负载柔顺控制装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种负载柔顺控制装置及方法，应用于手术机器人主手柔顺控制。该装置包括具有四个开关元器件、四个续流二极管和一负载的H桥驱动电路，设有正向驱动指令、正向滑行指令、反向驱动指令和反向滑行指令的预驱芯片以及控制预驱芯片发送指令的控制器。通过断开所有开关元器件，使得负载无驱动，不产生反电动势，实现电机在降速时的操作具有柔顺性，可以快速启动和切换电机的正反转、降低控制复杂度的设置以及降低功耗。的设置以及降低功耗。的设置以及降低功耗。

【技术实现步骤摘要】
负载柔顺控制装置及方法


[0001]本专利技术涉及柔顺控制
，具体涉及一种负载柔顺控制装置及方法，应用于手术机器人主手柔顺控制。

技术介绍

[0002]手术机器人系统主要由控制台和操作臂组成。其中控制台包括医生双手操作的主手，将医生的手、手腕和手指运动准确地映射成手术器械的微细而精确的运动，手术器械尖端与外科医生的双手同步运动，来控制器械和一个三维高清内窥镜，进行手术操作。手术机器人的主手在手术期间处于的拖动操作需要驱动器设置为力矩模式；并且主手频繁的拖动需要电机快速响应，一般采用可使其连接的负载或输出端两端电压反相/电流反向的H桥驱动电路。为了达到让医生操作主手控制器接近真实的手术器械的感觉，驱动模式下补偿各种外界阻力，比如摩擦力或者重力等，在没有驱动时杜绝电机反电动势的产生。在给电机驱动力的情况下，摩擦力和重力能够被补偿，以达到近似于“零力”的操作手感，即柔顺控制。但当不给电机驱动力的时候，H桥单极模式下，H桥两个下桥的MOSFET导通，形成电流回路，电机被“H”桥短接，产生反电动势，对于医生的操作产生阻碍，即刹车现象，刹车时，电机的电流降低慢，电机端由驱动变为制动模式。电机产生的制动力很大，所以速度快速降低为0，这使得医生操作的阻力急剧增加；H桥双极模式下，可以实现加速减速，虽然存在反向的供电电压，但线圈电流更大，电流向电源流动，若电源不支持反馈，容易损坏，且双极模式下，同侧MOSFET的PWM信号互补，但在转换瞬间会出现同时导通的情况，这种情况可能非常危险，因为它可能导致MOSFET和整个电路过热和损坏，导致击穿。针对这种情况，一般采用在一个MOSFET关断和另一个MOSFET导通之间留出时间缓冲，即在PWM控制中实施死区时间，死区时间通过确保同一支路上的两个晶体管不会同时导通来防止击穿，但这种方法控制复杂度高，功耗大。

技术实现思路

[0003]为解决上述问题，本专利技术提供一种负载柔顺控制装置及方法，应用于手术机器人主手柔顺控制。该负载柔顺控制装置及方法用于实现电机在降速时操作的柔顺性，且便于快速启动和切换电机的正反转。
[0004]本专利技术的一方面提供了一种负载柔顺控制装置，应用于手术机器人主手柔顺控制，该负载柔顺控制装置包括如下内容：
[0005]力传感器、控制器、预驱芯片和H桥驱动电路；
[0006]所述H桥驱动电路包括四个开关元器件、四个续流二极管、H桥驱动电路中间设有一负载；
[0007]所述预驱芯片包括GH1端、GL1端、GH2端、GL2端、AVDD/DVDD端；
[0008]所述力传感器设置在所述手术机器人主手手把上，用于采集所述手术机器人主手手把上接收到的力，并将采集到的力转为电流；
[0009]所述控制器根据接收到的电流，向所述预驱芯片发送电流转占空比的指令，并控制预驱芯片向H桥驱动电路发送占空比、高电平或低电平；
[0010]所述预驱芯片预先设定电流转占空比的规则，根据接收到的所述控制器发动的指令调节占空比的设定。
[0011]根据本专利技术一实施例，所述四个开关元器件分别为位于H桥驱动电路左上桥的第一MOSFET开关元器件S1、位于H桥驱动电路右上桥的第二MOSFET开关元器件S2、位于H桥驱动电路左下桥的第三MOSFET开关元器件S3、位于H桥驱动电路右下桥的第四MOSFET开关元器件S4；所述四个续流二极管为第一MOSFET续流二极管D1、第二MOSFET续流二极管D2、第三MOSFET续流二极管D3、第四MOSFET续流二极管D4；所述预驱芯片GH1端与所述第一MOSFET开关元器件S1连接，所述预驱芯片GH2端与所述第二MOSFET开关元器件S2连接，所述预驱芯片GL1端与所述第三MOSFET开关元器件S3连接，所述预驱芯片GL2端与所述第四MOSFET开关元器件S4连接；
[0012]所述位于H桥驱动电路左上桥的第一MOSFET开关元器件S1和所述位于H桥驱动电路右上桥的第二MOSFET开关元器件S2靠近电源端；所述位于H桥驱动电路左下桥的第三MOSFET开关元器件S3和所述位于H桥驱动电路右下桥的第四MOSFET开关元器件S4靠近接地端。
[0013]根据本专利技术一实施例，当向所述位于H桥驱动电路左上桥的第一MOSFET开关元器件S1和所述位于H桥驱动电路右下桥的第四MOSFET开关元器件S4发送高电平控制信号PWM，且发送高电平控制信号PWM所占的时间超过发送高电平控制信号PWM和低电平控制信号PWM时间之和的时间的一半，则电机正转；所述第一MOSFET开关元器件S1和所述第四MOSFET开关元器件S4导通，电流从电源正极流经第一MOSFET开关元器件S1，从左到右流经负载，经过第四MOSFET开关元器件S4流入接地端；
[0014]当向所述位于H桥驱动电路左上桥的第一MOSFET开关元器件S1和所述位于H桥驱动电路右下桥的第四MOSFET开关元器件S4发送低电平控制信号PWM，且发送低电平控制信号PWM所占的时间正好是发送高电平控制信号PWM和低电平控制信号PWM时间之和的时间的一半，为了防止电机停止转动产生反电动势，所述第一MOSFET开关元器件S1、所述第二MOSFET开关元器件S2、所述第三MOSFET开关元器件S3和所述第四MOSFET开关元器件S4全部断开，由于负载电流方向不变，电流从接地端流经第三MOSFET续流二极管D3，从左到右流经负载，经过第二MOSFET续流二极管D2流入电源，高阻态使得电流快速降低为零，负载不产生反电动势，使得向左上桥的第一MOSFET开关元器件S1发送低电平控制信号PWM时，推动手术机器人主手滑行时柔顺无阻碍，实现零力拖动的柔顺控制；
[0015]当向所述位于H桥驱动电路右上桥的第二MOSFET开关元器件S2和所述位于H桥驱动电路左下桥的第三MOSFET开关元器件S3发送高电平控制信号PWM，且发送低电平控制信号PWM所占的时间超过发送高电平控制信号PWM和低电平控制信号PWM时间之和的时间的一半，则电机反转；所述第二MOSFET开关元器件S2和所述第三MOSFET开关元器件S3导通，电流从电源正极流经第二MOSFET开关元器件S2，从右到左流经负载，经过第三MOSFET开关元器件S3流入接地端。
[0016]本专利技术的另一方面提供了一种引用前述任意一项所述的负载柔顺控制装置的负载柔顺控制方法，应用于手术机器人主手柔顺控制，该负载柔顺控制方法包括如下步骤：
[0017]控制器预先设定控制指令，预驱芯片预先设定电流转占空比的规则；
[0018]力传感器采集所述手术机器人主手手把上接收到的力，并将采集到的力转为电流；
[0019]所述控制器根据接收到的电流，向所述预驱芯片发送电流转占空比的指令；
[0020]所述预驱芯片根据接收到的所述控制器发动的指令调节占空比的设定；
[0021]所述控制器根据设定的占空比控制所述预驱芯片向H桥驱动电路发送占空比、高电平或低电平。
[0022]根据本专利技术一实施例，所述预驱芯片本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种负载柔顺控制装置，应用于手术机器人主手柔顺控制，其特征在于，包括力传感器、控制器、预驱芯片和H桥驱动电路；所述H桥驱动电路包括四个开关元器件、四个续流二极管、H桥驱动电路中间设有一负载；所述预驱芯片包括GH1端、GL1端、GH2端、GL2端、AVDD/DVDD端；所述力传感器设置在所述手术机器人主手手把上，用于采集所述手术机器人主手手把上接收到的力，并将采集到的力转为电流；所述控制器根据接收到的电流，向所述预驱芯片发送电流转占空比的指令，并控制预驱芯片向H桥驱动电路发送占空比、高电平或低电平；所述预驱芯片预先设定电流转占空比的规则，根据接收到的所述控制器发动的指令调节占空比的设定。2.根据权利要求1所述的一种负载柔顺控制装置，其特征在于，所述四个开关元器件分别为位于H桥驱动电路左上桥的第一MOSFET开关元器件S1、位于H桥驱动电路右上桥的第二MOSFET开关元器件S2、位于H桥驱动电路左下桥的第三MOSFET开关元器件S3、位于H桥驱动电路右下桥的第四MOSFET开关元器件S4；所述四个续流二极管为第一MOSFET续流二极管D1、第二MOSFET续流二极管D2、第三MOSFET续流二极管D3、第四MOSFET续流二极管D4；所述预驱芯片GH1端与所述第一MOSFET开关元器件S1连接，所述预驱芯片GH2端与所述第二MOSFET开关元器件S2连接，所述预驱芯片GL1端与所述第三MOSFET开关元器件S3连接，所述预驱芯片GL2端与所述第四MOSFET开关元器件S4连接；所述位于H桥驱动电路左上桥的第一MOSFET开关元器件S1和所述位于H桥驱动电路右上桥的第二MOSFET开关元器件S2靠近电源端；所述位于H桥驱动电路左下桥的第三MOSFET开关元器件S3和所述位于H桥驱动电路右下桥的第四MOSFET开关元器件S4靠近接地端。3.根据权利要求2所述的一种负载柔顺控制装置，其特征在于，当向所述位于H桥驱动电路左上桥的第一MOSFET开关元器件S1和所述位于H桥驱动电路右下桥的第四MOSFET开关元器件S4发送高电平控制信号PWM，且发送高电平控制信号PWM所占的时间超过发送高电平控制信号PWM和低电平控制信号PWM时间之和的时间的一半时，则电机正转；所述第一MOSFET开关元器件S1和所述第四MOSFET开关元器件S4导通，电流从电源正极流经所述第一MOSFET开关元器件S1，从左到右流经负载，经过所述第四MOSFET开关元器件S4流入接地端；当向所述位于H桥驱动电路左上桥的第一MOSFET开关元器件S1和所述位于H桥驱动电路右下桥的第四MOSFET开关元器件S4发送低电平控制信号PWM，且发送低电平控制信号PWM所占的时间正好是发送高电平控制信号PWM和低电平控制信号PWM时间之和的时间的一半，为了防止电机停止转动产生反电动势，所述第一MOSFET开关元器件S1、所述第二MOSFET开关元器件S2、所述第三MOSFET开关元器件S3和所述第四MOSFET开关元器件S4全部断开，由于负载电流方向不变，电流从接地端流经所述第三MOSFET续流二极管D3，从左到右流经负载，经过所述第二MOSFET续流二极管D2流入电源，高阻态使得电流快速降低为零，负载不产生反电动势，使得向左上桥的所述第一MOSFET开关元器件S1发送低电平控制信号PWM时，推动手术机器人主手滑行时柔顺无阻碍，实现零力拖动的柔顺控制；当向所述位于H桥驱动电路右上桥的第二MOSFET开关元器件S2和所述位于H桥驱动电路左下桥的第三MOSFET开关元器件S3发送高电平控制信号PWM，且发送低电平控制信号PWM
所占的时间超过发送高电平控制信号PWM和低电平控制信号PWM时间之和的时间的一半，则电机反转；所述第二MOSFET开关元器件S2和所述第三MOSFET开关元器件S3导通，电流从电源正极流经所述第二MOSFET开关元器件S2，从右到左流经负载，经过所述第三MOSFET开关元器件S3流入接地端。4.一种负载柔顺控制方法，...

【专利技术属性】
技术研发人员：吕文尔，朱常春，王少白，陈晓平，
申请(专利权)人：上海卓昕医疗科技有限公司，
类型：发明
国别省市：