CN113648064B - 一种手术机器人电机的位置控制系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种手术机器人电机的位置控制系统及方法，包括电机位置检测单元，电机位置检测单元与控制器连接，控制器还与红外传感器连接，红外传感器位于手术机器人的执行机构；电机位置检测单元包括底板，底板容纳牵引轴穿过，底板一侧具有光电传感器，光电传感器设有并列布置的至少两组光电开关槽，两组光电开关槽上设有相对设置的光圈，用于接收光电信号；牵引轴径向方向设有通光孔，光圈与通光孔位置对应，光电传感器发出的光电信号穿过通光孔到达光圈。

Description

一种手术机器人电机的位置控制系统及方法
技术领域
本发明涉及手术机器人领域，具体为一种手术机器人电机的位置控制系统及方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
微创医疗器械一般分为两种，一种为纯机械传动，通过机械传动将简易的动作指令传递给末端的执行器械，功能较为单一；另一种是电控的，通过电机驱动传动机构带动末端的执行器械动作，形成真正意义上的手术机器人，可以执行复杂动作。
对于手术机器人来讲，在执行手术动作时，输入设备发送信号给控制器，控制器发出控制指令给电机，电机经传动机构带动末端器械，末端器械执行动作。整个过程需要精确度极高的运动控制，通常器械端是要求毫米级控制，某些特殊领域的手术机器人，甚至需要微米级控制。要实现超高精度的控制，既需要有高精度的传感器进行检测，高精度的传输设备减小实际误差，也需要有复杂的控制算法。
在对位置进行精确控制时，位置检测磁传感器或光电传感器把检测到末端执行器械的位置信息发回给控制器，但不管是哪一类传感器，都很容易受到外界干扰，而无法满足测量精度的要求。因此需要将电机输出轴的转动位置信号也发给控制器，然后通过复杂的融合算法，获得手术器械的准确位置。
而为了实现上述目的，现有技术需要在末端器械的驱动端(通常为电机输出轴上)部署传感器，来获得末端器械的实际位置，部署的传感器受到手术机器人的体积限制，会限制传感器的精度，是最终的位置控制效果不理想。
发明内容
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明的第一个方面提供一种手术机器人电机的位置控制系统，包括电机位置检测单元，电机位置检测单元与控制器连接，控制器还与红外传感器连接，红外传感器位于手术机器人的执行机构；
电机位置检测单元包括底板，底板容纳牵引轴穿过，底板一侧具有光电传感器，光电传感器设有并列布置的至少两组光电开关槽，两组光电开关槽上设有相对设置的光圈，用于接收光电信号；牵引轴径向方向设有通光孔，光圈与通光孔位置对应，光电传感器发出的光电信号穿过通光孔到达光圈。
光电开关槽并列布置，且与光电传感器本体形成U型，U型开口处设有通孔容纳牵引轴穿过。通孔位于底板上，且具有至少一组。
牵引轴垂直布置，径向方向的通光孔顶部为第一位置，底部为第二位置。牵引轴与电机连接，带动牵引轴沿轴向方向往复直线运动，使得光圈接收到的光电信号穿过第一位置和第二位置之间；当第一位置和第二位置中的其中一点运动到光电开关槽所在位置时，光电传感器产生一次信号变化，并发送给控制器。
光电传感器检测物体遮挡的宽度与光圈的宽度一致。
当光电传感器信号发生变化的时候，对控制器内的位置变量进行一次更新。
红外传感器位于手术机器人的执行机构，获取执行机构在电机带动下执行动作时的位置信号并发送给控制器。
控制器依据红外传感器获取的位置信号和光电传感器产生的信号变化判断电机输出轴是否旋转到设定位置。
本发明的第二个方面提供基于上述装置实现手术机器人直流无刷电机的绝对位置控制方法，包括以下步骤：
利用红外传感器获取末端执行器械产生动作时的位置信号发送给控制器，利用光电传感器获取电机带动末端执行器械时的位置信号发送给控制器；
更新控制器中保存的位置变量值，并保存两部分位置信号的误差值，依据数据数据，校正电机与末端执行器械之间的位置传递函数。
与现有技术相比，以上一个或多个技术方案存在以下有益效果；
1、在小体积空间内引入了光电传感器，选择红外传感器作为原点检测，在满足机械结构要求的前提下获取了电机输出轴的旋转位置。
2、末端执行器械动作时的位置信号由红外传感器获取，和带动器械运动的电机位置信号由光电传感器获取，两部分信号融合后没有使用实时的绝对位置读取方式，而是运动过程中，对位置参数进行更新，使检测精度达到要求的同时，算法更加简便。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明一个或多个实施例提供的整体结构示意图；
图2是本发明一个或多个实施例提供的侧视结构示意图；
图3是本发明一个或多个实施例提供的电机位置控制过程示意图；
图中：1、牵引轴，2、通光孔，21、第一位置，22、第二位置，3、光电传感器，4、光电开关槽，5、光圈，6、传动机构通孔，7、底板。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
正如背景技术中所描述的，手术机器人为了确保动作精度满足要求，需要将电机输出轴的转动位置信号和末端器械的位置信号都发给控制器，然后通过复杂的融合算法，获得手术器械的准确位置。而因结构限制和磁传感器之间的干扰噪声问题，可部署器械位置检测传感器的位置无法支持部署常用的磁传感器。同时因结构限制和光栅或码盘的尺寸问题，可部署器械位置检测传感器的位置无法支持部署光栅和码盘。因此要解决的技术问题是在满足手术机器人机械结构要求的前提下，解决输入设备对器械的绝对位置控制，并且实现传感器信号和电机位置信号融合的问题。
绝对位置是执行器械运动的绝对位置，通过该位置可以准确识别手术机器人末端执行器械(手术器械)的运动位置，手术器械的位置是实际要得到的，但由于手术机器人结构复杂，绝对位置检测较为困难，同样通过获取执行机构的位置，来得到手术器械的位置，这里的执行机构指与手术器械连接的传动机构的运动位置。
实施例一：
如图1-3所示，一种手术机器人电机的位置控制系统，包括电机位置检测单元，电机位置检测单元与控制器连接，控制器还与红外传感器连接，红外传感器位于手术机器人的执行机构；
电机位置检测单元包括底板7，底板7容纳牵引轴1穿过，底板一侧具有光电传感器3，光电传感器3设有并列布置的至少两组光电开关槽4，两组光电开关槽4上设有相对设置的光圈5，用于光电信号的发出与接收；牵引轴1径向方向设有通光孔2，光圈5与通光孔2位置对应，光电传感器3发出的光电信号穿过通光孔2到达光圈5。
光电开关槽4并列布置，与光电传感器3本体形成U型，U型开口处容纳牵引轴1穿过。
牵引轴1垂直布置，径向方向的通光孔2顶部为第一位置21，底部为第二位置22。牵引轴1与电机连接，带动牵引轴1沿轴向方向往复直线运动，当第一位置21和第二位置22中的其中一点运动到光电开关槽4所在位置时，光电传感器3产生一次信号变化,并发送给控制器。
本实施例中，图1中的第一位置21和第二位置22两点是通光孔2的上下两点。光电传感器检测物体遮挡的宽度与光圈5的宽度基本，如果光圈宽度是0.8mm，说明当遮挡物体宽度在大于等于0.8mm的时候，会引起光电传感器的信号变化。
当光电传感器信号发生变化的时候，对控制器内的位置变量进行一次更新。
底板7上设有至少一组传动机构通孔6，本实施例中，其中一组传动机构通孔6用于牵引轴1穿过，实际应用中不限制传动机构通孔的数量，相应的与之配合的传动机构数量也不做限制。
电机为带有数字霍尔信号的直流无刷电机。
红外传感器位于手术机器人的执行机构，获取执行机构在电机带动下执行动作时的位置信号并发送给控制器。
控制器依据红外传感器获取的位置信号和光电传感器产生的信号变化判断电机输出轴是否旋转到设定位置。
上述结构在小体积空间内，引入了光电传感器，选择红外传感器作为原点检测，在满足机械结构要求的前提下获取了电机输出轴的旋转位置。
实施例二：
本实施例提供了基于上述装置实现手术机器人直流无刷电机的绝对位置控制方法，包括以下步骤：
利用红外传感器获取末端执行器械产生动作时的位置信号发送给控制器，利用光电传感器获取电机带动末端执行器械时的位置信号发送给控制器；
更新控制器中保存的位置变量值，并保存两部分位置信号的误差值，依据误差数据，校正电机与末端执行器械之间的位置传递函数。
输入信号由交互输入设备(例如手柄)产生，手柄可以基于中心点在一个平面内运动。要求输出设备(即末端的执行器械)基于中心点，与输入设备同步运动。
输入设备还可以使用带霍尔信号的直流无刷电机，通过霍尔信号可以判断电机转动的距离和方向。规定原点状态为0，正转数值增加，反转数值减小。时刻记录电机的运动位置。当红外传感器响应(代表输出设备(即末端的执行器械产生动作)时，对控制器中记录的位置变量值进行更新，并记录误差值。根据多次误差值数据，校正电机与器械的传递函数。
根据输入设备和输出设备自身的运动范围进行量程划分。输入设备x轴和y轴量程划分为m；输出设备x轴和y轴的量程划分为n。接着对输入和输出设备进行坐标关联。定义输入设备的坐标是(a,b)，输出设备的坐标是(x，y)。
通过坐标运算可以实现输入设备和输出设备的坐标比例相同。
通过输入设备输入信号，经过算法变换，实现对末端执行器械的绝对位置控制。
末端执行器械动作时的位置信号由红外传感器获取，和带动器械运动的电机位置信号由光电传感器获取，两部分信号融合后没有使用实时的绝对位置读取方式，而是运动过程中，对位置参数进行更新，使检测精度达到要求的同时，算法更加简便。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种手术机器人电机的位置控制系统，其特征在于：包括电机位置检测单元，电机位置检测单元与控制器连接，控制器还与红外传感器连接，红外传感器位于手术机器人的执行机构；
电机位置检测单元包括底板，底板容纳牵引轴穿过，底板一侧具有光电传感器，光电传感器设有并列布置的至少两组光电开关槽，两组光电开关槽上设有相对设置的光圈，用于接收光电信号；牵引轴径向方向设有通光孔，光圈与通光孔位置对应，光电传感器发出的光电信号穿过通光孔到达光圈；
通光孔顶部为第一位置，底部为第二位置；牵引轴垂直布置，牵引轴与电机连接，带动牵引轴沿轴向方向往复直线运动，使光圈接收到的光电信号穿过第一位置和第二位置之间；
控制器依据红外传感器获取的位置信号和光电传感器产生的信号变化判断电机输出轴是否旋转到设定位置。
2.如权利要求1所述的一种手术机器人电机的位置控制系统，其特征在于：所述光电开关槽并列布置，且与光电传感器本体形成U型，U型开口处设有通孔容纳牵引轴穿过。
3.如权利要求2所述的一种手术机器人电机的位置控制系统，其特征在于：所述通孔位于底板上，且具有至少一组。
4.如权利要求1所述的一种手术机器人电机的位置控制系统，其特征在于：当第一位置和第二位置中的其中一点运动到光电开关槽所在位置时，光电传感器产生一次信号变化，并发送给控制器。
5.如权利要求4所述的一种手术机器人电机的位置控制系统，其特征在于：当光电传感器信号发生变化时，对控制器内的位置变量进行一次更新。
6.如权利要求1所述的一种手术机器人电机的位置控制系统，其特征在于：所述红外传感器位于手术机器人的执行机构，获取执行机构在电机带动下执行动作时的位置信号并发送给控制器。
7.基于权利要求1所述系统 实现手术机器人直流无刷电机的绝对位置控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
利用红外传感器获取末端执行器械产生动作时的位置信号发送给控制器，利用光电传感器获取电机带动末端执行器械时的位置信号发送给控制器；
更新控制器中保存的位置变量值，并保存两部分位置信号的误差值，依据数据，校正电机与末端执行器械之间的位置传递函数。
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