CN106182002B - 机械臂关节的控制系统以及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种机械臂关节的控制系统以及控制方法，所述控制系统包括减速机构、控制器以及与控制器连接的增量式编码器和旋转电位器，所述减速机构包括输入端和输出端，所述减速机构的输出端与关节相连接，且所述减速机构的输出端与关节中任一可以被另一个驱动，所述增量式编码器用以根据减速机构的输入端的转动状态输出第一信号至控制器，所述旋转电位器用以根据减速机构的输出端的转动状态输出第二信号至控制器，所述控制器根据所述第一信号和第二信号获取上电时减速机构的输入端的绝对角度的精确值，并根据第一信号以及上电时减速机构的输入端的绝对角度的精确值，获得上电后关节的绝对角度的精确值，以控制关节的运动。

Description

机械臂关节的控制系统以及控制方法

技术领域

本发明涉及医疗器械技术领域，特别涉及一种机械臂关节的控制系统以及控制方法。

背景技术

手术机器人的机械臂通常由多个关节组成，各个关节的位置精度影响和决定着整个机器人的运动精度和工作性能。尤其在微创伤手术过程中，任何关节位置的不精确测量都会造成病变组织切除，乃至打结缝合等操作的不准确，由此影响整个手术的成功甚至对病人造成额外的伤害。故而，用于测量、控制关节位置的位置传感器的精确性至关重要。

目前，在手术机器人机械臂，经常使用的一种位置传感器是绝对式编码器。但是，绝对式编码器价格高、体积大。另有一种广泛使用的位置传感器是增量式编码器。然而，增量式编码器默认其上电时的位置为零点位置，因此在要求绝对角度位置的场合，设备开机时必须先执行参考点归零操作，以建立机械参考原点，如此操作比较繁琐。

发明内容

本发明的目的在于提供一种机械臂关节的控制系统及其控制方法，以解决现有技术中手术机器人的机械臂关节控制系统成本高、体积大以及操作复杂等问题中的一个或多个。

为实现上述目的以及其它相关目的，本发明提供了一种机械臂关节的控制系统，所述控制系统包括减速机构、控制器以及与所述控制器连接的增量式编码器和旋转电位器；

所述减速机构包括输入端和输出端，所述减速机构的输出端与所述关节相连接，且所述减速机构的输出端与所述关节中任一可以被另一个驱动；

所述增量式编码器用以根据所述减速机构的输入端的转动状态输出第一信号至所述控制器；

所述旋转电位器用以根据所述减速机构的输出端的转动状态输出第二信号至所述控制器；

所述控制器根据所述第一信号和第二信号获取上电时所述减速机构的输入端的绝对角度的精确值，并根据所述第一信号以及上电时所述减速机构的输入端的绝对角度的精确值，获得上电后所述关节的绝对角度的精确值，以控制所述关节的运动。

优选地，在上述的机械臂关节的控制系统中，所述第一信号包括所述增量式编码器中A相、B相以及C相的脉冲信号，所述控制器根据所述脉冲信号得到上电时所述减速机构的输入端的相对角度的精确值，所述第二信号包括所述旋转电位器的电压信号，所述控制器根据所述电压信号得到上电后所述减速机构的输出端的绝对角度的粗略值。

优选地，在上述的机械臂关节的控制系统中，所述控制器根据所述第一信号和第二信号获取上电时所述减速机构的输入端的绝对角度的精确值的过程包括：

上电时，所述控制器根据所述第二信号中所述旋转电位器的电压信号获取上电时减速机构的输出端的绝对角度的粗略值；

上电后，所述减速机构的输入端转动至所述控制器接收到所述增量式编码器的第一个C相脉冲信号时，所述控制器根据此时的增量式编码器的A相以及B相的脉冲信号以得到上电时增量式编码器的C相偏转角度；

然后，所述控制器根据所述上电时减速机构的输出端的绝对角度的粗略值、所述上电时增量式编码器的C相偏转角度以及减速机构的减速比，获取上电时所述减速机构的输入端的绝对角度的精确值。

优选地，在上述的机械臂关节的控制系统中，上电后所述减速机构的输入端的绝对角度的精确值的计算如下：

θ_H0＝int(θ_L0*i/360°)*360°+△θ₀

其中，θ_H0为上电时所述减速机构的输入端的绝对角度的精确值，以角度制度量；int()为向下取整函数；i为预设的减速机构的减速比，且i为大于1的正数；θ_L0为上电时所述减速机构的输出端的绝对角度的粗略值；△θ₀为上电时所述增量式编码器的C相偏转角度。

优选地，在上述的机械臂关节的控制系统中，所述控制器根据上电时所述减速机构的输入端的绝对角度的精确值、所述增量式编码器中A相以及B相的脉冲信号，获得上电后所述减速机构的输入端的绝对角度的精确值。

优选地，在上述的机械臂关节的控制系统中，所述减速机构的输入端为一主动轮，所述减速机构的输出端为一从动轮，所述主动轮和从动轮通过牵引体传动连接；所述从动轮与所述关节同轴转动或通过一传动机构连接，所述旋转电位器与所述从动轮同轴转动；所述增量式编码器与所述主动轮同轴转动。

优选地，在上述的机械臂关节的控制系统中，所述控制系统还包括一驱动电机，所述驱动电机与减速机构的输入端机械连接，以驱动减速机构的输入端转动，所述控制器与驱动电机电连接，以控制驱动电机的转动。

为实现上述目的以及其它相关目的，本发明提供了一种机械臂关节的控制方法，包括：

一增量式编码器用以根据所述减速机构的输入端的转动状态输出第一信号至控制器；

一旋转电位器用以根据所述减速机构的输出端的转动状态输出第二信号至所述控制器；

所述控制器根据所述第一信号和第二信号获取上电时所述减速机构的输入端的绝对角度的精确值，并根据所述第一信号以及上电后所述减速机构的输入端的绝对角度的精确值，获得上电后所述关节的绝对角度的精确值，以控制所述关节的运动。

优选地，在上述机械臂关节的控制方法中，所述第一信号包括所述增量式编码器中A相、B相以及C相的脉冲信号，所述控制器根据所述脉冲信号得到上电时所述减速机构的输入端的相对角度的精确值，所述第二信号包括所述旋转电位器的电压信号，所述控制器根据所述电压信号得到上电后所述减速机构的输出端的绝对角度的粗略值。

优选地，在上述机械臂关节的控制方法中，所述控制器根据所述第一信号和第二信号获取上电时所述减速机构的输入端的绝对角度的精确值的过程包括：

上电时，所述控制器根据所述第二信号中所述旋转电位器的电压信号获取上电时所述减速机构的输出端的绝对角度的粗略值；

上电后，所述减速机构的输入端转动至所述控制器接收到所述增量式编码器的第一次C相脉冲信号时，所述控制器根据此时的增量式编码器A相以及B相的脉冲信号以得到上电时增量式编码器的C相偏转角度；

然后，所述控制器根据所述上电时减速机构的输出端的绝对角度的粗略值、所述上电时增量式编码器的C相偏转角度以及预设的减速机构的减速比，获取上电时所述减速机构的输入端的绝对角度的精确值。

优选地，在上述机械臂关节的控制方法中，上电时所述减速机构的输入端的绝对角度的精确值的计算如下：

θ_H0＝int(θ_L0*i/360°)*360°+△θ₀

其中，θ_H0为上电时所述减速机构的输入端的绝对角度的精确值，以角度制度量；int()为向下取整函数；i为预设的减速机构的减速比，且i为大于1的正数；θ_L0为上电时所述减速机构的输出端的绝对角度的粗略值；△θ₀为上电时所述增量式编码器的C相偏转角度。

优选地，在上述机械臂关节的控制方法中，所述控制器根据上电时所述减速机构的输入端的绝对角度的精确值、所述增量式编码器中A相以及B相的脉冲信号，获得上电后所述减速机构的输入端的绝对角度的精确值。

优选地，在上述机械臂关节的控制方法中，所述控制方法还包括上电后校验增量式编码器的步骤：

上电后，所述控制器根据所述第二信号获取上电后所述减速机构的输出端的绝对角度的粗略值，并根据所述第一信号获取所述增量式编码器的A相以及B相的脉冲信号，以及上电时所述减速机构的输入端的绝对角度的精确值以及预设的减速机构的减速比，判断所述控制系统是否工作正常。

优选地，在上述机械臂关节的控制方法中，判断公式为|θ_H-θ_L*i|>360°，

其中，θ_L为上电后所述减速机构的输出端的绝对角度的粗略值，以角度制度量；θ_H为上电后所述减速机构的输入端的绝对角度的精确值，以角度制度量；θ_H为根据增量式编码器的A相、B相的脉冲信号以及上电时所述减速机构的输入端的绝对角度的精确值得到；其中，

若满足公式，则所述控制器判定所述控制系统工作不正常；

若不满足公式，则所述控制器判定所述控制系统工作正常。

综上所述，本发明的控制系统采用体积小、精度高、价格低廉的增量式编码器获得精确的相对位置，并同时采用体积小、价格低廉的旋转电位器获得粗略的绝对位置，在保证可靠性的基础上，关节位置测量的精度高，使用成本低，而且控制系统的体积小。

特别的，本发明的控制系统通过获取上电时减速机构的输入端的绝对角度的精确值，即可省去每次开机时参考点归零的操作，简化了控制系统上电初始化的过程。

特别的，本发明的控制系统可通过旋转电位器和增量式编码器校验自身控制系统是否因干扰、损坏或者其他原因等工作异常，例如增量式编码器丢失脉冲导致零点丢失，旋转电位器失去精度，减速机构传动异常等，这样，为手术机器人增加了冗余安全功能，确保了手术的安全性和可靠性，而且，与单独使用增量式编码器或者单独使用旋转电位器相比，本发明的控制系统故障发生率低，可靠性高。

附图说明

图1是本发明一实施例的手术机器人机械臂的结构示意图；

图2是本发明一实施例的手术机器人关节的控制系统的结构框图；

图3是本发明一实施例的手术机器人关节的控制系统于上电时的流程示意图；

图4是本发明一实施例的手术机器人关节的控制系统于上电后的流程示意图。

图中的附图标记说明如下：

1-第一支架；2-关节；3-第二支架；5-减速机构；51-主动轮；53-从动轮；7-驱动电机；9-控制器；11-增量式编码器；13-旋转电位器。

具体实施方式

本发明的核心思想在于，提供一种成本低、体积小、位置测量精度高且操作简单的机械臂关节的控制系统，以及基于该控制系统的控制方法，以解决现有技术中因采用绝对式或增量式编码器带来的问题。

本发明提供一种机械臂关节的控制系统，该控制系统包括减速机构、控制器以及与所述控制器连接的增量式编码器和旋转电位器；其中，所述减机构包括输入端和输出端，所述减速机构的输出端与所述关节相连接，且所述减速机构的输出端与所述关节中任一可以被另一个驱动；所述增量式编码器，用以根据所述减速机构的输入端的转动状态输出第一信号至所述控制器；所述旋转电位器，用以根据所述减速机构的输出端的转动状态输出第二信号至所述控制器；所述控制器根据所述第一信号和第二信号得到上电时所述减速机构的输入端的绝对角度的精确值，并根据所述减速机构的输入端的绝对角度的精确值，获得上电后所述关节的绝对角度的精确值，以控制所述关节的运动。

本发明中的“上电时”应理解为所述增量式编码器、旋转电位器通电后，关节开始转动的瞬间状态，相应的，“上电后”应理解为所述增量式编码器、旋转电位器已经通电，关节开始转动之后持续状态。

为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图1～4对本发明提出的机械臂关节的控制系统以及控制方法作进一步详细说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

参阅图1，其为本发明一实施例的机械臂的结构示意图。其中第二支架3与第一支架1通过关节2连接，使第一支架1可以相对于第二支架3转动。具体而言，该关节2的外壳安装于支架3上，该关节2的转子部分与第一支架1连接。

减速机构5在本实施例中安装在第二支架3上，其输入端为主动轮51，输出端为从动轮53，主动轮51通过丝、绳、带、链条等牵引体与从动轮53传动连接。本实施例中，减速机构5的输出端与关节2相连接的形式具体为关节2固设在从动轮53的一侧并可随从动轮53同步转动，优选关节2与从动轮53同轴布置，同轴转动。可选，减速机构5的减速比为2～1000：1。本领域技术人员应理解，减速机构5的输出端与关节2相连接还可以有其他形式，例如减速机构5的输出端与关节2通过一传动机构连接。这些都在本发明的保护范围之内。

在一个实施例中，主动轮51连接驱动电机7，以在驱动电机7的驱动下同轴转动。随着主动轮51转动，经减速机构5的牵引体带动从动轮53转动，并同步驱动关节2转动。在此，驱动电机7相应安装在支架3上。然而，本发明并不限定关节在驱动电机7的驱动下运动，也可手动驱动第一支架1或第二支架3进而驱动关节2转动。此时，由关节2驱动从动轮53转动，进而驱动主动轮51转动。

为了简明起见，在以下描述中假定主动轮51在驱动电机7的驱动下运动，本领域技术人员应当能够修改以下描述，在细节上作适当修改后将所述描述用于其它类型的驱动。

对于图1示出的关节2，本实施例提供了一种控制系统，如图2所示，用以对关节2的运动进行控制。所述控制系统包括减速机构5、控制器9、增量式编码器11以及旋转电位器13，增量式编码器11和旋转电位器13均与控制器9相连；其中，增量式编码器11用以根据减速机构5的输入端的转动状态输出第一信号给控制器9，旋转电位器13用以根据减速机构5的输出端的转动状态输出第二信号给控制器9。

本领域技术人员应当知晓，本实施例的控制器9通过增量式编码器11获取上电后减速机构5的输入端相对于上电时的转动角度，即为“输入端的相对角度”；而通过旋转电位器13获取上电后减速机构5的输出端相对于输出端的机械零位的转动角度，即为“输出端的绝对角度”。该输出端的机械零位在机械臂初始化时标定。同样，“所述减速机构的输入端的绝对角度”是指所述减速机构的输入端相对于输入端的机械零位的转动角度；“关节的绝对角度”是指所述关节相对于关节机械零位的转动角度。

在本发明的一个实施例中，主动轮51连接驱动电机7的输出轴，同时增量式编码器11设置在输出轴上并随输出轴同轴转动，以便增量式编码器11根据主动轮51的转动状态输出第一信号，而旋转电位器13与所述减速机构的输出端同轴转动，进而旋转电位器13根据所述减速机构的输出端的转动状态输出第二信号。

进一步，如背景技术中所述，增量式编码器11只能提供相对于其上电位置的转动角度增量，因此，传统上每次开机时均需先执行参考点归零的操作，以使增量式编码器11的上电位置与其初始化位置重合，这样操作非常麻烦。为此，本实施例的控制器9根据增量式编码器11输出的第一信号以及旋转电位器13输出的第二信号，获取上电时减速机构5的输入端的绝对角度的精确值，从而避免每次开机时执行参考点归零的操作。进而，在确定了上电时减速机构5的输入端的绝对角度的精确值后，控制器9便可根据增量式编码器11输出的第一信号以及上电时减速机构5的输入端的绝对角度的精确值，获得上电后关节2的绝对角度的精确值，从而以此控制关节2的运动。

具体地说，增量式编码器11中第一信号包括A相、B相(计数相)以及C相(记圈相)的脉冲信号(数字信号)，控制器9根据这些脉冲信号得到上电时减速机构5的输入端的相对角度的精确值，而旋转电位器13中第二信号包括电压信号(模拟信号)，控制器9根据该电压信号得到上电时减速机构5的输出端的绝对角度的粗略值。上电时减速机构5的输入端的相对角度的精确值，即是增量式编码器11相对于其上电位置的转动角度增量；上电时减速机构5的输出端的绝对角度的粗略值，也就是关节2相对于其机械零位的旋转角度(关节2与减速机构5的输出端同轴转动时，如果关节2与减速机构5的输出端之间通过一传动机构连接，那么关节2相对于其机械零位的旋转角度为减速机构5的输出端的绝对角度与所述传动机构传动系数的乘积)。

图3是本发明一实施例的控制系统获取上电时减速机构5的输入端的绝对角度的精确值的流程示意图。根据图3所揭示的实施例，获取上电时减速机构5的输入端的绝对角度的精确值的过程包括：

上电时，控制器9采集旋转电位器13的电压信号，并根据该电压信号获取上电时减速机构5的输出端的粗略值；上电时减速机构5的输出端的绝对角度的粗略值即是关节2的绝对角度的粗略值(关节2与减速机构5的输出端同轴转动时)。

上电后，控制器9采集增量式编码器11的A相以及B的相脉冲信号得到上电时增量式编码器11的C相偏转角度；此过程中，减速机构5的输入端旋转至控制器9接收到增量式编码器11的第一个C相脉冲信号时，控制器9根据此时的增量式编码器11的A相以及B相的脉冲信号得到上电时增量式编码器11的C相偏转角度；所述“C相偏转角度”是指上电前C相最后一个脉冲发生后，光电码盘转动的角度。

然后，控制器9根据上电时减速机构5的输出端的绝对角度的粗略值、上电时增量式编码器11的C相偏转角度的精确值以及预设的减速机构5的减速比，获取上电时减速机构5的输入端的绝对角度的精确值。

上述公开的实施例中，所谓“精确值”和“粗略值”，在本文中，指的是数值精度相对的高低，且精确值的精度高于粗略值的精度。

进一步，在获取上电时减速机构5的输入端的绝对角度的精确值后，控制器9便可根据上电时减速机构5的输入端的绝对角度的精确值、增量式编码器11中A相的脉冲信号以及B相的脉冲信号，获得上电后减速机构5的输入端的绝对角度的精确值，进一步得到上电后关节2的绝对角度的精确值，进而控制关节2的运动。

特别地，上电时减速机构5的输入端的绝对角度的精确值的计算如下：

θ_H0＝int(θ_L0*i/360°)*360°+△θ₀ (1)

公式(1)中，θ_H0为上电时减速机构5的输入端的绝对角度的精确值(单位为°)；int()为向下取整函数，例如int(12.5)＝12，int(-12.5)＝-13；i为预设的减速机构5的减速比并为大于1的正数；θ_L0为上电时关节2的绝对角度的粗略值(单位为°)，也就是上电时减速机构5的输出端的绝对角度的粗略值；△θ₀为上电时增量式编码器11的C相偏转角度(单位为°)。

在上述公开的实施例中，θ_L0通过采集旋转电位器13的电压信号获得，△θ₀通过采集到增量式编码器11之C相的第一个脉冲信号时获取的增量式编码器11的A相以及B相的脉冲信号计算得到的，即△θ₀等于360°减去上电后A相或B相对应的转动角度增量(减速机构5的输出端正向旋转时)，或者△θ₀等于上电后A相或B相对应的转动角度增量(减速机构5的输出端反向旋转时)。输出端正向旋转或反响旋转，可以通过判断A相在前还是B相在前获知，例如通过读取A相出现上升沿脉冲时，此时B相为高电平还是低电平来判断，B相为低电平则为正转，为高电平时为反转。

为了采集到上电时增量式编码器11之C相的第一个脉冲信号，一个实施例中，使驱动电机7正转一定角度而获取C相的第一个脉冲信号。在其他实施例中，通过手动使关节2转动一定角度，以使增量式编码器11转动而获取C相的第一个脉冲信号。

接着，在获取上电时减速机构5的输入端的绝对角度的精确值后，在正常运行阶段，控制器9可以不需采集旋转电位器13的电压信号，而是仅根据上电时减速机构5的输入端的绝对角度的精确值以及增量式编码器11的A相与B相的脉冲信号，对关节2的转动进行调整控制。例如说当关节2运转到极限位置时候，控制系统通过报警装置提醒，或者通过刹车装置阻止关节继续转动。

具体而言，当需要获取上电后关节2的绝对角度的精确值时，通过A相与B相的脉冲信号得到增量式编码器11的转动角度增量，该转动角度增量增减上电时减速机构5的输入端的绝对角度的精确值，便是上电后减速机构5的输入端的绝对角度的精确值。其中：若A相脉冲超前B相脉冲(也就是驱动电机7正转时)，则上电时减速机构5的输入端的绝对角度的精确值与增量式编码器11的转动角度增量之和，即为上电后减速机构5的输入端的绝对角度的精确值；若A相脉冲落后于B相脉冲，则上电时减速机构5的输入端的绝对角度的精确值与增量式编码器11的相对角度的精确值之差，即为上电后减速机构5的输入端的绝对角度的精确值。之后，依据预设的减速机构5的减速比，换算得到上电后减速机构5的输出端的绝对角度的精确值。当关节2与减速机构5的输出端同轴转动时，上电后减速机构5的输出端的绝对角度的精确值为上电后关节2的绝对角度的精确值；如果关节2与减速机构5的输出端之间通过一传动机构连接，那么上电后关节2的绝对角度的精确值为上电后减速机构5的输出端的绝对角度与所述传动机构传动系数的乘积。相比于直接通过旋转电位器13获取关节2的绝对角度的粗略值，提升了关节2绝对角度的测量精度。

对于上述方案，发明人研究发现，旋转电位器13的测量精度比增量式编码器11的测量精度低，但增量式编码器11的可靠性比旋转电位器13低，因此，本实施例的控制系统通过两者组合使用对关节1的位置进行测量，不仅位置测量的精度高，而且测量可靠性也高。并且，增量式编码器11和旋转电位器13的体积小、价格低廉，故而，控制系统占用空间小，使用成本低。

较佳实施例中，本实施例的控制系统还可通过旋转电位器13和增量式编码器11校验控制系统以及机械臂是否工作正常。控制系统会因为各种原因而不能正常工作，例如增量式编码器11因干扰、损坏或其他原因丢失脉冲而致使零点丢失，或者，校验旋转电位器13因干扰或损坏等失去精度，再或者，减速机构5因牵引体断裂而工作异常等，这对机械臂，特别是手术机器人机械臂的工作带来潜在的风险。本实施例的控制系统能为机械臂，特别是手术机器人的机械臂提供冗余安全功能，有效确保手术的安全性。

图4是本发明一实施例的控制系统在正常运行时的流程示意图。根据图4所示出的，上电后，校验控制系统的步骤包括：

第一步：控制器9通过采集旋转电位器13的电压信号，获得上电后所述减速机构的输出端的绝对角度的粗略值；

第二步：控制器9通过采集增量式编码器11的脉冲信号(主要是A相与B相的脉冲信号)，得到增量式编码器11的转动角度增量(即上电后所述减速机构的输入端相对于上电时所述减速机构的输入端转动角度的精确值)；

第三步：控制器9根据上电后所述减速机构的输出端的绝对角度的粗略值、增量式编码器11的转动角度增量、上电时所述减速机构的输入端的绝对角度的精确值以及预设的减速机构5的减速比，判断控制系统是否工作正常；若否，优选进入故障报警模式，以便操作者及时停机检修；若是，则控制系统允许关节2继续转动至目标位置。

具体地，根据如下公式判断控制系统是否工作正常：

|θ_H-θ_L*i|>360° (2)

公式(2)中，θ_L是上电后所述减速机构的输出端的绝对角度的粗略值(单位为°)；θ_H为上电后所述减速机构的输入端的绝对角度的精确值(单位为°)，并且θ_H为根据增量式编码器11的A相与B相的脉冲信号以及上电时所述减速机构的输入端的绝对角度的精确值得到。

上述公式(2)中，若|θ_H-θ_L*i|大于360°，则判断控制系统工作不正常，控制系统可以通过报警装置提醒，或者通过刹车装置阻止关节2继续转动；若|θ_H-θ_L*i|小于或等于360°，则判断控制系统工作正常。

进一步，本实施例的控制器9例如是一运动控制卡，其可提供多轴的伺服或步进电机控制，可具有RS232、网口、USB2.0通信以及输入输出模块等。控制器9通过一驱动器控制驱动电机7运转。

进一步，第二支架3的一端与旋转电位器13的壳体固定连接，第一支架1的一端与旋转电位器13的旋钮固定连接，旋转电位器13的输入端与直流电源(供电电源根据控制器的AD采集模块确定)连接，旋转电位器13的输出端与控制器9连接。增量式编码器11的壳体与第一支架1的另一端固定连接，增量式编码器11的旋转轴与减速机构5的输入端的转轴同轴固连，且增量式编码器11的输出端与控制器9连接。

本领域技术人员应知道本发明中对所述旋转电位器，增量式编码器的种类没有特别的限制。例如，所述旋转电位器可以是单圈旋转电位器或者多圈旋转电位器，可以是线性旋转电位器或者是指数旋转电位器；所述增量式编码器可以是增量式光电编码器，也可以是增量式电磁编码器。

综上所述，本发明的控制系统使用体积小、精度高、价格低廉的增量式编码器进行相对定位，并采用体积小、价格低廉的旋转电位器进行绝对定位，在保证可靠性的基础上，关节位置测量的精度高，使用成本低，而且控制系统的体积小。

特别的，本发明的控制系统通过获取上电时减速机构的输入端的绝对角度的精确值，即可省去每次开机时参考点归零的操作，简化了控制系统上电初始化的过程。

特别的，本发明的控制系统可通过旋转电位器和增量式编码器校验自身系统是否因干扰、损坏或者其他原因等工作异常，例如增量式编码器丢失脉冲导致零点丢失，旋转电位器失去精度，减速机构传动异常等。这样，为手术机器人增加了冗余安全功能，确保了手术的安全性和可靠性，而且，与单独使用增量式编码器或者单独使用旋转电位器相比，本发明的控制系统故障发生率低，可靠性高。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (12)

1.一种机械臂关节的控制系统，所述控制系统包括减速机构、控制器以及与所述控制器连接的增量式编码器和旋转电位器；

所述减速机构包括输入端和输出端，所述减速机构的输出端与所述关节相连接，且所述减速机构的输出端与所述关节中任一可以被另一个驱动；

所述增量式编码器用以根据所述减速机构的输入端的转动状态输出第一信号至所述控制器；

所述旋转电位器用以根据所述减速机构的输出端的转动状态输出第二信号至所述控制器；

所述控制器根据所述第一信号和第二信号获取上电时所述减速机构的输入端的绝对角度的精确值，并根据所述第一信号以及上电时所述减速机构的输入端的绝对角度的精确值，获得上电后所述关节的绝对角度的精确值，以控制所述关节的运动；

上电时所述减速机构的输入端的绝对角度的精确值的计算如下：

θ_H0＝int(θ_L0*i/360°)*360°+△θ₀

其中，θ_H0为上电时所述减速机构的输入端的绝对角度的精确值，以角度制度量；int()为向下取整函数；i为预设的减速机构的减速比，且i为大于1的正数；θ_L0为上电时所述减速机构的输出端的绝对角度的粗略值，通过所述第二信号获取；△θ₀为上电时所述增量式编码器的C相偏转角度，通过所述第一信号获取。

2.根据权利要求1所述的机械臂关节的控制系统，其特征在于，所述第一信号包括所述增量式编码器中A相、B相以及C相的脉冲信号，所述控制器根据所述脉冲信号得到上电时所述减速机构的输入端的相对角度的精确值，所述第二信号包括所述旋转电位器的电压信号，所述控制器根据所述电压信号得到上电时所述减速机构的输出端的绝对角度的粗略值。

3.根据权利要求2所述的机械臂关节的控制系统，其特征在于，

所述控制器根据所述第一信号和第二信号获取上电时所述减速机构的输入端的绝对角度的精确值的过程包括：

上电时，所述控制器根据所述第二信号中所述旋转电位器的电压信号获取上电时减速机构的输出端的绝对角度的粗略值；

上电后，所述减速机构的输入端转动至所述控制器接收到所述增量式编码器的第一个C相脉冲信号时，所述控制器根据此时的增量式编码器的A相以及B相的脉冲信号以得到上电时增量式编码器的C相偏转角度；

然后，所述控制器根据所述上电时减速机构的输出端的绝对角度的粗略值、所述上电时增量式编码器的C相偏转角度以及减速机构的减速比，获取上电时所述减速机构的输入端的绝对角度的精确值。

4.根据权利要求2所述的机械臂关节的控制系统，其特征在于，所述控制器根据上电时所述减速机构的输入端的绝对角度的精确值、所述增量式编码器中A相以及B相的脉冲信号，获得上电后所述减速机构的输入端的绝对角度的精确值。

5.根据权利要求1所述的机械臂关节的控制系统，其特征在于，所述减速机构的输入端为一主动轮，所述减速机构的输出端为一从动轮，所述主动轮和从动轮通过牵引体传动连接；所述从动轮与所述关节同轴转动或通过一传动机构连接，所述旋转电位器与所述从动轮同轴转动；所述增量式编码器与所述主动轮同轴转动。

6.根据权利要求1所述的机械臂关节的控制系统，其特征在于，所述控制系统还包括一驱动电机，所述驱动电机与减速机构的输入端机械连接，以驱动减速机构的输入端转动，所述控制器与驱动电机电连接，以控制驱动电机的转动。

7.一种机械臂关节的控制方法，其特征在于，包括：

将一减速机构的输出端与一关节相连接，且所述减速机构的输出端与所述关节中任一能够被另一个驱动；

一增量式编码器用以根据所述减速机构的输入端的转动状态输出第一信号至控制器；

一旋转电位器用以根据所述减速机构的输出端的转动状态输出第二信号至所述控制器；

所述控制器根据所述第一信号和第二信号获取上电时所述减速机构的输入端的绝对角度的精确值，并根据所述第一信号以及上电时所述减速机构的输入端的绝对角度的精确值，获得上电后所述关节的绝对角度的精确值，以控制所述关节的运动；

上电时所述减速机构的输入端的绝对角度的精确值的计算如下：

θ_H0＝int(θ_L0*i/360°)*360°+△θ₀

其中，θ_H0为上电时所述减速机构的输入端的绝对角度的精确值，以角度制度量；int()为向下取整函数；i为预设的减速机构的减速比，且i为大于1的正数；θ_L0为上电时所述减速机构的输出端的绝对角度的粗略值，通过所述第二信号获取；△θ₀为上电时所述增量式编码器的C相偏转角度，通过所述第一信号获取。

8.根据权利要求7所述的机械臂关节的控制方法，其特征在于，所述第一信号包括所述增量式编码器中A相、B相以及C相的脉冲信号，所述控制器根据所述脉冲信号得到上电时所述减速机构的输入端的相对角度的精确值，所述第二信号包括所述旋转电位器的电压信号，所述控制器根据所述电压信号得到上电时所述减速机构的输出端的绝对角度的粗略值。

9.根据权利要求8所述的机械臂关节的控制方法，其特征在于，所述控制器根据所述第一信号和第二信号获取上电时所述减速机构的输入端的绝对角度的精确值的过程包括：

上电时，所述控制器根据所述第二信号中所述旋转电位器的电压信号获取上电时所述减速机构的输出端的绝对角度的粗略值；

上电后，所述减速机构的输入端转动至所述控制器接收到所述增量式编码器的第一次C相脉冲信号时，所述控制器根据此时的增量式编码器A相以及B相的脉冲信号以得到上电时增量式编码器的C相偏转角度；

然后，所述控制器根据所述上电时减速机构的输出端的绝对角度的粗略值、所述上电时增量式编码器的C相偏转角度以及预设的减速机构的减速比，获取上电时所述减速机构的输入端的绝对角度的精确值。

10.根据权利要求8所述的机械臂关节的控制方法，其特征在于，所述控制器根据上电时所述减速机构的输入端的绝对角度的精确值、所述增量式编码器中A相以及B相的脉冲信号，获得上电后所述减速机构的输入端的绝对角度的精确值。

11.根据权利要求8所述的机械臂关节的控制方法，其特征在于，所述控制方法还包括上电后校验增量式编码器的步骤：

上电后，所述控制器根据所述第二信号获取上电后所述减速机构的输出端的绝对角度的粗略值，并根据所述第一信号获取所述增量式编码器的A相以及B相的脉冲信号，以及上电时所述减速机构的输入端的绝对角度的精确值以及预设的减速机构的减速比，判断所述控制系统是否工作正常。

12.根据权利要求11所述的机械臂关节的控制方法，其特征在于，

判断公式为|θ_H-θ_L*i|>360°，

其中，θ_L为上电后所述减速机构的输出端的绝对角度的粗略值，以角度制度量；θ_H为上电后所述减速机构的输入端的绝对角度的精确值，以角度制度量；θ_H为根据增量式编码器的A相、B相的脉冲信号以及上电时所述减速机构的输入端的绝对角度的精确值得到；其中，

若满足公式，则所述控制器判定所述控制系统工作不正常；

若不满足公式，则所述控制器判定所述控制系统工作正常。