CN104626162A - 一种用于医疗机器人的模糊控制系统及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于医疗机器人的模糊控制系统及其实现方法，其包括用于设置在微控制器上的模糊推理器件，所述模糊推理器件包括用于输入模糊控制规则的外界交互模块，所述外界交互模块与一用于存储模糊模型的存储模块通信连接，所述存储模块与一用于确立模糊模型的模糊逻辑决策模块通信连接，所述存储模块、所述模糊逻辑决策模块均与一用于输入参数的模糊化接口通信连接，所述模糊逻辑决策模块还分别与模拟器、用于输出参数的解模糊接口通信连接，所述解模糊接口还与所述外界交互模块的通信连接；及其实现方法。采用外界交互模块、存储模块、模糊逻辑决策模块以及模拟器的技术手段，使医疗机器人具有一定智能，辅助医生做出合理的治疗方案。

Description

一种用于医疗机器人的模糊控制系统及其实现方法

技术领域

本发明涉及一种骨科辅助牵引装置的控制系统，尤其涉及一种用于医疗机器人的模糊控制系统及其实现方法。

背景技术

现在医院对前臂骨折进行正骨主要还是靠医生进行操作，一个医生对前臂进行牵引，另一位医生进行正骨，由于正骨时间比较长，因此牵引的医生会非常累，这样就推动了骨科牵引设备的产生。

现有技术中，通常的骨科辅助牵引装置有的利用转轮带动丝杆转动以实现对患者手臂的牵引；有的利用机械式气泵，通过手捏所述机械式气泵调节可伸缩式气缸的伸缩，以实现对患者手臂的牵引。上述骨科辅助牵引装置的缺点是对患者手臂牵引所使用的力度不够精准，并且医生在进行正骨、接骨、打石膏等操作的同时还需要腾出手来调整牵引的力度，影响了医生的治疗。

目前，国内外在小臂骨折治疗自动化方面的研究主要集中在智能化程度较高，甚至能完全替代医生工作的全自动化医疗机器人。但是这种机器人结构非常复杂，安全保护措施少，可靠性不易保证，几乎无法临床应用。

因此，现有技术有待于更进一步的改进和发展。

发明内容

本发明旨在解决上述现有技术中存在的问题，提出一种用于医疗机器人的模糊控制系统及其实现方法，以实现对患者进行精确治疗的目的，降低医生的劳动强度。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种用于医疗机器人的模糊控制系统，其包括用于设置在微控制器上的模糊推理器件，其中，所述模糊推理器件包括用于输入模糊控制规则的外界交互模块，所述外界交互模块与一用于存储模糊模型的存储模块通信连接，所述存储模块与一用于确立模糊模型的模糊逻辑决策模块通信连接，所述存储模块、所述模糊逻辑决策模块均与一用于输入参数的模糊化接口通信连接，所述模糊逻辑决策模块还分别与模拟器、用于输出参数的解模糊接口通信连接，所述解模糊接口还与所述外界交互模块的通信连接。

优选地，所述外界交互模块包括规则更新单元、隶属函数更新单元、状态信息单元；所述存储模块包括规则库单元与隶属函数单元，所述规则更新单元与所述规则库单元通信连接，所述隶属函数更新单元与所述隶属函数单元通信连接，所述状态信息单元与所述解模糊接口通信连接。

优选地，所述模糊控制系统还包括所述微控制器与夹持平台，所述微控制器分别与电机驱动单元、气压传动单元通信连接，所述电机驱动单元、所述气压传动单元均与医疗机器人的机械执行单元相连接，所述气压传动单元与所述夹持平台相连接，所述机械执行单元与所述夹持平台相连接，所述电机驱动单元用于控制所述机械执行单元产生偏转力，所述气压传动单元用于控制所述夹持平台产生拉伸力与夹持力；所述微控制器设置有一开关单元，用于控制所述电机驱动单元、所述气压传动单元的运行状态；所述微控制器通过所述模糊推理器件确定的模糊模型控制所述电机驱动单元、所述气压传动单元与所述机械执行单元的运行状态。

优选地，所述电机驱动单元包括第一隔离电路、模数转换电路与第二隔离电路，所述第一隔离电路、所述模数转换电路与所述第二隔离电路均与所述微控制器通信连接，所述第一隔离电路与第一驱动电路相连接，所述第一驱动电路与第一直流电机相连接，所述第一直流电机与所述机械执行单元相连接，所述第一直流电机配置有第一码盘，所述第一码盘与所述微控制器通信连接，所述第一驱动电路与所述第一直流电机之间接入第一电流采样电路，所述第一电流采样电路与所述模数转换电路相连接；所述第二隔离电路与第二驱动电路相连接，所述第二驱动电路与第二直流电机相连接，所述第二直流电机与所述机械执行单元相连接，所述第二直流电机配置有第二码盘，所述第二码盘与所述微控制器通信连接，所述第二驱动电路与所述第二直流电机之间接入第二电流采样电路，所述第二电流采样电路与所述模数转换电路相连接。

优选地，所述机械执行单元包括用于产生偏转力的齿轮传动机构以及用于粗调所述夹持平台的丝杠传动机构，所述第一直流电机与所述齿轮传动机构相连接，所述第二直流电机与所述丝杠传动机构相连接，所述齿轮传动机构、所述丝杠传动机构均与所述夹持平台相连接。

优选地，所述气压传动单元包括气源，所述气源依次与油水分离器、调压阀、油雾器相连通，所述油雾器分别与驱动气路、气囊调整气路相连通，所述驱动气路依次连通有五位三通阀、比例阀、气缸，所述气缸与所述夹持平台相连接；所述气囊调整气路依次连通有两位三通阀、减压阀、压力表与气囊；所述五位三通阀、所述两位三通阀均与所述微控制器的第一可编程逻辑模块通信连接，所述第一可编程逻辑模块通过一数模接口与所述比例阀通信连接，所述数模接口与所述微控制器的串行总线相连接；所述比例阀与所述气缸之间的所述驱动气路、所述压力表与所述气囊之间的气囊调整气路均与所述微控制器的模数接口通信连接。

一种使用所述模糊控制系统的实现方法，其包括以下步骤：

通过外界交互模块向存储模块传输模糊数据，在所述存储模块建立模糊模型，模糊逻辑决策模块根据模糊化接口的输入参数进行逻辑判断，所述模糊逻辑决策模块从所述存储模块调取对应模糊模型，并将对应模糊模型传输到模拟器中进行模拟，所述模拟器将模拟结果反馈给所述模糊逻辑决策模块，所述模糊逻辑决策模块选取最优化的模糊模型通过解模糊接口输出给微控制器。

优选地，上述步骤还包括：

所述模糊逻辑决策模块将所述模糊化接口输入参数的精确值变换成其对应论域上自然语言描述的模糊集合。

优选地，上述步骤具体的还包括：

所述模糊逻辑决策模块获得所述模糊集合，然后根据预先设定的模糊控制规则进行计算推理，从所述存储模块调取多个较优的对应模糊模型，并将其传输到所述模拟器中进行模拟。

优选地，上述步骤具体的还包括：所述解模糊接口将最优化的模糊模型传输到所述微控制器，所述微控制器将最优化的模糊模型转换为准确的控制参数，控制夹持平台做出相应动作。

本发明提供的一种用于医疗机器人的模糊控制系统及其实现方法，采用外界交互模块、存储模块、模糊逻辑决策模块以及模拟器的技术手段，使医疗机器人具有一定智能，辅助医生做出合理的治疗方案，实现了对患者进行精确治疗的目的，比如将其应用到骨科牵引机器人领域，可以实现对小臂夹持力、偏转力以及拉伸力的柔性控制，解决了医生正骨过程中必须有两个大夫相互配合工作的难题，降低了医生的劳动强度。

附图说明

图1是发明中模糊推理器件的结构示意图；

图2是本发明中模糊控制系统的总体结构示意图；

图3是本发明中微控制器的结构示意图；

图4是本发明中电机驱动单元的结构示意图；

图5是本发明中机械执行单元与气压传动单元的结构示意图；

图6是将本发明实现方法应用到骨科牵引机器人的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合附图和具体的实施例对本发明的技术方案进行详细的说明。

本发明提供的一种用于医疗机器人的模糊控制系统，如图1与图2所示的，其包括用于设置在微控制器1上的模糊推理器件39，并且所述模糊推理器件39包括用于输入模糊控制规则的外界交互模块40，所述外界交互模块40与一用于存储模糊模型的存储模块41通信连接，所述存储模块41与一用于确立模糊模型的模糊逻辑决策模块42通信连接，所述存储模块41、所述模糊逻辑决策模块42均与一用于输入参数的模糊化接口43通信连接，所述模糊逻辑决策模块42还分别与模拟器44、用于输出参数的解模糊接口45通信连接，所述解模糊接口45还与所述外界交互模块40的通信连接。

更进一步的，所述外界交互模块40包括规则更新单元46、隶属函数更新单元47、状态信息单元48；所述存储模块41包括规则库单元49与隶属函数单元50，所述规则更新单元46与所述规则库单元49通信连接，所述隶属函数更新单元47与所述隶属函数单元50通信连接，所述状态信息单元48与所述解模糊接口45通信连接。可以建立完善的模糊模型，并且医生还可以根据需要实时更新所述存储模块41的存储数据，使患者得到最先进的治疗。

其具体的运行过程大体如下：

所述模糊化接口43的主要功能是将输入变量的精确值变换成其对应论域上自然语言描述的模糊集合，以便进行模糊推理和决策，包括：

测量输入变量；

完成将输入变量值的实际论域向相应内部论域变换的比例映射，即论域变换；

实现模糊化，将测量输入数据转换成相应语言变量描述的项，并构成模糊集合。

所述模糊控制系统主要是模仿人的思维特征，根据事先制定好的有专家知识或控制经验取得的若干组模糊条件语句构成的模糊控制规则，运用模糊数学理论对模糊控制规则进行计算推理。基本的模糊推理机由所述存储模块41与所述模糊逻辑决策模块42构成。所述存储模块41包括应用领域的知识和相应控制目标的知识。所述模糊逻辑决策模块42能模仿人的模糊概念和运用模糊蕴涵运算以及模糊逻辑推理规则对模糊控制作用进行决策。

最后通过所述解模糊接口45输出，包括比例映射，将输出变量的量值从内部论域转化为相应的实际论域；然后解模糊，把经模糊推理所得到的模糊控制量转化为精确的控制参数。

比如将上述模糊控制系统应用到医疗机器人领域，如图2至图5所示的，其包括微控制器1与夹持平台20，并且所述微控制器1分别与电机驱动单元35、气压传动单元36通信连接，所述电机驱动单元35、所述气压传动单元36均与医疗机器人的机械执行单元37相连接，所述气压传动单元36与所述夹持平台20相连接，所述机械执行单元37与所述夹持平台20相连接，所述电机驱动单元35用于控制所述机械执行单元37产生偏转力，所述气压传动单元35用于控制所述夹持平台20产生拉伸力与夹持力；所述微控制器1设置有一开关单元，用于控制所述电机驱动单元35、所述气压传动单元36的运行状态，所述微控制器1通过所述模糊推理器件39确定的模糊模型控制所述电机驱动单元35、所述气压传动单元36与所述机械执行单元37的运行状态，进而控制所述夹持平台20完成拉伸、偏转、夹持等动作的协调控制及与外部设备的通信。

如图4所示的，所述电机驱动单元35包括第一隔离电路22、模数转换电路28与第二隔离电路29，所述第一隔离电路22、所述模数转换电路28与所述第二隔离电路29均与所述微控制器1通信连接，所述第一隔离电路22与第一驱动电路23相连接，所述第一驱动电路23与第一直流电机26相连接，所述第一直流电机26与所述机械执行单元37相连接，所述第一直流电机26配置有第一码盘25，所述第一码盘25与所述微控制器1通信连接，所述第一驱动电路23与所述第一直流电机26之间接入第一电流采样电路24，所述第一电流采样电路24与所述模数转换电路28相连接；所述第二隔离电路29与第二驱动电路30相连接，所述第二驱动电路30与第二直流电机33相连接，所述第二直流电机33与所述机械执行单元37相连接，所述第二直流电机33配置有第二码盘32，所述第二码盘32与所述微控制器1通信连接，所述第二驱动电路30与所述第二直流电机33之间接入第二电流采样电路31，所述第二电流采样电路31与所述模数转换电路28相连接。

更进一步的，如图5所示的，所述机械执行单元37包括用于产生偏转力的齿轮传动机构27以及用于粗调所述夹持平台20的丝杠传动机构34，所述第一直流电机26与所述齿轮传动机构27相连接，所述第二直流电机33与所述丝杠传动机构34相连接，所述齿轮传动机构27、所述丝杠传动机构34均与所述夹持平台20相连接。

在本发明的另一较佳实施例中，如图5所示的，所述气压传动单元36包括气源9，所述气源9依次与油水分离器10、调压阀11、油雾器12相连通，所述油雾器12分别与驱动气路、气囊调整气路相连通，所述驱动气路依次连通有五位三通阀13、比例阀16、气缸18，所述气缸18与所述夹持平台20相连接；所述气囊调整气路依次连通有两位三通阀14、减压阀17、压力表19与气囊21；所述五位三通阀13、所述两位三通阀14均与所述微控制器1的第一可编程逻辑模块8通信连接，所述第一可编程逻辑模块8通过一数模接口15与所述比例阀16通信连接，所述数模接口15与所述微控制器1的串行总线相连接；所述比例阀16与所述气缸18之间的所述驱动气路、所述压力表19与所述气囊21之间的气囊调整气路均与所述微控制器1的模数接口通信连接。

更进一步的，如图3所示的，所述开关单元包括激光传感器开关3、限位开关4、控制开关5与脚踏开关6，所述激光传感器开关3、所述限位开关4、所述控制开关5与所述脚踏开关6均与所述微控制器1的第二可编程逻辑模块38通信连接；所述微控制器1配置有一触摸屏7与一电源装置2，所述控制开关5用于控制所述丝杠传动机构34的运行状态，所述脚踏开关6用于控制所述气压传动单元36的运行状态，所述触摸屏7用于控制所述齿轮传动机构27的运行状态。

本发明还提供了一种使用所述模糊控制系统的实现方法，其包括以下步骤：

通过外界交互模块40向存储模块41传输模糊数据，在所述存储模块41建立模糊模型，模糊逻辑决策模块42根据模糊化接口43的输入参数进行逻辑判断，所述模糊逻辑决策模块42从所述存储模块41调取对应模糊模型，并将对应模糊模型传输到模拟器44中进行模拟，所述模拟器44将模拟结果反馈给所述模糊逻辑决策模块42，所述模糊逻辑决策模块42选取最优化的模糊模型通过解模糊接口45输出给微控制器1。

更进一步的，上述步骤还包括：

所述模糊逻辑决策模块42将所述模糊化接口43输入参数的精确值变换成其对应论域上自然语言描述的模糊集合。

然后所述模糊逻辑决策模块42获得所述模糊集合，然后根据预先设定的模糊控制规则进行计算推理，从所述存储模块41调取多个较优的对应模糊模型，并将其传输到所述模拟器44中进行模拟。

最后所述解模糊接口43将最优化的模糊模型传输到所述微控制器1，所述微控制器1将最优化的模糊模型转换为准确的控制参数，控制所述夹持平台20做出相应动作。其具体的如图6所示，所述微控制器1控制所述电机驱动单元35、所述气压传动单元36与所述机械执行单元37的运行状态，调控所述夹持平台20做出夹持、转动、拉伸的动过，其具体的过程属于自动化控制过程，不属于本发明的重点，因此在此不再赘述。

本发明的模糊控制系统使用时，根据所述模糊逻辑决策模块42选取最优化的模糊模型控制医疗机器人，产生的拉力会通过骨折病人的小臂传递到其大臂、接着传递到所述夹持平台20上，使所述夹持平台20上部会产生转动的趋势，但在所述夹持平台20之力传感器的作用下，并不会实际产生转动。同时，当大夫对病人骨折手臂进行正骨时，控制系统也可以实时判断出大夫的出力大小，提供一个可靠的受力数字量，这样控制系统就可以根据大夫的出力而对应调节所述夹持平台20加力的大小，实现了医疗机器人的柔性调节，使控制过程更加智能，并且增加了设备的安全性。此外，采用三环闭环算法控制驱动对应电机，还可以使伤者的手臂在安全范围内旋转，进而调整手臂的方向位置，使患者免受伤害，进一步丰富了机器的功能，免去了多余的人力劳动。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种用于医疗机器人的模糊控制系统，其包括用于设置在微控制器上的模糊推理器件，其特征在于，所述模糊推理器件包括用于输入模糊控制规则的外界交互模块，所述外界交互模块与一用于存储模糊模型的存储模块通信连接，所述存储模块与一用于确立模糊模型的模糊逻辑决策模块通信连接，所述存储模块、所述模糊逻辑决策模块均与一用于输入参数的模糊化接口通信连接，所述模糊逻辑决策模块还分别与模拟器、用于输出参数的解模糊接口通信连接，所述解模糊接口还与所述外界交互模块通信连接。

2.根据权利要求1所述的模糊控制系统，其特征在于，所述外界交互模块包括规则更新单元、隶属函数更新单元、状态信息单元；所述存储模块包括规则库单元与隶属函数单元，所述规则更新单元与所述规则库单元通信连接，所述隶属函数更新单元与所述隶属函数单元通信连接，所述状态信息单元与所述解模糊接口通信连接。

3.根据权利要求1所述的模糊控制系统，其特征在于，所述模糊控制系统还包括所述微控制器与夹持平台，所述微控制器分别与电机驱动单元、气压传动单元通信连接，所述电机驱动单元、所述气压传动单元均与医疗机器人的机械执行单元相连接，所述气压传动单元与所述夹持平台相连接，所述机械执行单元与所述夹持平台相连接，所述电机驱动单元用于控制所述机械执行单元产生偏转力，所述气压传动单元用于控制所述夹持平台产生拉伸力与夹持力；所述微控制器设置有一开关单元，用于控制所述电机驱动单元、所述气压传动单元的运行状态；所述微控制器通过所述模糊推理器件确定的模糊模型控制所述电机驱动单元、所述气压传动单元与所述机械执行单元的运行状态。

4.根据权利要求3所述的模糊控制系统，其特征在于，所述电机驱动单元包括第一隔离电路、模数转换电路与第二隔离电路，所述第一隔离电路、所述模数转换电路与所述第二隔离电路均与所述微控制器通信连接，所述第一隔离电路与第一驱动电路相连接，所述第一驱动电路与第一直流电机相连接，所述第一直流电机与所述机械执行单元相连接，所述第一直流电机配置有第一码盘，所述第一码盘与所述微控制器通信连接，所述第一驱动电路与所述第一直流电机之间接入第一电流采样电路，所述第一电流采样电路与所述模数转换电路相连接；所述第二隔离电路与第二驱动电路相连接，所述第二驱动电路与第二直流电机相连接，所述第二直流电机与所述机械执行单元相连接，所述第二直流电机配置有第二码盘，所述第二码盘与所述微控制器通信连接，所述第二驱动电路与所述第二直流电机之间接入第二电流采样电路，所述第二电流采样电路与所述模数转换电路相连接。

5.根据权利要求4所述的模糊控制系统，其特征在于，所述机械执行单元包括用于产生偏转力的齿轮传动机构以及用于粗调所述夹持平台的丝杠传动机构，所述第一直流电机与所述齿轮传动机构相连接，所述第二直流电机与所述丝杠传动机构相连接，所述齿轮传动机构、所述丝杠传动机构均与所述夹持平台相连接。

6.根据权利要求5所述的模糊控制系统，其特征在于，所述气压传动单元包括气源，所述气源依次与油水分离器、调压阀、油雾器相连通，所述油雾器分别与驱动气路、气囊调整气路相连通，所述驱动气路依次连通有五位三通阀、比例阀、气缸，所述气缸与所述夹持平台相连接；所述气囊调整气路依次连通有两位三通阀、减压阀、压力表与气囊；所述五位三通阀、所述两位三通阀均与所述微控制器的第一可编程逻辑模块通信连接，所述第一可编程逻辑模块通过一数模接口与所述比例阀通信连接，所述数模接口与所述微控制器的串行总线相连接；所述比例阀与所述气缸之间的所述驱动气路、所述压力表与所述气囊之间的气囊调整气路均与所述微控制器的模数接口通信连接。

7.一种如权利要求1所述模糊控制系统的实现方法，其包括以下步骤：

通过外界交互模块向存储模块传输模糊数据，在所述存储模块建立模糊模型，模糊逻辑决策模块根据模糊化接口的输入参数进行逻辑判断，所述模糊逻辑决策模块从所述存储模块调取对应模糊模型，并将对应模糊模型传输到模拟器中进行模拟，所述模拟器将模拟结果反馈给所述模糊逻辑决策模块，所述模糊逻辑决策模块选取最优化的模糊模型通过解模糊接口输出给微控制器。

8.根据权利要求7所述的实现方法，其特征在于，上述步骤还包括：

所述模糊逻辑决策模块将所述模糊化接口输入参数的精确值变换成其对应论域上自然语言描述的模糊集合。

9.根据权利要求8所述的实现方法，其特征在于，上述步骤具体的还包括：

所述模糊逻辑决策模块获得所述模糊集合，然后根据预先设定的模糊控制规则进行计算推理，从所述存储模块调取多个较优的对应模糊模型，并将其传输到所述模拟器中进行模拟。

10.根据权利要求9所述的实现方法，其特征在于，上述步骤具体的还包括：所述解模糊接口将最优化的模糊模型传输到所述微控制器，所述微控制器将最优化的模糊模型转换为准确的控制参数，控制夹持平台做出相应动作。