CN112230076B

CN112230076B - 一种骨科动力系统的运动状态监测方法及系统

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Publication number: CN112230076B
Application number: CN202010134168.7A
Authority: CN
Inventors: 朱晓丽
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2020-03-02
Filing date: 2020-03-02
Publication date: 2022-12-09
Anticipated expiration: 2040-03-02
Also published as: CN112230076A

Abstract

本发明提供一种骨科动力系统的运动状态监测方法及系统，检测方法包括以下步骤：将电能表安装到UPS后级；电能表后级连接骨科动力系统控制系统；骨科动力系统控制系统后级连接骨科动力系统；将电能表连接到485抄读器，将485抄读器连接到工控机；启动骨科动力系统，工控机实时采集电能表数据，从而监控骨科动力系统的状态，骨科动力系统采用骨科钻枪，智能电能表能够监测电压、电流、功率、功率因数的电力特征，可以实时反映骨科钻枪在不同情况下的电力特征输出。同时，电能表有有载波和485两种输出方式，稳定、便捷，使用电能表来测量骨科手术机器人中钻枪是否转动，是非常合理而方便的。

Description

一种骨科动力系统的运动状态监测方法及系统

技术领域

本发明涉及骨科医用手术机器人领域的一种监测方法及系统，特别是涉及一种骨科动力系统的运动状态监测方法及系统。

背景技术

在骨科手术机器人中，通常使用骨科动力系统的骨科钻枪进行磨削骨头。我们在软件层面，需要实时的检测骨科钻枪的转动，这就需要我们有一个很好的传感器，进行检测，并且将检测结果进行输出。

目前骨科手术设备中，存在着以下几个弊端，第一，一般采用传感器的方式检测钻枪状态，但是传感器需要裸露在无菌环境中，不能采用任何一种消毒措施，故而无法使用，另一方面目前在骨科动力系统在使用过程中，电流几安到几十安的都有，并且是强电，将差异巨大的电流，直接使用传感器测量是非常危险的。第二，目前骨科手术设备中，一般不采集钻枪状态的数据，这样的医疗设备，不能给医生提供精确的手术导航，医生不能够实时的获得钻枪运动的结果，磨削的情况。第三，目前骨科手术设备中，需要针对整个设备做电磁兼容，如果在检测过程中需要的检测设备过多，过于繁琐，势必会导致设备的电磁兼容不合格。而电能表出厂时，对于电能表的电磁兼容标准，是远远高于医疗设备的电磁兼容标准。第四，一般情况下，钻枪可以使用电池和电源控制台供电，使用电源控制台，就需要连接220VAC电能，如果采集电池供电下的钻枪状态，就会有设备的电磁兼容不合格的问题，如果采集电源控制台供电下的钻枪状态，没有更好的传感器来检测电能。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种骨科动力系统的运动状态监测方法及系统，用于解决现有技术中骨科手术设备中，骨科动力系统的运动状态不到实时监测的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种骨科动力系统的运动状态监测方法，所述检测方法包括以下步骤：

SS1：将电能表安装到UPS后级，使用UPS给所述电能表供电；

SS2：所述电能表后级连接骨科动力系统控制系统；

SS3：所述骨科动力系统控制系统后级连接骨科动力系统；

SS4：将所述电能表连接到485抄读器，将所述485抄读器连接到工控机；

SS5：启动所述骨科动力系统，所述工控机实时采集电能表数据，从而监控骨科动力系统的状态。

于本发明的一实施例中，所述骨科动力系统为骨科钻枪。

将电能表安装在UPS后级，使用UPS供电，保证电能表可以实时上电不断电。

于本发明的一实施例中，智能电能表监测电压、电流、功率、功率因数的电力特征，能够很好的反映出骨科钻枪在不同情况下的电力特征输出。同时，电能表有有载波和485两种输出方式，稳定、便捷。所以使用电能表来测量骨科手术机器人中钻枪是否转动，是非常合理而方便的。且智能电能表作为国家常用的电能采集设备，有精度高，范围广，传输速度快，出厂电磁兼容更严格的特点。

于本发明的一实施例中，将电能表通过带屏蔽的双绞线连接到485抄读器。在使用过程中，只需要给电能表供电，电能表给钻枪供电。就能够实时测量。同时，可以通过485信号线进行数据传输，直接传输的工控机的串口上，而工控机很方便可以读取串口数据。

485信号传输距离远，抗干扰能力强，采用带屏蔽的双绞线更能提高485信号的传输能力，电能表和工控机距离过远时，依然可以有效的传输信号。

于本发明的一实施例中，所述带屏蔽的双绞线采用双端接地。实时监测钻枪状态变化的过程中，需要实时输出，因为电能表自带645协议的485输出，只需要采用带屏蔽的双绞线连接到485抄读器连接到工控机，就可以实时采集电能表数据，从而得到钻枪状态。带屏蔽的双绞线采用双端接地，目的是抵抗外接电磁干扰并且不向外界发射多余的电磁干扰。

于本发明的一实施例中，所述UPS输出为220VAC，采用1.5²电源线供电到电能表上，UPS接地线直接连接到接地端子。因为电能表强电只有四个接口，不需要接地，所以UPS接地线直接连接到接地端子。UPS零线和相线输出，直接连接到电能表的输入上。

于本发明的一实施例中，UPS接地线采用2.5²地线。

于本发明的一实施例中，所述UPS零线和相线分别与所述电能表的输入相连。

于本发明的一实施例中，所述电能表的输出连接到三头插座上，三头插座的地线连接接地端子，三头插座供骨科动力系统控制系统取电。

于本发明的一实施例中，所述电能表的有效量程为20mA～60A，在宽量程下，能有效的测量电压、电流、功率、功率因数等信息。

进一步的，本发明还提供使用前述骨科动力系统的运动状态监测方法的监测系统，包括：

电能表，电能表监测电压、电流、功率、功率因数的电力特征；

UPS，使用UPS供电给电能表供电，保证电能表实时上电不断电；

骨科动力系统控制系统，来控制骨科动力系统的电流强度以及启停；

骨科动力系统，所述骨科动力系统是骨科枪钻，骨科动力系统控制系统为骨科动力系统提供电能，骨科动力系统为磨削提供动能；

485抄读器，实时采集并传输电能表数据，485抄读器为工控机和电能表提供桥接，实现工控机和电能表数据交换；

工控机，显示485抄读器采集并传输的数据，工控机为总控制器，进行数据解析和数据分析。

485信号传输到485抄读器上，485抄读器接工控机，信号可以由工控机识别，将显示的结果显示到术中软件的界面上。系统强弱电交汇点在电能表上，因为电能表强弱电耐压值为4kV。远远满足医疗行业所需要求

在使用过程中，如果是骨科钻枪损坏，医用骨科控制系统指示灯正常，钻枪不转动。如果是医用骨科控制系统损坏，则医用骨科控制系统指示灯不正常亮，电能表能正常亮，钻枪不转。如果是电能表损坏，电能表不能正常亮起。如果是485抄读器损坏，电能表正常亮起，钻枪正常使用，数据不能交互，并且更换工控机之后，依然不能交互。如果工控机损坏，更换工控机正常通讯之后，可确定工控机损坏。如果UPS损坏，后级线缆不能正常上电。

如上所述，本发明的骨科动力系统的运动状态监测方法及系统，具有以下有益效果：

1.UPS为系统提供不间断电能，骨科动力系统在使用过程中不允许任何情况下的断电。

2.电能表提供实时电能监测和实时数据传输，解决了骨科动力系统运动状态实时监测的问题。

3.实际连接线过程中，连接简单，维护方便，强电的供电能力强，弱电传输稳定，所有模块之间的连接，线缆的长度都是可以根据需要进行调整。

4.在使用过程中，某个模块发生故障，是非常容易检测的。

附图说明

图1显示为本发明骨科动力系统的运动状态所需的整体系统。单箭头线条部分为强电部分，双箭头线条部分为弱电部分。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

请参阅图1，本发明提供一种骨科钻枪的运动状态监测方法，包括以下步骤：

SS1：将电能表安装到UPS后级，使用UPS给电能表供电；

SS2：电能表后级连接骨科动力系统控制系统；

SS3：骨科动力系统控制系统后级连接骨科钻枪；

SS4：将电能表通过带屏蔽的双绞线连接到485抄读器，将485抄读器连接到工控机；

SS5：启动骨科钻枪，UPS输出为220VAC，工控机实时采集电能表数据，从而监控骨科钻枪的状态。

电能参数包括：电压、电流、功率、功率因数。

下表数据为骨科动力系统不同的运动状态下的电能参数变化。

	电压	电流	功率	功率因数
					待机	220V	2.32A	102.08W	0.2
空转	220V	3.26A	645.48W	0.9
					带负载运动	220V	5.33A	1113.97W	0.95

工控机抄读得到电能表发出的电压、电流、功率、功率因数等信息。系统在软件中通过比对当前的电能信息和预存储的电能信息做对比，就可以得到当前骨科钻枪的当前状态：

1)如果当前功率小于102w，系统认为当前的骨科钻枪没有接入到系统中；

2)如果当前功率大于102w，小于645w，系统认为当前骨科钻枪已经接入到系统中，并处于待机状态，随时可以启动；

3)如果当前功率等于645w，系统认为骨科钻枪正在空转；

4)如果当前功率大于645w，系统认为骨科钻枪正在正常工作，并且可以根据功率的大小，来判断磨削物的硬度；

5)如果当前功率大于1113w，并且功率因数趋近于1，电流大于5.33A，系统认为骨科钻枪可能出现卡转等情况，此时可以提醒使用者，停止骨科钻枪的工作。

系统主要是通过当前功率来获得骨科钻枪的运动状态，可以通过电流和功率因数来辅助判断当前计算得到的运动状态是否正确。

1)如果系统判断当前骨科钻枪没有接入到系统，系统会验证当前的功率因数是否小于0.2，工作电流是否小于2.32A；

2)如果系统判断当前骨科钻枪处于待机状态，系统会验证当前的功率因数是否为0.2，工作电流是否为2.32A；

3)如果系统判断当前骨科钻枪处于空转状态，系统会验证当前的功率因数是否为0.9，工作电流是否为3.26A；

4)如果系统判断当前骨科钻枪处于正常工作状态，系统会验证当前的功率因数是否在0.9～0.95之间，电流在3.26A～5.33A之间。

综上所述，本发明的骨科动力系统的运动状态监测方法及系统，解决现有技术中骨科手术设备中，骨科动力系统的运动状态得不到实时监测的问题。所以本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims

1.一种骨科动力系统的运动状态监测方法，其特征在于，所述监测方法包括以下步骤：

SS1：将电能表安装到UPS后级，使用所述UPS给所述电能表供电；

SS2：所述电能表后级连接骨科动力系统控制系统；

SS3：所述骨科动力系统控制系统后级连接骨科动力系统，所述骨科动力系统为骨科钻枪；

SS4：将所述电能表连接到485抄读器，将所述485抄读器连接到工控机；其中，将所述电能表通过带屏蔽的双绞线连接到所述485抄读器，所述带屏蔽的双绞线采用双端接地；

SS5：启动所述骨科动力系统，所述工控机实时采集电能表数据，从而监控骨科动力系统的状态，监控方法如下：

3)如果当前功率等于645w，系统认为骨科钻枪正在空转；

5)如果当前功率大于1113w，并且功率因数趋近于1，电流大于5.33A，系统认为骨科钻枪出现卡转，此时提醒使用者，停止骨科钻枪的工作；

系统通过当前功率来获得骨科钻枪的运动状态，通过电流和功率因数来辅助判断当前计算得到的运动状态是否正确，辅助判断方法如下：

2.根据权利要求1所述的骨科动力系统的运动状态监测方法，其特征在于：所述UPS输出为220VAC，采用1.52平方毫米截面积电源线供电到所述电能表上，所述UPS接地线直接连接到接地端子。

3.根据权利要求2所述的骨科动力系统的运动状态监测方法，其特征在于：所述UPS接地线采用2.52平方毫米截面积地线。

4.根据权利要求2所述的骨科动力系统的运动状态监测方法，其特征在于：所述UPS零线和相线分别与所述电能表的输入相连。

5.根据权利要求1所述的骨科动力系统的运动状态监测方法，其特征在于：所述电能表的输出连接到三头插座上，所述三头插座的地线连接接地端子。

6.根据权利要求5所述的骨科动力系统的运动状态监测方法，其特征在于：所述电能表的有效量程为20mA～60A。

7.一种使用权利要求1～6所述的骨科动力系统的运动状态监测方法的监测系统，其特征在于，包括：

电能表，监测电压、电流、功率和功率因数；

UPS，给电能表供电，保证电能表实时上电不断电；

骨科动力系统，采用骨科枪钻，骨科动力系统控制系统为骨科枪钻提供电能，骨科枪钻为磨削提供动能；

485抄读器，实时采集并传输电能表数据；

工控机，显示所述电能表数据。