CN106726058A - 一种医疗机器人控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了医疗机器人控制系统，所述系统包括数据存储模块、微处理器、电机驱动单元、触摸屏、气压传动单元、机械执行单元；微控制器分别与电机驱动单元、气压传动单元连接，电机驱动单元、气压传动单元均与医疗机器人的手指控制单元相连接；电机驱动单元用于控制机械执行单元产生偏转力，气压传动单元用于控制手指运动平台产生拉伸力与夹持力；微控制器设置有一开关单元，控制电机驱动单元、气压传动单元的运行状态；用户通过触摸屏选择数据存储模块中的数据，微控制器通过读取相应数据控制电机驱动单元、气压传动单元与机械执行单元的运行状态。应用本发明，通过预先存储的控制数据控制机器人的手部动作，实现对患者进行精确治疗。

Description

一种医疗机器人控制系统

技术领域

本发明涉及医疗机技术领域，特别涉及一种医疗机器人控制系统。

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。

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。

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。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种医疗机器人控制系统，以预先存储的控制数据对实现机器人的动作控制，以实现对患者进行精确治疗的目的。

为达到上述目的，本发明实施例公开了一种医疗机器人控制系统，技术方案如下：所述系统包括数据存储模块、微处理器、电机驱动单元、触摸屏、气压传动单元、机械执行单元；

所述微控制器分别与所述电机驱动单元、所述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手指控制单元相连接；

所述机械执行单元与所述医疗机器人的手指运动平台相连接，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手指运动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；用户通过触摸屏选择所述数据存储模块中的相应数据，所述微控制器通过读取所述相应数据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。

可选的，所述触摸屏用于设置所述电机驱动单元和所述气压传动单元的控制参数。

可选的，所述电机驱动单元通过传动机构带动所述手指运动平台产生拉拽力；采用拉力传感器检测所述拉拽力的大小，并将所述拉拽力的大小信号处理后反馈至所述处理器。

可选的，所述电机驱动单元包括隔离电路、模数转换电路，所述隔离电路、所述模数转换电路与所述隔离电路均与所述微控制器通信连接。

可选的，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手指运动平台的丝杠传动机构，直流电机与所述齿轮传动机构相连接，所述齿轮传动机构、所述丝杠传动机构均与所述手指运动平台相连接。

可选的，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，所述气缸与所述手指运动平台相连接；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。

可选的，所述控制系统还包括数字控制器，其特征在于，所述数字控制器对力反馈值进行增量PI计算，输出作为电流环的目标值；所述数字控制器根据控制参数，电流环的目标值和电流反馈值进行增量PI计算，输出作为所述电机驱动单元的输入根据所述输入值，所述电机驱动模块控电机驱动单元值直流伺服电机输出给定转矩带动所述传动机构转动，所述传动机构带动所述手指运动平台转动力产生轴向拉拽力。

可选的，所述增量PI计算的公式为：

Δu(k)=Kp[e(k)-e(k-1)]+Kie(k)

其中，所述Δu（k）为增量PI，Kp为所述增量PI计算时的比例系数，所述Ki为所述增量PI计算时的积分系数，所述e为输入值和反馈值之间的差值，所述k为（1,2,3......）。

可选的，所述数字控制器还包括RS232接口电路，所述RS232接口电路块与所述触摸屏电气性连接，所述RS232接口电路还用于反馈所述末端拉力传感器数值的显示信息。

可选的，所述拉力传感器将检测所述拉拽力的大小经多通道采样取平均值和数字滤波后反馈至所述数字控制器的反馈量。

应用本发明实施例，所述系统包括数据存储模块、微处理器、电机驱动单元、触摸屏、气压传动单元、机械执行单元；所述微控制器分别与所述电机驱动单元、所述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手指控制单元相连接；所述机械执行单元与所述医疗机器人的手指运动平台相连接，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手指运动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；用户通过触摸屏选择所述数据存储模块中的相应数据，所述微控制器通过读取所述相应数据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。以预先存储的控制数据对实现机器人的动作控制，以实现对患者进行精确治疗的目的。

当然，实施本发明的任一产品或方法必不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种医疗机器人控制系统示意图。

图2为数字控制器工作流程图。

图3为触摸屏连接电路图。

图4为电机控制电路图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种医疗机器人控制系统示意图，以下进行详细说明。

参见图1，图1为本发明实施例提供的一种医疗机器人控制系统示意图；系统可以包括：数据存储模块、微处理器、电机驱动单元、触摸屏、气压传动单元、机械执行单元；微控制器分别与电机驱动单元、气压传动单元通信连接，电机驱动单元、气压传动单元均与医疗机器人的手指控制单元相连接；机械执行单元与医疗机器人的手指运动平台相连接，电机驱动单元用于控制机械执行单元产生偏转力，气压传动单元用于控制手指运动平台产生拉伸力与夹持力；微控制器设置有一开关单元，用于控制电机驱动单元、气压传动单元的运行状态；用户通过触摸屏选择数据存储模块中的相应数据，微控制器通过读取相应数据控制电机驱动单元、气压传动单元与机械执行单元的运行状态。处理器的型号可以是ATMEGA32，如图3和4所示，分别与处理器的LED_ctr和电机控制芯片的输出相连，电机控制芯片为LV8548MC，电机与控制芯片的输入端相连，输出直接连接到处理器的引脚

进一步地，触摸屏用于设置电机驱动单元和气压传动单元的控制参数。

进一步地，电机驱动单元通过传动机构带动手指运动平台产生拉拽力；采用拉力传感器检测拉拽力的大小，并将拉拽力的大小信号处理后反馈至处理器。

进一步地，电机驱动单元包括隔离电路、模数转换电路，隔离电路、模数转换电路与隔离电路均与微控制器通信连接。

隔离电路采用光电耦合器进行设计，模数转换电路可以采用A/D转换芯片进行控制，具体的连接方式为现有技术，本发明实施例在此不对其进行赘述。

进一步地，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手指运动平台的丝杠传动机构，直流电机与齿轮传动机构相连接，齿轮传动机构、丝杠传动机构均与手指运动平台相连接。

进一步地，气压传动单元包括气源，气源依次与油水分离器、调压阀、油雾器相连通，油雾器分别与驱动气路、气囊调整气路相连通，驱动气路依次连通有五位三通阀、比例阀、气缸，气缸与手指运动平台相连接；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；五位三通阀、两位三通阀均与微控制器的第一可编程逻辑模块通信连接，第一可编程逻辑模块通过一数模接口与比例阀通信连接，数模接口与微控制器的串行总线相连接；比例阀与气缸之间的驱动气路、压力表与气囊之间的气囊调整气路均与微控制器的模数接口通信连接。

进一步地，控制系统还包括数字控制器，其特征在于，数字控制器对力反馈值进行增量PI计算，输出作为电流环的目标值；数字控制器根据控制参数，电流环的目标值和电流反馈值进行增量PI计算，输出作为电机驱动单元的输入根据输入值，电机驱动模块控电机驱动单元值直流伺服电机输出给定转矩带动传动机构转动，传动机构带动手指运动平台转动力产生轴向拉拽力。

进一步地，所述增量PI计算的公式为：

Δu(k)=Kp[e(k)-e(k-1)]+Kie(k)

其中，所述Δu（k）为增量PI，Kp为所述增量PI计算时的比例系数，所述Ki为所述增量PI计算时的积分系数，所述e为输入值和反馈值之间的差值，所述k为（1,2,3......）。

进一步地，所述数字控制器还包括RS232接口电路，所述RS232接口电路块与所述触摸屏电气性连接，所述RS232接口电路还用于反馈所述末端拉力传感器数值的显示信息。

进一步地，所述拉力传感器将检测所述拉拽力的大小经多通道采样取平均值和数字滤波后反馈至所述数字控制器的反馈量。

参见图2，图2为数字控制器工作流程图。具体包括：通过数字控制器获取触摸屏上的控制参数；数字控制器根据控制参数设定电机控制参数；数字控制器根据控制信息判断直流电机是否受控；若是，数字控制器采读取末端拉力传感器反馈的拉力值和电流传感器反馈的电流值；数字控制器根据控制参数，结合反馈的拉力值进行增量PI计算，输出作为电流环的目标值；数字控制器根据控制参数，电流环的目标值和电流反馈值进行增量PI计算，输出作为电机驱动单元的输入。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

本领域普通技术人员可以理解实现上述方法实施方式中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可以存储于计算机可读取存储介质中，这里所称得的存储介质，如：ROM/RAM、磁碟、光盘等。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种医疗机器人控制系统，其特征在于，所述系统包括数据存储模块、微处理器、电机驱动单元、触摸屏、气压传动单元、机械执行单元；

所述微控制器分别与所述电机驱动单元、所述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手指控制单元相连接；

所述机械执行单元与所述医疗机器人的手指运动平台相连接，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手指运动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；用户通过触摸屏选择所述数据存储模块中的相应数据，所述微控制器通过读取所述相应数据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。

2.根据权利要求1所述的一种医疗机器人控制系统，其特征在于，所述触摸屏用于设置所述电机驱动单元和所述气压传动单元的控制参数。

3.根据权利要求1所述的一种医疗机器人控制系统，其特征在于，所述电机驱动单元通过传动机构带动所述手指运动平台产生拉拽力；采用拉力传感器检测所述拉拽力的大小，并将所述拉拽力的大小信号处理后反馈至所述处理器。

4.根据权利要求3所述的一种医疗机器人控制系统，其特征在于，所述电机驱动单元包括隔离电路、模数转换电路，所述隔离电路、所述模数转换电路与所述隔离电路均与所述微控制器通信连接。

5.根据权利要求1所述的一种医疗机器人控制系统，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手指运动平台的丝杠传动机构，直流电机与所述齿轮传动机构相连接，所述齿轮传动机构、所述丝杠传动机构均与所述手指运动平台相连接。

6.根据权利要求5所述的一种医疗机器人控制系统，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，所述气缸与所述手指运动平台相连接；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.根据权利要求1所述的一种医疗机器人控制系统，其特征在于，所述控制系统还包括数字控制器，其特征在于，所述数字控制器对所述加持力反馈值进行增量PI计算，输出作为电流环的目标值；所述数字控制器根据控制参数，电流环的目标值和电流反馈值进行增量PI计算，输出作为所述电机驱动单元的输入根据所述输入值，所述电机驱动模块控电机驱动单元值直流伺服电机输出给定转矩带动所述传动机构转动，所述传动机构带动所述手指运动平台转动力产生轴向拉拽力。

8.根据权利要求7所述的一种医疗机器人控制系统，其特征在于，所述增量PI计算的公式为：Δu(k)=Kp[e(k)-e(k-1)]+Kie(k)，其中，所述Δu（k）为增量PI，Kp为所述增量PI计算时的比例系数，所述Ki为所述增量PI计算时的积分系数，所述e为输入值和反馈值之间的差值，所述k为（1,2,3......）。

9.根据权利要求7-8任一项所述的一种医疗机器人控制系统，其特征在于，所述数字控制器还包括RS232接口电路，所述RS232接口电路块与所述触摸屏电气性连接，所述RS232接口电路还用于反馈所述末端拉力传感器数值的显示信息。

10.根据权利要求3所述的一种医疗机器人控制系统，其特征在于，所述拉力传感器将检测所述拉拽力的大小经多通道采样取平均值和数字滤波后反馈至所述数字控制器的反馈量。