CN113382690A - 用于差动传感器的偏置和偏移的模拟温度补偿的方法 - Google Patents

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Abstract

一种被配置成向运动控制器提供扭矩读数的测量电路包括偏移控制器和放大器。所述偏移控制器被配置成读取温度信号并响应于接收到所述温度信号而产生偏移电压。所述放大器被配置成从差动传感器读取差动电压并从所述偏移控制器接收所述偏移电压。所述放大器还被配置成在将增益施加到所述差动电压之后，将所述偏移电压添加到所述差动电压以产生调整后的电压。然后，所述放大器被配置成传输所述调整后的电压。

Description

用于差动传感器的偏置和偏移的模拟温度补偿的方法
技术领域
本发明涉及因相对于手持式手术器械具有增加的准确度和便利性而在微创医疗程序中使用的机器人手术系统。
背景技术
机器人手术系统已用于微创医疗程序。在这种医疗程序期间，机器人手术系统由与用户界面连接的外科医生控制。用户界面允许外科医生操纵作用于患者的末端执行器。用户界面包括输入控制器或手柄，其可由外科医生移动以控制机器人手术系统。
机器人手术系统的末端执行器位于机器人臂的末端。每个末端执行器由器械驱动单元(IDU)操纵。IDU包括驱动马达，所述驱动马达与末端执行器相关联，以使末端执行器围绕相应的轴线移动或执行末端执行器的特定功能(例如，末端执行器接近钳口、枢转钳口等)。IDU可包括多个驱动马达，每个驱动马达与末端执行器的相应自由度或功能相关联。
IDU的每个驱动马达可以通过驱动机构(例如，驱动缆线、驱动杆和/或驱动螺杆)与末端执行器的一个或多个相应自由度相关联。末端执行器的位置或姿态由驱动马达的位置控制。由于给定姿态或期望的末端执行器运动而导致的每个驱动马达上的负载可由与IDU的每个马达相关联的扭矩传感器确定。已知的是，扭矩传感器的读数可能会随着温度的变化而变化。这些变化也可能影响IDU的扭矩传感器的校准。
一直需要补偿扭矩传感器的温度波动。此外，一直需要精确且准确地校准IDU的扭矩传感器。
发明内容
本公开大体上涉及用于应变仪的测量电路，其校正应变仪的温度相关和温度无关波动，从而调整或校正测量电路提供的扭矩信号，从而接收扭矩信号的运动控制器不需要校正影响应变仪的温度相关和温度无关因素。
此外，本公开用于持续更新零点的模拟偏移，其中偏移可以甚至在负载下时施加，但是在零负载下在校准期间确定。另外，本公开用于在操作期间持续更新偏移电压，而不仅仅是在校准期间。
在本公开的一方面，被配置成向运动控制器提供扭矩读数的测量电路包括偏移控制器和放大器。偏移控制器被配置成读取温度信号并响应于读取温度信号而产生偏移电压。放大器被配置成从差动传感器接收差动电压并从偏移控制器接收偏移电压。放大器还被配置成在将增益施加到差动电压，将偏移电压添加到差动电压以产生调整后的电压之后。然后，放大器被配置成传输调整后的电压。
在各方面，测量电路包括温度传感器，所述温度传感器被配置成传输指示差动传感器的温度的温度信号。温度传感器可以被配置成将温度信号输出为数字温度信号，并且偏移控制器可以是被配置成将数字温度信号转换为指示差动传感器的温度的模拟电压偏移的数模转换器。
在一些方面，测量电路包括差动传感器，所述差动传感器被配置成产生指示马达的扭矩的差动电压并将差动电压传输到放大器。偏移控制器可以被配置成产生偏移电压，所述偏移电压包括校正差动传感器的制造公差的第一分量和校正差动传感器的温度漂移的第二分量。
在某些方面，差动传感器是应变仪。
在本公开的某些方面，测量电路包括模数转换器，所述模数转换器被配置成从放大器接收调整后的电压，将调整后的电压转换为针对温度漂移进行校正的指示调整后的电压的数字扭矩信号，并传输扭矩信号。
在本公开的另一个实施例中，器械驱动单元被配置成控制手术器械的工具并且包括第一马达、第一扭矩换能器和运动控制器。第一扭矩换能器包括被配置成确定第一马达的扭矩的第一扭矩测量电路。第一扭矩测量电路包括偏移控制器和放大器。偏移控制器被配置成读取第一温度信号并响应于读取第一温度信号而产生偏移电压。放大器被配置成从差动传感器读取差动电压，从偏移控制器接收偏移电压，在将增益施加到差动电压之后将偏移电压添加到差动电压以产生调整后的电压，并传输调整后的电压。运动控制器被配置成从第一测量电路接收指示调整后的电压的第一扭矩信号并响应于第一扭矩信号而控制第一马达。
在各方面，第一扭矩测量电路包括模数转换器，所述模数转换器被配置成从放大器接收调整后的电压并将第一扭矩信号传输到运动控制器。
在一些方面，器械驱动单元包括第二马达和第二扭矩换能器。第二扭矩换能器可以包括第二扭矩测量电路，所述第二扭矩测量电路被配置成确定第二马达的扭矩。运动控制器被配置成从第二测量电路接收针对第二扭矩换能器的温度漂移进行调整的指示第二马达的扭矩的第二扭矩信号。第一测量电路可以包括第一温度传感器，所述第一温度传感器被配置成将指示第一扭矩换能器的温度的第一温度信号传输到偏移控制器，并且第二测量电路可以包括第二温度传感器，所述第二温度传感器被配置成将指示第二扭矩换能器的温度的第二温度信号传输到偏移控制器。替代地，第一测量电路可以包括温度传感器，所述温度传感器被配置成将指示第一扭矩换能器的温度的第一温度信号传输到偏移控制器并将指示第二扭矩换能器的温度的第二温度信号传输到偏移控制器。
在本公开的另一方面，校准差动传感器的测量电路的方法包括：设置测量电路的增益常数，确定测量电路的偏置电压函数以补偿差动传感器的制造公差和温度漂移，以及将偏置电压编程到测量电路的偏移控制器中。确定偏置电压函数可以包括：确定与差动传感器的温度无关的测量电路的偏置电压函数的第一分量，确定偏置电压函数的第二分量的温度相关函数，以及根据第一和第二分量产生偏置电压函数。偏移控制器被配置成从温度传感器接收温度信号并响应于接收到温度信号而根据偏置电压函数产生偏置电压。
在各方面，确定偏置函数的第一分量包括：将差动传感器设置在空载条件下，确定差动传感器的温度、基于差动传感器的温度计算第二分量，将测量电路的偏移控制器的偏置电压调整为计算出的第二分量，当偏置电压被设置为计算出的第二分量时读取测量电路的输出电压，以及将第一分量确定为预定中间值与测量电路的输出电压之间的差值。
在一些方面，确定偏置电压函数的第二分量包括：将差动传感器设置在空载条件下，将偏移控制器的偏置电压调整为偏置电压函数的第一分量，读取测量电路的输出电压和在空载条件下针对差动传感器的多个温度获取输出电压时的差动传感器的温度，以及基于记录的输出电压确定第二分量的基于温度的函数。
在某些方面，设置测量电路的增益常数在对偏置电压函数进行编程之后发生。设置测量电路的增益常数可以包括：向差动传感器施加已知的正扭矩并响应于施加已知的正扭矩而记录正输出电压，向差动传感器施加已知的负扭矩并响应于施加已知的负扭矩而记录负输出电压，以及根据已知的正和负扭矩与记录的正和负输出电压的比率确定测量电路的增益常数。设置测量电路的增益常数可以包括将差动传感器设置在空载条件下和调整偏置电压，使得在施加已知的正和负扭矩之前，测量电路的调整后的电压是预定中间值。
在特定方面，方法可以包括检测差动传感器的空载条件，和当检测到空载条件时基于测量电路的输出电压和差动传感器的温度来更新偏置电压函数。
此外，在一致的程度上，本文所描述的任何方面可与本文所描述的任何或所有其它方面结合使用。
附图说明
下面参考附图描述本公开的各个方面，这些附图被并入本说明书并构成本说明书的一部分，其中：
图1是根据本公开的包括机器人手术组件的机器人手术系统的示意性说明；
图2是图1的手术组件的侧视透视图，其包括手术器械支架、IDU、适配器组件和手术器械；
图3是图2的器械驱动单元的纵向截面视图；
图4是图3的器械驱动单元的扭矩换能器的透视图；
图5是图4的扭矩换能器的应变仪的放大视图；
图6是图2的IDU的测量电路的示意图，其包括图5的应变仪；
图7是电压漂移和偏移校正的实例的曲线图，其示出为图6的测量电路的温度的因素；和
图8是校准图6的测量电路的方法的流程图。
具体实施方式
本发明公开的包括手术器械支架、器械驱动单元(IDU)、适配器组件和内窥镜及其方法的实施例参考附图详细地描述，其中在若干视图中的每一个中相似附图标记指代相同或对应元件。如本文所用，术语“临床医师”是指医生、护士或任何其他护理提供者，并且可以包括辅助人员。如本文所用，术语“远侧”是指手术器械支架、适配器组件和/或内窥镜的更接近患者的部分，而术语“近侧”是指手术器械支架、IDU、适配器组件和/或内窥镜的更远离患者的部分。
本公开总体上涉及通过在扭矩或力控制器外部的测量电路中补偿应变仪的制造公差和温度漂移来简化根据应变仪确定马达的扭矩。本公开提供了测量电路和用于校准测量电路以补偿制造公差和温度漂移的方法。虽然所公开的测量电路和方法是关于机器人手术系统进行描述的，但测量电路和/或方法可以与向控制器提供读数的各种差动传感器一起使用并且不应限于机器人手术系统、应变仪和扭矩读取。
参考图1，机器人手术系统1大体上示为机器人系统10、处理单元30和用户界面40。机器人系统10大体上包括连杆12和机器人底座18。连杆12可移动地支撑末端执行器或工具20，所述末端执行器或工具20被配置成作用于组织。连杆12可以呈臂的形式，每个臂具有多个构件13。多个构件13中的构件13a具有支撑末端执行器或工具20的端部14，所述末端执行器或工具20被配置成作用于组织。另外，构件13a的端部14可包括用于对手术部位“S”进行成像的成像装置16。连杆12的多个构件13中的每一个可以围绕接头15彼此连接。用户界面40通过处理单元30与机器人底座18通信。处理单元30可以由单个单元形成或者可以分布到围绕机器人手术系统1安置的多个处理单元。例如，第一处理单元可以与用户界面40相关联并且第二处理单元可以安置在机器人底座18内。
用户界面40包括被配置成显示三维图像的显示装置44。显示装置44显示手术部位“S”的三维图像，所述三维图像可包括通过定位于构件13a的端部14上的成像装置16捕获的数据，和/或包括通过定位于手术室周围的成像装置(例如，定位于手术部位“S”内的成像装置、定位成邻近接患者“P”的成像装置、定位于成像臂52的远侧端部处的成像装置56)捕获的数据。成像装置(例如，成像装置16、56)可捕获手术部位“S”的视觉图像、红外图像、超声图像、X射线图像、热像和/或任何其它已知的实时图像。成像装置将所捕获的成像数据传输到处理单元30，所述处理单元30实时地根据成像数据创建手术部位“S”的三维图像，并且将三维图像传输到显示装置44进行显示。
用户界面40还包括输入手柄42，所述输入手柄42允许临床医师操纵机器人系统10(例如，移动连杆12、连杆12的端部14和/或工具20)。输入手柄42中的每一个与处理单元30通信以向其传输控制信号并且从其中接收反馈信号。输入手柄42中的每一个可以包括输入装置，所述输入装置允许外科医生操纵(例如，夹紧、抓取、击发、打开、关闭、旋转、推进、切片等)支撑在构件13a的端部14处的工具20。
对于机器人手术系统1的构造和操作的详细论述，可参考题为“医疗工作站(Medical Workstation)”的美国专利第8,828,023号，所述专利全部内容以引用的方式并入本文中。
参考图2，图1的外科手术机器人10的示例性12的一部分。臂12包括可沿着轨道124平移的托架122。器械驱动单元(IDU)400固定到托架122。IDU 400具有被配置成控制工具20的马达组件410(图3)，如下详述。在下文提供对IDU 400和马达组件410的简要描述。对于包括马达组件的示例性IDU的详细论述，可参考美国专利公开案第2018/0153634号，所述公开案的全部内容以引用的方式并入本文中。
另外参考图3，马达组件410可包括四个马达420、430(在该视图中仅示出两个)，每个马达具有驱动轴422、432，所述驱动轴具有非圆形横截面轮廓(例如基本上D形的等)。在一些实施例中，驱动轴可具有圆形横截面轮廓。四个马达420、430被布置成矩形形式，使得其相应的驱动轴422、432均彼此平行并且均在共同方向上延伸。马达组件410的马达420的驱动轴422具有驱动联接器，例如，冠齿轮424，其被配置成可操作地联接到工具20的驱动组件(未明确示出)。当马达组件410的马达420被致动时，马达420的驱动轴422的旋转被传递到工具20。
还参考图4，马达420安装到扭矩换能器424以将马达420固定在马达组件410内。应当了解，其他马达中的每一个，例如马达430，以类似的方式与相应的扭矩换能器安装在马达组件410内。扭矩换能器424被配置为反作用扭矩换能器以测量马达420的扭矩并且包括安装凸缘510、主体520和马达凸缘530。主体520通常是圆柱形的并且限定中心纵向轴线或换能器轴线T-T并且围绕换能器轴线T-T限定通道522。安装和马达凸缘510、530被构造成最小化或防止围绕换能器轴线T-T的扭转偏转。另外，安装凸缘510通过多个紧固件固定到安装板404，并且马达凸缘530固定到马达420的远侧端部部分，以最小化或防止扭转偏转。安装凸缘510和/或马达凸缘530可分别固定到安装板404和马达420。
主体520被配置成响应于马达420的扭矩而扭曲或偏转。主体520可包括与安装和马达凸缘510、530互连的低应变区域526和高应变区域528。扭矩换能器424包括安置在高应变区域528上或中的应变仪540。应变仪540可以安置在高应变区域528的内表面529a或外表面529b上，或者可以蚀刻到高应变区域528中。应变仪540定位在高应变区域528的一部分上，当扭矩施加到扭矩换能器424时，受到最大的弯曲或偏转。应变仪540包括有效应变传感器542和校准应变传感器544。有效应变传感器542被定向为响应于围绕换能器轴线T-T施加到扭矩换能器424的扭矩来测量高应变区域528的偏转或弯曲，因此有效应变传感器542测量高应变区域528的径向应变。校准应变传感器544垂直于有效应变传感器542对准，使得校准应变传感器544经受围绕换能器轴线T-T的高应变区域528的很小的径向偏转或者没有径向偏转。校准应变传感器544响应于除径向偏转之外的因素(例如主体520的热膨胀)来测量高应变区域528的应变。
应变仪540通过测量扭矩换能器424内的偏转来测量马达420的负载或扭矩。响应于马达420的扭矩，应变仪540向测量电路550(图6)提供差动电压。应变仪540提供的差动电压可能受应变仪540的工作温度影响。
参考图5，应变仪540可以包括有源应变传感器542和校准应变传感器544。校准应变传感器544可以补偿工作温度对应变仪540的增益的影响；然而，由应变仪540提供的差动电压可能进一步受到应变仪540的工作温度的影响，这导致偏移，如下详述。
另外参考图6，测量电路550被配置成将应变仪540提供的差动电压转换为用于运动控制器例如处理单元30(图1)的数字扭矩信号。测量电路550被配置成产生数字扭矩信号，所述数字扭矩信号补偿扭矩换能器424的应变仪540的工作温度和制造公差。测量电路550包括应变仪540、温度传感器546、偏移控制器或数模转换器(DAC)552、放大器554和模数转换器(ADC)556。在实施例中，测量电路550安置在IDU 400内或安置在机器人底座18内。温度传感器546向DAC 552提供温度信号，DAC 552将数字温度信号转换为模拟温度信号并将模拟温度信号传输到放大器554。DAC 552、放大器554和/或ADC 556可以被提供为片上系统以提供对由应变仪540提供的差动电压的实时采样和过滤。
扭矩传感器540测量负载并且以与施加到传感器540的负载成比例的差动电压的形式向放大器554提供扭矩信号。放大器554使用由DAC 552提供的偏移电压V偏移作为扭矩信号的偏移，以在将模拟增益施加到偏移扭矩信号之后校正制造公差和温度漂移，如下详述。放大器554然后将调整后的扭矩信号或ADC电压VADC传输到ADC 556，ADC 556将ADC电压VADC从模拟信号转换为数字扭矩信号以供运动控制器例如处理单元30使用。温度传感器546可以将数字温度信号提供给用于IDU 400的应变仪540的DAC，例如DAC 552，使得单个温度传感器546可以用于IDU 400。替代地，每个扭矩换能器，例如扭矩换能器424可以具有单独的温度传感器，例如温度传感器546。
通过补偿测量电路550中应变仪540的温度漂移和制造公差，可以从运动控制器中去除对IDU 400、马达420和/或扭矩换能器424的温度的补偿。从运动控制器中去除温度补偿可以减少运动控制器的处理时间和/或减少运动控制器的处理器负载，这可以引起运动控制器的性能改进。具体地说，这种方法不需要传感器数据的任何后处理以在每次读取传感器(例如扭矩换能器424)时校正温度/公差校正。校正是通过调整表示传感器读数的模拟信号来执行的，并且因为由于温度波动引起的变化以相对慢的速率发生，因此由于温度引起的调整可以以比读取差动传感器的速率慢得多的更新速率进行。因此，每个周期释放处理器时间以及加快样品延迟。
参考图7，示出了示例性应变仪540在空载条件下作为温度的函数的电压漂移。如所示，应变仪540提供的扭矩信号的电压随着温度的升高以基本上线性的方式增加或减少。因此，可以开发偏移校正，当施加于扭矩信号时，所述偏移校正提供如所示的恒定的调整后的扭矩信号。在模拟增益被施加到应变仪540提供的差动电压后，偏移校正可以通过放大器554被施加到扭矩信号。在一些实施例中，由应变仪540提供的扭矩信号的电压以非线性方式变化并且可以通过将校正映射到非线性函数例如二次或三次函数来校正。
可以开发数学模型以将马达的扭矩负载转换为在ADC 556处从放大器接收的调整后的电压VADC，如下：
VADC＝K放大器·V+·(V传感器(τ)+V偏移+V误差(T))+V偏置(T) (1)
其中K放大器是放大器554施加的增益，V+是应变仪540的激励电压，V传感器(τ)是来自应变仪540的扭矩信号，V偏移是应变仪540的偏移电压，它取决于激励电压V+和固定的制造公差，V误差(T)是应变仪540依赖于温度的误差电压，如图7所示，并且、V偏置(T)是施加到放大器554以校正偏移和误差电压的偏置电压。
如果忽略应变仪540的偏移误差和温度漂移，则公式(1)简化为：
VADC＝K放大器·V+·(V传感器(τ))+V偏置 (2)
使得调整后的电压VADC固定在中间输入VMID，例如2.5V，其中正扭矩高于中间输入而负扭矩低于中间输入。
当应变仪540处于空载状态时，转换函数可以示为：
VADC＝K放大器·V+·(V偏移+V误差(T))+V偏置(T) (3)
使得偏置电压V偏置重新获得温度敏感性以补偿误差电压V误差。
如图7所示，误差电压V误差可以示为：
V误差(T)＝KTT+bT (4)
其中常数KT和bT可以根据经验确定并通过测试验证。
将公式(4)与公式(3)结合，并将调整后的电压VADC固定到VMID的中间输入，例如2.5V，提供：
VMID＝K放大器·V+·(KTT+bT)+V偏置(T) (5)
其可以重新排列以确定在无偏移的情况下偏置电压函数V偏置(T)为：
V偏置(T)＝VMID-(K放大器·V+·KT)T-(K放大器·V+·bT) (6)
理解K放大器和V+都是常数，这两个常数可以组合起来得到：
V偏置(T)＝VMID-KTT-bT (7)
另外，应变仪540的制造公差还引入了对扭矩信号的非温度敏感偏移，该非温度敏感偏移可以通过调整偏置电压V偏置(T)来补偿，如下：
VMID＝K放大器·V+·V偏移+V偏置(T) (8)
再次理解K放大器和V+都是常数，它们可以集中到偏移电压V偏移中，提供：
V偏移＝VMID-V偏置(T) (9)
通过组合温度敏感和非温度敏感要素提供偏置电压V偏置(T)为：
V偏置(T)＝VMID-(V偏移+(KTT+bT)) (10)
由于偏置电压V偏置(T)函数被定义，公式(2)可用于去除由于制造公差和温度漂移引起的偏移，使得在整个温度范围内的空载条件下，ADC 556处的零负载电压是中间输入VMID，例如2.5V。通过从ADC 556处的电压中去除制造公差和温度漂移，将ADC 556处的电压转换为系统的扭矩τ系统(V)可以减少以从ADC电压VADC中去除中间输入VMID并乘以增益常数Kτ_系统，示为：
τ系统(V)＝Kτ_系统(VADC-VMID) (11)
增益常数Kτ_系统可以通过向系统施加两个固定负载(例如扭矩)来确定。这可以通过将系统置于空载条件并调整DAC 552的偏置使得ADC电压VADC是中间输入值VMID，例如2.5V来实现。然后，可以将已知的正和负扭矩施加到应变仪540，并且在每个负载下读取ADC电压VADC以通过以下计算增益常数
Kτ_系统：
Figure BDA0003191727960000101
参考图8，参照图6的应变仪540和测量电路550，根据本公开公开了确定增益常数Kτ_系统、电压偏置V偏置(T)和电压偏移V偏移的方法600。最初，应变仪540被置于空载条件下(步骤602)。当应变仪540处于空载条件时，调整DAC 552的电压偏置V偏置使得放大器554输出的ADC电压VADC为预定中间值VMID，例如2.5V，(步骤604)。在调整了DAC 552的电压偏置V偏置被调整的情况下，将已知的正扭矩τ+施加到应变仪540的轴线并且ADC电压被记录为VADCτ+(步骤606)，然后将已知的负扭矩τ-施加到应变仪540的轴线并且ADC电压被记录为VADCτ-(步骤608)。已知的正和负扭矩τ+、τ-与记录的ADC电压VADC+、VADC-的比率在公式(12)中用于计算系统的增益常数Kτ_系统(步骤610)。
在计算出系统的增益常数Kτ_系统的情况下，应变仪540返回到空载条件(步骤620)以计算电压偏置V偏置以校正ADC电压VADC的空载电压值。当计算出时，电压偏置V偏置包括第一分量，例如偏移电压V偏移，其校正与温度无关的制造公差，以及校正应变仪540的温度漂移的第二分量。通过校正ADC电压VADC的空载电压值，增益测量可以减少为乘法计算。
首先，确定公式(10)的偏移电压V偏移(步骤630)。为了计算偏移电压V偏移，在空载时，确定应变仪540的温度(步骤632)。应变仪540的局部温度然后在公式(7)中用于计算可用作偏置电压V偏置的值的温度敏感电压(步骤634)。应当了解，根据经验提供公式(7)的常数，如上详述。然后将DAC552调整到计算出的偏置电压V偏置(步骤636)，并且读取ADC电压VADC并将其存储为偏移电压V偏移(步骤638)。
在确定了V偏移的情况下，在应变仪540处于空载条件的情况下，可以通过周期性地读取应变仪540的局部温度并使用公式(10)中的常数和偏移电压V偏移来计算对于给定温度的偏置电压V偏置来确定偏置电压V偏置的温度补偿(步骤640)。这些值然后被记录或写入非易失性存储器并由DAC 552使用以根据温度传感器546的温度偏移或偏置放大器554。由于温度对系统的影响倾向于以低速率跟踪，放大器554的偏移可以以低速率(例如，约1Hz)进行调整。这些值可以在应变仪540处于空载配置的任何时候更新，这可以允许去除由于本文未详述的高阶误差项引起的误差。偏置电压V偏置(T)函数可以从记录的值中产生，以将空载下的已知温度漂移外推到有载条件下，其中对于感测温度，没有记录的值。应当了解，偏置电压V偏置(T)函数的确定可以在计算系统Kτ_系统的增益常数之前、之后或期间发生。
一旦DAC 552被设置为用偏置电压V偏置(T)函数偏移放大器554并且计算系统的增益常数Kτ_系统，与应变仪540相关联的马达的扭矩可以计算为：
Figure BDA0003191727960000111
通过补偿DAC 552中的温度和制造公差，扭矩的计算被简化为将测量的ADC电压VADC减去中间值VMID乘以系统的增益常数Kτ_系统。这大大地简化了运动控制器的扭矩计算，并且因此可以提高手术机器人10(图1)在手术程序期间的位置准确度。
本文描述的系统和/或方法可以利用一个或多个控制器来接收各种信息并且转换接收的信息以产生输出。控制器可包括任何类型的计算装置、计算电路，或能够实行存储在存储器中的一系列指令的任何类型的处理器或处理电路。控制器可包括多个处理器和/或多核中央处理单元(CPU)并且可包括任何类型的处理器，如微处理器、数字信号处理器、微控制器、可编程逻辑装置(PLD)、现场可编程门阵列(FPGA)等。控制器还可包括存储器以存储当由一个或多个处理器实行时使一个或多个处理器执行一个或多个方法和/或算法的数据和/或指令。在采用多个控制器和/或多个存储器的组合的实例实施例中，本文描述的系统和/或方法的每个功能可以分配给控制器和存储器的任何组合并由其实行。
本文描述的方法、程序、算法或代码中的任一个可转换为编程语言或计算机程序或以编程语言或计算机程序表达。如本文所用，术语“编程语言”和“计算机程序”，各自包括用于为计算机指定指令的任何语言，并且包括(但不限于)以下语言和其衍生物：汇编程序、Basic、Batch文件、BCPL、C、C+、C++、Delphi、Fortran、Java、JavaScript、机器代码、操作系统命令语言、Pascal、Perl、PL1、脚本处理语言、可视化Basic、元语言自身指定编程和所有第一、第二、第三、第四、第五或更高代计算机语言。还包括数据库和其它数据模式，和任何其它元语言。不对被解译、编译或使用编译和解译两种方法的语言进行区分。在程序的编译版本和源版本之间没有区别。因此，对程序的引用是对任何和所有这些状态的引用，其中编程语言可存在于多个状态(如源、编译、对象或链接)中。对程序的引用可涵盖实际指令和/或那些指令的目的。
本文描述的方法、程序、算法或代码中的任一个可以含在一个或多个非瞬时性计算机可读或机器可读介质或存储器上。术语“存储器”可以包括以机器(例如，处理器、计算机或数字处理装置)可读的形式提供(在实例中是存储和/或传输)信息的机构。例如，存储器可包括只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、磁盘存储介质、光学存储介质、闪存装置或任何其它易失性或非易失性存储器存储装置。其上所含的代码或指令可以由载波信号、红外信号、数字信号和其它类似信号表示。
虽然在附图中示出了本公开的几个实施例，但并不旨在将本公开限制于此，而是旨在使本公开的范围与所属领域所允许的一样宽，并且本说明书同样被阅读。也可以设想以上实施例的任何组合，并且所述任何组合在所附权利要求的范围内。因此，以上描述不应解释为限制性的，而仅作为特定实施例的范例。本领域技术人员将在所附权利要求的范围内设想其它修改。

Claims (19)

1.一种测量电路，其被配置成向运动控制器提供扭矩读数，所述测量电路包含：
偏移控制器，其被配置成读取温度信号并响应于读取所述温度信号而产生偏移电压；和
放大器，其被配置成从差动传感器读取差动电压并从所述偏移控制器接收所述偏移电压，在将模拟增益施加到所述差动电压之后将所述偏移电压添加到所述差动电压以产生调整后的电压，并传输所述调整后的电压。
2.根据权利要求1所述的测量电路，其进一步包含温度传感器，所述温度传感器被配置成传输指示所述差动传感器的温度的所述温度信号。
3.根据权利要求2所述的测量电路0，其中所述温度传感器被配置成将所述温度信号输出为数字温度信号，并且所述偏移控制器是被配置成将所述数字温度信号转换为指示所述差动传感器的温度的模拟电压偏移的数模转换器。
4.根据权利要求1所述的测量电路，其进一步包含差动传感器，所述差动传感器被配置成产生指示马达的扭矩的所述差动电压并将所述差动电压传输到所述放大器。
5.根据权利要求4所述的测量电路0，其中所述偏移控制器被配置成产生所述偏移电压，所述偏移电压包括校正应变仪的制造公差的第一分量和校正所述差动传感器的温度漂移的第二分量。
6.根据权利要求1所述的测量电路，其进一步包含模数转换器，所述模数转换器被配置成从所述放大器接收所述调整后的电压，将所述调整后的电压转换为针对温度漂移进行校正的指示所述调整后的电压的数字扭矩信号，并传输所述扭矩信号。
7.根据权利要求1所述的测量电路，其中所述差动传感器为应变仪。
8.一种器械驱动单元，其被配置成控制手术器械的工具，所述器械驱动单元包含：
第一马达；
第一扭矩换能器，其包括被配置成确定所述第一马达的扭矩的第一扭矩测量电路，所述第一扭矩测量电路包括：
偏移控制器，其被配置成读取第一温度信号并响应于读取所述第一温度信号而产生偏移电压；和
放大器，其被配置成从差动传感器读取差动电压，从所述偏移控制器接收所述偏移电压，在将增益施加到所述差动电压之后将所述偏移电压添加到所述差动电压以产生调整后的电压，并传输所述调整后的电压；以及
运动控制器，其被配置成从所述第一测量电路接收指示所述调整后的电压的第一扭矩信号并响应于所述第一扭矩信号而控制所述第一马达。
9.根据权利要求8所述的器械驱动单元0，其中所述第一扭矩测量电路包括模数转换器，所述模数转换器被配置成从所述放大器接收所述调整后的电压并将所述第一扭矩信号传输到所述运动控制器。
10.根据权利要求9所述的器械驱动单元0，其进一步包含：
第二马达；和
第二扭矩换能器，其包括被配置成确定所述第二马达的扭矩的第二扭矩测量电路，所述运动控制器被配置成从所述第二测量电路接收指示所述第二马达的所述扭矩的第二扭矩信号，所述第二扭矩信号针对所述第二扭矩换能器的温度进行调整。
11.根据权利要求10所述的器械驱动单元0，其中所述第一测量电路包括第一温度传感器，所述第一温度传感器被配置成将指示所述第一扭矩换能器的温度的所述第一温度信号传输到所述偏移控制器，并且所述第二测量电路包括第二温度传感器，所述第二温度传感器被配置成将指示所述第二扭矩换能器的温度的第二温度信号传输到所述偏移控制器。
12.根据权利要求10所述的器械驱动单元0，其进一步包含温度传感器，所述温度传感器被配置成将指示所述第一扭矩换能器的温度的所述第一温度信号传输到所述偏移控制器并且将指示所述第二扭矩换能器的温度的所述第二温度信号传输到所述偏移控制器。
13.一种校准差动传感器的测量电路的方法，所述方法包含：
设置所述测量电路的增益常数；
确定所述测量电路的偏置电压函数以补偿所述差动传感器的制造公差和温度漂移，其包括：
确定与所述差动传感器的温度无关的所述测量电路的所述偏置电压函数的第一分量；
确定所述测量电路的所述偏置电压函数的第二分量的温度相关函数；和
根据所述偏置电压函数的所述第一和第二分量产生所述偏置电压函数；以及
将所述偏置电压函数编程到所述测量电路的偏移控制器中，所述偏移控制器被配置成从温度传感器接收温度信号并响应于接收到所述温度信号而根据所述偏置电压函数产生偏置电压。
14.根据权利要求13所述的方法0，其中确定所述偏置电压函数的所述第一分量包括：
将所述差动传感器设置在空载条件下；
确定所述差动传感器的温度；
基于所述差动传感器的所述温度计算所述第二分量；
将所述测量电路的所述偏移控制器的所述偏置电压调整为计算出的第二分量；
当所述偏置电压被设置为所述计算出的第二分量时，读取所述测量电路的输出电压；和
将所述第一分量确定为预定中间值与所述测量电路的所述输出电压之间的差值。
15.根据权利要求13所述的方法0，其中确定所述偏置电压函数的所述第二分量包括：
将所述差动传感器设置在空载条件下；
将所述偏移控制器的所述偏置电压调整为所述偏置电压函数的所述第一分量；
记录所述测量电路的输出电压和在所述空载条件下针对所述差动传感器的多个温度获取所述输出电压时的所述差动传感器的温度；和
基于记录的输出电压确定所述第二分量的基于温度的函数。
16.根据权利要求13所述的方法0，其中在对所述偏置电压函数进行编程之后，设置所述测量电路的所述增益常数。
17.根据权利要求13所述的方法0，其中设置所述测量电路的所述增益常数包括：
向所述差动传感器施加已知的正扭矩并响应于施加所述已知的正扭矩而记录正输出电压；
向所述差动传感器施加已知的负扭矩并响应于施加所述已知的负扭矩而记录负输出电压；和
根据所述已知的正和负扭矩与记录的正和负输出电压的比率，确定所述测量电路的所述增益常数。
18.根据权利要求17所述的方法0，其中设置所述测量电路的所述增益常数包括：
将所述差动传感器设置在空载条件下；和
调整所述偏置电压使得在施加所述已知的正和负扭矩之前，所述测量电路的调整后的电压是预定中间值。
19.根据权利要求13所述的方法0，其进一步包含检测所述差动传感器的空载条件并且当检测到所述空载条件时，基于所述测量电路的输出电压和所述差动传感器的温度更新所述偏置电压函数。
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