CN110087575B - 液压钳子系统 - Google Patents

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Abstract

液压钳子系统具备：机器人钳子，包括：夹钳、与夹钳连结的第一活塞、与第一活塞共同形成充满工作液的第一压力室的第一缸、与第二活塞共同形成充满工作液的第二压力室的第二缸、连通第一压力室和第二压力室的连通路、及通过直动机构驱动第二活塞的马达；基于对第一活塞的指令位置来控制马达的控制装置；以及用于检测第二活塞的位置的位置传感器；控制装置包括：基于用位置传感器检测的第二活塞的位置来导出第一活塞的推定位置的观测器；以及基于第一活塞的推定位置与指令位置的偏差来导出马达的目标旋转速度的位置控制部。

Description

液压钳子系统
技术领域
本发明涉及包括利用液压进行夹钳开闭的机器人钳子在内的液压钳子系统。
背景技术
一直以来，手术支援机器人中，使用通过导线的拉伸及拉回来进行夹钳开闭的导线驱动式机器人钳子。近年，也提出代替导线驱动式机器人钳子而利用空气压进行夹钳开闭的机器人钳子。例如，专利文献1的图9中记载有用于这样的机器人钳子的空气压执行器。图4中示出该空气压执行器100。
具体而言，空气压执行器100中，缸140内容纳有活塞130，该活塞130通过杆120与夹钳110连结。在缸140设置有检测活塞130的移动量的位移传感器150。位移传感器150用于外力F的计算。
现有技术文献：
专利文献：
专利文献1：日本特开2013-220273公报。
发明内容
发明要解决的问题：
而在图4所示的空气压执行器100中，位移传感器150还可为了控制夹钳（gripper）110的开闭而用作检测活塞130的位置的位置传感器。但由于机器人钳子的梢端部非常细，所以将这样的位置传感器（位移传感器150）设置于机器人钳子的梢端部较为困难。
因此，本发明目的在于不在机器人钳子的梢端部设置位置传感器即能控制夹钳的开闭。
解决问题的手段：
为了解决前述问题，本发明提供一种液压钳子系统，具备：机器人钳子，包括：夹钳、与所述夹钳连结的第一活塞、容纳所述第一活塞并与所述第一活塞共同形成充满工作液的第一压力室的第一缸、第二活塞、容纳所述第二活塞并与所述第二活塞共同形成充满所述工作液的第二压力室的第二缸、连通所述第一压力室和所述第二压力室的连通路、及通过直动机构来驱动所述第二活塞的马达；用于检测所述第二活塞的位置的位置传感器；以及基于对所述第一活塞的指令位置来控制所述马达的控制装置；所述控制装置包括：基于利用所述位置传感器检测的所述第二活塞的位置来导出所述第一活塞的推定位置的观测器；以及基于所述第一活塞的推定位置与所述指令位置的偏差来导出所述马达的目标旋转速度的位置控制部。
根据上述结构，使用非压缩性的工作液，从而与夹钳连结的第一活塞，换言之处于机器人钳子梢端侧的第一活塞的移动量几乎不受外力影响而与第二活塞的移动量成比例。而且，第二活塞通过直动机构由马达驱动。因而，若控制装置基于对第一活塞的指令位置来控制马达，则能控制夹钳的开闭。此外，控制装置包括基于第二活塞的位置来导出第一活塞的推定位置的观测器，该第一活塞的推定位置与指令位置进行比较，从而无需设置检测第一活塞的位置的位置传感器。即，无需在机器人钳子的梢端部设置位置传感器即能控制夹钳的开闭。
例如也可以是，所述位置传感器是检测所述马达的旋转位移量，将该旋转位移量转换为所述第二活塞的位置的旋转编码器。
也可以是，上述的液压钳子系统还具备检测所述工作液的压力的压力传感器；所述观测器基于由所述压力传感器检测的所述工作液的压力及用所述位置传感器检测的所述第二活塞的位置来导出所述第一活塞的推定位置。根据该结构，相比于仅基于第二活塞的位置来导出第一活塞的推定位置的情况，能提高第一活塞的位置的推定精度。
例如也可以是，所述观测器导出所述第二活塞的推定位置及所述工作液的推定压力，基于由所述压力传感器检测的所述工作液的压力与所述工作液的推定压力的偏差、及用所述位置传感器检测的所述第二活塞的位置与所述第二活塞的推定位置的偏差来算出推定误差，将算出的推定误差反馈至所述第一活塞的推定位置的导出。
发明效果：
根据本发明，无需在机器人钳子的梢端设置位置传感器即能控制夹钳的开闭。
附图说明
图1是根据本发明的一实施形态的液压钳子系统的概略结构图；
图2是观测器的框线图；
图3是表示状态变量的矩阵；
图4是用于机器人钳子的以往的空气压执行器的概略结构图。
具体实施方式
图1示出根据本发明的一实施形态的液压钳子系统1。该液压钳子系统1包括机器人钳子2和控制装置7。
例如，液压钳子系统1用于手术支援机器人时，医生用主动侧装置来远程操作安装在从动侧装置上的机器人钳子2。这种情况下，控制装置7可以装载于主动侧装置，也可以装载于从动侧装置。或者控制装置7也可以组装在机器人钳子2的后述的驱动单元21中。
机器人钳子2利用工作液20的液压进行夹钳24的开闭。工作液20未特别限定，例如为生理盐水、油等。
具体而言，机器人钳子2包括驱动单元21、从驱动单元21延伸并插入患者体内的插入轴22、和设置于插入轴22的梢端的由一对爪25构成的夹钳24。另，虽省略图示，但也可以是驱动单元21中组装有使插入轴22在其轴向滑动的机构及使插入轴22绕其中心轴旋转的机构。此外也可以是，插入轴22的梢端部可揺动地构成，使其梢端部揺动的机构组装于驱动单元21。
本实施形态中，插入轴22为直线状延伸的高刚性的管。但插入轴22也可以是柔软的管。
插入轴22的梢端部内配置有第一缸31。本实施形态中，第一缸31的中心轴与插入轴22的中心轴一致。第一缸31具有管状部、从夹钳24侧闭塞管状部内部的前壁、从夹钳24相反侧闭塞管状部内部的后壁。
第一缸31内容纳有第一活塞32。第一活塞32与第一缸31的后壁之间形成有第一压力室3A，第一活塞32与第一缸31的前壁之间形成有背压室3B。第一压力室3A内充满工作液20，背压室3B内对大气中开放。本实施形态中，背压室3B内配置有对第一活塞32施力的弹簧34。
第一活塞32通过贯通第一缸31前壁的杆33经由连杆机构23与夹钳24连结。连杆机构23将杆33的直线运动转换为夹钳24的开闭运动。
驱动单元21内配置有通过连通路26与第一缸31连接的第二缸41。本实施形态中，第二缸41的轴向与插入轴22的轴向平行。但第二缸41的轴向未特别限定。第二缸41具有管状部、从插入轴22侧闭塞管状部内部的前壁、从插入轴22相反侧闭塞管状部内部的后壁。
第二缸41内容纳有第二活塞42。第二活塞42与第二缸41的前壁之间形成有第二压力室4A，第二活塞42与第二缸41的后壁之间形成有背压室4B。第二压力室4A内充满工作液20，背压室4B内对大气中开放。
上述的连通路26在插入轴22内延伸，连通第一压力室3A和第二压力室4A。该连通路26内也充满工作液20。例如，连通路26由金属制的管或树脂制的柔软的软管构成。
第二活塞42通过贯通第二缸41后壁的杆43与直动机构51连结。直动机构51也与马达52的输出轴53连结。直动机构51将马达52的输出轴53的旋转运动转换为杆43的直线运动。即，马达52经由直动机构51及杆43来驱动第二活塞42。马达52例如为伺服马达。
若第二活塞42因马达52向一方向的旋转而前进，则工作液20从第二压力室4A向第一压力室3A供给且第一活塞32对抗弹簧34的施加力地前进。另一方面，若第二活塞42因马达52的逆向旋转而后退，则第一活塞32因弹簧34的施加力而后退且工作液20从第一压力室3A向第二压力室4A排出。即，第二缸41、第二活塞42、直动机构51及马达52构成对第一压力室3A的工作液给排机构。
例如从上述的主动侧装置向控制装置7输入对第一活塞32的指令位置tx1。但也可以是，向控制装置7输入对夹钳24的开度指令，控制装置7包括根据该开度指令算出对第一活塞32的指令位置tx1的指令位置算出部。
控制装置7基于对第一活塞32的指令位置tx1来控制马达52。控制装置7例如由ROM、RAM等存储器和CPU构成，储存于ROM的程序由CPU执行。具体而言，控制装置7包括位置控制部71、速度控制部72、逆变（inverter）部73、微分部75及观测器8。控制装置7可以是单一的设备，也可以分为多个设备。
本实施形态中，控制装置7与压力传感器61及位置传感器62电气连接。压力传感器61检测工作液20的压力P，位置传感器62用于第二活塞42的位置x2的检测。
本实施形态中，位置传感器62为设置在马达52上的旋转编码器，检测马达52的旋转位移量，将该旋转位移量转换为第二活塞42的位置x2。但位置传感器62也可以是设置于直动机构51的线性编码器，还可以设置于第二缸41并直接检测第二活塞42的位置x2。
观测器8基于由压力传感器61检测的工作液20的压力P及用位置传感器62检测的第二活塞42的位置x2来导出第一活塞32的推定位置ex1。另，观测器8的功能于后详细说明。
位置控制部71基于第一活塞32的推定位置ex1与对第一活塞32的指令位置tx1的偏差Δx1（＝tx1-ex1）来导出马达52的目标旋转速度Vt。偏差Δx1与目标旋转速度Vt的关系被预先设定。
微分部75对用位置传感器62检测的第二活塞42的位置x2进行微分从而算出马达52的当前旋转速度V。速度控制部72基于马达52的目标旋转速度Vt与当前旋转速度V的偏差ΔV（＝Vt-V）来导出马达52的目标电流Ct。偏差ΔV与目标电流Ct的关系被预先设定。
逆变部73与马达52间的电力线上设置有电流传感器74。逆变部73以电流传感器74所检测的电流Cn与目标电流Ct的偏差变小的形式向马达52供给电流。
接着参照图2对观测器8的功能进行详细说明。观测器8使对第二活塞42施加力F时的第二活塞42及第一活塞32的移动量模型化，可由以下的状态方程式1及输出方程式2示出。另，以下将按照牛顿符号（Newton's notation）应标记于变量上方的点记号标记于变量的右方。
X・＝AX＋BF・・・（1）
Y＝CX・・・（2）
X・、X、Y：图3所示的矩阵所表示的状态变量
x1：第一活塞的位置
x2：第二活塞的位置
P：工作液的压力
F：施加于第二活塞的力
A、B：表示状态方程式1中的系数的矩阵
C：表示输出方程式2中的系数的矩阵
矩阵A、B根据与第一活塞32相关的状态方程式及与第二活塞42相关的状态方程式等求出。
更详细而言，观测器8首先利用矩阵A、B来求推定状态变量eX・，接着对其进行积分从而算出推定状态变量X・。即，观测器8不仅导出第一活塞32的推定位置ex1，还导出第二活塞42的推定位置ex2及工作液20的推定压力eP。导出的第一活塞32的推定位置ex1如上所述与对第一活塞32的指令位置tx1进行比较。
此外，观测器8利用矩阵C选出第二活塞42的推定位置ex2及工作液20的推定压力eP，使它们与用位置传感器62检测的第二活塞42的位置x2及由压力传感器61检测的工作液20的压力P进行比较。然后观测器8基于第二活塞42的检测位置x2与推定位置ex2的偏差Δx2（＝x2-ex2）、和工作液20的检测压力P与推定压力eP的偏差ΔP（＝P-eP），利用矩阵K算出状态变量X・全部要素的推定误差。其后，观测器8将算出的推定误差反馈至推定状态变量eX・的运算。换言之，推定误差反馈至第一活塞32的推定位置ex1的导出。
如以上说明，本实施形态的液压钳子系统1中，使用非压缩性的工作液20，所以与夹钳24连结的第一活塞32，换言之处于机器人钳子2梢端侧的第一活塞32的移动量几乎不受外力影响而与第二活塞42的移动量成比例。而且，第二活塞42通过直动机构51由马达52驱动。因而，若控制装置7基于对第一活塞32的指令位置tx1来控制马达52，则能控制夹钳24的开闭。此外，控制装置7包括基于第二活塞42的位置x2来导出第一活塞32的推定位置ex1的观测器8，比较该第一活塞32的推定位置ex1和指令位置tx1，所以无需设置检测第一活塞32的位置的位置传感器。即，无需在机器人钳子2的梢端部设置位置传感器即能控制夹钳24的开闭。
（变形例）
本发明不限于上述实施形态，可在不脱离本发明的主旨的范围内进行种种变形。
例如也可以不设置压力传感器61，观测器8仅基于用位置传感器62检测的第二活塞42的位置x2来导出第一活塞32的推定位置ex1。但若如前述实施形态那样基于用位置传感器62检测的第二活塞42的位置x2及由压力传感器61检测的工作液20的压力P来导出第一活塞32的推定位置ex1，则相比于仅基于第二活塞42的位置x2来导出第一活塞32的推定位置ex1的情况，能提高第一活塞32的位置的推定精度。
所述实施形态中，第一活塞32因弹簧34的施加力而后退。但也可以再设置一个包括第二缸41、第二活塞42、直动机构51及马达52的工作液给排机构，且再一个的工作液给排机构的第二压力室4A与第一缸31的前壁和第一活塞32间的背压室3B连接，从而第一活塞32因向背压室3B供给的工作液的液压而后退。或者也可以在第一活塞32上固定导线的一端，第一活塞32因导线（wire）的拉伸而后退。
又，也可以对观测器8另行设置能根据第一活塞32和/或第二活塞42的状态、负荷条件、机器人钳子2的个体差、周边环境等来进行修正的单元。
符号说明：
1 液压钳子系统 ；
2 机器人钳子 ；
20 工作液 ；
24 夹钳 ；
26 连通路 ；
31 第一缸 ；
32 第一活塞 ；
3A 第一压力室 ；
41 第二缸 ；
42 第二活塞 ；
4A 第二压力室 ；
51 直动机构 ；
52 马达 ；
61 压力传感器 ；
62 位置传感器 ；
7 控制装置 ；
8 观测器。

Claims (4)

1.一种液压钳子系统，其特征在于，具备：
机器人钳子，包括：夹钳、与所述夹钳连结的第一活塞、容纳所述第一活塞并与所述第一活塞共同形成充满工作液的第一压力室的第一缸、第二活塞、容纳所述第二活塞并与所述第二活塞共同形成充满所述工作液的第二压力室的第二缸、连通所述第一压力室和所述第二压力室的连通路、及通过直动机构来驱动所述第二活塞的马达；
用于检测所述第二活塞的位置的位置传感器；以及
基于对所述第一活塞的指令位置来控制所述马达的控制装置；
所述控制装置包括：
基于利用所述位置传感器检测的所述第二活塞的位置来导出所述第一活塞的推定位置的观测器；以及
基于所述第一活塞的推定位置与所述指令位置的偏差来导出所述马达的目标旋转速度的位置控制部。
2.根据权利要求1所述的液压钳子系统，其特征在于，
所述位置传感器是检测所述马达的旋转位移量，将该旋转位移量转换为所述第二活塞的位置的旋转编码器。
3.根据权利要求1或2所述的液压钳子系统，其特征在于，
还具备检测所述工作液的压力的压力传感器；
所述观测器基于由所述压力传感器检测的所述工作液的压力及用所述位置传感器检测的所述第二活塞的位置来导出所述第一活塞的推定位置。
4.根据权利要求3所述的液压钳子系统，其特征在于，
所述观测器导出所述第二活塞的推定位置及所述工作液的推定压力，基于由所述压力传感器检测的所述工作液的压力与所述工作液的推定压力的偏差、及用所述位置传感器检测的所述第二活塞的位置与所述第二活塞的推定位置的偏差来算出推定误差，将算出的推定误差反馈至所述第一活塞的推定位置的导出。
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