CN110934679A - 一种基于气动肌肉的恒力牵引控制系统 - Google Patents

一种基于气动肌肉的恒力牵引控制系统 Download PDF

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Abstract

本发明实施例提供一种基于气动肌肉的恒力牵引控制系统，该系统包括力传感器、气动肌肉、处理模块和气动驱动控制模块，其中：力传感器，用于获取气动肌肉的实时牵引力；气动肌肉，用于通过气动驱动控制模块提供的压缩空气，产生牵引力，气动肌肉的前端连接力传感器；处理模块，用于将实时牵引力和预设牵引力进行对比，并通过逐次逼近法对比较结果进行处理，得到气动肌肉的单次气压变化量；气动驱动控制模块，用于对气动肌肉进行供压和气压监控，并根据单次气压变压量对气动肌肉的实时牵引力进行调整，若调整后的实时牵引力和预设牵引力相同，则完成气动肌肉的恒力牵引控制。本发明实施例有效改善气动肌肉的牵引效果。

Description

一种基于气动肌肉的恒力牵引控制系统
技术领域
本发明涉及气动肌肉仿生技术领域，尤其涉及一种基于气动肌肉的恒力牵引控制系统。
背景技术
随着科技的进步与经济的发展，骨折已经成为生活中常见的伤害之一。骨折在交通事故、高处坠落、地震中较为常见，儿童和老人为骨折的高发人群。据调查，60岁以上的老年人骨折发生率接近三分之一。发生骨折的过程中，常伴有软组织损伤、血管破裂及剧烈疼痛，严重时可能引发大量出血，内脏严重损伤，甚至危及生命。
针对骨折复位治疗，至关重要的一步是解决术中的牵引问题。传统的骨折复位手术采用人力牵引的方式，需要克服较大的软组织约束力，牵引完全依赖医生的经验，长时间的手术牵引极大地消耗了医生的体力，牵引效果不稳定；骨科牵引床则通过机械装置放大了力的效果，增强了牵引的稳定性，但是，骨科牵引床采用刚性牵引的牵引方式，少了医生与患者直接接触的牵引效果感受，安全性降低，过度牵引可能造成韧带撕裂，长时间牵引会造成肌肉疼痛不适等问题。同时，骨科牵引床体积较大，占用手术空间，约束医生的手术操作。
由于现有的两种方式都无法实现动态稳定的恒力牵引。因此，现在亟需一种基于气动肌肉的恒力牵引控制系统来解决上述问题。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明实施例提供一种基于气动肌肉的恒力牵引控制系统。
本发明实施例提供了一种基于气动肌肉的恒力牵引控制系统，包括力传感器、气动肌肉、处理模块和气动驱动控制模块，其中：
所述力传感器，用于获取气动肌肉的实时牵引力，并将所述实时牵引力发送到所述处理模块；
所述气动肌肉，用于通过所述气动驱动控制模块提供的压缩空气，产生牵引力，所述气动肌肉的前端连接所述力传感器；
所述处理模块设置在上位机中，用于将所述实时牵引力和预设牵引力进行对比，并通过逐次逼近法对比较结果进行处理，得到所述气动肌肉的单次气压变化量；
所述气动驱动控制模块的气口通过气管连接所述气动肌肉的后端气口，用于对所述气动肌肉进行供压和气压监控，并根据所述单次气压变压量对所述气动肌肉的实时牵引力进行调整，若调整后的实时牵引力和所述预设牵引力相同，则完成所述气动肌肉的恒力牵引控制。
进一步地，所述系统还包括：拉绳位移传感器，所述拉绳位移传感器通过导线和所述气动肌肉的两端进行连接，用于测量所述气动肌肉在拉伸和收缩时的实时行程。
进一步地，所述拉绳位移传感器包括：位移保护单元，用于对所述气动肌肉的拉伸和收缩的位移进行控制，以使得所述实时行程不大于最大预设牵引位移。
进一步地，所述位移保护单元具体用于：
若所述气动肌肉的实时行程不大于所述最大预设牵引位移时，则保持所述气动肌肉的当前气压值；
若所述气动肌肉的实时行程大于所述最大预设牵引位移时，则对所述气动肌肉进行减压，以使得所述气动肌肉的实时行程减小。
进一步地，所述气动驱动控制模块包括第一气动驱动单元、第二气动驱动单元和第三气动驱动单元，其中：
所述第一气动驱动单元，用于当所述实时牵引力小于所述预设牵引力时，对所述气动肌肉进行加压，以使得所述气动肌肉收缩，从而增大牵引力；
所述第二气动驱动单元，用于当所述实时牵引力等于所述预设牵引力时，维持所述气动肌肉的当前气压，以使得牵引力保持不变；
所述第三气动驱动单元，用于当所述实时牵引力大于所述预设牵引力时，对所述气动肌肉进行减压，以使得所述气动肌肉伸长，从而减小牵引力。
进一步地，所述气动驱动控制模块是通过经典PID控制算法，根据所述单次气压变压量对所述气动肌肉的实时牵引力进行调整。
进一步地，所述处理模块包括：
第一处理单元，用于获取最大预设牵引位移对应的最大气压值Pmax；
第二处理单元，用于根据所述最大气压值Pmax，通过逐次逼近法获取单次气压变化量ΔPN，所述第二处理单元具体用于：
步骤S1，对所述最大气压值Pmax进行N等分，得到单次气压初始值
Figure BDA0002289952200000031
其中，
Figure BDA0002289952200000032
表示预设的单次最大气压调节量；
步骤S2，将所述单次气压初始值P0对应的牵引力
Figure BDA0002289952200000036
和所述预设牵引力Fs进行对比，若
Figure BDA0002289952200000033
则
Figure BDA0002289952200000037
若
Figure BDA0002289952200000038
则
Figure BDA0002289952200000035
以根据对比结果得到本次单次气压值P1；
步骤S3，将本次单次气压值P1对应的牵引力
Figure BDA0002289952200000039
和所述预设牵引力Fs进行对比，若
Figure BDA00022899522000000310
则P1＝P2，并根据单次气压变化量ΔP1对所述气动肌肉的实时牵引力进行调整；否则，将本次单次气压值P1作为下一次迭代的单次气压初始值，再次执行步骤S2，直到
Figure BDA00022899522000000311
以根据得到的单次气压变化量ΔPN对所述气动肌肉的实时牵引力进行调整。
进一步地，所述第二处理单元还用于：
在通过逐次逼近法对所述气动肌肉的实时牵引力进行调整之后，所述气动肌肉的实时牵引力与所述预设牵引力相等时，若所述恒力牵引控制系统出现微扰动，则通过单次气压变化量对所述实时牵引力进行调整。
本发明实施例提供的一种基于气动肌肉的恒力牵引控制系统，通过力传感器的实时反馈，采用逐次逼近法实现气压控制，可以克服气动肌肉的非线性和时变特性，同时应对骨折复位手术中，复杂的软组织的力学变化情况，获得动态稳定的恒力牵引，有效改善牵引效果，辅助医生完成精确复位。
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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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基于气动肌肉的恒力牵引控制系统的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的气动肌腱牵引力位移和气压的曲线关系示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。
气动肌肉牵引是一种更适合临床手术的骨折复位牵引方式。气动肌肉是由拉伸材料制成的一个膜片收缩系统，通过压缩空气驱动，具有功率/重量比高，功率/体积比大等优点，占用手术空间少，柔顺性好。气动肌肉产生的弹性形变能够保证医生操作的灵活性，实现气动肌肉的恒力牵引能够对抗肌肉、肌腱等软组织较大的约束力，同时适于应对肌肉的粘弹特性造成的牵引过程中出现的肌肉应力松弛现象。
然而，气动肌肉虽然特性优越，但应用存在以下技术难点：工作特性曲线具有强非线性和时变特性，难以进行精确的建模。采用传统控制方式时，需要使用较精确的数学模型，但当应用于骨折牵引时，行程与负载同时发生变化，且变化是复杂的，非线性的，综合影响更是难以预测，因此给气动肌肉的应用带来巨大的挑战。
图1为本发明实施例提供的基于气动肌肉的恒力牵引控制系统的结构示意图，如图1所示，本发明实施例提供了一种基于气动肌肉的恒力牵引控制系统，包括力传感器101、气动肌肉102、处理模块103和气动驱动控制模块104，其中：
所述力传感器101，用于获取气动肌肉102的实时牵引力，并将所述实时牵引力发送到所述处理模块103；
所述气动肌肉102，用于通过所述气动驱动控制模块104提供的压缩空气，产生牵引力，所述气动肌肉102的前端连接所述力传感器101；
所述处理模块103设置在上位机中，用于将所述实时牵引力和预设牵引力进行对比，并通过逐次逼近法对比较结果进行处理，得到所述气动肌肉102的单次气压变化量；
所述气动驱动控制模块104的气口通过气管105连接所述气动肌肉102的后端气口106，用于对所述气动肌肉102进行供压和气压监控，并根据所述单次气压变压量对所述气动肌肉102的实时牵引力进行调整，若调整后的实时牵引力和所述预设牵引力相同，则完成所述气动肌肉102的恒力牵引控制。
在本发明实施例中，可参考图1所示，气动肌肉102的前端与力传感器101连接，F为气动肌肉102对抗的负载，力传感器101测量气动肌肉102中气动肌腱的实时牵引力；力传感器101将测量得到的实时牵引力数据，通过有线传输或无线传输的方式，发送到设置在上位机中的处理模块103，处理模块103在获取到实时牵引力数据之后，将该数据与预设牵引力数据进行比较，并根据比较结果，生成相应的气压控制指令，再将该气压控制指令发送到气动驱动控制模块104；气动驱动控制模块104在接收到气压控制指令之后，通过气管105将调整后气压从气动肌肉102的后端气口106供给到气动肌肉102，实现气动肌肉102的供压、气压控制和气压监测。
优选地，在本发明实施例中，基于气动肌肉的恒力牵引控制系统还包括：拉绳位移传感器107，所述拉绳位移传感器107通过导线和所述气动肌肉102的两端进行连接，用于测量所述气动肌肉102在拉伸和收缩时的实时行程。
进一步地，在上述实施例的基础上，所述拉绳位移传感器107包括：位移保护单元，用于对所述气动肌肉102的拉伸和收缩的位移进行控制，以使得所述实时行程不大于最大预设牵引位移。
具体地，在上述实施例的基础上，所述位移保护单元具体用于：
若所述气动肌肉102的实时行程不大于所述最大预设牵引位移时，则保持所述气动肌肉102的当前气压值；
若所述气动肌肉102的实时行程大于所述最大预设牵引位移时，则对所述气动肌肉102进行减压，以使得所述气动肌肉102的实时行程减小。通过在气动肌肉102的前后端安装拉绳位移传感器107，从而测定气动肌肉102的实时行程，保证实时行程小于最大预设牵引位移，使得气动肌肉102实现了自适应保护，避免了过度伸长或收缩。
本发明实施例提供的一种基于气动肌肉的恒力牵引控制系统，通过力传感器的实时反馈，采用逐次逼近法实现气压控制，可以克服气动肌肉的非线性和时变特性，同时应对骨折复位手术中，复杂的软组织的力学变化情况，获得动态稳定的恒力牵引，有效改善牵引效果，辅助医生完成精确复位。
在上述实施例的基础上，所述气动驱动控制模块104包括第一气动驱动单元、第二气动驱动单元和第三气动驱动单元，其中：
所述第一气动驱动单元，用于当所述实时牵引力小于所述预设牵引力时，对所述气动肌肉102进行加压，以使得所述气动肌肉102收缩，从而增大牵引力；
所述第二气动驱动单元，用于当所述实时牵引力等于所述预设牵引力时，维持所述气动肌肉102的当前气压，以使得牵引力保持不变；
所述第三气动驱动单元，用于当所述实时牵引力大于所述预设牵引力时，对所述气动肌肉102进行减压，以使得所述气动肌肉102伸长，从而减小牵引力。
在上述实施例的基础上，所述气动驱动控制模块104是通过经典PID控制算法，根据所述单次气压变压量对所述气动肌肉102的实时牵引力进行调整。
在本发明实施例中，根据经典PID(Proportion Integral Differential，简称PID)控制算法对所述气动肌肉102的实时牵引力进行调整，其中，经典PID算法的运动方程为：
Figure BDA0002289952200000071
对应的传递函数为：
Figure BDA0002289952200000072
其中，Kp表示比例系数，Ti表示可调时间积分常数，τ表示微分时间常数，e(t)表示输入，m(t)表示输出。在本发明实施例中，气动驱动控制模块104通过PID控制算法进行气压控制，可以提高基于气动肌肉的恒力牵引控制系统的稳态性能和动态性能。其中，Kp、Ti和τ这三个参数的确定依赖于经验判断，通过不同的PID参数组合以及多组实验归纳分析，得到适用于本系统的最佳Kp、Ti和τ参数，以提高系统的响应速度及稳定性。
在上述实施例的基础上，所述处理模块103包括：
第一处理单元，用于获取最大预设牵引位移对应的最大气压值Pmax。
在本发明实施例中，图2为本发明实施例提供的气动肌腱牵引力位移和气压的曲线关系示意图，可参考图2所示，在气动肌肉102的最大预设牵引位移设置之后，相应地，根据现有的气动肌腱牵引力位移和气压曲线关系的数学模型，可以得到该最大预设牵引位移对应的最大气压值Pmax。
第二处理单元，用于根据所述最大气压值Pmax，通过逐次逼近法获取单次气压变化量ΔPN，在本发明实施例中，已知气动肌肉102的牵引力与负载相等，即气动肌肉102的实时行程与牵引位移相等，根据预设牵引力Fs，从上述实施例提供的现有的气动肌腱牵引力位移和气压曲线关系的数学模型中，获取对应的负载曲线，即在固定负载下，获取气动肌肉气压P与行程x的关系。在本发明实施例中，最大预设牵引位移xmax是已知的，从而根据最大预设牵引位移xmax确定对应的最大气压值Pmax，采用N分逼近法确定单次气压变化量，所述第二处理单元具体用于：
步骤S1，对所述最大气压值Pmax进行N等分，得到单次气压初始值
Figure BDA0002289952200000081
其中，
Figure BDA00022899522000000812
表示预设的单次最大气压调节量；
步骤S2，将所述单次气压初始值P0对应的牵引力
Figure BDA0002289952200000082
和所述预设牵引力Fs进行对比，若
Figure BDA0002289952200000083
则
Figure BDA0002289952200000084
若
Figure BDA0002289952200000085
则
Figure BDA0002289952200000086
以根据对比结果得到本次单次气压值P1；
步骤S3，将本次单次气压值P1对应的牵引力
Figure BDA0002289952200000087
和所述预设牵引力Fs进行对比，若
Figure BDA0002289952200000088
则P1＝P2，并根据单次气压变化量ΔP1对所述气动肌肉的实时牵引力进行调整；否则，将本次单次气压值P1作为下一次迭代的单次气压初始值，再次执行步骤S2，直到
Figure BDA0002289952200000089
以根据得到的单次气压变化量ΔPN对所述气动肌肉102的实时牵引力进行调整。
在本发明实施例中，N的取值由最大气压值Pmax和
Figure BDA00022899522000000810
决定，
Figure BDA00022899522000000811
为预设的单次最大气压调节量，以保证该气压变化量下牵引力的单次变化不会对患者造成二次伤害。
在上述实施例的基础上，对预设牵引力Fs进行修改，得到修改后的预设牵引力F′s时，在上述实施例提供的N分逼近法的基础上：
P′0＝PN
以使得在实际应用时，针对预设牵引力的变更，也可以快速进行新的牵引力调整。
在上述实施例的基础上，所述第二处理单元还用于：
在通过逐次逼近法对所述气动肌肉的实时牵引力进行调整之后，所述气动肌肉的实时牵引力与所述预设牵引力相等时，若所述恒力牵引控制系统出现微扰动，则通过单次气压变化量对所述实时牵引力进行调整。
在本发明实施例中，在完成恒力牵引控制之后，若出现微扰动，则根据实时牵引力的变化，进行相应的调整，具体为：
若当前的实时牵引力
Figure BDA0002289952200000091
大于预设牵引力Fs时，则PN+1＝PN-ΔPN；
若当前的实时牵引力
Figure BDA0002289952200000092
小于预设牵引力Fs时,则PN+1＝PN+ΔPN；
需要说明的是，在本发明实施例中，从开始执行逐次逼近法，直至动态稳定的恒力牵引过程中，气动驱动控制模块104供给的气压呈现自动阶梯型变化，实时牵引力的阶梯型为对应的增加或减少。本发明实施例提供的基于气动肌肉的恒力牵引控制系统，更加适用于骨折复位的牵引，可以有效防止过度牵引和牵引力突变对患者造成的二次伤害，同时能够保证对恒力牵引的响应速度。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种基于气动肌肉的恒力牵引控制系统，其特征在于，包括力传感器、气动肌肉、处理模块和气动驱动控制模块，其中：
所述力传感器，用于获取气动肌肉的实时牵引力，并将所述实时牵引力发送到所述处理模块；
所述气动肌肉，用于通过所述气动驱动控制模块提供的压缩空气，产生牵引力，所述气动肌肉的前端连接所述力传感器；
所述处理模块设置在上位机中，用于将所述实时牵引力和预设牵引力进行对比，并通过逐次逼近法对比较结果进行处理，得到所述气动肌肉的单次气压变化量；
所述气动驱动控制模块的气口通过气管连接所述气动肌肉的后端气口，用于对所述气动肌肉进行供压和气压监控，并根据所述单次气压变压量对所述气动肌肉的实时牵引力进行调整，若调整后的实时牵引力和所述预设牵引力相同，则完成所述气动肌肉的恒力牵引控制。
2.根据权利要求1所述的基于气动肌肉的恒力牵引控制系统，其特征在于，所述系统还包括：拉绳位移传感器，所述拉绳位移传感器通过导线和所述气动肌肉的两端进行连接，用于测量所述气动肌肉在拉伸和收缩时的实时行程。
3.根据权利要求2所述的基于气动肌肉的恒力牵引控制系统，其特征在于，所述拉绳位移传感器包括：位移保护单元，用于对所述气动肌肉的拉伸和收缩的位移进行控制，以使得所述实时行程不大于最大预设牵引位移。
4.根据权利要求3所述的基于气动肌肉的恒力牵引控制系统，其特征在于，所述位移保护单元具体用于：
若所述气动肌肉的实时行程不大于所述最大预设牵引位移时，则保持所述气动肌肉的当前气压值；
若所述气动肌肉的实时行程大于所述最大预设牵引位移时，则对所述气动肌肉进行减压，以使得所述气动肌肉的实时行程减小。
5.根据权利要求1所述的基于气动肌肉的恒力牵引控制系统，其特征在于，所述气动驱动控制模块包括第一气动驱动单元、第二气动驱动单元和第三气动驱动单元，其中：
所述第一气动驱动单元，用于当所述实时牵引力小于所述预设牵引力时，对所述气动肌肉进行加压，以使得所述气动肌肉收缩，从而增大牵引力；
所述第二气动驱动单元，用于当所述实时牵引力等于所述预设牵引力时，维持所述气动肌肉的当前气压，以使得牵引力保持不变；
所述第三气动驱动单元，用于当所述实时牵引力大于所述预设牵引力时，对所述气动肌肉进行减压，以使得所述气动肌肉伸长，从而减小牵引力。
6.根据权利要求1所述的基于气动肌肉的恒力牵引控制系统，其特征在于，所述气动驱动控制模块是通过经典PID控制算法，根据所述单次气压变压量对所述气动肌肉的实时牵引力进行调整。
7.根据权利要求1所述的基于气动肌肉的恒力牵引控制系统，其特征在于，所述处理模块包括：
第一处理单元，用于获取最大预设牵引位移对应的最大气压值Pmax；
第二处理单元，用于根据所述最大气压值Pmax，通过逐次逼近法获取单次气压变化量ΔPN，所述第二处理单元具体用于：
步骤S1，对所述最大气压值Pmax进行N等分，得到单次气压初始值
Figure FDA0002289952190000021
其中，
Figure FDA0002289952190000022
表示预设的单次最大气压调节量；
步骤S2，将所述单次气压初始值P0对应的牵引力
Figure FDA0002289952190000023
和所述预设牵引力Fs进行对比，若
Figure FDA0002289952190000024
则
Figure FDA0002289952190000025
若
Figure FDA0002289952190000026
则
Figure FDA0002289952190000027
以根据对比结果得到本次单次气压值P1；
步骤S3，将本次单次气压值P1对应的牵引力
Figure FDA0002289952190000028
和所述预设牵引力Fs进行对比，若
Figure FDA0002289952190000029
则P1＝P2，并根据单次气压变化量ΔP1对所述气动肌肉的实时牵引力进行调整；否则，将本次单次气压值P1作为下一次迭代的单次气压初始值，再次执行步骤S2，直到
Figure FDA00022899521900000210
以根据得到的单次气压变化量ΔPN对所述气动肌肉的实时牵引力进行调整。
8.根据权利要求7所述的基于气动肌肉的恒力牵引控制系统，其特征在于，所述第二处理单元还用于：
在通过逐次逼近法对所述气动肌肉的实时牵引力进行调整之后，所述气动肌肉的实时牵引力与所述预设牵引力相等时，若所述恒力牵引控制系统出现微扰动，则通过单次气压变化量对所述实时牵引力进行调整。
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