[发明专利]基于磁粉离合器控制方式的闭环力控制装置

说明书

技术领域

本发明涉及医疗器械技术领域，具体涉及一种应用于骨科机械手基于磁粉离合器控制方式的闭环力控制装置。

背景技术

在现有小臂骨折手术中，需要两名医生，其中一名医生进行正骨、接骨、打石膏等操作，另外一名医生对病人手臂进行牵引和拉拽操作。

其中进行牵引、拉拽操作的医生主要做的是力气活，毫无技术含量；同时整个手术耗时较长，对后一名医生的体力消耗很大。由于能力和经验的差异性很难保证良好的手术效果，不利于手术流程的标准化。

加之手术过程需要两名医生，使得本来就很匮乏的医疗资源变得更加紧张。因此开发一种先进的医疗设备代替负责牵引操作的医生亟待解决。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于一种基于磁分离合器控制方式的闭环力控制装置，在小臂骨折正骨手术中为病人提供安全、稳定、可靠的拉拽力。

本发明的技术方案包括一种基于磁粉离合器控制的闭环力控制装置，包括：控制器、直流电机模块、磁粉离合器、传动机构、手腕夹持器、末端力传感器；所述控制器，为核心控制单元，用于系统信号采集、控制运算处理；所述直流电机模块，接收控制器的控制量，与所述磁粉离合器输入轴相连；所述磁粉离合器，分别与所述直流电机模块和所述传动机构相连；所述传动机构，与所述磁粉离合器相连；所述手腕夹持器，与传动机构相连，用于夹持病人手腕；所述末端力传感器，与所述控制器电连接，将采用值输入控制器。

优选地，所述控制器包括DSP模块、电源模块、AD模块、SPI模块、QEP模块、IO模块、PWM模块、驱动放大电路、电流传感器、恒流源、稳压源；

其中，所述DSP模块为逻辑主控制单元；所述IO模块，用于控制信息输入；所述QEP模块，用于速度环控制的反馈输入量；所述PWM模块，用于接收电流环的输出，产生占空比可调的PWM信号；所述SPI模块，用于DSP模块与外部数模转换芯片通信；所述AD模块，用于将所述末端力传感器和对电流传感器输出模拟量采样转换为数字量；所述电源模块，用于提供+3.3V、+5V和+1.9V电源；所述驱动放大电路，用于接收PWM信号，输出驱动电机的电流信号，与直流电机模块相连；所述电流传感器，与所述AD模块电气连接；所述恒流源，接收所述AD模块输出信号；所述稳压源，与所述恒流源电连接，为电流源生成电路提供电压。

优选地，所述DSP模块接收按键的控制命令，对所述末端力传感器输出量模数转换，进行力闭环控制；读取电机码盘值和采样电流传感器的输出，分别作为速度环和电流环的输入，进行速度环和电流环的闭环控制。

优选地，所述磁粉离合器的主动转子与直流电机轴相连，所述磁粉离合器的从动轴与传动机构相连，且由所述恒流源输出电流控制，实现力控制。

优选地，所述传动机构为滑动丝杠，用于随所述磁粉离合器从动轴转动带动所述手腕夹持器的轴向运动。

所述手腕夹持器，用于夹持病人手腕，与传动机构相连，直流电机的旋转扭矩转换成轴向拉力，对手臂实施拉拽力。

优选地，所述末端力传感器，经与所述DSP模块的电相连，用于对输出力采样，采样值作为力闭环控制的反馈量。

优选地，所述DSP模块采用TMS320F2812。

本发明的有益效果，通过对电机两环控制使电机按给定的速度运转，增加末端力传感器实现力闭环处理，对磁粉离合器的励磁电流实施控制，即可输出要求的转矩，最终实现力控制；在小臂骨折正骨手术中为病人提供安全、稳定、可靠的拉拽力。

附图说明

图1为本发明励磁电流和传递转矩基本成线性关系器特性图

图2为本发明励磁电流和传递转矩基本成线性关系器特性图。

图3为本发明一实施方式中系统物理结构图。

图4为本发明一实施方式中力闭环和电机速度控制图。

图5为本发明一实施方式中软件线程规划图。

图6为本发明一实施方式中基于电机驱动控制方式实现闭环力控制的流程图。

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。

本发明提供一种基于磁粉离合器控制的闭环力控制装置，包括：控制器、直流电机模块、磁粉离合器、传动机构、手腕夹持器、末端力传感器；控制器，为核心控制单元，用于系统信号采集、控制运算处理；直流电机模块，接收控制器的控制量，与磁粉离合器输入轴相连；磁粉离合器，分别与直流电机模块和传动机构相连；传动机构，与磁粉离合器相连；手腕夹持器，与传动机构相连，用于夹持病人手腕；末端力传感器，与控制器电连接，将采用值输入控制器。