CN213758536U - 一种机械臂姿态调节限速装置 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种机械臂姿态调节限速装置，其包括转动轴以及驱动转动轴转动的电机，所述转动轴处设置有限速调节装置，限速调节装置包括：检测电路，用于检测转动轴的角位移，并输出角位移信号；信号处理电路，连接于检测电路的输出端以对检测信号进行处理，并输出角速度信号；比较电路，连接于信号处理电路以将角速度信号与基准电压信号进行比较，若角速度信号的电压值大于基准电压信号时，输出比较信号；以及控制电路，连接于比较电路，响应于比较信号并输出控制电机停止转动控制信号。本申请具有提高机械臂运行平稳性和安全性的效果。
Description
技术领域
本实用新型涉及医疗机械的技术领域，尤其是涉及一种机械臂姿态调节限速装置。
背景技术
目前医疗外科领域已受到世界发达国家的高度重视。机器人技术在医疗外科领域的应用不仅对手术精确定位、手术最小创伤、手术质量等方面带来一系列的技术变革。因此，国内外应用于医疗领域的机器人类型和数量均增加较快，新一代机器人化的高技术医疗设备研究与开发，对临床或家庭护理及康复方面都有十分重要的意义。
现有公告号为CN2796972Y的中国专利公开了一种五自由度空间定位机器人机构，是应用于医疗外科手术的辅助定位机构，由升降臂、移动臂、小臂、腕部和针架五大部分构成，升降臂通过平移机座与移动臂连接，移动臂与小臂之间，小臂与腕部之间，腕部与针架之间用转动轴连接，各部分在电机驱动下，能够产生相对运动，所述的机器人机构驱动和控制系统由步进电机、驱动器、PLC、计算机组成。本机器人机构能够医生规划的路径自主实现高精度绝对定位，具有较大的工作空间和一定的负载能力；能够减轻医生的工作强度，减少操作误差；对患者造成的创伤小、减少患者痛苦。
上述中的现有技术方案存在以下缺陷：在控制升降臂、移动臂、小臂、腕部或针架进行手术操作时，升降臂、移动臂、小臂、腕部以及针架的移动速度不可过快，过高的移动速度所产生的惯性会提高操作误差，影响机械臂运行的平稳性和安全性。
实用新型内容
针对现有技术存在的不足，本实用新型的目的之一是提供一种能够提高机械臂运行平稳性和安全性的机械臂姿态调节限速装置。
本申请的上述发明目的是通过以下技术方案得以实现的：
一种机械臂姿态调节限速装置，包括转动轴，所述转轴处设置有限速调节装置，限速调节装置包括：
检测电路，用于检测转动轴的角位移，并输出角位移信号；
信号处理电路，连接于检测电路的输出端以对检测信号进行处理，并输出角速度信号；
比较电路，连接于信号处理电路以将角速度信号与基准电压信号进行比较，若角速度信号的电压值大于基准电压信号时，输出比较信号；
控制电路，连接于比较电路，响应于比较信号并输出控制信号；
执行单元，执行单元包括用于控制转轴停转的电磁离合器，电磁离合器的控制端连接于控制电路的输出端以响应于控制信号、控制转轴停止转动。
通过采用上述技术方案，检测电路对转动轴的角位移进行检测，从而输出连续的角位移信号，随后信号处理电路对角位移信号进行处理，通过角位移信号获取表示转动轴转动角速度的角速度信号，在此之后通过比较电路对角速度信号的大小与基准电压信号的大小进行比较，当角速度信号大于基准电压信号时，表示转轴的转动速度过大，存在操作风险，从而输出比较信号至控制电路，控制电路响应于比较信号并输出控制信号至执行单元，使执行单元中的电磁离合器锁死，进而使转动轴停止转动，实现提高机械臂运行平稳性和安全性的功能。
本申请在一较佳示例中可以进一步配置为：所述检测电路包括角位移传感器，角位移传感器的供电端连接有直流电源VCC，角位移传感器的接地端接地，角位移传感器的输出端连接于信号处理电路。
通过采用上述技术方案，角位移传感器的转轴随转动轴一同转动，从而改变角位移传感器的输出端输出的检测信号的电压值大小，进而实现对转轴角位移的检测。
本申请在一较佳示例中可以进一步配置为：所述信号处理电路包括微分运算单元，微分运算单元连接于检测电路的输出端口，并对角位移信号进行微分运算，以获取角速度信号。
通过采用上述技术方案，通过微分运算单元对检测信号进行微分运算，从而获取表示角速度大小的角速度信号，进而完成对转动轴角速度的检测。
本申请在一较佳示例中可以进一步配置为：所述微分运算单元包括集成运算放大器A1，集成运算放大器A1的反向输入端连接有第一电容器C1，第一电容器的另一端连接于检测电路的输出端，集成运算放大器A1的正向输入端连接有第一电阻器R1，第一电阻器R1的另一端接地，集成运算放大器A1的输出端口连接于比较电路的输入端，集成运算放大器A1的输出端和反向输入端之间还连接有反馈电阻R1。
通过采用上述技术方案，通过第一电容器C1、第一电阻器R1以及集成运算放大器A1共同组成一个微分电路，从而对输入集成运算放大器输入端的检测信号进行微分运算，并输出表示转轴角速度变化的角速度信号。
本申请在一较佳示例中可以进一步配置为：所述信号处理电路还包括滤波单元，滤波单元的输入端连接于检测电路的输出端，滤波单元的输出端连接于微分运算单元的输入端。
通过采用上述技术方案，通过滤波单元可滤除检测信号中的高频噪声，从而使输入微分运算单元的信号波形更加平稳，进而使角速度信号更接近真实值，从而提高转动轴角速度检测的检测精度。
本申请在一较佳示例中可以进一步配置为：所述滤波单元包括集成运算放大器A2，集成运算放大器A2的同向输入端连接有第二滤波电容器C2，第二滤波电容的另一端接地，集成运算放大器的正向输入端还连接有限流电阻器R2，限流电阻器R2的另一端连接于检测电路的输出端，集成运算放大器A2的输出端连接于微分运算单元的输入端，集成运算放大器A2的输出端还连接于集成运算放大器A2的反向输入端。
通过采用上述技术方案，通过集成运算放大器A2，第二滤波电容器C2以及限流电阻器R2，可组成一个低通滤波电路，一方面可滤除检测信号中的高频部分，使输入微分运算单元的信号波形更加平滑，进而提高对转轴角速度检测的检测精度，另一方面集成运算放大器A2可起到功率放大的功能，进而提升输出信号的功率和负载能力。
本申请在一较佳示例中可以进一步配置为：所述比较电路包括比较器，比较器的一个输入端连接于信号处理电路的输出端，比较器的另一个输入端连接有用于输出基准电压Vref的基准电压源。
通过采用上述技术方案，通过比较器可对角速度信号的电压值以及基准电压Vref的电压值进行比较，当角速度信号的电压值超过基准电压Vref的电压值时，表示转轴的角速度超过了角速度上限值，即机械臂此时的运动速度具有较大的危险，比较器输出高电平的比较信号，从而使控制电路控制电磁离合器锁死，使得转轴无法继续转动，进而降低危险发生的概率。
综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：
检测电路和信号处理电路检测到转轴的转动速度过大、存在操作风险时，通过比较电路输出比较信号至控制电路，控制电路响应于比较信号并使执行单元中的电磁离合器锁死，进而使转动轴停止转动，实现提高机械臂运行平稳性和安全性的功能；
通过滤波单元可滤除检测信号中的高频噪声，从而使输入微分运算单元的信号波形更加平稳，进而使角速度信号更接近真实值，从而提高转动轴角速度检测的检测精度；
当转轴的角速度超过了角速度上限值，即机械臂的运动速度具有较大的危险，比较器输出高电平的比较信号，从而使控制电路控制电磁离合器锁死，使得转轴无法继续转动，进而降低危险发生的概率。
附图说明
图1是本申请的电路原理图。
图2是本申请中比较电路的电路原理图。
附图标记：1、检测电路；2、信号处理电路；21、滤波单元；22、微分运算单元；3、比较单元；4、控制电路；5、执行单元。
具体实施方式
以下结合附图对本申请作进一步详细说明。
参照图1和图2，为本申请公开的一种机械臂姿态调节限速装置，包括转动轴，所述转轴处设置有限速调节装置，限速调节装置包括：检测电路1、信号处理电路2、比较电路、控制电路4以及执行单元5，执行单元5包括用于控制转轴停转的电磁离合器，电磁离合器的控制端连接于控制电路4的输出端以响应于控制信号、控制转轴停止转动。
在对机械臂进行姿态调节时，检测电路1对转动轴的角位移进行检测，从而输出连续的角位移信号，随后信号处理电路2对角位移信号进行处理，通过角位移信号获取表示转动轴转动角速度的角速度信号，在此之后通过比较电路对角速度信号的大小与基准电压信号的大小进行比较，当角速度信号大于基准电压信号时，表示转轴的转动速度过大，存在操作风险，从而输出比较信号至控制电路4，控制电路4响应于比较信号并输出控制信号至执行单元5，使执行单元5中的电磁离合器锁死，进而使转动轴停止转动，实现提高机械臂运行平稳性和安全性的功能。
参照图1，检测电路1包括角位移传感器P，角位移传感器的供电端连接有直流电源VCC，角位移传感器P的接地端接地，角位移传感器P的输出端连接于信号处理电路2，并向信号处理电路2输出连续的模拟信号。
角位移传感器P的转轴随转动轴一同转动，从而改变角位移传感器P的输出端输出的检测信号的电压值大小，进而实现对转轴角位移的检测。
参照图1，信号处理电路2包括滤波单元21和微分运算单元22，滤波单元21的输入端连接于角位移传感器P的输出端，滤波单元21的输出端连接于微分运算单元22的输入端，微分运算单元22的输入端连接于比较电路的输入端。
通过滤波单元21可滤除检测信号中的高频噪声，从而使输入微分运算单元22的信号波形更加平稳，将滤除了高频噪声信号的检测信号输入微分电路，可使运算获得的角信号更接近真实值，从而提高转动轴角速度检测的检测精度。
参照图1，滤波单元21包括集成运算放大器A2，集成运算放大器A2的同向输入端连接有第二滤波电容器C2，第二滤波电容C2的另一端接地，集成运算放大器A2的正向输入端还连接有限流电阻器R2，限流电阻器R2的另一端连接于检测电路1的输出端，集成运算放大器A2的输出端连接于微分运算单元22的输入端，集成运算放大器A2的输出端还连接于集成运算放大器A2的反向输入端。
通过集成运算放大器A2，第二滤波电容器C2以及限流电阻器R2，可组成一个低通滤波电路，一方面可滤除检测信号中的高频部分，使输入微分运算单元22的信号波形更加平滑，进而提高对转轴角速度检测的检测精度，另一方面集成运算放大器A2可起到功率放大的功能，进而提升输出信号的功率和负载能力。
参照图1，微分运算单元22包括集成运算放大器A1，集成运算放大器A1的反向输入端连接有第一电容器C1，第一电容器C1的另一端连接于滤波单元21的输出端，集成运算放大器A1的正向输入端连接有第一电阻器R1，第一电阻器R1的另一端接地，集成运算放大器A1的输出端口连接于比较电路的输入端，集成运算放大器A1的输出端和反向输入端之间还连接有反馈电阻Rf。
参照图2，比较电路包括比较器A3和比较器A4，比较器A3的反向输入端连接于比较器A4的正向输入端，且比较器A3的反向输入端还连接于信号处理电路2的输出端，比较器A3的正向输入端连接有用于输出基准信号Vref1的基准电压源，比较器A4的反向输入端连接有用于输出基准信号Vref2的基准电压源，比较器A3和比较器A4的输出端连接有与门，且比较器A3的输出端和比较器A4的输出端分别连接于与门的两个输入端，与门的输出端连接于控制电路4的输入端。
通过比较器可对角速度信号的电压值以及基准电压Vref的电压值进行比较，当角速度信号的电压值超过基准电压Vref的电压值时，表示转轴的角速度超过了角速度上限值，即机械臂此时的运动速度具有较大的危险，比较器输出高电平的比较信号，从而使控制电路4控制电磁离合器锁死，使得转轴无法继续转动，进而降低危险发生的概率。
参照图2，控制电路4包括三极管Q1，三极管Q1的基极连接于与门的输出端，三极管Q1的发射极连接有继电器KM，继电器KM线圈的一端连接于三极管Q1的发射极，继电器KM的电磁线圈的另一端连接于直流电源VCC，三极管Q1的发射极连接有LED灯，LED灯的阳极连接于三极管Q1的集电极，LED灯的阴极连接有保护电阻R3，保护电阻R3的另一端接地。
本具体实施方式的实施例均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种机械臂姿态调节限速装置，包括转动轴，其特征在于：所述转动轴处设置有限速调节装置，限速调节装置包括：
检测电路（1），用于检测转动轴的角位移，并输出角位移信号；
信号处理电路（2），连接于检测电路（1）的输出端以对检测信号进行处理，并输出角速度信号；
比较电路，连接于信号处理电路（2）以将角速度信号与基准电压信号进行比较，若角速度信号的电压值大于基准电压信号时，输出比较信号；
控制电路（4），连接于比较电路，响应于比较信号并输出控制信号；
执行单元（5），执行单元（5）包括用于控制转动轴停转的电磁离合器，电磁离合器的控制端连接于控制电路（4）的输出端以响应于控制信号、控制转动轴停止转动。
2.根据权利要求1所述的一种机械臂姿态调节限速装置，其特征在于：所述检测电路（1）包括角位移传感器，角位移传感器的供电端连接有直流电源VCC，角位移传感器的接地端接地，角位移传感器的输出端连接于信号处理电路（2）。
3.根据权利要求1所述的一种机械臂姿态调节限速装置，其特征在于：所述信号处理电路（2）包括微分运算单元（22），微分运算单元（22）连接于检测电路（1）的输出端口，并对角位移信号进行微分运算，以获取角速度信号。
4.根据权利要求3所述的一种机械臂姿态调节限速装置，其特征在于：所述微分运算单元包括集成运算放大器A1，集成运算放大器A1的反向输入端连接有第一电容器C1，第一电容器的另一端连接于检测电路（1）的输出端，集成运算放大器A1的正向输入端连接有第一电阻器R1，第一电阻器R1的另一端接地，集成运算放大器A1的输出端口连接于比较电路的输入端，集成运算放大器A1的输出端和反向输入端之间还连接有反馈电阻Rf。
5.根据权利要求3所述的一种机械臂姿态调节限速装置，其特征在于：所述信号处理电路（2）还包括滤波单元（21），滤波单元（21）的输入端连接于检测电路（1）的输出端，滤波单元（21）的输出端连接于微分运算单元（22）的输入端。
6.根据权利要求5所述的一种机械臂姿态调节限速装置，其特征在于：所述滤波单元（21）包括集成运算放大器A2，集成运算放大器A2的同向输入端连接有第二滤波电容器C2，第二滤波电容的另一端接地，集成运算放大器的正向输入端还连接有限流电阻器R2，限流电阻器R2的另一端连接于检测电路（1）的输出端，集成运算放大器A2的输出端连接于微分运算单元的输入端，集成运算放大器A2的输出端还连接于集成运算放大器A2的反向输入端。
7.根据权利要求1所述的一种机械臂姿态调节限速装置，其特征在于：所述比较电路包括比较器，比较器的一个输入端连接于信号处理电路（2）的输出端，比较器的另一个输入端连接有用于输出基准电压Vref的基准电压源。
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