据力的大小产生应变，主控芯片DSP模块S102通过AD模块对力传感器的模拟量输出采样，作为力闭环控制算法的力反馈值。

主控芯片DSP模块S102包括IO引脚、PWM引脚、AD和SPI引脚。控制板由主控芯片DSP模块S102、按键S100、电源模块S101、DA模块S103、驱动放大电路S104、电流传感器S106组成。

IO引脚经隔离放大电路后与按键S100相连，接收按键的控制信息，主控芯片DSP模块S102接收控制信息后实施电机控制和输出电流控制。经电机两环控制产生占空比可调的电机驱动信号。SPI引脚与片外数模转换芯片S103相连，用于主控芯片S102和DA模块S103之间的通信。电流源模块S101为主控芯片及其它模块提供电源。

主控芯片DSP模块S102采用TI公司TMS320F2812，该芯片自带16通道12为模/数转换模块，为提高采样精度，对采样AD值去掉最后两位；同时采用多通道采集求取平均值的方法来提高采样的准确性。

如图4所示，本发明另一实施例中力闭环和电机速度控制图。对电机的控制采用速度环和电流环的两环控制，同时对末端力采样实施力闭环控制，每环均采用增量式PI调节。

主控芯片DSP模块S102读取码盘值S202计算电机当前速度，作为速度环控制的反馈值。电流环S200的输出作为电流环S203的输入，电流传感器的值作为电流环的反馈输入，根据电流环的输出控制输出脉冲的占空比进而控制电机S206的转速。对力传感器S210采样，反应末端拉力的大小，其值作为力闭环控制的反馈量，实施增量PI调节，设置最大输出限制以提高安全性。

如图5所示，本发明另一实施例中软件线程规划图。主控芯片DSP模块软件部分采用DSP/BIOS操作系统方式实现。整个软件分为驱动层、硬件中断层、软件中断层和任务层。

其中，驱动层包括AD驱动、SPI驱动、PWM驱动、QEP驱动、GPIO驱动、定时器0驱动。

将定时器0中断服务函放在硬件中断层实现。

软件中断完成力闭环控制、电流环控制和速度环控制。

设置任务Task0和Task1，分别用于完成程序出现错误处理和I/O信息处理。

如图6所示，为本发明另一实施例中基于电机驱动控制方式实现闭环力控制的流程图。本实施例中，系统上电后执行流程包括：

步骤S401中，主控芯片通过查询按键信息判断是否进行力控制，若是执行步骤S402，若不是返回继续等待；

步骤S402和步骤S403中，主控芯片DSP模块通过AD模块采样电流传感器和末端拉力传感器的模拟输出值，分别作为电流环和力闭环控制的反馈输入量；

步骤S404中，DSP模块读取码盘值计算电机当前速度，作为速度闭环控制的反馈值，完成速度环增量PI算法，输出作为电流环的输入；

步骤S405中，根据电机控制参数和速度环的输出以及电流传感器的采样值进行速度环增量PI计算，输出作为电机驱动器的输出PWM信号；

步骤S406和S407中，电机驱动器根据PWM信号控制电机运动输出转矩，其输出轴与磁粉离合器的主动轴相连；

步骤S410中，根据力控制参数及拉力传感器的反馈值进行增量PI计算，输出经DA转换后作为恒流源的输入；

步骤S408中，磁粉离合器按恒流源输出励磁电流大小输出要求的转矩；

步骤S409中，判断是否退出力控制，若是，程序结束，若否，返回S402继续执行。

以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于磁粉离合器控制的闭环力控制装置，其特征在于，包括：控制器、直流电机模块、磁粉离合器、传动机构、手腕夹持器、末端力传感器；

所述控制器，为核心控制单元，用于系统信号采集、控制运算处理；所述直流电机模块，接收控制器的控制量，与所述磁粉离合器输入轴相连；所述磁粉离合器，分别与所述直流电机模块和所述传动机构相连；所述传动机构，与所述磁粉离合器相连；所述手腕夹持器，与传动机构相连，用于夹持病人手腕；所述末端力传感器，与所述控制器电连接，将采用值输入控制器。

2.根据权利要求1所述的闭环力控制装置，其特征在于，所述控制器包括DSP模块、电源模块、AD模块、SPI模块、QEP模块、IO模块、PWM模块、驱动放大电路、电流传感器、恒流源、稳压源；

其中，所述DSP模块为逻辑主控制单元；所述IO模块，用于控制信息输入；所述QEP模块，用于速度环控制的反馈输入量；所述PWM模块，用于接收电流环的输出，产生占空比可调的PWM信号；所述SPI模块，用于DSP模块与外部数模转换芯片通信；所述AD模块，用于将所述末端力传感器和对电流传感器输出模拟量采样转换为数字量；所述电源模块，用于提供+3.3V、+5V和+1.9V电源；所述驱动放大电路，用于接收PWM信号，输出驱动电机的电流信号，与直流电机模块相连；所述电流传感器，与所述AD模块电气连接；所述恒流源，接收所述AD模块输出信号；所述稳压源，与所述恒流源电连接，为电流源生成电路提供电压。

3.根据权利要求2所述的闭环力控制装置，其特征在于，所述DSP模块接收按键的控制命令，对所述末端力传感器输出量模数转换，进行力闭环控制；读取电机码盘值和采样电流传感器的输出，分别作为速度环和电流环的输入，进行速度环和电流环的闭环控制。

4.根据权利要求2所述的闭环力控制装置，其特征在于，所述磁粉离合器的主动转子与直流电机轴相连，所述磁粉离合器的从动轴与传动机构相连，且由所述恒流源输出电流控制，实现力控制。

5.根据权利要求2所述的闭环力控制装置，其特征在于，所述传动机构为滑动丝杠，用于随所述磁粉离合器从动轴转动带动所述手腕夹持器的轴向运动。

所述手腕夹持器，用于夹持病人手腕，与传动机构相连，直流电机的旋转扭矩转换成轴向拉力，对手臂实施拉拽力。

6.根据权利要求2所述的闭环力控制装置，其特征在于，所述末端力传感器，经与所述DSP模块的电相连，用于对输出力采样，采样值作为力闭环控制的反馈量。

7.根据权利要求2所述的闭环力控制装置，其特征在于，所述DSP模块采用TMS320F2812。