一种用于全自动骨科牵引机器人的控制系统.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利 (10)授权公告号 (45)授权公告日 (21)申请号 201310562977.8 (22)申请日 2013.11.13 (65)同一申请的已公布的文献号 申请公布号 CN 104622550 A (43)申请公布日 2015.05.20 (73)专利权人 沈阳新松机器人自动化股份有限 公司 地址 110168 辽宁省沈阳市浑南新区金辉 街16号 (72)发明人 杨奇峰 周永强 邹风山 徐方 刘世昌 褚明杰 (74)专利代理机构 沈阳科苑专利商标代理有限 公司 21002 代理人 许宗富 (51)Int.Cl. A61B 17/56(2。

2、006.01) A61F 5/042(2006.01) 审查员 马立楠 (54)发明名称 一种用于全自动骨科牵引机器人的控制系 统 (57)摘要 本发明公开了一种用于全自动骨科牵引机 器人的控制系统， 其包括微控制器与夹持平台， 其中， 所述微控制器分别与电机驱动单元、 气压 传动单元通信连接， 所述电机驱动单元、 所述气 压传动单元均与全自动骨科牵引机器人的机械 执行单元相连接， 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 用于控制所述夹持平台产生拉伸力与夹持力， 所 述机械执行单元与所述夹持平台相连接； 而开关 单元用于控制所述电机驱动单元、 所述气压传动 单。

3、元的运行状态； 所述微控制器、 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形 成传播神经网络。 本发明提供的全自动骨科牵引 机器人具有自动化、 安全、 易操作和高效率的优 点。 权利要求书1页 说明书5页 附图4页 CN 104622550 B 2017.05.17 CN 104622550 B 1.一种用于全自动骨科牵引机器人的控制系统， 其包括微控制器与夹持平台， 其特征 在于， 所述微控制器分别与电机驱动单元、 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全自动骨科牵引机器人的机械执行单元相连接， 所述气压传动单元与 所述夹持平台相连接， 所述机械执行。

4、单元与所述夹持平台相连接， 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夹持平台产生拉伸力 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； 所述微控制器、 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 形成一传播神经网络； 所述开关单元包括激光传感器开关、 限位开关、 控制开关与脚踏开关， 所述激光传感器 开关、 所述限位开关、 所述控制开关与所述脚踏开关均与所述微控制器的第二可编程逻辑 模块通信连接； 所述微控制器配置有一触摸屏与一电源装置； 所述电机驱动单元包括第一隔离电路、 模数转换。

5、电路与第二隔离电路， 所述第一隔离 电路、 所述模数转换电路与所述第二隔离电路均与所述微控制器通信连接， 所述第一隔离 电路与第一驱动电路相连接， 所述第一驱动电路与第一直流电机相连接， 所述第一直流电 机与所述机械执行单元相连接， 所述第一直流电机配置有第一码盘， 所述第一码盘与所述 微控制器通信连接， 所述第一驱动电路与所述第一直流电机之间接入第一电流采样电路， 所述第一电流采样电路与所述模数转换电路相连接； 所述第二隔离电路与第二驱动电路相 连接， 所述第二驱动电路与第二直流电机相连接， 所述第二直流电机与所述机械执行单元 相连接， 所述第二直流电机配置有第二码盘， 所述第二码盘与所述微。

6、控制器通信连接， 所述 第二驱动电路与所述第二直流电机之间接入第二电流采样电路， 所述第二电流采样电路与 所述模数转换电路相连接。 2.根据权利要求1所述的控制系统， 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夹持平台的丝杠传动机构， 所述第一直流电机与所述 齿轮传动机构相连接， 所述第二直流电机与所述丝杠传动机构相连接， 所述齿轮传动机构、 所述丝杠传动机构均与所述夹持平台相连接。 3.根据权利要求2所述的控制系统， 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。

7、 相连通， 所述驱动气路依次连通有五位三通阀、 比例阀、 气缸， 所述气缸与所述夹持平台相 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。 权 利 要 求 书 1/1 页 2 CN 104622550 B 2 一种用于全自动骨科牵引机器人的控制系统 技术领域 00。

8、01 本发明涉及一种骨科辅助牵引装置的控制系统， 尤其涉及一种用于全自动骨科牵 引机器人的控制系统。 背景技术 0002 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。 0003 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、。

9、 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。 0004 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。 0005 因此， 现有技术有待于更进一步的改进和发展。 发明内容 0006 本发明旨在解决上述现有技术中存在的问题， 提出一种用于全自动骨科牵引机器 人的控制系统， 以实现医生在正骨的过程中牵引手有一定角度的旋转功能， 降低医生的劳 动强度。 0007 为实现上述目的， 本发明采用如下技术方案： 0008 。

10、一种用于全自动骨科牵引机器人的控制系统， 其包括微控制器与夹持平台， 其特 征在于， 所述微控制器分别与电机驱动单元、 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全自动骨科牵引机器人的机械执行单元相连接， 所述气压传动单元 与所述夹持平台相连接， 所述机械执行单元与所述夹持平台相连接； 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夹持平台产生拉伸 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； 所述微控制器、 所述电机驱动单元、 所述气压传动单元与所述机械执行单 元形成一传播。

11、神经网络。 0009 所述的控制系统， 其中， 所述电机驱动单元包括第一隔离电路、 模数转换电路与第 二隔离电路， 所述第一隔离电路、 所述模数转换电路与所述第二隔离电路均与所述微控制 器通信连接， 所述第一隔离电路与第一驱动电路相连接， 所述第一驱动电路与第一直流电 机相连接， 所述第一直流电机与所述机械执行单元相连接， 所述第一直流电机配置有第一 码盘， 所述第一码盘与所述微控制器通信连接， 所述第一驱动电路与所述第一直流电机之 说 明 书 1/5 页 3 CN 104622550 B 3 间接入第一电流采样电路， 所述第一电流采样电路与所述模数转换电路相连接； 所述第二 隔离电路与第二驱。

12、动电路相连接， 所述第二驱动电路与第二直流电机相连接， 所述第二直 流电机与所述机械执行单元相连接， 所述第二直流电机配置有第二码盘， 所述第二码盘与 所述微控制器通信连接， 所述第二驱动电路与所述第二直流电机之间接入第二电流采样电 路， 所述第二电流采样电路与所述模数转换电路相连接。 0010 所述的控制系统， 其中， 所述机械执行单元包括用于产生偏转力的齿轮传动机构 以及用于粗调所述夹持平台的丝杠传动机构， 所述第一直流电机与所述齿轮传动机构相连 接， 所述第二直流电机与所述丝杠传动机构相连接， 所述齿轮传动机构、 所述丝杠传动机构 均与所述夹持平台相连接。 0011 所述的控制系统， 其。

13、中， 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， 所述气缸与所述夹持平台相连接； 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。

14、连接。 0012 所述的控制系统， 其中， 所述开关单元包括激光传感器开关、 限位开关、 控制开关 与脚踏开关， 所述激光传感器开关、 所述限位开关、 所述控制开关与所述脚踏开关均与所述 微控制器的第二可编程逻辑模块通信连接； 所述微控制器配置有一触摸屏与一电源装置。 0013 本发明提供的一种用于全自动骨科牵引机器人的控制系统， 实现了一个大夫就能 够独立完成正骨工作的效果， 不仅解决了医生正骨过程中必须有两个大夫相互配合工作的 难题， 并且实现了柔性控制， 能够密切地与大夫进行配合， 大大提高了正骨过程的安全性， 降低了医生的劳动强度， 并且本发明具有逼近任意非线性函数的能力， 通过神经网。

15、络自身 的学习， 可以找到某一最优控制律下的PID参数， 在正向传播过程中从输入层经隐含层逐层 处理， 并传向输出层， 每层神经元 （节点） 的状态只影响下一层神经元的状态， 提高了全自动 骨科牵引机器人操作的准确性。 附图说明 0014 图1是本发明中控制系统的总体结构示意图； 0015 图2是本发明中微控制器的结构示意图； 0016 图3是本发明中电机驱动单元的结构示意图； 0017 图4是本发明中机械执行单元与气压传动单元的结构示意图； 0018 图5是本发明中电机驱动单元之三环控制的流程示意图； 0019 图6是本发明中控制系统建立神经网络的流程示意图。 具体实施方式 0020 下面将。

16、结合附图和具体的实施例对本发明的技术方案进行详细的说明。 0021 如图1所示， 本发明提供的一种用于全自动骨科牵引机器人的控制系统， 其包括微 说 明 书 2/5 页 4 CN 104622550 B 4 控制器1与夹持平台20， 并且所述微控制器1分别与电机驱动单元35、 气压传动单元36通信 连接， 所述电机驱动单元35、 所述气压传动单元36均与全自动骨科牵引机器人的机械执行 单元37相连接， 所述气压传动单元36与所述夹持平台20相连接， 所述电机驱动单元35用于 控制所述机械执行单元37产生偏转力， 所述气压传动单元35用于控制所述夹持平台20产生 拉伸力与夹持力， 所述机械执行单。

17、元37与所述夹持平台20相连接； 所述微控制器1设置有一 开关单元， 用于控制所述电机驱动单元35、 所述气压传动单元36的运行状态， 所述微控制器 1、 所述电机驱动单元35、 所述气压传动单元36与所述机械执行单元37形成一传播神经网 络。 0022 所述微控制器1根据外部指令， 完成拉伸、 偏转、 夹持等动作的协调控制及与外部 设备的通信。 0023 所述电机驱动单元35用以产生偏转力， 通过机械执行单元37带动所述夹持平台20 实现腕部的偏转运动。 所述微控制器1根据外部指令， 同时结合电机码盘读数值及电流采样 值， 发出电机动作指令， 经隔离电路进行电气隔离后， 完成电机的驱动控制。。

18、 在此期间， 一旦 检测到异常， 比如出现过流、 过压、 过温等情况以及超过有效的限位开关值， 立即停止对应 电机运动， 以防对病人造成伤害。 0024 所述气压传动单元35主要实现拉伸力和夹持力的调整。 气压经过净化处理后， 一 路经过五位三通阀13在比例阀16的调压控制下， 作用在汽缸上， 实现了拉伸力的调整； 另一 路经过两位三通阀14后， 在控制指令作用下， 实现气囊21的充气和放气。 0025 所述机械执行单元37主要包括齿轮传动机构27和丝杠传动机构34两部分。 电机的 旋转运动经过所述齿轮传动机构27的减速增扭后， 控制所述夹持平台20的偏转运动； 此外， 粗调电机的旋转经过丝杠。

19、传动机构34后， 旋转运动变为直线运动， 控制所述夹持平台20位 置的粗调。 0026 为了更进一步描述本发明的方案， 以下进行更为详尽的说明。 0027 如图3所示的， 所述电机驱动单元35包括第一隔离电路22、 模数转换电路28与第二 隔离电路29， 所述第一隔离电路22、 所述模数转换电路28与所述第二隔离电路29均与所述 微控制器1通信连接， 所述第一隔离电路22与第一驱动电路23相连接， 所述第一驱动电路23 与第一直流电机26相连接， 所述第一直流电机26与所述机械执行单元37相连接， 所述第一 直流电机26配置有第一码盘25， 所述第一码盘25与所述微控制器1通信连接， 所述第一。

20、驱动 电路23与所述第一直流电机26之间接入第一电流采样电路24， 所述第一电流采样电路24与 所述模数转换电路28相连接； 所述第二隔离电路29与第二驱动电路30相连接， 所述第二驱 动电路30与第二直流电机33相连接， 所述第二直流电机33与所述机械执行单元37相连接， 所述第二直流电机33配置有第二码盘32， 所述第二码盘32与所述微控制器1通信连接， 所述 第二驱动电路30与所述第二直流电机33之间接入第二电流采样电路31， 所述第二电流采样 电路31与所述模数转换电路28相连接。 0028 更进一步的， 如图4所示的， 所述机械执行单元37包括用于产生偏转力的齿轮传动 机构27以及用。

21、于粗调所述夹持平台20的丝杠传动机构34， 所述第一直流电机26与所述齿轮 传动机构27相连接， 所述第二直流电机33与所述丝杠传动机构34相连接， 所述齿轮传动机 构27、 所述丝杠传动机构34均与所述夹持平台20相连接。 0029 在本发明的另一较佳实施例中， 如图4所示的， 所述气压传动单元36包括气源9， 所 说 明 书 3/5 页 5 CN 104622550 B 5 述气源9依次与油水分离器10、 调压阀11、 油雾器12相连通， 所述油雾器12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13、 比例阀16、 气缸18， 所述气 缸18与所述夹持平台20。

22、相连接； 所述气囊调整气路依次连通有两位三通阀14、 减压阀17、 压 力表19与气囊21； 所述五位三通阀13、 所述两位三通阀14均与所述微控制器1的第一可编程 逻辑模块8通信连接， 所述第一可编程逻辑模块8通过一数模接口15与所述比例阀16通信连 接， 所述数模接口15与所述微控制器1的串行总线相连接； 所述比例阀16与所述气缸18之间 的所述驱动气路、 所述压力表19与所述气囊21之间的气囊调整气路均与所述微控制器1的 模数接口通信连接。 0030 更进一步的， 如图1所示的， 所述开关单元包括激光传感器开关3、 限位开关4、 控制 开关5与脚踏开关6， 所述激光传感器开关3、 所述限。

23、位开关4、 所述控制开关5与所述脚踏开 关6均与所述微控制器1的第二可编程逻辑模块38通信连接； 所述微控制器1配置有一触摸 屏7与一电源装置2。 0031 尤其是， 本发明采用三环闭环算法控制驱动对应电机， 如图5所示， 使位置环、 速度 环与电流环采用不同的PID参数， 是其具有逼近任意非线性函数的能力， 而且结构和学习算 法简单明确， 通过神经网络自身的学习， 可以找到某一最优控制律下的PID参数。 0032 本发明的控制系统的学习过程由正向传播和反向传播组成， 在正向传播过程中， 输入信息从输入层经隐含层逐层处理， 并传向输出层， 每层神经元 （节点） 的状态只影响下 一层神经元的状态。

24、。 如果在输出层不能得到期望的输出， 则转入反向传播， 将误差信号沿原 来的连接通路返回， 通过修改各层神经元的权值， 使误差信号最小。 其中PID控制器采用经 典增量式数字PID， 其算法为： 0033 Du(k)=KPe(k)-e(k-1)+KIe(k)+KDe(k)-2e(k-1)+e(k-2) 0034 上式中， KP为比例系数， KI为积分系数， KD为微分系数。 0035 其具体的过程， 如图6所示的， 所述微控制器1初始化， 通过触摸屏7等人机交互设 备向所述微控制器1输入向量与目标输出量， 然后得到隐含层、 输出层中各个节点的输出参 数， 然后获取目标输出量与实际输出量的偏差，。

25、 得到反向偏差值， 进行权值计算， 然后判断 其学习过程是否结束， 若为否， 则重新获取隐含层、 输出层中各个节点的输出参数， 计算上 述偏差值； 若为是， 则结束学习过程。 0036 本发明的控制系统使用时， 根据输入的参数以及相关数据控制全自动骨科牵引机 器人， 产生的拉力会通过骨折病人的小臂传递到其大臂、 接着传递到所述夹持平台20上， 使 所述夹持平台20上部会产生转动的趋势， 但在所述夹持平台20之力传感器的作用下， 并不 会实际产生转动。 同时， 当大夫对病人骨折手臂进行正骨时， 控制系统也可以实时判断出大 夫的出力大小， 提供一个可靠的受力数字量， 这样控制系统就可以根据大夫的出。

26、力而对应 调节所述夹持平台20加力的大小， 实现了全自动骨科牵引机器人的柔性调节， 使控制过程 更加智能， 并且增加了设备的安全性。 此外， 采用三环闭环算法控制驱动对应电机， 还可以 使伤者的手臂在安全范围内旋转， 进而调整手臂的方向位置， 使患者免受伤害， 进一步丰富 了机器的功能， 免去了多余的人力劳动。 0037 以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式， 其描述较为具体和详细， 但并 不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。 应当指出的是， 对于本领域的普通技术人员 来说， 在不脱离本发明构思的前提下， 还可以做出若干变形和改进， 这些都属于本发明的保 说 明 书 4/5 页 6 CN 104622550 B 6 护范围。 因此， 本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。 说 明 书 5/5 页 7 CN 104622550 B 7 图1 图2 说 明 书 附 图 1/4 页 8 CN 104622550 B 8 图3 图4 说 明 书 附 图 2/4 页 9 CN 104622550 B 9 图5 说 明 书 附 图 3/4 页 10 CN 104622550 B 10 图6 说 明 书 附 图 4/4 页 11 CN 104622550 B 11 。