CN104013378B - 便携式遥操作无线微管道机器人的控制系统及工作方法 - Google Patents

Abstract

一种便携式遥操作无线微管道机器人的控制系统，其特征在于它是由控制器主端部分、控制器从端部分和三轴亥姆霍兹线圈单元构成；其工作方法包括：图像采集、分析判断、控制、确定病变位置；其优越性：1、控制灵活，降低了X光射线的辐射伤害；2、体积小、便于携带；3、遥操作控制模式，具有较高的灵活性和实用性；4、降低了传统驱动装置的发热现象，要求和成本低；5、能够满足临床的控制要求。

Description

便携式遥操作无线微管道机器人的控制系统及工作方法

(一)技术领域：

本发明属于工业、医疗设备技术领域，尤其是一种便携式遥操作无线微管道机器人的控制系统及工作方法，特别适用于肠道疾病的检测、诊断或病患处样液的提取、分析以及后期的辅助介入手术、治疗等方面。

(二)背景技术：

根据中国卫生部公布的《第三次全国死因回顾抽样调查报告》，在2004-2005年中因消化道疾病死亡的人数为因疾病死亡人数的16.87％，且该比率从1997年开始有逐年递增的趋势。消化道疾病已经开始成为威胁我国国民身体健康的重要问题。消化道的肿瘤与癌症是因消化道疾病死亡的主要原因，因此针对消化道进行早期肿瘤与癌症筛查有重大意义。

目前，微创诊断已经成为临床医学重要的发展趋势被广泛应用于人体胃肠道，常用诊断设备有传统内窥镜和胶囊内窥镜。传统内窥镜需在专业医生的操作下插入人体胃肠道，容易给病人带来不适感和创伤，而且检测效果不是十分理想，对于病变位置的检测和判断不直观，有很多肠道盲点无法到达。胶囊内窥镜只能随着胃肠道的蠕动被动前进，无法自主运动，常常遗漏某些部位或无法反复观察可疑病灶点，检测时间长，专一性差。

主动型微型胃肠道疾病诊疗机器人是理想的胃肠道无创检查和治疗方案。该类机器人一般集成了运动机构，图像传感器和控制电路，可由外科医生进行实时操作，对可疑病灶点进行反复观察。集成了活检钳与微泵的机器人还可进行组织取样和定点药物释放。肠道机器人能够在磁场的驱动和控制下，实现在人体消化道中主动的运动，可到达和检测人体肠道的任意位置，实现位置可控；同时可调节机器人的运动速度，提高检测的效率。

便携式遥操作无线微管道机器人的控制装置能够有效地对肠道机器人的运动状态进行实时的控制。根据临床的实际需求，可实现外科医生和患者之间的远程治疗。控制装置具有体积小，便于携带等特点，实现了肠道检测和治疗的普及性。

(三)发明内容：

本发明的目的在于提供一种便携式遥操作无线微管道机器人的控制系统及工作方法，它可以克服现有技术的不足，是一种可以主动控制肠道机器人在人体肠道内运动状态的装置，其结构简单，体积小，便于携带，操作方便，成本低，且能够实现医生和患者远程操作。

本发明的技术方案：一种便携式遥操作无线微管道机器人的控制系统，其特征在于它是由控制器主端部分、控制器从端部分和三轴亥姆霍兹线圈单元构成；其中所述控制器主端部分和控制器从端部分通过无线通讯进行数据传输；所述控制器主端部分的输入端接收医生的操作信号，其输出端与控制器从端部分通过无线连接并交互信息；所述控制器从端部分的输出端通过三轴亥姆霍兹线圈单元发出驱动信号和控制信号，控制机器人的动作和位置。

所述三轴亥姆霍兹线圈单元内有磁传感器阵列；所述磁传感器阵列是由不少于一个的霍尼韦尔传感器HMC1021以阵列的分布形式构成。

所述控制器主端部分包括主控制器单元、主端电源处理单元、AD采集处理单元、摇杆信息单元、主端状态显示单元和无线发射模块单元；其中，所述控制器主端部分的主控制器单元的输入端连接AD采集处理单元的输出端，其输出端与主端状态显示单元和无线发射模块单元的输入端连接；所述主端电源处理单元的输入端连接开关电源，其输出端为主控制器单元、AD采集处理单元、摇杆信息单元、主端状态显示单元和无线发射模块单元供电；所述AD采集处理单元的输入端接收摇杆信息单元输出的摇杆位置信息；所述摇杆信息单元的输入端采集医生的摇杆动作信号；所述主端状态显示单元显示当前控制器主端部分的控制状态。

所述主控制器单元由STC89C52单片机最小系统构成；所述主端电源处理单元由开关S2、稳压模块P2、5V电源供电电路I以及3.3V电源供电电路I构成；其中，所述主端电源处理单元通过开关S2接收+5V输入电压，其输出端通过稳压模块P2分别输出+5V电压和+3.3V电压；其中+5V电压通过5V电源供电电路I为主控制器单元、AD采集处理单元、摇杆信息单元和主端状态显示单元供电；所述+3.3V电压通过3.3V电源供电电路I为无线发射模块单元供电；所述5V电源供电电路I由发光二极管D1、电阻R2、电容C4和电容C5构成；所述发光二极管D1和电阻R2相互串联，与电容C4和电容C5相互并联组成的滤波电容组并联连接后，一端连接稳压模块P2的5V输出端，另一端接地；所述3.3V电源供电电路I由发光二极管D2、电阻R3、电容C6和电容C7构成；所述发光二极管D2和电阻R3相互串联，与电容C6和电容C7相互并联组成的滤波电容组并联连接后，一端连接稳压模块P2的3.3V输出端，另一端接地；所述电源的上电由开关S2控制，并由发光二极管显示当前的上电情况；所述AD采集处理单元由74LS74芯片和ADC0809芯片构成；其中，所述74LS74芯片的输出端与ADC0809芯片连接，为ADC0809芯片提供时钟信号；所述ADC0809芯片接收摇杆信息单元的输出信号，其输出端连接主控制器单元；所述摇杆信息单元的输入端采集医生操纵摇杆动作时的信号，包括X轴摇杆位置信息、Y轴摇杆位置信息和Z轴摇杆位置信息；其中，所述摇杆信息单元由Joystick摇杆I和Joystick摇杆II构成；所述Joystick摇杆I控制摇杆操作时的X轴位置信息和Y轴位置信息；所述Joystick摇杆II控制摇杆操作时的Z轴位置信息；所述主端状态显示单元由数码管、三极管和电阻构成；其中，所述三极管的输出与所述数码管连接，为数码管提供片选信号；所述主控制器单元的输出为数码管提供段选信号；所述无线发射模块单元由nRF905无线模块构成，其控制信号由所述主控制器单元的输出端提供。

所述控制器从端部分包括从控制器单元、从端电源处理单元、按键输入单元、继电器组输出单元、从端状态显示单元和无线接收模块单元；其中，所述从控制器单元的输入端分别与按键输入单元及无线接收模块单元的输出端连接，其输出端连接从端状态显示单元和继电器组输出单元的输入端；所述从端电源处理单元的输入端连接开关电源，其输出端为从控制器单元、继电器组输出单元、从端状态显示单元和无线接收模块单元供电；所述按键输入单元接收医生的手动操作信号；所述无线接收模块单元接收控制器主端部分的无线发射模块单元发出的控制信号；所述继电器组输出单元的输入端与从控制器单元的输出端连接，其输出端与三轴亥姆霍兹线圈连接。

所述从控制器单元由STC89C52最小系统构成；所述从端电源处理单元由开关S9、开关S10、稳压模块P27、VDD电源供电电路II、5V电源供电电路II以及3.3V电源供电电路II构成；所述从端电源处理单元通过开关S9连接VCC-D电源，其输出端电压VDD为继电器组输出单元中继电器组的高压工作电路供电；同时通过开关S10接收+5V输入电压，其输出端通过稳压模块P27分别输出+5V电压和+3.3V电压；其中+5V电压通过5V电源供电电路II为从控制器单元、继电器组输出单元中继电器组的低压控制电路和从端状态显示单元供电，电压+3.3V通过3.3V电源供电电路II为无线接收模块单元供电，所述VDD电源供电电路II由发光二极管D9、电阻R7、电容C11和电容C12构成；所述发光二极管D9和电阻R7相互串联，与电容C11和电容C12相互并联组成的滤波电容组并联连接后，一端连接开关S9，另一端接地；所述5V电源供电电路II由发光二极管D10、电阻R8、电容C13和电容C14构成；所述发光二极管D10和电阻R8相互串联，与电容C13和电容C14相互并联组成的滤波电容组并联连接后，一端连接稳压模块P27的5V输出端，另一端接地；所述3.3V电源供电电路II由发光二极管D11、电阻R9、电容C15和电容C16构成；所述发光二极管D11和电阻R9相互串联，与电容C15和电容C16相互并联组成的滤波电容组并联连接后，一端连接稳压模块P27的3.3V输出端，另一端接地；所述电源的上电由开关S9和开关S10控制，并由发光二极管显示当前的上电情况；所述按键输入单元由按键和芯片74LS21构成；其中，所述芯片74LS21的输入端与所述按键的输出端连接，其输出端与所述从控制器单元的输入端连接；所述继电器组输出单元由继电器组驱动模块、继电器组输出模块和输出选择模块构成；其中所述继电器组驱动模块的输入端接收从控制器单元输出端的控制信号；其输出端与继电器组输出模块的输入端连接；所述继电器组输出模块的输出端连接输出选择模块的输入端；所述输出选择模块的输出端与三轴亥姆霍兹线圈连接。

所述继电器组驱动模块由6个三极管、6个二极管和6个排针板构成；所述6个排针板图中为P3-P8，其连接为常规连接；所述继电器组输出模块由信号型继电器组和功率型继电器组构成；其中，所述信号型继电器组由6个欧姆龙G62-5V-2继电器构成；所述功率型继电器组由6个JQX-115F继电器构成；图中信号型继电器组为继电器P9-P14，功率型继电器组为继电器P15-P20；所述输出选择模块由6个接线端子和6个滤波电容组构成，6个接线端子在图中标注为接线端子P21-P26；6个滤波电容组分别是由两个电容并联组成；其连接为常规连接。

所述输出选择模块的输出端与三轴亥姆霍兹线圈连接；所述继电器组驱动模块的排针板分别对应1个信号型继电器和1个功率型继电器，通过改变排针板与信号型继电器和功率型继电器的连接，从而改变所述继电器组输出单元的输出信号类型；所述从端状态显示单元由两片数码管、两个三极管和两个电阻构成；其中，所述从控制器单元的输出端为数码管提供段选信号；所述三极管的输出端与数码管连接，为数码管提供片选信号；所述无线接收模块单元由nRF905无线模块、发光二极管和电阻构成；其中，所述nRF905无线模块接收无线发射模块单元发出的控制信号，其输出端与从控制器单元连接；所述发光二级管显示当前的控制模式。

所述无线接收模块单元中的发光二级管D12显示当前控制模式为遥操作控制模式或手动控制模式；当控制模式为遥操作控制模式时，发光二极管点亮，当控制模式为手动控制模式时，发光二级管熄灭。

所述主控制器单元中STC89C52最小系统为常规连接，其中P0.0-P0.7引脚分别与主端状态显示单元中的数码管a-dp引脚连接，P1.0-P1.7引脚连接无线发射模块单元，P1.0引脚连接MOSI引脚，P1.1引脚连接MISO引脚，P1.2引脚连接SCK引脚，P1.3引脚连接CSN引脚，P1.4引脚连接TX_EN引脚，P1.5引脚连接TRX_CE引脚，P1.6引脚连接PWR_UP引脚，P1.7引脚连接DR引脚，P2.0-P2.7引脚分别与AD采集处理单元的ADC0809芯片中D0-D7引脚连接，P3.0引脚与ADC0809芯片的ADD_A引脚连接，P3.1引脚与ADC0809芯片的ADD_B引脚连接，P3.2引脚与ADC0809芯片的ADD_C引脚连接，P3.3引脚与ADC0809芯片的EOC引脚连接，P3.4引脚与ADC0809芯片的START引脚连接，P3.5引脚与ADC0809芯片的OE引脚连接，P3.6引脚与主端状态显示单元中的R5引脚连接，P3.7引脚与主端状态显示单元中的R4引脚连接，ALE引脚与AD采集处理单元中的74LS74芯片的CLK1连接。

所述主端电源处理单元中为常规连接，单输入结构，输入电压为+5V，调整稳压芯片P2分别输出+5V和+3.3V，并用自锁开关S2控制两路电压的上电，用发光二极管D1、D2分别显示电源上电的状态。

所述摇杆信息单元中所有的VCC引脚和GND引脚为常规连接，VCC引脚接+5V，Joystick摇杆I中S-X、S-Y和Joystick摇杆II中S-Y引脚分别与AD采集处理单元中ADC0809芯片的IN0-IN2连接。

所述的AD采集处理单元中ADC0809芯片的VCC、VREF+、VREF-、GND为常规接法，VCC和VREF+接+5V，VREF-和GND与电路中的GND共地，ALE引脚与START引脚连接，CLK引脚与74LS74芯片的Q1引脚连接，74LS74芯片的D1引脚与Q1引脚连接，VCC引脚接+5V。

所述主端显示单元中的数码管为常规接法，使用三极管1015提供驱动电流。

所述的无线发射模块单元中的VCC和GND引脚为常规接法，其中VCC引脚与从端电源处理单元的+3.3V引脚连接，GND引脚与电路中的GND引脚共地。

所述从控制器单元中STC89C52最小系统为常规连接，其中P0.0-P0.7引脚分别与主端状态显示单元中的数码管a-dp引脚连接，P1.0-P1.7引脚连接无线接收模块单元，P1.0引脚连接MOSI引脚，P1.1引脚连接MISO引脚，P1.2引脚连接SCK引脚，P1.3引脚连接CSN引脚，P1.4引脚连接TX_EN引脚，P1.5引脚连接TRX_CE引脚，P1.6引脚连接PWR_UP引脚，P1.7引脚连接DR引脚，P2.0-P2.5引脚与继电器组输出单元中6个三极管1815的基极引脚连接，P2.6引脚与按键输入单元的B_MODE引脚连接，P2.7引脚与按键输入单元的B_DIR引脚连接，P3.0引脚与无线接收模块单元中的CD引脚连接，P3.1引脚与无线接收模块单元中的AM引脚连接，P3.2引脚与按键输入单元中的U9B74LS21芯片的BUTTON引脚连接，P3.3引脚与按键输入单元中的B_START引脚连接，P3.4引脚与按键输入单元中的B_UP引脚连接，P3.5引脚与按键输入单元中的B_DOWN引脚连接，P3.6引脚与从端状态显示单元中的R11引脚连接，P3.7引脚与从端状态显示单元中的R10引脚连接。

所述从端电源处理单元中为常规连接，双输入结构，根据需求选择输入电压为+5V和驱动三轴亥姆霍兹线圈的电压VCC_D，调整稳压芯片P27分别输出VDD、+5V和+3.3V，并用两个自锁开关S9、S10分别控制VDD和+5V、+3.3V的上电，用发光二极管D9、D10、D11分别显示电源上电的状态。

所述按键输入单元中的按键有5个，为常规接法，通过两片74LS21芯片将按键的选通信号用U9B74LS21芯片的BUTTON引脚和所述从控制器单元的P3.2引脚连接。

所述继电器组输出单元的继电器组驱动模块中三极管的驱动部分为常规接法，三极管的输出信号(集电极)OUT1_1、OUT1_2、OUT2_1、OUT2_2、OUT2_1、OUT3_2引脚分别与6个排针组P3-P8的第2引脚连接，P3-P8的第1引脚分别与继电器组输出单元的继电器组输出模块中功率型继电器组中P15-P20的第5引脚连接，P3-P8的第3引脚分别与继电器组输出单元的继电器组输出模块中信号型继电器组中P9-P14的第5引脚连接；所述继电器组输出单元的继电器组输出模块中信号型继电器组和功率型继电器组的连接方式一致，信号型继电器组中的P9和P10、P11和P12、P13和P14分别组成3路输出，P9-P14中的第1引脚均与从端电源处理单元中+5V引脚连接，第3引脚均与从端电源处理单元中的VDD引脚连接，第7引脚均与电路的GND共地，信号性继电器组中的P9的第4、第6引脚与输出选择单元中P21的第2引脚连接，P10的第4、第6引脚与P21的第1引脚连接，P11的第4、第6引脚与P22的第2引脚连接，P12的第4、第6引脚与P22的第1引脚连接，P13的第4、第6引脚与P23的第2引脚连接，P14的第4、第6引脚与P23的第1引脚连接，功率型继电器组中的P15的第4、第6引脚与P24的第2引脚连接，P16的第4、第6引脚与P24的第1引脚连接，P17的第4、第6引脚与P25的第2引脚连接，P18的第4、第6引脚与P25的第1引脚连接，P19的第4、第6引脚与P26的第2引脚连接，P20的第4、第6引脚与P26的第1引脚连接；所述继电器组输出单元的第Ⅲ部分中P21-P26的12个引脚连接104和4.7μ的电容，进行输出滤波。

所述从端显示单元中的数码管为常规接法，使用三极管1015提供驱动电流。

所述的无线接收模块单元(图6-f)中的VCC和GND引脚为常规接法，其中VCC引脚与从端电源处理单元的+3.3V引脚连接，GND引脚与电路中的GND引脚共地，利用一个发光二极管D12显示当前工作模式(手动控制模式/遥操作控制模式)，发光二极管D12的阴极与TX_EN引脚连接，阳极与1K电阻连接，1K电阻另一端与从端电源处理单元的+5V引脚连接。

一种便携式遥操作无线微管道机器人的控制系统的工作方法，其特征在于它包括以下步骤：

(1)在肠道的检测和治疗手术中，手术室内的X光透视仪通过图像处理设备采集并获得肠道机器人在肠道中的位置和姿态信息，磁传感器阵列可采集肠道机器人对于肠道的相对位置信息和运动状态信息，位移、速度、加速度，肠道机器人中的微型摄像头采集肠道中的病变信息，由手术室中的PC机相关软件进行信息的汇总和融合，通过Internet将处理后的信息传输到操纵室中的PC机；

(2)操纵室中的医生可根据当前的信息进行分析和判断，通过操纵控制器主端部分的摇杆信息单元发出控制信号，进行遥操作控制，主端状态显示单元显示当前控制器主端部分的控制状态；

(3)手术室中的控制器从端部分接收操纵室中控制器主端部分的控制信号，通过相关的控制算法，由继电器组输出单元输出相应的驱动信号和控制信号，驱动和控制三轴亥姆霍兹线圈输出相应的磁场，驱动和控制肠道机器人，从端状态显示单元显示当前控制器从端部分的控制状态；

(4)肠道机器人内部含有永磁体，在三轴亥姆霍兹线圈输出磁场的驱动和控制下，改变当前运动状态，位置、速度、加速度，X光透视仪和磁阵列定位系统再次采集和处理当前肠道机器人的位置和肠道信息，并通过手术室中的PC机将实时信息通过Internet传输到操纵室中的PC机，供医生进行参考和判决；

(5)如发生特殊情况(如遥操作系统出现系统故障、患者需要休息等)或发现病变位置，医生可改变切换当前的控制模式，改为手动控制模式；医生可到手术室中与患者进行沟通交流或在手术室中进行直接的手动控制，解决出现的特殊情况或进一步确定病变位置。

本发明的工作原理：主控制器的输入端接收AD采集的摇杆位置信息，其输出端与数码管和无线发射模块连接，同时数码管显示当前控制状态，无线发射模块发射当前控制状态；所述从控制器的输入端与按键和无线接收模块连接，根据当前控制模式(手动控制模式/遥操作控制模式)分别从按键或无线接收模块读取控制信息，通过调用相应的控制算法，其输出端与数码管和继电器组连接，数码管显示当前控制状态，继电器组为三轴亥姆霍兹线圈提供驱动和控制信号。根据肠道机器人的种类，利用三轴亥姆霍兹线圈输出与之对应的控制磁场(球形肠道机器人-直流磁场+旋转磁场、仿鱼型肠道机器人-交变磁场、柱形螺纹型肠道机器人-旋转磁场等)。

通过改变继电器组驱动模块排针板的连接方式，以选择继电器组输出模块中与其对应的信号型继电器组或功率型继电器组，从而改变所述继电器组输出单元的输出信号类型。

本发明的优越性：1、满足临床的实际需求，根据实际的操作要求，可选择手动控制模式和遥操作控制模式，控制灵活，降低了手术现场X光射线对医生的辐射伤害；2、体积小、便于携带，肠道的检测过程可在任意地点进行，提高了手术的灵活性；3、遥操作控制模式下，该装置可实现任意组网，具有较高的灵活性和实用性；4、该控制装置的输出部分由继电器组实现，可使用单电源输出双极性的控制信号，降低了传统驱动装置的发热现象，同时也降低了对电源的要求和成本；5、该控制装置结合相应的控制算法，可实现对肠道机器人的运动状态控制，其中包括：运动速度控制、运动方向控制、机器人姿态控制等，完全能够满足临床的控制要求。

(四)附图说明：

图1为本发明所涉一种便携式遥操作无线微管道机器人的控制系统的整体结构框图。

图2为本发明所涉一种便携式遥操作无线微管道机器人的控制系统的控制器主端部分的结构框图。

图3为本发明所涉一种便携式遥操作无线微管道机器人的控制系统的控制器从端部分的结构框图。

图4为本发明所涉一种便携式遥操作无线微管道机器人的控制系统的控制器主端部分和控制器从端部分的系统流程图。

图5-a为本发明所涉一种便携式遥操作无线微管道机器人的控制系统的主控制器单元原理图；图5-b主端电源处理单元原理图；图5-c为摇杆信息单元原理图；图5-d为AD采集处理单元原理图；图5-e为主端状态显示单元原理图；图5-f为无线发射模块单元原理图。

图6-a为本发明所涉一种便携式遥操作无线微管道机器人的控制系统的从控制器单元原理图；图6-b为从端电源处理单元原理图；图6-c为按键输入单元原理图；图6-d为继电器组输出单元原理图，图6-d的第Ⅰ部分为继电器组驱动部分，图6-d的第Ⅱ部分为继电器组输出部分，图6-d的第Ⅲ部分为输出选择部分；图6-e为从端状态显示单元原理图；图6-f为无线接收模块单元原理图。

(五)具体实施方式：

实施例：一种便携式遥操作无线微管道机器人的控制系统(见图1)，其特征在于它是由控制器主端部分、控制器从端部分和三轴亥姆霍兹线圈单元构成；其中所述控制器主端部分和控制器从端部分通过无线通讯进行数据传输；所述控制器主端部分的输入端接收医生的操作信号，其输出端与控制器从端部分通过无线连接并交互信息；所述控制器从端部分的输出端通过三轴亥姆霍兹线圈单元发出驱动信号和控制信号，控制机器人的动作和位置。

所述三轴亥姆霍兹线圈单元内有磁传感器阵列；所述磁传感器阵列是由不少于一个的霍尼韦尔传感器HMC1021以阵列的分布形式构成。

所述控制器主端部分(见图2)包括主控制器单元、主端电源处理单元、AD采集处理单元、摇杆信息单元、主端状态显示单元和无线发射模块单元；其中，所述控制器主端部分的主控制器单元的输入端连接AD采集处理单元的输出端，其输出端与主端状态显示单元和无线发射模块单元的输入端连接；所述主端电源处理单元的输入端连接开关电源，其输出端为主控制器单元、AD采集处理单元、摇杆信息单元、主端状态显示单元和无线发射模块单元供电；所述AD采集处理单元的输入端接收摇杆信息单元输出的摇杆位置信息；所述摇杆信息单元的输入端采集医生的摇杆动作信号；所述主端状态显示单元显示当前控制器主端部分的控制状态。

所述主控制器单元(见图5-a)由STC89C52单片机最小系统构成；所述主端电源处理单元(见图5-b)由开关S2、稳压模块P2、5V电源供电电路I以及3.3V电源供电电路I构成；其中，所述主端电源处理单元通过开关S2接收+5V输入电压，其输出端通过稳压模块P2分别输出+5V电压和+3.3V电压；其中+5V电压通过5V电源供电电路I为主控制器单元、AD采集处理单元、摇杆信息单元和主端状态显示单元供电；所述+3.3V电压通过3.3V电源供电电路I为无线发射模块单元供电；所述5V电源供电电路I由发光二极管D1、电阻R2、电容C4和电容C5构成；所述发光二极管D1和电阻R2相互串联，与电容C4和电容C5相互并联组成的滤波电容组并联连接后，一端连接稳压模块P2的5V输出端，另一端接地；所述3.3V电源供电电路I由发光二极管D2、电阻R3、电容C6和电容C7构成；所述发光二极管D2和电阻R3相互串联，与电容C6和电容C7相互并联组成的滤波电容组并联连接后，一端连接稳压模块P2的3.3V输出端，另一端接地；所述电源的上电由开关S2控制，并由发光二极管显示当前的上电情况；所述AD采集处理单元(见图5-d)由74LS74芯片和ADC0809芯片构成；其中，所述74LS74芯片的输出端与ADC0809芯片连接，为ADC0809芯片提供时钟信号；所述ADC0809芯片接收摇杆信息单元(见图5-c)的输出信号，其输出端连接主控制器单元(见图5-a)；所述摇杆信息单元的输入端采集医生操纵摇杆动作时的信号，包括X轴摇杆位置信息、Y轴摇杆位置信息和Z轴摇杆位置信息；其中，所述摇杆信息单元由Joystick摇杆I和Joystick摇杆II构成；所述Joystick摇杆I(见图5-c)控制摇杆操作时的X轴位置信息和Y轴位置信息；所述Joystick摇杆II(见图5-c)控制摇杆操作时的Z轴位置信息；所述主端状态显示单元(见图5-e)由数码管、三极管和电阻构成；其中，所述三极管的输出与所述数码管连接，为数码管提供片选信号；所述主控制器单元(见图5-a)的输出为数码管提供段选信号；所述无线发射模块单元(见图5-f)由nRF905无线模块构成，其控制信号由所述主控制器单元(见图5-a)的输出端提供。

所述控制器从端部分(见图3)包括从控制器单元、从端电源处理单元、按键输入单元、继电器组输出单元、从端状态显示单元和无线接收模块单元；其中，所述从控制器单元的输入端分别与按键输入单元及无线接收模块单元的输出端连接，其输出端连接从端状态显示单元和继电器组输出单元的输入端；所述从端电源处理单元的输入端连接开关电源，其输出端为从控制器单元、继电器组输出单元、从端状态显示单元和无线接收模块单元供电；所述按键输入单元接收医生的手动操作信号；所述无线接收模块单元接收控制器主端部分的无线发射模块单元发出的控制信号；所述继电器组输出单元的输入端与从控制器单元的输出端连接，其输出端与三轴亥姆霍兹线圈连接。

所述从控制器单元(见图6-a)由STC89C52最小系统构成；所述从端电源处理单元(见图6-b)由开关S9、开关S10、稳压模块P27、VDD电源供电电路II、5V电源供电电路II以及3.3V电源供电电路II构成；所述从端电源处理单元通过开关S9连接VCC-D电源，其输出端电压VDD为继电器组输出单元中继电器组的高压工作电路供电；同时通过开关S10接收+5V输入电压，其输出端通过稳压模块P27分别输出+5V电压和+3.3V电压；其中+5V电压通过5V电源供电电路II为从控制器单元、继电器组输出单元中继电器组的低压控制电路和从端状态显示单元供电，电压+3.3V通过3.3V电源供电电路II为无线接收模块单元供电，所述VDD电源供电电路II由发光二极管D9、电阻R7、电容C11和电容C12构成；所述发光二极管D9和电阻R7相互串联，与电容C11和电容C12相互并联组成的滤波电容组并联连接后，一端连接开关S9，另一端接地；所述5V电源供电电路II由发光二极管D10、电阻R8、电容C13和电容C14构成；所述发光二极管D10和电阻R8相互串联，与电容C13和电容C14相互并联组成的滤波电容组并联连接后，一端连接稳压模块P27的5V输出端，另一端接地；所述3.3V电源供电电路II由发光二极管D11、电阻R9、电容C15和电容C16构成；所述发光二极管D11和电阻R9相互串联，与电容C15和电容C16相互并联组成的滤波电容组并联连接后，一端连接稳压模块P27的3.3V输出端，另一端接地；所述电源的上电由开关S9和开关S10控制，并由发光二极管显示当前的上电情况；所述按键输入单元(见图6-c)由按键和芯片74LS21构成；其中，所述芯片74LS21的输入端与所述按键的输出端连接，其输出端与所述从控制器单元(见图6-a)的输入端连接；所述继电器组输出单元(见图6-d)由继电器组驱动模块、继电器组输出模块和输出选择模块构成；其中所述继电器组驱动模块的输入端接收从控制器单元输出端的控制信号；其输出端与继电器组输出模块的输入端连接；所述继电器组输出模块的输出端连接输出选择模块的输入端；所述输出选择模块的输出端与三轴亥姆霍兹线圈连接。

所述继电器组驱动模块由6个三极管、6个二极管和6个排针板构成；所述6个排针板图中为P3-P8，其连接为常规连接(见图6-d)；所述继电器组输出模块由信号型继电器组和功率型继电器组构成；其中，所述信号型继电器组由6个欧姆龙G62-5V-2继电器构成；所述功率型继电器组由6个JQX-115F继电器构成；图中信号型继电器组为继电器P9-P14，功率型继电器组为继电器P15-P20(见图6-d)；所述输出选择模块由6个接线端子和6个滤波电容组构成，6个接线端子在图中标注为接线端子P21-P26；6个滤波电容组分别是由两个电容并联组成；其连接为常规连接。

所述输出选择模块的输出端与三轴亥姆霍兹线圈连接；所述继电器组驱动模块的排针板分别对应1个信号型继电器和1个功率型继电器，通过改变排针板与信号型继电器和功率型继电器的连接，从而改变所述继电器组输出单元的输出信号类型(见图6-d)；所述从端状态显示单元(见图6-e)由两片数码管、两个三极管和两个电阻构成；其中，所述从控制器单元(见图6-a)的输出端为数码管提供段选信号；所述三极管的输出端与数码管连接，为数码管提供片选信号；所述无线接收模块单元(见图6-f)由nRF905无线模块、发光二极管和电阻构成；其中，所述nRF905无线模块接收无线发射模块单元(见图5-f)发出的控制信号，其输出端与从控制器单元(见图6-a)连接；所述发光二级管显示当前的控制模式。

所述无线接收模块单元中的发光二级管D12显示当前控制模式为遥操作控制模式或手动控制模式；当控制模式为遥操作控制模式时，发光二极管点亮，当控制模式为手动控制模式时，发光二级管熄灭。

所述主控制器单元(见图5-a)中STC89C52最小系统为常规连接，其中P0.0-P0.7引脚分别与主端状态显示单元中的数码管a-dp引脚连接，P1.0-P1.7引脚连接无线发射模块单元(见图5-f)，P1.0引脚连接MOSI引脚，P1.1引脚连接MISO引脚，P1.2引脚连接SCK引脚，P1.3引脚连接CSN引脚，P1.4引脚连接TX_EN引脚，P1.5引脚连接TRX_CE引脚，P1.6引脚连接PWR_UP引脚，P1.7引脚连接DR引脚，P2.0-P2.7引脚分别与AD采集处理单元的ADC0809芯片中D0-D7引脚连接，P3.0引脚与ADC0809芯片的ADD_A引脚连接，P3.1引脚与ADC0809芯片的ADD_B引脚连接，P3.2引脚与ADC0809芯片的ADD_C引脚连接，P3.3引脚与ADC0809芯片的EOC引脚连接，P3.4引脚与ADC0809芯片的START引脚连接，P3.5引脚与ADC0809芯片的OE引脚连接，P3.6引脚与主端状态显示单元中的R5引脚连接，P3.7引脚与主端状态显示单元中的R4引脚连接，ALE引脚与AD采集处理单元中的74LS74芯片的CLK1连接。

所述主端电源处理单元(见图5-b)中为常规连接，单输入结构，输入电压为+5V，调整稳压芯片P2分别输出+5V和+3.3V，并用自锁开关S2控制两路电压的上电，用发光二极管D1、D2分别显示电源上电的状态。

所述摇杆信息单元(见图5-c)中所有的VCC引脚和GND引脚为常规连接，VCC引脚接+5V，Joystick摇杆I中S-X、S-Y和Joystick摇杆II中S-Y引脚分别与AD采集处理单元(见图5-d)中ADC0809芯片的IN0-IN2连接。

所述的AD采集处理单元(见图5-d)中ADC0809芯片的VCC、VREF+、VREF-、GND为常规接法，VCC和VREF+接+5V，VREF-和GND与电路中的GND共地，ALE引脚与START引脚连接，CLK引脚与74LS74芯片的Q1引脚连接，74LS74芯片的D1引脚与Q1引脚连接，VCC引脚接+5V。

所述主端显示单元(见图5-e)中的数码管为常规接法，使用三极管1015提供驱动电流。

所述的无线发射模块单元(见图5-f)中的VCC和GND引脚为常规接法，其中VCC引脚与从端电源处理单元的+3.3V引脚连接，GND引脚与电路中的GND引脚共地。

所述从控制器单元(见图6-a)中STC89C52最小系统为常规连接，其中P0.0-P0.7引脚分别与主端状态显示单元(见图6-e)中的数码管a-dp引脚连接，P1.0-P1.7引脚连接无线接收模块单元(见图6-f)，P1.0引脚连接MOSI引脚，P1.1引脚连接MISO引脚，P1.2引脚连接SCK引脚，P1.3引脚连接CSN引脚，P1.4引脚连接TX_EN引脚，P1.5引脚连接TRX_CE引脚，P1.6引脚连接PWR_UP引脚，P1.7引脚连接DR引脚，P2.0-P2.5引脚与继电器组输出单元(见图6-d)中6个三极管1815的基极引脚连接，P2.6引脚与按键输入单元的B_MODE引脚连接，P2.7引脚与按键输入单元的B_DIR引脚连接，P3.0引脚与无线接收模块单元中的CD引脚连接，P3.1引脚与无线接收模块单元中的AM引脚连接，P3.2引脚与按键输入单元(见图6-c)中的U9B74LS21芯片的BUTTON引脚连接，P3.3引脚与按键输入单元中的B_START引脚连接，P3.4引脚与按键输入单元中的B_UP引脚连接，P3.5引脚与按键输入单元中的B_DOWN引脚连接，P3.6引脚与从端状态显示单元(见图6-e)中的R11引脚连接，P3.7引脚与从端状态显示单元中的R10引脚连接。

所述从端电源处理单元(见图6-b)中为常规连接，双输入结构，输入电压为+5V和驱动三轴亥姆霍兹线圈的电压VCC_D(根据需求选择)，调整稳压芯片P27分别输出VDD、+5V和+3.3V，并用两个自锁开关S9、S10分别控制VDD和+5V、+3.3V的上电，用发光二极管D9、D10、D11分别显示电源上电的状态。

所述按键输入单元(见图6-c)中的按键有5个，为常规接法，通过两片74LS21芯片将按键的选通信号用U9B74LS21芯片的BUTTON引脚和所述从控制器单元(见图6-a)的P3.2引脚连接。

所述继电器组输出单元(见图6-d)的继电器组驱动模块中三极管的驱动部分为常规接法，三极管的输出信号(集电极)OUT1_1、OUT1_2、OUT2_1、OUT2_2、OUT2_1、OUT3_2引脚分别与6个排针组P3-P8的第2引脚连接，P3-P8的第1引脚分别与继电器组输出单元的继电器组输出模块中功率型继电器组中P15-P20的第5引脚连接，P3-P8的第3引脚分别与继电器组输出单元的的继电器组输出模块中信号型继电器组中P9-P14的第5引脚连接；所述继电器组输出单元(见图6-d)的继电器组输出模块中信号型继电器组和功率型继电器组的连接方式一致，信号型继电器组中的P9和P10、P11和P12、P13和P14分别组成3路输出，P9-P14中的第1引脚均与从端电源处理单元(见图6-a)中+5V引脚连接，第3引脚均与从端电源处理单元(见图6-a)中的VDD引脚连接，第7引脚均与电路的GND共地，信号性继电器组中的P9的第4、第6引脚与输出选择单元中P21的第2引脚连接，P10的第4、第6引脚与P21的第1引脚连接，P11的第4、第6引脚与P22的第2引脚连接，P12的第4、第6引脚与P22的第1引脚连接，P13的第4、第6引脚与P23的第2引脚连接，P14的第4、第6引脚与P23的第1引脚连接，功率型继电器组中的P15的第4、第6引脚与P24的第2引脚连接，P16的第4、第6引脚与P24的第1引脚连接，P17的第4、第6引脚与P25的第2引脚连接，P18的第4、第6引脚与P25的第1引脚连接，P19的第4、第6引脚与P26的第2引脚连接，P20的第4、第6引脚与P26的第1引脚连接；所述继电器组输出单元的输出选择模块中P21-P26的12个引脚连接104和4.7μ的电容，进行输出滤波。

所述从端显示单元(图6-e)中的数码管为常规接法，使用三极管1015提供驱动电流。

所述的无线接收模块单元(图6-f)中的VCC和GND引脚为常规接法，其中VCC引脚与从端电源处理单元的+3.3V引脚连接，GND引脚与电路中的GND引脚共地，利用一个发光二极管D12显示当前工作模式(手动控制模式/遥操作控制模式)，发光二极管D12的阴极与TX_EN引脚连接，阳极与1K电阻连接，1K电阻另一端与从端电源处理单元的+5V引脚连接。

一种便携式遥操作无线微管道机器人的控制系统的工作方法，其特征在于它包括以下步骤：

(1)在肠道的检测和治疗手术中，手术室内的X光透视仪通过图像处理设备采集并获得肠道机器人在肠道中的位置和姿态信息，磁传感器阵列可采集肠道机器人对于肠道的相对位置信息和运动状态信息，位移、速度、加速度，肠道机器人中的微型摄像头采集肠道中的病变信息，由手术室中的PC机相关软件进行信息的汇总和融合，通过Internet将处理后的信息传输到操纵室中的PC机；

(2)操纵室中的医生可根据当前的信息进行分析和判断，通过操纵控制器主端部分的摇杆信息单元发出控制信号，进行遥操作控制，主端状态显示单元显示当前控制器主端部分的控制状态；

(3)手术室中的控制器从端部分接收操纵室中控制器主端部分的控制信号，通过相关的控制算法，由继电器组输出单元输出相应的驱动信号和控制信号，驱动和控制三轴亥姆霍兹线圈输出相应的磁场，驱动和控制肠道机器人，从端状态显示单元显示当前控制器从端部分的控制状态；

(4)肠道机器人内部含有永磁体，在三轴亥姆霍兹线圈输出磁场的驱动和控制下，改变当前运动状态，位置、速度、加速度，X光透视仪和磁阵列定位系统再次采集和处理当前肠道机器人的位置和肠道信息，并通过手术室中的PC机将实时信息通过Internet传输到操纵室中的PC机，供医生进行参考和判决；

(5)如发生特殊情况(如遥操作系统出现系统故障、患者需要休息等)或发现病变位置，医生可改变切换当前的控制模式，改为手动控制模式；医生可到手术室中与患者进行沟通交流或在手术室中进行直接的手动控制，解决出现的特殊情况或进一步确定病变位置。

Claims (2)

1.一种便携式遥操作无线微管道机器人的控制系统，其特征在于它是由控制器主端部分、控制器从端部分和三轴亥姆霍兹线圈单元构成；其中所述控制器主端部分和控制器从端部分通过无线通讯进行数据传输；所述控制器主端部分的输入端接收医生的操作信号，其输出端与控制器从端部分通过无线连接并交互信息；所述控制器从端部分的输出端通过三轴亥姆霍兹线圈单元发出驱动信号和控制信号，控制机器人的动作和位置；

所述三轴亥姆霍兹线圈单元内有磁传感器阵列；所述磁传感器阵列是由不少于一个的霍尼韦尔传感器HMC1021以阵列的分布形式构成；

所述控制器主端部分包括主控制器单元、主端电源处理单元、AD采集处理单元、摇杆信息单元、主端状态显示单元和无线发射模块单元；其中，所述控制器主端部分的主控制器单元的输入端连接AD采集处理单元的输出端，其输出端与主端状态显示单元和无线发射模块单元的输入端连接；所述主端电源处理单元的输入端连接开关电源，其输出端为主控制器单元、AD采集处理单元、摇杆信息单元、主端状态显示单元和无线发射模块单元供电；所述AD采集处理单元的输入端接收摇杆信息单元输出的摇杆位置信息；所述摇杆信息单元的输入端采集医生的摇杆动作信号；所述主端状态显示单元显示当前控制器主端部分的控制状态；

所述主控制器单元由STC89C52单片机最小系统构成；所述主端电源处理单元由开关S2、稳压模块P2、5V电源供电电路I以及3.3V电源供电电路I构成；其中，所述主端电源处理单元通过开关S2接收+5V输入电压，其输出端通过稳压模块P2分别输出+5V电压和+3.3V电压；其中+5V电压通过5V电源供电电路I为主控制器单元、AD采集处理单元、摇杆信息单元和主端状态显示单元供电；所述+3.3V电压通过3.3V电源供电电路I为无线发射模块单元供电；所述5V电源供电电路I由发光二极管D1、电阻R2、电容C4和电容C5构成；所述发光二极管D1和电阻R2相互串联，与电容C4和电容C5相互并联组成的滤波电容组并联连接后，一端连接稳压模块P2的5V输出端，另一端接地；所述3.3V电源供电电路I由发光二极管D2、电阻R3、电容C6和电容C7构成；所述发光二极管D2和电阻R3相互串联，与电容C6和电容C7相互并联组成的滤波电容组并联连接后，一端连接稳压模块P2的3.3V输出端，另一端接地；所述电源的上电由开关S2控制，并由发光二极管显示当前的上电情况；所述AD采集处理单元由74LS74芯片和ADC0809芯片构成；其中，所述74LS74芯片的输出端与ADC0809芯片连接，为ADC0809芯片提供时钟信号；所述ADC0809芯片接收摇杆信息单元的输出信号，其输出端连接主控制器单元；所述摇杆信息单元的输入端采集医生操纵摇杆动作时的信号，包括X轴摇杆位置信息、Y轴摇杆位置信息和Z轴摇杆位置信息；其中，所述摇杆信息单元由Joystick摇杆I和Joystick摇杆II构成；所述Joystick摇杆I控制摇杆操作时的X轴位置信息和Y轴位置信息；所述Joystick摇杆II控制摇杆操作时的Z轴位置信息；所述主端状态显示单元由数码管、三极管和电阻构成；其中，所述三极管的输出与所述数码管连接，为数码管提供片选信号；所述主控制器单元的输出为数码管提供段选信号；所述无线发射模块单元由nRF905无线模块构成，其控制信号由所述主控制器单元的输出端提供；

所述控制器从端部分包括从控制器单元、从端电源处理单元、按键输入单元、继电器组输出单元、从端状态显示单元和无线接收模块单元；其中，所述从控制器单元的输入端分别与按键输入单元及无线接收模块单元的输出端连接，其输出端连接从端状态显示单元和继电器组输出单元的输入端；所述从端电源处理单元的输入端连接开关电源，其输出端为从控制器单元、继电器组输出单元、从端状态显示单元和无线接收模块单元供电；所述按键输入单元接收医生的手动操作信号；所述无线接收模块单元接收控制器主端部分的无线发射模块单元发出的控制信号；所述继电器组输出单元的输入端与从控制器单元的输出端连接，其输出端与三轴亥姆霍兹线圈连接；

所述从控制器单元由STC89C52最小系统构成；所述从端电源处理单元由开关S9、开关S10、稳压模块P27、VDD电源供电电路II、5V电源供电电路II以及3.3V电源供电电路II构成；所述从端电源处理单元通过开关S9连接VCC-D电源，其输出端电压VDD为继电器组输出单元中继电器组的高压工作电路供电；同时通过开关S10接收+5V输入电压，其输出端通过稳压模块P27分别输出+5V电压和+3.3V电压；其中+5V电压通过5V电源供电电路II为从控制器单元、继电器组输出单元中继电器组的低压控制电路和从端状态显示单元供电，电压+3.3V通过3.3V电源供电电路II为无线接收模块单元供电，所述VDD电源供电电路II由发光二极管D9、电阻R7、电容C11和电容C12构成；所述发光二极管D9和电阻R7相互串联，与电容C11和电容C12相互并联组成的滤波电容组并联连接后，一端连接开关S9，另一端接地；所述5V电源供电电路II由发光二极管D10、电阻R8、电容C13和电容C14构成；所述发光二极管D10和电阻R8相互串联，与电容C13和电容C14相互并联组成的滤波电容组并联连接后，一端连接稳压模块P27的5V输出端，另一端接地；所述3.3V电源供电电路II由发光二极管D11、电阻R9、电容C15和电容C16构成；所述发光二极管D11和电阻R9相互串联，与电容C15和电容C16相互并联组成的滤波电容组并联连接后，一端连接稳压模块P27的3.3V输出端，另一端接地；所述电源的上电由开关S9和开关S10控制，并由发光二极管显示当前的上电情况；所述按键输入单元由按键和芯片74LS21构成；其中，所述芯片74LS21的输入端与所述按键的输出端连接，其输出端与所述从控制器单元的输入端连接；所述继电器组输出单元由继电器组驱动模块、继电器组输出模块和输出选择模块构成；其中所述继电器组驱动模块的输入端接收从控制器单元输出端的控制信号；其输出端与继电器组输出模块的输入端连接；所述继电器组输出模块的输出端连接输出选择模块的输入端；所述输出选择模块的输出端与三轴亥姆霍兹线圈连接；

所述输出选择模块的输出端与三轴亥姆霍兹线圈连接；所述继电器组驱动模块的排针板分别对应1个信号型继电器和1个功率型继电器，通过改变排针板与信号型继电器和功率型继电器的连接，从而改变所述继电器组输出单元的输出信号类型；所述从端状态显示单元由两片数码管、两个三极管和两个电阻构成；其中，所述从控制器单元的输出端为数码管提供段选信号；所述三极管的输出端与数码管连接，为数码管提供片选信号；所述无线接收模块单元由nRF905无线模块、发光二极管和电阻构成；其中，所述nRF905无线模块接收无线发射模块单元发出的控制信号，其输出端与从控制器单元连接；所述发光二级管显示当前的控制模式；

所述无线接收模块单元中的发光二级管显示当前控制模式为遥操作控制模式或手动控制模式。

2.根据权利要求1所述一种便携式遥操作无线微管道机器人的控制系统，其特征在于所述继电器组驱动模块由6个三极管、6个二极管和6个排针板构成；所述继电器组输出模块由信号型继电器组和功率型继电器组构成；其中，所述信号型继电器组由6个欧姆龙G62-5V-2继电器构成；所述功率型继电器组由6个JQX-115F继电器构成；所述输出选择模块由6个接线端子和6个滤波电容组构成；6个滤波电容组分别是由两个电容并联组成。