[发明专利]一种人体颈椎模拟装置控制系统及控制方法

权利要求书

1.一种人体颈椎模拟装置控制系统，其特征在于，所述人体颈椎模拟装置为人体颈椎的模拟结构，包括关节，所述关节包括水平旋转关节和仰俯旋转关节，所述人体颈椎模拟装置控制系统包括力矩传感器、驱动电机和控制器，所述力矩传感器与所述控制器连接，所述控制器与所述驱动电机连接；

所述力矩传感器用于获取医生对所述人体颈椎模拟装置施加的接触力对所述人体颈椎模拟装置的关节产生的力矩；

所述控制器用于根据所述力矩计算得到所述接触力，并根据所述接触力控制所述驱动电机；具体包括：根据所述力矩传感器获取的医生对所述人体颈椎模拟装置施加的第一接触力，采用基于位置的阻抗控制策略控制所述人体颈椎模拟装置旋转，使所述颈椎模拟装置处于待提扳状态；

所述基于位置的阻抗控制策略方程为：

其中，M、B、K分别表示所述人体颈椎模拟装置关节的惯性矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵，F_ext表示第一接触力；X_d和X分别表示第一期望位置和实际位置，分别为第一期望位置X_d关于时间的一阶导数和二阶导数，分别表示实际位置X关于时间的一阶导数和二阶导数；

根据所述力矩传感器获取的医生对所述人体颈椎模拟装置施加的第二接触力，采用力跟踪控制策略控制所述驱动电机驱动所述处于待提扳状态的人体颈椎模拟装置对提扳过程中的人体颈椎生物力学特性进行模拟；

所述力跟踪控制策略方程为：

其中，X_r表示第二期望位置，分别表示第二期望位置X_r的一阶导数和二阶导数，E_f表示力跟踪误差，表示跟踪误差的一阶导数，k_p、k_i和k_d分别表示比例、积分和微分系数；

所述驱动电机用于驱动所述人体颈椎模拟装置的关节旋转。

2.根据权利要求1所述的一种人体颈椎模拟装置控制系统，其特征在于，所述力矩传感器包括水平旋转关节力矩传感器和仰俯旋转关节力矩传感器；

所述水平旋转关节力矩传感器与所述人体颈椎模拟装置的水平旋转关节同轴，用于获取医生对所述人体颈椎模拟装置施加的接触力对所述人体颈椎模拟装置的水平旋转关节产生的力矩；

所述仰俯旋转关节力矩传感器与所述人体颈椎模拟装置的仰俯旋转关节同轴，用于获取医生对所述人体颈椎模拟装置施加的接触力对所述人体颈椎模拟装置的仰俯旋转关节产生的力矩。

3.根据权利要求1所述的一种人体颈椎模拟装置控制系统，其特征在于，所述驱动电机包括水平旋转关节驱动电机和仰俯旋转关节驱动电机；

所述水平旋转关节驱动电机与所述人体颈椎模拟装置的水平旋转关节同轴，用于驱动水平旋转关节旋转；

所述仰俯旋转关节驱动电机与所述人体颈椎模拟装置的仰俯旋转关节同轴，用于驱动仰俯旋转关节旋转。