一種阻尼連續(xù)可控型關(guān)節(jié)的力反饋控制系統(tǒng)及控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種阻尼連續(xù)可控型關(guān)節(jié)的力反饋控制系統(tǒng)及控制方法，包括處理器模塊，處理器模塊包括：CPU、定時器、計數(shù)器、A/D轉(zhuǎn)換接口I、A/D轉(zhuǎn)換接口II、CAN總線接口、RS485串口、T?M測速單元、PI調(diào)節(jié)單元和PWM單元，定時器、計數(shù)器、A/D轉(zhuǎn)換接口II、CAN總線接口、RS485串口、T?M測速單元和PI調(diào)節(jié)單元分別與CPU連接，PI調(diào)節(jié)單元與PWM單元連接，計數(shù)器與T?M測速單元連接，A/D轉(zhuǎn)換接口I與PI調(diào)節(jié)單元連接，CAN總線接口和RS485串口分別與計數(shù)器連接，本系統(tǒng)能夠量測主手關(guān)節(jié)運(yùn)動的相對角位移，輸出阻尼力矩，使醫(yī)生感知從手末端的力/觸覺信息，操作性好，結(jié)構(gòu)簡單緊湊。
【專利說明】
一種阻尼連續(xù)可控型關(guān)節(jié)的力反饋控制系統(tǒng)及控制方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及手術(shù)機(jī)器人自動化技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種阻尼連續(xù)可控型關(guān)節(jié)的力反饋控制系統(tǒng)及控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]主從式手術(shù)機(jī)器人在微創(chuàng)手術(shù)中發(fā)揮越來越重要的作用。在以主從操作為基礎(chǔ)的手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)中，主手是醫(yī)生與從手之間的一個信息傳遞和轉(zhuǎn)換裝置。一方面，主手通過將醫(yī)生手部運(yùn)動信息以關(guān)節(jié)光電編碼器信號的形式傳遞給控制系統(tǒng)，實現(xiàn)醫(yī)生對從手的運(yùn)動控制；另一方面，主手通過從手控制系統(tǒng)接收到的從手與患處組織的力/觸覺信息，并將其以關(guān)節(jié)阻尼力矩的形式傳遞給醫(yī)生，使醫(yī)生真實地感受到從手末端的力/觸覺信息，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的力映射。
[0003]通過以上的描述可知，手術(shù)機(jī)器人主手上的關(guān)節(jié)是工作在被動運(yùn)動的工作狀態(tài)，即醫(yī)生的手部為施動方，主手關(guān)節(jié)為從動方。主手的關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)應(yīng)具有兩種功能:第一、量測關(guān)節(jié)運(yùn)動的相對角位移;第二、應(yīng)具備力反饋功能，即能夠輸出阻尼力矩，使醫(yī)生感知從手末端的力/觸覺信息。
[0004]現(xiàn)有的手術(shù)機(jī)器人主手關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)大多是以直流力矩電機(jī)+光電編碼器的方式實現(xiàn)的?；谥绷髁仉姍C(jī)的力反饋方案有如下缺點(diǎn):1、機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜:基于力矩電機(jī)的力反饋方案通常是采用力矩電機(jī)和絲傳動機(jī)構(gòu)實現(xiàn)的，具體的機(jī)構(gòu)有:力矩電機(jī)、絲筒、鋼絲、扇輪、預(yù)緊彈簧、光電編碼器等;2、控制方法復(fù)雜:力反饋要求電機(jī)輸出阻尼力矩，因此控制系統(tǒng)需要實時檢測光電編碼器的運(yùn)動方向，以確保電機(jī)始終提供是阻力。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明提供一種阻尼連續(xù)可控型關(guān)節(jié)的力反饋控制系統(tǒng)及控制方法，能夠量測主手關(guān)節(jié)運(yùn)動的相對角位移，能夠輸出阻尼力矩，使醫(yī)生感知從手末端的力/觸覺信息。
[0006]本發(fā)明提供了一種阻尼連續(xù)可控型關(guān)節(jié)的力反饋控制系統(tǒng)，包括:處理器模塊、光電編碼器、差分/TTL電平轉(zhuǎn)換器、H橋驅(qū)動電路、磁粉制動器和霍爾電流傳感器；
[0007]處理器模塊包括:CPU、定時器、計數(shù)器、A/D轉(zhuǎn)換接口1、A/D轉(zhuǎn)換接口 I1、CAN總線接口、RS485串口、T-M測速單元、PI調(diào)節(jié)單元和P麗單元，其中，定時器、計數(shù)器、A/D轉(zhuǎn)換接口11工4~總線接口、1?485串口、T-M測速單元和PI調(diào)節(jié)單元分別與CPU連接，PI調(diào)節(jié)單元與PWM單元連接，計數(shù)器與T-M測速單元連接，A/D轉(zhuǎn)換接口 I與PI調(diào)節(jié)單元連接，CAN總線接口和RS485串口分別與計數(shù)器連接；
[0008]PffM單元與H橋驅(qū)動電路連接，H橋驅(qū)動電路與磁粉制動器連接；
[0009]磁粉制動器與光電編碼器連接，光電編碼器通過差分/TTL電平轉(zhuǎn)換器與計數(shù)器連接；
[0010]H橋驅(qū)動電路與霍爾電流傳感器連接，霍爾電流傳感器與A/D轉(zhuǎn)換接口 I連接；
[0011]定時器用于CPU的定時中斷；
[0012]CPU用于接收阻尼力矩指令，以及在定時中斷時驅(qū)動計數(shù)器工作；
[0013]PI調(diào)節(jié)單元用于讀取CPU中接收的阻尼力矩指令，同時接收等效阻尼力矩指令，并輸出H橋占空比偏差信號；
[0014]PffM單元用于接收H橋占空比偏差信號，生成PffM脈沖信號；
[0015]H橋驅(qū)動電路用于接收PffM脈沖信號，并輸出激磁電流；
[0016]磁粉制動器用于接收激磁電流，并根據(jù)激磁電流產(chǎn)生阻尼力矩T，阻尼力矩T驅(qū)動關(guān)節(jié)兩端的相對角發(fā)生位移；
[0017]光電編碼器用于檢測關(guān)節(jié)兩端的相對角位移信息，輸出數(shù)字脈沖數(shù)信息和數(shù)字脈沖速度信息；
[0018]差分/TTL電平轉(zhuǎn)換器用于接收數(shù)字脈沖數(shù)信息和數(shù)字脈沖速度信息，輸出脈沖數(shù)電壓信息和脈沖速度電壓信息；
[0019]計數(shù)器用于讀取脈沖數(shù)電壓信息和脈沖速度電壓信息；
[0020]T-M測速單元用于將脈沖速度電壓信息作為阻尼力矩指令反饋給CPU;
[0021]霍爾電流傳感器用于檢測激磁電流；
[0022]A/D轉(zhuǎn)換接口 I用于接收激磁電流，并轉(zhuǎn)換為等效阻尼力矩Te，反饋給PI調(diào)節(jié)單元；
[0023]CAN總線接口和RS485串口用于發(fā)送脈沖數(shù)電壓信息給上位機(jī)或接收上位機(jī)發(fā)送的阻尼力矩指令；
[0024]A/D轉(zhuǎn)換接口 II用于接收外部模擬信號形式的阻尼力矩指令。
[0025]進(jìn)一步地，還包括上位機(jī)，上位機(jī)通過CAN總線接口或RS485串口與CPU通信，用于阻尼力矩指令的下達(dá)，及脈沖數(shù)電壓信息的上傳。
[0026]進(jìn)一步地，所述阻尼力矩指令通過阻尼力矩指令通道與CPU通信，阻尼力矩指令通道包括:阻尼力矩指令通道1、阻尼力矩指令通道II和阻尼力矩指令通道III，阻尼力矩指令通道I包括:A/D轉(zhuǎn)換接口 II，用于獲取外部模擬信號形式的阻尼力矩指令;CAN總線接口和RS485串口，用于接收上位機(jī)發(fā)送的阻尼力矩指令;阻尼力矩指令通道II是T-M測速單元，用于獲得脈沖速度電壓信息作為阻尼力矩指令，阻尼力矩指令通道III為阻尼力矩指令通道I和阻尼力矩指令通道II的加權(quán)和。
[0027]進(jìn)一步地，所述處理器模塊為單片機(jī)、DSP、ARM或FPGA。
[0028]進(jìn)一步地，所述定時器的定時周期為lms。
[0029]一種阻尼連續(xù)可控型關(guān)節(jié)的力反饋控制系統(tǒng)的控制方法，包括以下步驟:
[0030]步驟1:光電編碼器檢測關(guān)節(jié)兩端的相對角位移信息，輸出數(shù)字脈沖數(shù)信息和數(shù)字脈沖速度信息，數(shù)字脈沖數(shù)信息和數(shù)字脈沖速度信息通過差分/TTL電平轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為脈沖數(shù)電壓信息和脈沖速度電壓信息，計數(shù)器讀取脈沖數(shù)電壓信息和脈沖速度電壓信息，T-M測速單元將脈沖速度電壓信息作為阻尼力矩指令反饋給CPU;
[0031]步驟2:定時器定時中斷CPU;
[0032]步驟3:PI調(diào)節(jié)單元讀取CPU中接收的阻尼力矩指令，同時接收等效阻尼力矩指令，并輸出H橋占空比偏差信號，H橋占空比偏差信號=阻尼力矩指令-等效阻尼力矩指令；
[0033]步驟4: H橋占空比偏差信號通過PffM單元，生成PffM脈沖信號；
[0034]步驟5:PWM脈沖信號在H橋驅(qū)動電路的作用下，產(chǎn)生激磁電流；
[0035]步驟6:磁粉制動器在激磁電流作用下，產(chǎn)生阻尼力矩T，阻尼力矩T驅(qū)動關(guān)節(jié)兩端的相對角發(fā)生位移；
[0036]步驟7:通過霍爾電流傳感器檢測激磁電流，然后通過A/D轉(zhuǎn)換接口I轉(zhuǎn)換為等效阻尼力矩，反饋給PI調(diào)節(jié)單元；
[0037]步驟8:重復(fù)步驟1-7。
[0038]進(jìn)一步地，所述步驟3中CPU中的阻尼力矩指令還包括:通過CAN總線接口或RS485串口，CPU接收上位機(jī)發(fā)送的阻尼力矩指令以及通過A/D轉(zhuǎn)換接口 II獲取的模擬信號阻尼力矩指令；
[0039]步驟3還包括計數(shù)器通過CAN總線接口或RS485串口向上位機(jī)發(fā)送脈沖數(shù)電壓信息。
[0040]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于:
[0041 ] I)通過光電編碼器檢測關(guān)節(jié)兩端的相對角位移信息，計數(shù)器通過差分/TTL電平轉(zhuǎn)換器讀取光電編碼器的信息，獲得主手的操作運(yùn)動信息，主手的操作運(yùn)動信息中的脈沖速度信息作為阻尼力矩指令反饋給CPU，PI調(diào)節(jié)單元讀取CPU中的阻尼力矩指令，輸出H橋占空比偏差信號，H橋占空比偏差信號=阻尼力矩指令-等效阻尼力矩指令，H橋占空比偏差信號通過PWM單元，生成PWM脈沖信號，P麗脈沖信號H橋驅(qū)動電路的作用下，產(chǎn)生激磁電流，激磁電流驅(qū)動磁粉制動器，產(chǎn)生阻尼力矩T，通過AD轉(zhuǎn)換接口 I和霍爾電流傳感器檢測激磁電流，根據(jù)激磁電流和阻尼轉(zhuǎn)矩成基本的線性關(guān)系，獲得等效阻尼力矩Te指令，通過PI調(diào)節(jié)單元計算H橋占空比偏差信號=阻尼力矩指令-等效阻尼力矩Te指令，計算H橋占空比偏差信號在定時器中斷服務(wù)時進(jìn)行，PI調(diào)節(jié)單元輸出H橋占空比偏差信號，PffM單元根據(jù)H橋占空比偏差信號生成PWM脈沖信號，H橋驅(qū)動電路在PWM脈沖的作用下，產(chǎn)生可調(diào)的激磁電流，激磁電流驅(qū)動磁粉制動器，產(chǎn)生阻尼力矩T，形成閉環(huán)控制系統(tǒng)，本控制系統(tǒng)與電機(jī)類力反饋執(zhí)行裝置相比，本系統(tǒng)具有操作性良好，結(jié)構(gòu)簡單緊湊的優(yōu)勢。
[0042]2)上位機(jī)用于阻尼力矩指令的下達(dá)，及力反饋關(guān)節(jié)兩端的相對角位移信息的上傳。
[0043]3)多個阻尼力矩指令通道可以單獨(dú)使用，也可以組合使用，根據(jù)使用情況選擇接收模擬信號形式的阻尼力矩指令或數(shù)字信號形式的阻尼力矩指令。
[0044]4)處理器模塊為單片機(jī)、DSP、ARM或FPGA，根據(jù)配套系統(tǒng)的復(fù)雜情況確定。
[0045]5)阻尼連續(xù)可控型關(guān)節(jié)的力反饋控制系統(tǒng)的控制方法，在系統(tǒng)定時中斷時觸發(fā)阻尼力矩控制進(jìn)程，控制方法簡單，提高了關(guān)節(jié)角度控制的精度。
【附圖說明】
[0046]圖1為本發(fā)明提供的一種阻尼連續(xù)可控型關(guān)節(jié)的力反饋控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0047]圖2為本發(fā)明提供的一種阻尼連續(xù)可控型關(guān)節(jié)的力反饋控制系統(tǒng)中的磁粉制動器阻尼閉環(huán)調(diào)節(jié)控制示意圖。
[0048]圖3為本發(fā)明提供的一種阻尼連續(xù)可控型關(guān)節(jié)的力反饋控制系統(tǒng)的控制方法的部件連接的框圖。
[0049]圖4為本發(fā)明提供的關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0050]附圖標(biāo)記說明:
[0051 ] 1-光電編碼器，2-處理器模塊，2-1-定時器，2-2-計數(shù)器，2-3-PWM單元，2-4-A/D轉(zhuǎn)換接口 I，2-5-A/D轉(zhuǎn)換接口 II，2-6-CAN總線接口，2-7-RS485串口，2-8-PI調(diào)節(jié)單元，2_9_CPU，2-10-T-M測速單元，3-差分/TTL電平轉(zhuǎn)換器，4-H橋驅(qū)動電路，5-磁粉制動器，6-霍爾電流傳感器，7-上位機(jī)。
【具體實施方式】
[0052]下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明的一個【具體實施方式】進(jìn)行詳細(xì)描述，但應(yīng)當(dāng)理解本發(fā)明的保護(hù)范圍并不受【具體實施方式】的限制。
[0053]如圖3所示，本發(fā)明提供了一種阻尼連續(xù)可控型關(guān)節(jié)的力反饋控制系統(tǒng)，包括:處理器模塊2、光電編碼器1、差分/TTL電平轉(zhuǎn)換器3、H橋驅(qū)動電路4、磁粉制動器5和霍爾電流傳感器6;處理器模塊2包括:CPU2-9、定時器2-1、計數(shù)器2_2、A/D轉(zhuǎn)換接口 12-4、A/D轉(zhuǎn)換接口 II2-5、CAN總線接口 2-6、RS485串口 2-7、T-M測速單元2-10、PI調(diào)節(jié)單元2-8和PffM單元2-3，其中，定時器2-1、計數(shù)器2-2、A/D轉(zhuǎn)換接口 II2-5、CAN總線接口 2-6、RS485串口 2-7、T-M測速單元2-10和PI調(diào)節(jié)單元2-8分別與CPU2-9連接，PI調(diào)節(jié)單元2-8與PffM單元2-3連接，計數(shù)器2-2與T-M測速單元2-10連接，A/D轉(zhuǎn)換接口 12-4與PI調(diào)節(jié)單元2-8連接，CAN總線接口 2-6和RS485串口 2-7分別與計數(shù)器2-2連接;PffM單元2-3與H橋驅(qū)動電路4連接，H橋驅(qū)動電路4與磁粉制動器5連接;磁粉制動器5與光電編碼器I連接，光電編碼器I通過差分/TTL電平轉(zhuǎn)換器3與計數(shù)器2-2連接;H橋驅(qū)動電路4與霍爾電流傳感器6連接，霍爾電流傳感器6與A/D轉(zhuǎn)換接口 12-4連接;定時器用于CPU的定時中斷;CPU用于接收阻尼力矩指令，以及在定時中斷時驅(qū)動計數(shù)器工作;PI調(diào)節(jié)單元用于讀取CPU中接收的阻尼力矩指令，同時接收等效阻尼力矩指令，并輸出H橋占空比偏差信號；Pmi單元用于接收H橋占空比偏差信號，生成HVM脈沖信號;H橋驅(qū)動電路用于接收PWM脈沖信號，并輸出激磁電流;磁粉制動器用于接收激磁電流，并根據(jù)激磁電流產(chǎn)生阻尼力矩T，阻尼力矩T驅(qū)動關(guān)節(jié)兩端的相對角發(fā)生位移;光電編碼器用于檢測關(guān)節(jié)兩端的相對角位移信息，輸出數(shù)字脈沖數(shù)信息和數(shù)字脈沖速度信息；差分/TTL電平轉(zhuǎn)換器用于接收數(shù)字脈沖數(shù)信息和數(shù)字脈沖速度信息，輸出脈沖數(shù)電壓信息和脈沖速度電壓信息;計數(shù)器用于讀取脈沖數(shù)電壓信息和脈沖速度電壓信息;T-M測速單元用于將脈沖速度電壓信息作為阻尼力矩指令反饋給CPU;霍爾電流傳感器用于檢測激磁電流;A/D轉(zhuǎn)換接口 I用于接收激磁電流，并轉(zhuǎn)換為等效阻尼力矩Te，反饋給PI調(diào)節(jié)單元;CAN總線接口和RS485串口用于發(fā)送脈沖數(shù)電壓信息給上位機(jī)或接收上位機(jī)發(fā)送的阻尼力矩指令;A/D轉(zhuǎn)換接口 II用于接收外部模擬信號形式的阻尼力矩指令。
[0054]進(jìn)一步地，還包括上位機(jī)7，上位機(jī)7通過CAN總線接口 2-6或RS485串口 2-7與CPU2-9通信，用于阻尼力矩指令的下達(dá)，及脈沖數(shù)電壓信息的上傳。
[0055]進(jìn)一步地，所述阻尼力矩指令通過阻尼力矩指令通道與CPU通信，阻尼力矩指令通道包括:阻尼力矩指令通道1、阻尼力矩指令通道II和阻尼力矩指令通道III，阻尼力矩指令通道I包括:A/D轉(zhuǎn)換接口 II，用于獲取外部模擬信號形式的阻尼力矩指令;CAN總線接口和RS485串口，用于接收上位機(jī)發(fā)送的阻尼力矩指令;阻尼力矩指令通道II是T-M測速單元，用于獲得脈沖速度電壓信息作為阻尼力矩指令，阻尼力矩指令通道III為阻尼力矩指令通道I和阻尼力矩指令通道II的加權(quán)和。
[0056]進(jìn)一步地，所述處理器模塊2為單片機(jī)、DSP、ARM或FPGA。
[0057]進(jìn)一步地，所述定時器的定時周期為lms。
[0058]一種阻尼連續(xù)可控型關(guān)節(jié)的力反饋控制系統(tǒng)的控制方法，包括以下步驟:
[0059]步驟1:光電編碼器檢測關(guān)節(jié)兩端的相對角位移信息，輸出數(shù)字脈沖數(shù)信息和數(shù)字脈沖速度信息，數(shù)字脈沖數(shù)信息和數(shù)字脈沖速度信息通過差分/TTL電平轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為脈沖數(shù)電壓信息和脈沖速度電壓信息，計數(shù)器讀取脈沖數(shù)電壓信息和脈沖速度電壓信息，T-M測速單元將脈沖速度電壓信息作為阻尼力矩指令反饋給CPU;
[0060]步驟2:定時器定時中斷CPU;
[0061]步驟3:PI調(diào)節(jié)單元讀取CPU中接收的阻尼力矩指令，同時接收等效阻尼力矩指令，并輸出H橋占空比偏差信號，H橋占空比偏差信號=阻尼力矩指令-等效阻尼力矩指令；
[0062 ] 步驟4: H橋占空比偏差信號通過PffM單元，生成PffM脈沖信號；
[0063]步驟5:PWM脈沖信號在H橋驅(qū)動電路的作用下，產(chǎn)生激磁電流；
[0064]步驟6:磁粉制動器在激磁電流作用下，產(chǎn)生阻尼力矩T，阻尼力矩T驅(qū)動關(guān)節(jié)兩端的相對角發(fā)生位移；
[0065]步驟7:通過霍爾電流傳感器檢測激磁電流，然后通過A/D轉(zhuǎn)換接口I轉(zhuǎn)換為等效阻尼力矩，反饋給PI調(diào)節(jié)單元；
[0066]步驟8:重復(fù)步驟1-7。
[0067]進(jìn)一步地，所述步驟3中CPU中的阻尼力矩指令還包括:通過CAN總線接口或RS485串口，CPU接收上位機(jī)發(fā)送的阻尼力矩指令以及通過A/D轉(zhuǎn)換接口 II獲取的模擬信號阻尼力矩指令；
[0068]步驟3還包括計數(shù)器通過CAN總線接口或RS485串口向上位機(jī)發(fā)送脈沖數(shù)電壓信息。
[0069]磁粉制動器5是力反饋關(guān)節(jié)的核心器件，磁粉制動器5是根據(jù)電磁原理和利用磁粉傳遞阻尼扭矩的，在同滑差無關(guān)的情況下，能夠傳遞一定的轉(zhuǎn)矩，具有響應(yīng)速度快，結(jié)構(gòu)簡單，無污染，無噪音，無沖擊振動等特點(diǎn)；其最大的特點(diǎn)是其激磁電流和阻尼轉(zhuǎn)矩成基本的線性關(guān)系，通過調(diào)節(jié)磁粉制動器5的激磁電流，進(jìn)而調(diào)整磁粉制動器5的阻尼轉(zhuǎn)矩，使醫(yī)生在主手操作端感受到從手末端的力/觸覺信息，磁粉制動器5的力矩指令根據(jù)從手控制系統(tǒng)接收到的從手與患處組織的力/觸覺信息解算產(chǎn)生。
[0070]如圖1所示，主手阻尼力矩的指令可以通過阻尼力矩指令通道1、阻尼力矩指令通道II和阻尼力矩指令通道III獲得。
[0071]阻尼力矩指令通道I為阻尼力矩的指令通過外部輸入，外部輸入信號可以通過模擬量通道輸入，采用電路板上的A/D轉(zhuǎn)換接口 II 2-5接收信號(阻尼力矩指令通道I一一I)；外部輸入信號也可以來自上位機(jī)7，本系統(tǒng)設(shè)有同上位機(jī)7的通訊接口 CAN總線接口 2-6 (阻尼力矩指令通道1--2)和RS485串口 2_7(阻尼力矩指令通道1--3)；
[0072]阻尼力矩指令通道II是是T-M測速單元2-10，用于獲得脈沖速度電壓信息作為阻尼力矩指令，阻尼力矩指令通道II是阻尼力矩指令通過關(guān)節(jié)光電編碼器I自身的運(yùn)動速度產(chǎn)生，力反饋關(guān)節(jié)運(yùn)動時，力反饋關(guān)節(jié)兩端的構(gòu)件發(fā)生相對角位移，采集光電編碼器I的脈沖信號后，T-M測速單元2-10通過T-M測速法，計算力反饋關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動速度，控制板根據(jù)關(guān)節(jié)運(yùn)動的速度信號控制磁粉制動器，產(chǎn)生阻尼力矩。
[0073]阻尼力矩指令通道III是阻尼力矩指令混合通道。此通道將通道I和通道II的信息進(jìn)行混合構(gòu)成阻尼力矩指令，即將外部信號和手輪速度信號經(jīng)過加權(quán)處理后，共同作為磁粉制動器5的阻尼力矩指令。
[0074]三種通道可以單獨(dú)使用，也可以組合使用，視情況而定。
[0075]RS485串口 2_7或CAN總線接口 2_6，一方面可以作為外部阻尼力矩指令的通道使用，控制的磁粉制動器5(如圖1上實線箭頭)；另一方面可以作為光電編碼器I的脈沖計數(shù)總線輸出端使用(如圖1上虛線箭頭)。
[0076]如圖2所示，圖中，I表示回路激磁電流，T表示磁粉制動器5輸出阻尼力矩，Te表示由激磁電流等效的阻尼力矩，其關(guān)系由磁粉制動器5特性曲線決定，近似為線性關(guān)系，指令阻尼力矩通過通道選擇控制實現(xiàn)，Kl是通道I上的加權(quán)系數(shù)，K2是通道II上的加權(quán)系數(shù)，通道III可以認(rèn)為是通道I和通道II上數(shù)據(jù)的加權(quán)和，指令阻尼力矩和等效阻尼力矩的偏差，經(jīng)過PI調(diào)節(jié)單元后，輸入給PWM單元以及H橋驅(qū)動電路，H橋驅(qū)動電路調(diào)節(jié)磁粉制動器的激磁電流，進(jìn)而控制磁粉制動器的阻尼力矩。
[0077]如圖1、圖2、圖3和圖4所示，力反饋關(guān)節(jié)運(yùn)動時，力反饋關(guān)節(jié)兩端的構(gòu)件發(fā)生相對角位移，通過光電編碼器I檢測力反饋關(guān)節(jié)兩端的相對角位移，計數(shù)器2-2通過差分/TTL電平轉(zhuǎn)換器3讀取光電編碼器I的脈沖信號，獲得主手操作運(yùn)動信息，脈沖信號包括脈沖數(shù)信號和脈沖速度信號，脈沖數(shù)信號通過CAN總線接口2-6或RS485串口2-7以總線數(shù)據(jù)形式傳給上位機(jī)7，上位機(jī)7通過CAN總線接口 2-6或RS485串口 2_7發(fā)送阻尼力矩指令給CPU2-9，PI調(diào)節(jié)單元2-8讀取CPU2-9中的阻尼力矩指令，輸出H橋占空比偏差信號，H橋占空比偏差信號=阻尼力矩指令-等效阻尼力矩指令，H橋占空比偏差信號通過HVM單元，生成HVM脈沖信號，PWM脈沖信號H橋驅(qū)動電路的作用下，產(chǎn)生激磁電流，激磁電流驅(qū)動磁粉制動器，產(chǎn)生阻尼力矩T，通過AD轉(zhuǎn)換接口 12-4和霍爾電流傳感器6檢測激磁電流，根據(jù)激磁電流和阻尼轉(zhuǎn)矩成基本的線性關(guān)系，獲得等效阻尼力矩Te指令，通過PI調(diào)節(jié)單元2-8計算H橋占空比偏差信號，H橋占空比偏差信號=阻尼力矩指令-等效阻尼力矩Te指令，計算H橋占空比偏差信號在定時器2-1中斷服務(wù)時進(jìn)行，通過PI調(diào)節(jié)單元2-8后輸出H橋占空比偏差信號，PffM單元2-3根據(jù)H橋占空比偏差信號生成PffM脈沖信號，PffM脈沖信號在H橋驅(qū)動4電路的作用下，產(chǎn)生激磁電流，激磁電流驅(qū)動磁粉制動器5產(chǎn)生相應(yīng)的阻尼力矩，形成閉環(huán)控制系統(tǒng)。
[0078]通過PffM單元2-3對脈沖速度信號進(jìn)行脈寬調(diào)制，通過H橋驅(qū)動電路4調(diào)節(jié)加在磁粉制動器5上的激磁電流，從而使磁粉制動器5產(chǎn)生相應(yīng)的阻尼力矩。
[0079]定時器2-1在系統(tǒng)復(fù)位后啟動，定時器2-1的工作周期設(shè)定為lms，在定時中斷服務(wù)程序中，完成磁粉制動器5驅(qū)動的激磁電流閉環(huán)控制。
[0080]A/D轉(zhuǎn)換接口 Π 2-5作為阻尼力矩的模擬量輸入通道，S卩，從手端的壓力傳感器信號經(jīng)解算后，可以作為關(guān)節(jié)指令阻尼力矩的輸入，進(jìn)而控制磁粉制動器5產(chǎn)生阻尼力矩。
[0081]本發(fā)明的阻尼連續(xù)可控型關(guān)節(jié)的力反饋控制系統(tǒng)，與電機(jī)類力反饋執(zhí)行裝置相比，成本低，操作性好，結(jié)構(gòu)簡單緊湊。
[0082]本發(fā)明適用于絕大多數(shù)需要對阻尼力矩反饋的操作控制場合。
[0083]以上公開的僅為本發(fā)明的幾個具體實施例，但是，本發(fā)明實施例并非局限于此，任何本領(lǐng)域的技術(shù)人員能思之的變化都應(yīng)落入本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項】
1.一種阻尼連續(xù)可控型關(guān)節(jié)的力反饋控制系統(tǒng)，其特征在于，包括:處理器模塊、光電編碼器、差分/TTL電平轉(zhuǎn)換器、H橋驅(qū)動電路、磁粉制動器和霍爾電流傳感器； 處理器模塊包括:CPU、定時器、計數(shù)器、A/D轉(zhuǎn)換接口 1、A/D轉(zhuǎn)換接口 11、CAN總線接口、RS485串口、T-M測速單元、PI調(diào)節(jié)單元和P麗單元，其中，定時器、計數(shù)器、A/D轉(zhuǎn)換接口 I1、CAN總線接口、RS485串口、T_M測速單元和PI調(diào)節(jié)單元分別與CPU連接，PI調(diào)節(jié)單元與PWM單元連接，計數(shù)器與T-M測速單元連接，A/D轉(zhuǎn)換接口 I與PI調(diào)節(jié)單元連接，CAN總線接口和RS485串口分別與計數(shù)器連接； PffM單元與H橋驅(qū)動電路連接，H橋驅(qū)動電路與磁粉制動器連接； 磁粉制動器與光電編碼器連接，光電編碼器通過差分/TTL電平轉(zhuǎn)換器與計數(shù)器連接； H橋驅(qū)動電路與霍爾電流傳感器連接，霍爾電流傳感器與A/D轉(zhuǎn)換接口 I連接； 定時器用于CRJ的定時中斷； CHJ用于接收阻尼力矩指令，以及在定時中斷時驅(qū)動計數(shù)器工作； PI調(diào)節(jié)單元用于讀取CPU中接收的阻尼力矩指令，同時接收等效阻尼力矩指令，并輸出H橋占空比偏差信號； PWM單元用于接收H橋占空比偏差信號，生成PffM脈沖信號； H橋驅(qū)動電路用于接收PffM脈沖信號，并輸出激磁電流； 磁粉制動器用于接收激磁電流，并根據(jù)激磁電流產(chǎn)生阻尼力矩T，阻尼力矩T驅(qū)動關(guān)節(jié)兩端的相對角發(fā)生位移； 光電編碼器用于檢測關(guān)節(jié)兩端的相對角位移信息，輸出數(shù)字脈沖數(shù)信息和數(shù)字脈沖速度信息； 差分/TTL電平轉(zhuǎn)換器用于接收數(shù)字脈沖數(shù)信息和數(shù)字脈沖速度信息，輸出脈沖數(shù)電壓信息和脈沖速度電壓信息； 計數(shù)器用于讀取脈沖數(shù)電壓信息和脈沖速度電壓信息； T-M測速單元用于將脈沖速度電壓信息作為阻尼力矩指令反饋給CRJ; 霍爾電流傳感器用于檢測激磁電流； A/D轉(zhuǎn)換接口 I用于接收激磁電流，并轉(zhuǎn)換為等效阻尼力矩Te，反饋給PI調(diào)節(jié)單元； CAN總線接口和RS485串口用于發(fā)送脈沖數(shù)電壓信息給上位機(jī)或接收上位機(jī)發(fā)送的阻尼力矩指令； A/D轉(zhuǎn)換接口 II用于接收外部模擬信號形式的阻尼力矩指令。2.如權(quán)利要求1所述的阻尼連續(xù)可控型關(guān)節(jié)的力反饋控制系統(tǒng)，其特征在于，還包括上位機(jī)，上位機(jī)通過CAN總線接口或RS485串口與CPU通信，用于阻尼力矩指令的下達(dá)，及脈沖數(shù)電壓信息的上傳。3.如權(quán)利要求2所述的阻尼連續(xù)可控型關(guān)節(jié)的力反饋控制系統(tǒng)，其特征在于，所述阻尼力矩指令通過阻尼力矩指令通道與CPU通信，阻尼力矩指令通道包括:阻尼力矩指令通道1、阻尼力矩指令通道II和阻尼力矩指令通道III，阻尼力矩指令通道I包括:A/D轉(zhuǎn)換接口 II，用于獲取外部模擬信號形式的阻尼力矩指令;CAN總線接口和RS485串口，用于接收上位機(jī)發(fā)送的阻尼力矩指令;阻尼力矩指令通道II是T-M測速單元，用于獲得脈沖速度電壓信息作為阻尼力矩指令，阻尼力矩指令通道III為阻尼力矩指令通道I和阻尼力矩指令通道II的加權(quán)和。4.如權(quán)利要求1所述的阻尼連續(xù)可控型關(guān)節(jié)的力反饋控制系統(tǒng)，其特征在于，所述處理器模塊為單片機(jī)、DSP、ARM或FPGA。5.如權(quán)利要求1所述的阻尼連續(xù)可控型關(guān)節(jié)的力反饋控制系統(tǒng)，其特征在于，所述定時器的定時周期為lms。6.如權(quán)利要求1?5任一權(quán)利要求所述的阻尼連續(xù)可控型關(guān)節(jié)的力反饋控制系統(tǒng)的控制方法，包括以下步驟: 步驟1:光電編碼器檢測關(guān)節(jié)兩端的相對角位移信息，輸出數(shù)字脈沖數(shù)信息和數(shù)字脈沖速度信息，數(shù)字脈沖數(shù)信息和數(shù)字脈沖速度信息通過差分/TTL電平轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為脈沖數(shù)電壓信息和脈沖速度電壓信息，計數(shù)器讀取脈沖數(shù)電壓信息和脈沖速度電壓信息，T-M測速單元將脈沖速度電壓信息作為阻尼力矩指令反饋給CPU; 步驟2:定時器定時中斷CRJ; 步驟3:PI調(diào)節(jié)單元讀取CPU中接收的阻尼力矩指令，同時接收等效阻尼力矩指令，并輸出H橋占空比偏差信號，H橋占空比偏差信號=阻尼力矩指令-等效阻尼力矩指令； 步驟4: H橋占空比偏差信號通過PffM單元，生成PffM脈沖信號； 步驟5: PffM脈沖信號在H橋驅(qū)動電路的作用下，產(chǎn)生激磁電流； 步驟6:磁粉制動器在激磁電流作用下，產(chǎn)生阻尼力矩T，阻尼力矩T驅(qū)動關(guān)節(jié)兩端的相對角發(fā)生位移； 步驟7:通過霍爾電流傳感器檢測激磁電流，然后通過A/D轉(zhuǎn)換接口 I轉(zhuǎn)換為等效阻尼力矩，反饋給PI調(diào)節(jié)單元； 步驟8:重復(fù)步驟1-7。7.如權(quán)利要求6所述的阻尼連續(xù)可控型關(guān)節(jié)的力反饋控制系統(tǒng)的控制方法，其特征在于，所述步驟3中CPU中的阻尼力矩指令還包括:通過CAN總線接口或RS485串口，CPU接收上位機(jī)發(fā)送的阻尼力矩指令以及通過A/D轉(zhuǎn)換接口 II獲取的模擬信號阻尼力矩指令； 步驟3還包括計數(shù)器通過CAN總線接口或RS485串口向上位機(jī)發(fā)送脈沖數(shù)電壓信息。
【文檔編號】B25J9/16GK105856226SQ201610173928
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年3月20日
【發(fā)明人】于占東, 付瑩, 張鵬, 于震
【申請人】渤海大學(xué)