一种脊椎畸形矫正器及控制方法技术

本发明专利技术属于医用器械技术领域，公开了一种脊椎畸形矫正器及控制方法，脊椎畸形矫正器设置有：腰部紧固带；腰部紧固带前方焊接有半圆柱托腮柱；半圆柱托腮柱中间通过螺纹连接托腮柱高度旋钮；半圆柱托腮柱顶部焊接有托腮板；腰部紧固带后方焊接有两根背部矫形柱；背部矫形柱中部通过螺纹连接背部矫形柱高度调节旋钮；两根背部矫形柱上方均设置有紧固带。此脊椎畸形矫正器设置有半圆柱托腮柱，可以在患者胸前托住腮部，配合背部矫形柱，让患者上半身保持伸直；并且紧固带可以将背部矫形柱紧紧禁锢在患者背部，辅助进行脊椎畸形矫正工作。

【技术实现步骤摘要】
一种脊椎畸形矫正器及控制方法
本专利技术属于医用器械
，尤其涉及一种脊椎畸形矫正器及控制方法。
技术介绍
目前，业内常用的现有技术是这样的：脊柱的冠状位，矢状位或轴向位偏离正常位置，发生形态上异常的表现，称为脊柱畸形。从外形上，侧弯可以产生背部隆起畸形，产生“剃刀背”畸形，有的甚至产生“漏斗胸”或“鸡胸”畸形，同时合并这种背部畸形，可以伴随双侧肩关节不平衡或者骨盆不平衡，以及双下肢不等长；后凸畸形，尤其是胸椎结核性后凸畸形，可以引起患者明显局部畸形，身高减少，胸腔和腹腔容量的减少，甚至造成神经功能，呼吸功能，消化功能的损害等；同时对于脊柱骨结构本身发育不良的患者，可以伴发脑脊膜膨出，隐形脊柱裂等神经发育异常的表现。此外，先天性脊柱侧凸还可能伴有心血管系统异常，气管－食管瘘，多囊肾等多脏器异常的表现。传统治疗脊柱畸形的方式是手术矫正，可是此类手术风险极大，很容易对患者造成不可逆的伤害，因此我们需要一种温和的物理方式治疗脊柱畸形。综上所述，现有技术存在的问题是：传统治疗脊柱畸形的方式是手术矫正，可是此类手术风险极大，很容易对患者造成不可逆的伤害，因此我们需要一种温和的物理方式治疗脊柱畸形。现有的控制设备中，单芯片不能对多路(最高达25路)第一电机或第二电机的电流细分驱动控制和轨迹运动控制功能。现有的FPGA存储信息容量小，保存多份FPGA配置信息时需要多个芯片；并且对信息配置时需要停电处理，使用比较麻烦。
技术实现思路
针对现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种脊椎畸形矫正器及控制方法。本专利技术是这样实现的，一种脊椎畸形矫正器的控制方法，所述脊椎畸形矫正器的控制方法包括：通过托腮柱高度旋钮控制模块控制托腮板的高度；通过背部矫形柱高度调节旋钮控制模块控制背部矫形柱的高度；通过控制模块分别控制托腮柱高度旋钮控制模块集成的第一电机、背部矫形柱高度调节旋钮控制模块集成的第二电机，执行托腮柱高度旋钮控制模块、背部矫形柱高度调节旋钮控制模块的控制指令；通过计算机对托腮柱高度旋钮控制模块、背部矫形柱高度调节旋钮控制模块进行控制指令；控制模块包括：与FPGA控制模块互逆连接，至少集成一组功率驱动和位置及电流采集电路，用于第一电机或第二电机的功率驱动，以及将电机位置及电流的实时信号采集并反馈给FPGA控制模块的多路功率驱动及信号采集模块；与多路功率驱动及信号采集模块互逆连接，至少设置一组第一电机或第二电机/编码器，用于第一电机或第二电机转子位置的实时检测的第一电机或第二电机/编码器组；所述FPGA控制模块，包括NiosII微处理器、CAN控制器IP核、多路第一电机或第二电机控制IP核、定时器IP核、EPCSIP核、JTAGUART；所述多路第一电机或第二电机控制IP核通过片内Avalon总线分别连通NiosII微处理器、CAN控制器IP核、定时器IP核、EPCSIP核、JTAGUART；所述多路第一电机或第二电机控制IP核连接多路功率驱动和位置及电流采集电路；所述CAN控制器IP核，一端通过CAN通信接口电路连接计算机，另一端通过片内Avalon总线连接NiosII微处理器，用于实现NiosII微处理器与计算机之间的串行通讯；所述NiosII微处理器，用于与计算机的数据交互，将计算机的控制指令信息解析，根据解析结果对每路第一电机或第二电机控制IP核的配置信息、运行信息进行设定，并将多轴第一电机或第二电机控制器的状态信息反馈给计算机；所述第一电机或第二电机控制IP核，包括Avalon总线接口模块、速度剖面产生模块、细分电流计算模块、电流调节器、PWM输出模块、AD接口控制模块、电流调理模块、位置反馈处理模块和时序规划模块；用于实现第一电机或第二电机的电流细分驱动控制和轨迹运动控制功能；所述Avalon总线接口模块，用于与NiosII微处理器的数据交互，接收NiosII微处理器过来的配置信息和运行信息，并将状态信息反馈给NiosII微处理器；所述速度剖面产生模块用于根据配置信息和运行信息进行梯形速度剖面参数的运算，实时计算出每一个步进脉冲的控制周期，并生成步进脉冲信号CP和转向信号Dir；所述细分电流计算模块用于根据步进脉冲信号CP和转向信号Dir计算第一电机或第二电机两相绕组电流的给定值Ia*和Ib*；所述AD接口控制模块用于控制外部的双通道AD转换器完成模数转换，以读取外部AD转换器的电流采样结果；所述电流调理模块用于根据电流采样结果计算出第一电机或第二电机两相绕组电流的反馈值Ia和Ib；所述电流调节器用于根据两相绕组电流的给定值Ia*和Ib*和反馈值Ia和Ib分别进行电流PI闭环运算，以生成相应绕组电流控制所需的脉冲占空比信号Duty；所述PWM输出模块用于根据脉冲占空比信号Duty和转向信号Dir，以生成相应绕组电流控制所需的PWM信号；所述FPGA控制模块还通过导线连接FPGA配置电路；FPGA配置电路包括串行FLASH存储器；串行FLASH存储器的FCLK、FnCS、FMOSI、FMIS接口连接外部处理器；通过上述接口将配置信息写至串行FLASH存储器；接口CLK、SDA连接外部处理；通过上述接口设置引导信息；nConfig、DI、DCLK、nCS、DO通过导线连接FPGA；所述串行FLASH存储器的数据写入为：外部处理器通过FCLK、FnCS、FMOSI、FMIS完成配置信息写入。进一步，所述位置反馈处理模块用于获取当前电机转子位置信息；所述时序规划模块用于Avalon总线接口模块、速度剖面产生模块、细分电流计算模块、电流调节器、PWM输出模块、AD接口控制模块、电流调理模块、位置反馈处理模块的时序调度，使得它们按照一定的顺序执行以完成第一电机或第二电机的电流细分驱动控制和轨迹运动控制功能；所述功率驱动及信号采集模块，包括电平转换电路、驱动电路、功率H桥电路、电流传感器、电流调理电路、AD转换电路和位置调理电路；所述第一电机或第二电机控制IP核输出的PWM信号经电平转换电路后接驱动电路的输入端；所述驱动电路的输出端接功率H桥电路的输入端；所述功率H桥电路的输出端接两相第一电机或第二电机的一相绕组；所述电流传感器串联在第一电机或第二电机绕组回路中，用于绕组电流的采集，依次通过电流调理电路、AD转换电路和电平转换电路后接第一电机或第二电机控制IP核的电流信号输入；所述第一电机或第二电机后端设置有光电编码器用于采集电机转子位置信号，依次通过位置调理电路、电平转换电路后接第一电机或第二电机控制IP核的转子位置信号输入；进一步，所述速度剖面产生模块根据Avalon总线接口模块的配置信息和运行信息；首先计算出速度剖面各阶段所需的控制参数；按梯形速度剖面运行时，则加速阶段、匀速阶段和减速阶段的加速度a1、a2、a3分别为：其中，启动速度为Fs，匀速速度为Fc，停止速度为Fe，加速步数为N1，匀速步数为N2，减速步数为N3；其次实时计算出每一个步进脉冲的控制周期；由第一电机或第二电机工作原理及运动学方程，得加速阶段、匀速阶段和减速阶段每个步进脉冲的步进周期Δti、Δtj和Δtk分别为：最后生成相应的步进脉冲信号CP和转向信号Dir；第一电机或第二电机在高速运行时，步进周期Δt的数值在us甚至ns量级，用计算出的步进周期Δ本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种脊椎畸形矫正器的控制方法，其特征在于，所述脊椎畸形矫正器的控制方法包括：通过托腮柱高度旋钮控制模块控制托腮板的高度；通过背部矫形柱高度调节旋钮控制模块控制背部矫形柱的高度；通过控制模块分别控制托腮柱高度旋钮控制模块集成的第一电机、背部矫形柱高度调节旋钮控制模块集成的第二电机，执行托腮柱高度旋钮控制模块、背部矫形柱高度调节旋钮控制模块的控制指令；通过计算机对托腮柱高度旋钮控制模块、背部矫形柱高度调节旋钮控制模块进行控制指令；控制模块包括：与FPGA控制模块互逆连接，至少集成一组功率驱动和位置及电流采集电路，用于第一电机或第二电机的功率驱动，以及将电机位置及电流的实时信号采集并反馈给FPGA控制模块的多路功率驱动及信号采集模块；与多路功率驱动及信号采集模块互逆连接，至少设置一组第一电机或第二电机/编码器，用于第一电机或第二电机转子位置的实时检测的第一电机或第二电机/编码器组；所述FPGA控制模块，包括Nios II微处理器、CAN控制器IP核、多路第一电机或第二电机控制IP核、定时器IP核、EPCS IP核、JTAG UART；所述多路第一电机或第二电机控制IP核通过片内Avalon总线分别连通Nios II微处理器、CAN控制器IP核、定时器IP核、EPCS IP核、JTAG UART；所述多路第一电机或第二电机控制IP核连接多路功率驱动和位置及电流采集电路；所述CAN控制器IP核，一端通过CAN通信接口电路连接计算机，另一端通过片内Avalon总线连接Nios II微处理器，用于实现Nios II微处理器与计算机之间的串行通讯；所述Nios II微处理器，用于与计算机的数据交互，将计算机的控制指令信息解析，根据解析结果对每路第一电机或第二电机控制IP核的配置信息、运行信息进行设定，并将多轴第一电机或第二电机控制器的状态信息反馈给计算机；所述第一电机或第二电机控制IP核，包括Avalon总线接口模块、速度剖面产生模块、细分电流计算模块、电流调节器、PWM输出模块、AD接口控制模块、电流调理模块、位置反馈处理模块和时序规划模块；用于实现第一电机或第二电机的电流细分驱动控制和轨迹运动控制功能；所述Avalon总线接口模块，用于与Nios II微处理器的数据交互，接收Nios II微处理器过来的配置信息和运行信息，并将状态信息反馈给Nios II微处理器；所述速度剖面产生模块用于根据配置信息和运行信息进行梯形速度剖面参数的运算，实时计算出每一个步进脉冲的控制周期，并生成步进脉冲信号CP和转向信号Dir；所述细分电流计算模块用于根据步进脉冲信号CP和转向信号Dir计算第一电机或第二电机两相绕组电流的给定值Ia*和Ib*；所述AD接口控制模块用于控制外部的双通道AD转换器完成模数转换，以读取外部AD转换器的电流采样结果；所述电流调理模块用于根据电流采样结果计算出第一电机或第二电机两相绕组电流的反馈值Ia和Ib；所述电流调节器用于根据两相绕组电流的给定值Ia*和Ib*和反馈值Ia和Ib分别进行电流PI闭环运算，以生成相应绕组电流控制所需的脉冲占空比信号Duty；所述PWM输出模块用于根据脉冲占空比信号Duty和转向信号Dir，以生成相应绕组电流控制所需的PWM信号；所述FPGA控制模块还通过导线连接FPGA配置电路；FPGA配置电路包括串行FLASH存储器；串行FLASH存储器的FCLK、FnCS、FMOSI、FMIS接口连接外部处理器；通过上述接口将配置信息写至串行FLASH存储器；接口CLK、SDA连接外部处理；通过上述接口设置引导信息；nConfig、DI、DCLK、nCS、DO通过导线连接FPGA；所述串行FLASH存储器的数据写入为：外部处理器通过FCLK、FnCS、FMOSI、FMIS完成配置信息写入。...

【技术特征摘要】
1.一种脊椎畸形矫正器的控制方法，其特征在于，所述脊椎畸形矫正器的控制方法包括：通过托腮柱高度旋钮控制模块控制托腮板的高度；通过背部矫形柱高度调节旋钮控制模块控制背部矫形柱的高度；通过控制模块分别控制托腮柱高度旋钮控制模块集成的第一电机、背部矫形柱高度调节旋钮控制模块集成的第二电机，执行托腮柱高度旋钮控制模块、背部矫形柱高度调节旋钮控制模块的控制指令；通过计算机对托腮柱高度旋钮控制模块、背部矫形柱高度调节旋钮控制模块进行控制指令；控制模块包括：与FPGA控制模块互逆连接，至少集成一组功率驱动和位置及电流采集电路，用于第一电机或第二电机的功率驱动，以及将电机位置及电流的实时信号采集并反馈给FPGA控制模块的多路功率驱动及信号采集模块；与多路功率驱动及信号采集模块互逆连接，至少设置一组第一电机或第二电机/编码器，用于第一电机或第二电机转子位置的实时检测的第一电机或第二电机/编码器组；所述FPGA控制模块，包括NiosII微处理器、CAN控制器IP核、多路第一电机或第二电机控制IP核、定时器IP核、EPCSIP核、JTAGUART；所述多路第一电机或第二电机控制IP核通过片内Avalon总线分别连通NiosII微处理器、CAN控制器IP核、定时器IP核、EPCSIP核、JTAGUART；所述多路第一电机或第二电机控制IP核连接多路功率驱动和位置及电流采集电路；所述CAN控制器IP核，一端通过CAN通信接口电路连接计算机，另一端通过片内Avalon总线连接NiosII微处理器，用于实现NiosII微处理器与计算机之间的串行通讯；所述NiosII微处理器，用于与计算机的数据交互，将计算机的控制指令信息解析，根据解析结果对每路第一电机或第二电机控制IP核的配置信息、运行信息进行设定，并将多轴第一电机或第二电机控制器的状态信息反馈给计算机；所述第一电机或第二电机控制IP核，包括Avalon总线接口模块、速度剖面产生模块、细分电流计算模块、电流调节器、PWM输出模块、AD接口控制模块、电流调理模块、位置反馈处理模块和时序规划模块；用于实现第一电机或第二电机的电流细分驱动控制和轨迹运动控制功能；所述Avalon总线接口模块，用于与NiosII微处理器的数据交互，接收NiosII微处理器过来的配置信息和运行信息，并将状态信息反馈给NiosII微处理器；所述速度剖面产生模块用于根据配置信息和运行信息进行梯形速度剖面参数的运算，实时计算出每一个步进脉冲的控制周期，并生成步进脉冲信号CP和转向信号Dir；所述细分电流计算模块用于根据步进脉冲信号CP和转向信号Dir计算第一电机或第二电机两相绕组电流的给定值Ia*和Ib*；所述AD接口控制模块用于控制外部的双通道AD转换器完成模数转换，以读取外部AD转换器的电流采样结果；所述电流调理模块用于根据电流采样结果计算出第一电机或第二电机两相绕组电流的反馈值Ia和Ib；所述电流调节器用于根据两相绕组电流的给定值Ia*和Ib*和反馈值Ia和Ib分别进行电流PI闭环运算，以生成相应绕组电流控制所需的脉冲占空比信号Duty；所述PWM输出模块用于根据脉冲占空比信号Duty和转向信号Dir，以生成相应绕组电流控制所需的PWM信号；所述FPGA控制模块还通过导线连接FPGA配置电路；FPGA配置电路包括串行FLASH存储器；串行FLASH存储器的FCLK、FnCS、FMOSI、FMIS接口连接外部处理器；通过上述接口将配置信息写至串行FLASH存储器；接口CLK、SDA连接外部处理；通过上述接口设置引导信息；nConfig、DI、DCLK、nCS、DO通过导线连接FPGA；所述串行FLASH存储器的数据写入为：外部处理器通过FCLK、FnCS、FMOSI、FMIS完成配置信息写入。2.如权利要求1所述的脊椎畸形矫正器的控制方法，其特征在于，所述位置反馈处理模块用于获取当前电机转子位置信息；所述时序规划模块用于Avalon总线接口模块、速度剖面产生模块、细分电流计算模块、电流调节器、PWM输出模块、AD接口控制模块、电流调理模块、位置反馈处理模块的时序调度，使得它们按照一定的顺序执行以完成第一电机或第二电机的电流细分驱动控制和轨迹运动控制功能；所述功率驱动及信号采集模块，包括电平转换电路、驱动电路、功率H桥电路、电流传感器、电流调理电路、AD转换电路和位置调理电路；所述第一电机或第二电机控制IP核输出的PWM信号经电平转换电路后接驱动电路的输入端；所述驱动电路的输出端接功率H桥电路的输入端；所述功率H桥电路的输出...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈凌强，王静，王兵，杨晋，龚志强，董俊杰，
申请(专利权)人：昆明医科大学第一附属医院，
类型：发明
国别省市：云南,53