CN113069205A - 一种骨科手术动力监测系统及其监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种骨科手术动力监测系统及其监测方法,包括UPS,提供不间断电能,所述UPS为交流输入、交流输出,并且所述UPS上有工字型交流输入口和标准10A品字型插座;带有485输出的智能电能表,利用分压原理,实时计算瞬时电压、电流、功率和功率因数,并将计算得到的上述电能数据通过485信号进行传输;电源控制台,将交流电能转换成低压直流电能,并且交流电能和直流电能互相隔离,保证直流电能的安全。该骨科手术动力监测系统方便在骨科手术中实时监测骨科动力系统的钻枪状态。
Description
技术领域:
本发明涉及骨科医用机器人领域,具体讲是一种骨科手术动力监测系统及其监测方法。
背景技术:
目前骨科手术设备中,一般采用传感器的方式检测动力系统的钻枪状态,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,故而无法使用在骨科手术中。因此,在实际操作中,通常很难采集这个钻枪状态的数据,导致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,也就是说,目前在骨科动力系统在使用过程中,医用钻枪的运动状态得不到实时监测,影响医生的实际使用情况,不能够实时监测钻枪的运动状态,不能够实时的获得钻枪运动的结果,就不能实时显示真实的磨削的情况。因此,如何可以在骨科手术中利用骨科手术设备来获取钻枪状态是亟待解决的技术问题。
发明内容:
本发明所要解决的技术问题是,提供一种方便在骨科手术中实时监测骨科动力系统的钻枪状态的骨科手术动力监测系统。
本发明的技术解决方案是,提供一种骨科手术动力监测系统,包括
UPS,提供不间断电能,所述UPS为交流输入、交流输出,并且所述UPS上有工字型交流输入口和标准10A品字型插座;
带有485输出的智能电能表,利用分压原理,实时计算瞬时电压、电流、功率和功率因数,并将计算得到的上述电能数据通过485信号进行传输;
电源控制台,将交流电能转换成低压直流电能,并且交流电能和直流电能互相隔离,保证直流电能的安全;
骨科动力系统,为钻枪磨削提供动能;
工控机,用于数据解析和分析;
485抄读器,为所述工控机和所述智能电能表提供桥接,实现所述工控机和所述智能电能表数据交换;
其中,所述UPS给所述智能电能表供电,所述智能电能表给钻枪供电并通过485信号线将485信号传输给所述485抄读器,所述485抄读器将得到的485信号转换成串口信号,所述工控机实时接收并计算所述485抄读器传输的串口数据。
目前骨科手术设备中,需要针对整个设备做电磁兼容,如果在检测过程中被检测设备过多,过于繁琐,势必会导致设备的电磁兼容不合格。而智能电能表出厂时,对于电磁兼容标准,是远远高于医疗设备的电磁兼容标准。所以智能电能表应用在医疗设备行业,风险是最低的。
作为优选的技术方案,所述智能电能表的485输出口采用双屏蔽双绞线连接到所述485抄读器上。。
作为优选的技术方案,接入到智能电能表的电能经过分压电阻处理之后,再输出到电源控制台中。
本发明还提供一种骨科手术动力监测系统的监测方法,包括以下步骤,
智能电能表给钻枪供电,实时计算钻枪瞬时电压、电流、功率和功率因数,并将计算得到的上述电能数据传输给工控机,工控机根据电压数据,判断该系统是否存在异常,若电压为220V,则判定为系统正常;然后,工控机将得到的电流、功率、功率因数带入到电能状态模型中,根据模型反馈的数据来判断骨科动力系统所处的状态,从而实现对钻枪的实时监测。
作为优选的技术方案,所述模型通过以下公式获得:
x:功率kW
y:电流A
z:功率因数
a:待机状态
b:空转状态
c;带负载运动状态。
进一步的,骨科动力系统所处的状态包括
1)如果当前功率小于102w,当前的骨科动力系统没有接入到监测系统中;
2)如果当前功率大于102w,小于645w,当前的骨科动力系统已经接入到监测系统中,并处于待机状态,随时可以启动;
3)如果当前功率等于645w,当前的骨科功力系统正在空转;
4)如果当前功率大于645w,当前的骨科动力系统正在正常工作,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,当前的骨科动力系统出现异常情况,此时可以提醒使用者,停止骨科动力系统的工作,同时工控机给智能电能表发送信号,停止智能电能表给骨科动力系统供电。
进一步的,监测系统通过当前功率来获得骨科动力系统的运动状态,并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,其中,
如果系统判断当前动力系统没有接入到系统,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;
如果系统判断当前动力系统处于待机状态,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;
如果系统判断当前动力系统处于空转状态,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;
如果系统判断当前动力系统处于正常工作状态,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。
采用以上方案后与现有技术相比,本发明具有以下优点:将智能电能表应用在骨科医用手术机器人上,解决骨科动力系统状态监测的问题,智能电能表很好的满足该监测系统的需求;并且,智能电能表可以监测电压,电流,功率,功率因数等电力特征,能够很好的反映出钻枪在不同情况下的电力特征输出;使用智能电能表来测量骨科手术机器人中钻枪是否转动,非常合理而方便;另外,在使用过程中,只需要给智能电能表供电,智能电能表给钻枪供电,就能够实时测量;同时,可以通过485信号线进行数据传输,直接传输到工控机的串口上,而工控机很方便可以读取串口数据,使用起来很方便;并且,实际连接线过程中,连接简单,维护方便,在使用过程中,某个模块发生故障,非常容易检测。
附图说明:
图1为本发明的系统示意图。
具体实施方式:
下面结合附图就具体实施方式对本发明作进一步说明:
如图1所示,一种骨科手术动力监测系统,包括
UPS,提供不间断电能,所述UPS为交流输入、交流输出,并且所述UPS上有工字型交流输入口和标准10A品字型插座;
带有485输出的智能电能表,利用分压原理,实时计算瞬时电压、电流、功率和功率因数,并将计算得到的上述电能数据通过485信号进行传输;
电源控制台,将交流电能转换成低压直流电能,并且交流电能和直流电能互相隔离,保证直流电能的安全;
骨科动力系统,为钻枪磨削提供动能;
工控机,用于数据解析和分析;
485抄读器,为所述工控机和所述智能电能表提供桥接,实现所述工控机和所述智能电能表数据交换;
其中,所述UPS给所述智能电能表供电,所述智能电能表给钻枪供电并通过485信号线将485信号传输给所述485抄读器,所述485抄读器将得到的485信号转换成串口信号,所述工控机实时接收并计算所述485抄读器传输的串口数据。具体的,将电表安装在UPS后级,使用UPS供电,保证智能电能表可以实时上电不断电。智能电能表后级连接骨科动力系统。在钻枪使用过程中,骨科动力系统所需电能大小,功率因数会发生改变,因此可以实时监测钻枪状态变化。实时监测钻枪状态变化的过程中,需要实时输出,因为智能电能表自带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,就可以实时采集电表数据,从而得到钻枪状态。并且,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。
此外,UPS输出为220V AC,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。本实施例中智能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,直接连接到智能电能表的输入上。智能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。另外,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,智能电能表和工控机距离过远时,依然可以有效的传输信号。
并且,接入到智能电能表的电能经过分压电阻处理之后,再输出到电源控制台中。智能电能表的有效量程是20mA到60A之间,在宽量程下,能有效的测量电压、电流、功率、功率因数等信息。而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智能电能表上,因为智能电能表强弱电耐压值为4kV。远远满足医疗行业所需要求。
另外,需要说明的是,在实际连接过程中,强电的供电能力强,弱电传输稳定,所以在图中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。在使用过程中,某个模块发生故障,是非常容易检测的。
如果是骨科动力系统损坏,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,智能电能表能正常亮,钻枪不转。
如果是智能电能表损坏,电能表不能正常亮起。
如果是485抄读器损坏,智能电能表正常亮起,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。
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。
本发明的骨科手术动力监测系统的监测方法,包括以下步骤,
智能电能表给钻枪供电,实时计算钻枪瞬时电压、电流、功率和功率因数,并将计算得到的上述电能数据通过485信号进行传输,传输时,电能表485输出口采用双屏蔽双绞线连接到485抄读器上,485抄读器将得到的485信号转换成串口信号,再把数据传输到工控机,工控机根据电压数据,判断该系统是否存在异常,若电压为220V,则判定为系统正常;然后,工控机将得到的电流、功率、功率因数带入到电能状态模型中,根据模型反馈的数据来判断骨科动力系统所处的状态,从而实现对钻枪的实时监测。
作为优选的技术方案,所述模型通过以下公式获得:
x:功率kW
y:电流A
z:功率因数
a:待机状态
b:空转状态
c;带负载运动状态。
进一步的,骨科动力系统所处的状态包括
1)如果当前功率小于102w,当前的骨科动力系统没有接入到监测系统中;
2)如果当前功率大于102w,小于645w,当前的骨科动力系统已经接入到监测系统中,并处于待机状态,随时可以启动;
3)如果当前功率等于645w,当前的骨科功力系统正在空转;
4)如果当前功率大于645w,当前的骨科动力系统正在正常工作,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,当前的骨科动力系统出现异常情况,此时可以提醒使用者,停止骨科动力系统的工作。
进一步的,监测系统通过当前功率来获得骨科动力系统的运动状态,并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,其中,
如果系统判断当前动力系统没有接入到系统,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;
如果系统判断当前动力系统处于待机状态,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;
如果系统判断当前动力系统处于空转状态,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;
如果系统判断当前动力系统处于正常工作状态,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。
本发明具有如下优点,该方法可以有效的解决骨科动力系统监测的问题,并且实用,美观,实时。其中,
实用是指结构简单,安装方便,可批量生产;
美观是指可以保证所有有线全部埋于机壳内部,不裸露线缆;
实时是指本系统可保证每0.5s抄读一次数据,实时更新数据到工控机内部,以供随时调用。
以上仅就本发明较佳的实施例作了说明,但不能理解为是对权利要求的限制。凡是利用本发明说明书所做的等效结构或等效流程变换,均包括在本发明的专利保护范围之内。
Claims (7)
1.一种骨科手术动力监测系统,其特征在于:包括
UPS,提供不间断电能,所述UPS为交流输入、交流输出,并且所述UPS上有工字型交流输入口和标准10A品字型插座;
带有485输出的智能电能表,实时计算瞬时电压、电流、功率和功率因数,并将计算得到的上述电能数据通过485信号进行传输;
电源控制台,将交流电能转换成低压直流电能,并且交流电能和直流电能互相隔离,保证直流电能的安全;
骨科动力系统,为钻枪磨削提供动能;
工控机,用于数据解析和分析;
485抄读器,为所述工控机和所述智能电能表提供桥接,实现所述工控机和所述智能电能表数据交换;
其中,所述UPS给所述智能电能表供电,所述智能电能表给钻枪供电并通过485信号线将485信号传输给所述485抄读器,所述485抄读器将得到的485信号转换成串口信号,所述工控机实时接收并计算所述485抄读器传输的串口数据。
2.根据权利要求1所述的骨科手术动力监测系统,其特征在于:所述智能电能表的485输出口采用双屏蔽双绞线连接到所述485抄读器上。
3.根据权利要求1所述的骨科手术动力监测系统,其特征在于:接入到智能电能表的电能经过分压电阻处理之后,再输出到电源控制台中。
4.一种骨科手术动力监测系统的监测方法,其特征在于:包括以下步骤,
智能电能表给钻枪供电,实时计算钻枪瞬时电压、电流、功率和功率因数,并将计算得到的上述电能数据传输给工控机,工控机根据电压数据,判断该系统是否存在异常,若电压为220V,则判定为系统正常;然后,工控机将得到的电流、功率、功率因数带入到电能状态模型中,根据模型反馈的数据来判断骨科动力系统所处的状态,从而实现对钻枪的实时监测。
6.根据权利要求4所述的骨科手术动力监测系统的监测方法,其特征在于:骨科动力系统所处的状态包括:
1)如果当前功率小于102w,当前的骨科动力系统没有接入到监测系统中;
2)如果当前功率大于102w,小于645w,当前的骨科动力系统已经接入到监测系统中,并处于待机状态,随时可以启动;
3)如果当前功率等于645w,当前的骨科功力系统正在空转;
4)如果当前功率大于645w,当前的骨科动力系统正在正常工作,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,当前的骨科动力系统出现异常情况,此时可以提醒使用者,停止骨科动力系统的工作。
7.根据权利要求4所述的骨科手术动力监测系统的监测方法,其特征在于:监测系统通过当前功率来获得骨科动力系统的运动状态,并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,其中,
如果系统判断当前动力系统没有接入到系统,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;
如果系统判断当前动力系统处于待机状态,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;
如果系统判断当前动力系统处于空转状态,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;
如果系统判断当前动力系统处于正常工作状态,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。
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