CN104626163B - 骨科机械手的整体控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种骨科机械手的整体控制系统，DSP核心控制板为核心控制部分，接收所述触摸屏信号；DSP核心控制板控制牵引机构旋转运动模块、牵引机构直线运动模块的转动；DSP核心控制板控制力控制模块，用于实现牵引和拉拽。本发明运用电机三环控制，实现了牵引机构旋转运动部分电机和牵引机构直线运动部分电机；运用一个微型气泵和气缸提供动力源，通过电压控制气阀的开度，实现了力的控制。实现了传统骨科矫正过程中，对患者手臂的牵引和拉拽，可以省去传统骨科手术过程中的一名专门负责牵引和拉拽的医生。利用先进的控制技术使该机械手远远大于人手的控制精度。能够替代正骨治疗中负责拉伸的医生完成所有的工作，并且可以稳定、可靠的运行。

Description

骨科机械手的整体控制系统

技术领域

本发明涉及医疗设备技术领域，具体涉及一种用于骨科矫正手术中的骨科机械手的整体控制系统。

背景技术

随着自动化、电子等领域的发展，以及医疗手术对先进设备的需求，越来越多的机械人开始应用在医疗手术系统中--医疗机器人。现有医疗机器人主要包括外科手术机器人、医疗陪护机器人等，上述机器人得使用大大的提高了医疗手术的精度、稳定性及安全性。

目前，在小臂骨折矫正过程中，除一名医生进行正骨、接骨、打石膏等操作，还需要一名医生，其主要是对患者手臂进行牵引、拉拽。其中，进行牵引、拉拽操作的医生主要依靠其体力进行操作，技术含低，同时由于正骨、接骨、打石膏需要较长时间，至少需要几十分钟，因此在矫正过程中，对于医生的体力也有很大的消耗。针对上述小臂骨折矫正过程中存在的不足，非常有必要研制一种设备替代其中做拉升工作的医生。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于提供一种骨科机械手的整体控制系统，稳定、可靠的运行。

本发明的技术方案包括一种骨科机械手的整体控制系统，包括触摸屏、DSP核心控制板、牵引机构旋转运动模块、牵引机构直线运动模块、力控制模块；所述DSP核心控制板分别与所述触摸屏、牵引机构旋转运动模块、牵引机构直线运动模块、力控制模块连接；所述DSP核心控制板为核心控制部分，接收所述触摸屏信号；所述DSP核心控制板控制牵引机构旋转运动模块、牵引机构直线运动模块的转动；所述DSP核心控制板控制力控制模块，用于实现牵引和拉拽。

优选地，所述DSP核心控制板包括SCI通信电路、AD转换电路、DA转换电路、直流电机驱动电路、QEP采集电路、GPIO驱动；所述SCI通信电路，用于和触摸屏的通信；所述AD转换电路，用于电机三环控制中电流的采样、气阀控制中压力的采样、气阀控制中DA输出的回路采样；所述DA转换电路，用于控制气动电磁的开度；所述QEP采集电路，用于采集电机运动过程中的码盘值；所述直流电机驱动电路，用于控制牵引机构旋转运动电机和牵引机构直线运动电机的转动；所述GPIO驱动包括气动电磁阀的开关控制、机械限位传感器的信号反馈及系统的急停。

优选地，所述气阀的开度根据DA转换电路输出电压的大小变化而变化。

优选地，所述力控制模块包括用于提供动力源的微型气泵和气缸、气动电磁，所述气动阀通过电压控制开度。

优选地，所述牵引机构旋转运动模块包括牵引机构旋转运动电机和用于牵引机构旋转运动电机的控制单元，所述牵引机构直线运动模块包括牵引机构旋转运动电机和用于牵引机构旋转运动电机的控制单元。

优选地，所述牵引机构旋转运动电机、牵引机构直线运动电机的控制单元采用三环控制，包括电流环、速度环和位置环定位控制。

优选地，所述三环控制包括：

S1、路径规划：采用T型速度规划，包括匀加速、匀速、匀减速；

S2、均值滤波：一个采样周期内输入的采样数据位4个，因此采用算术平均值滤波，公式如下：

$y=\frac{1}{4}\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i;$

S3、M法测速：速度环的采样周期为1ms，单位时间内编码器的脉冲增量，采用M法测速，公式如下：

$n=\frac{60M_1}{Z{T}_c}$

其中，n为电动机的转速，单位为r/min；Z为电动机每转一圈产生的脉冲个数，是已知值；T_c为采样周期为0.001s，M₁采样周期内德脉冲增量；

S4、位置值计算：位置值的增量为：

$\mathrm{\Δ\θ}=\frac{2\mathrm{\π}{M}_1}{Z}$

可得每一时刻的位置值为：

$\mathrm{\θ}(k+1)=\frac{2\mathrm{\π}{M}_1}{Z}+\mathrm{\θ}\left(k\right);$

S5、PI控制算法：每个环都采用增量式PI调节，其算法为：

Δu(k)＝K_p[e(k)-e(k-1)]+K_ie(k)。

本发明的有益效果包括：运用电机三环控制，实现了牵引机构旋转运动部分电机和牵引机构直线运动部分电机；运用一个微型气泵和气缸提供动力源，通过电压控制气阀的开度，实现了力的控制。实现了传统骨科矫正过程中，对患者手臂的牵引和拉拽，可以省去传统骨科手术过程中的一名专门负责牵引和拉拽的医生。利用先进的控制技术使该机械手远远大于人手的控制精度。能够替代正骨治疗中负责拉伸的医生完成所有的工作，并且可以稳定、可靠的运行。

附图说明

图1为本发明实施例提供整体控制系统的控制系统框图。

图2为本发明实施例提供整体控制系统的软件架构图。

图3为本发明实施例提供整体控制系统的程序流程图。

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。

如图1所示，本发明提供一种骨科机械手的整体控制系统，包括触摸屏、DSP（digital singnal processor，微处理器）核心控制板、牵引机构旋转运动模块、牵引机构直线运动模块、力控制模块；所述DSP核心控制板分别与所述触摸屏、牵引机构旋转运动模块、牵引机构直线运动模块、力控制模块连接；所述DSP核心控制板为核心控制部分，接收所述触摸屏信号；所述DSP核心控制板控制牵引机构旋转运动模块、牵引机构直线运动模块的转动；所述DSP核心控制板控制力控制模块，用于实现牵引和拉拽。

其中，触摸屏是基于Modbus总线，每个触摸屏上的按键和输出显示都对应一个地址。当触摸屏上某个键被触发时，通过SCI（串口通信），向DSP发送指令和数据，DSP根据Modbus总线协议，对收到的数据进行校验，提取出相应的触发地址和相应数据，根据已经定义的地址功能，对外围模块进行相应的控制；当DSP向触摸屏发送数据时，根据事先定义的某个地址对应的相应显示，向相应的地址发送相应的数据信息，触摸屏接收到后，根据Modbus协议进行解码，在相应地址上显示出正确信息。

本发明运用电机三环控制，实现了牵引机构旋转运动部分电机和牵引机构直线运动部分电机；运用一个微型气泵和气缸提供动力源，通过电压控制气阀的开度，实现了力的控制。实现了传统骨科矫正过程中，对患者手臂的牵引和拉拽，可以省去传统骨科手术过程中的一名专门负责牵引和拉拽的医生。利用先进的控制技术使该机械手远远大于人手的控制精度。能够替代正骨治疗中负责拉伸的医生完成所有的工作，并且可以稳定、可靠的运行。

本发明一实施例优选地，所述DSP（TMS320F2812控制板）核心控制板采用TI公司的DSP，操作系统采用DSP/BIOS操纵系统。其包括SCI通信电路、AD转换电路、DA转换电路、直流电机驱动电路、QEP（QuadratureEncoderPulse，正交编码脉冲电路）采集电路、GPIO（GeneralPurpose Input Output，通用输入/输出）驱动；所述SCI通信电路，用于和触摸屏的通信；所述AD转换电路，用于电机三环控制中电流的采样、气阀控制中压力的采样、气阀控制中DA输出的回路采样；所述DA转换电路，用于控制气动电磁的开度；所述QEP采集电路，用于采集电机运动过程中的码盘值；所述直流电机驱动电路，用于控制牵引机构旋转运动电机和牵引机构直线运动电机的转动；所述GPIO驱动包括气动电磁阀的开关控制、机械限位传感器的信号反馈及系统的急停。

触摸屏和DSP核心控制板之间采用Modbus通信协议，触摸屏作为系统的上位机，DSP作为系统下位机，两者通过SCI通信电路进行实时通信。

优选地，所述气阀的开度根据DA转换电路输出电压的大小变化而变化。

优选地，所述力控制模块包括用于提供动力源的微型气泵和气缸、气动电磁，所述气动阀通过电压控制开度。

优选地，所述牵引机构旋转运动模块包括牵引机构旋转运动电机和用于牵引机构旋转运动电机的控制单元，所述牵引机构直线运动模块包括牵引机构旋转运动电机和用于牵引机构旋转运动电机的控制单元。

优选地，所述牵引机构旋转运动电机、牵引机构直线运动电机的控制单元采用三环控制，包括电流环、速度环和位置环定位控制。

如图2所示，功能模块包括：

1、触摸屏：触摸屏通过SCI串口与DSP核心控制板进行通行。DSP软件中驱动层完成SCI驱动，硬件中断层将通过SCI输入的数据存入缓冲区，任务层中的Task0完成SCI输入信息处理任务，Task1完成SCI信息输出任务。

2、力控制模块：为保证实时控制，气阀控制在软件中断层实现。通过获得定时器1释放的信号量，周期执行气阀控制程序。将气阀控制值输出至DA转换电路，并定时读取DA输出值和末端力传感器输出值，完成DA输出监测和力保护功能。

3、电机模块：电机控制采用三环控制实现，为保证实时控制，三环控制算法均在软件中断中完成。

速度环和位置环的启动信号由定时器2在硬件中断中提供，定时器2中断周期为1ms；电流环的启动信号由定时器1在硬件中断中提供，定时器1中断周期为200us。在电流环控制和速度环控制中增加输出值限值功能，保证安全。

4、I/O模块：该I/O模块外接限位和按钮，采用定时查询方式读取其状态，定时信号由定时器2通过释放信号量实现。

优选地，所述三环控制包括：

S1、路径规划：采用T型速度规划，包括匀加速、匀速、匀减速；

S2、均值滤波：一个采样周期内输入的采样数据位4个，因此采用算术平均值滤波，公式如下：

$y=\frac{1}{4}\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i;$

S3、M法测速：速度环的采样周期为1ms，单位时间内编码器的脉冲增量，采用M法测速，公式如下：

$n=\frac{60M_1}{Z{T}_c}$

其中，n为电动机的转速，单位为r/min；Z为电动机每转一圈产生的脉冲个数，是已知值；T_c为采样周期为0.001s，M₁采样周期内德脉冲增量；

S4、位置值计算：位置值的增量为：

$\mathrm{\Δ\θ}=\frac{2\mathrm{\π}{M}_1}{Z}$

可得每一时刻的位置值为：

$\mathrm{\θ}(k+1)=\frac{2\mathrm{\π}{M}_1}{Z}+\mathrm{\θ}\left(k\right);$

S5、PI控制算法：每个环都采用增量式PI调节，其算法为：

Δu(k)＝K_p[e(k)-e(k-1)]+K_ie(k)。

如图3所示，骨科机械手的控制流程如下：

11、上电后，对系统、Modbus总线协议、IO进行初始化；

12、DSP通过SCI串口，实时监测触摸屏是否向其发送指令和数据；

13、如果DSP监测到触摸屏向其发送指令数据，则根据Modbus协议，解析指令和数据信息；

14、根据解析信息，判断系统将进行的相关操作，

如果是进行牵引机构旋转运动，则控制牵引机构旋转电机进行运动；

如果是进行牵引机构直线运动，则控制牵引机构直线电机进行运动；

如果是进行牵引力微调，则调节气动阀进行牵引力的微调；

15、如果在牵引机构旋转运动或者牵引机构直线运动过程中，触发了限位信号，则系统对当前的运动进行立即停止。

综上，本发明实施例的骨科机械手的整体控制系统具体为：

21、将患者手臂放于手术床架上，由医生通过气囊将患者的手腕固定，操作触摸屏上的相应按键对本骨科机械手系统进行操作，同时观测由控制系统反馈至触摸屏的相关系统数据。

22、患者手腕固定后，操作牵引机构旋转运动模块，将患者的手臂旋转到合适于手术的位置，进行手腕姿态定位。其中，在牵引机构旋转运动控制中，采用直流电机的三环控制，采集电机运动过程中的电流值和码盘值，根据实时采样的电流值和码盘值对电机进行三环控制。

23、对手腕进行姿态定位后，操作牵引机构直线运动模块，对手腕进行牵引和拉拽，将手臂和手腕固定于合适的直线位置。

24、利用牵引机构旋转运动模块和牵引机构直线运动模块对手腕和手臂进行基本位置固定后，利用力控制模块对手腕的牵引力和拉拽力的大小进行相应的控制。其中，本系统力控制模块采用气动方式，通过电压控制气阀的开度，从而实现力的控制。

以上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 (6)

1.一种骨科机械手的整体控制系统，其特征在于，包括触摸屏、DSP核心控制板、牵引机构旋转运动模块、牵引机构直线运动模块、力控制模块；所述DSP核心控制板分别与所述触摸屏、牵引机构旋转运动模块、牵引机构直线运动模块、力控制模块连接；

所述DSP核心控制板为核心控制部分，接收所述触摸屏信号；

所述DSP核心控制板控制牵引机构旋转运动模块、牵引机构直线运动模块的转动，实现牵引和拉拽运动；

所述DSP核心控制板控制力控制模块，用于实现牵引和拉拽运动中的力控制；

所述力控制模块包括用于提供动力源的微型气泵和气缸，通过DA转换电路输出电压控制气阀的开度，实现力控制功能。

2.根据权利要求1所述的整体控制系统，其特征在于，所述DSP核心控制板包括SCI通信电路、AD转换电路、DA转换电路、直流电机驱动电路、QEP采集电路、GPIO驱动；

所述SCI通信电路，用于和触摸屏的通信；

所述AD转换电路，用于电机三环控制中电流的采样、气阀控制中压力的采样、气阀控制中DA输出的回路采样；

所述DA转换电路，用于控制气动电磁的开度；

所述QEP采集电路，用于采集电机运动过程中的码盘值；

所述直流电机驱动电路，用于控制牵引机构旋转运动电机和牵引机构直线运动电机的转动；

所述GPIO驱动包括气动电磁阀的开关控制、机械限位传感器的信号反馈及系统的急停。

3.根据权利要求2所述的整体控制系统，其特征在于，所述气阀的开度根据DA转换电路输出电压的大小变化而变化。

4.根据权利要求1所述的整体控制系统，其特征在于，所述牵引机构旋转运动模块包括牵引机构旋转运动电机和用于牵引机构旋转运动电机的控制单元，所述牵引机构直线运动模块包括牵引机构旋转运动电机和用于牵引机构旋转运动电机的控制单元。

5.根据权利要求4所述的整体控制系统，其特征在于，所述牵引机构旋转运动电机、牵引机构直线运动电机的控制单元采用三环控制，包括电流环、速度环和位置环定位控制。

6.根据权利要求5所述的整体控制系统，其特征在于，所述三环控制包括：

S1、路径规划：采用T型速度规划，包括匀加速、匀速、匀减速；

S2、均值滤波：一个采样周期内输入的采样数据位4个，因此采用算术平均值滤波，公式如下：

$y=\frac{1}{4}\underset{i=1}{\overset{4}{\Σ}}{x}_i;$

S3、M法测速：速度环的采样周期为1ms，单位时间内编码器的脉冲增量，采用M法测速，公式如下：

$n=\frac{60M_1}{{\mathrm{ZT}}_c}$

其中，n为电动机的转速，单位为r/min；Z为电动机每转一圈产生的脉冲个数，是已知值；T_c为采样周期为0.001s，M₁采样周期内德脉冲增量；

S4、位置值计算：位置值的增量为：

$\mathrm{\Δ}\mathrm{\θ}=\frac{2{\mathrm{\πM}}_1}{Z}$

可得每一时刻的位置值为：

$\mathrm{\θ}(k+1)=\frac{2{\mathrm{\πM}}_1}{Z}+\mathrm{\θ}\left(k\right);$

S5、PI控制算法：每个环都采用增量式PI调节，其算法为：

Δu(k)＝K_p[e(k)-e(k-1)]+K_ie(k)。