CN114886572B - 一种眼科手术中的主手摇杆 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种眼科手术中的主手摇杆，包括第一转动副、第二转动副、第三转动副，其中，第一转动副包括第一组件和第二组件，第一组件和第二组件能相对旋转，第二转动副包括第二组件和第三组件，第二组件和第三组件能相对旋转，第三转动副包括第三组件和第四组件，第三组件和第四组件能相对旋转。本发明的主手摇杆能实现手术器械状态的精准控制，且操作者对操作部分执行的动作，能完全传递给手术器械，这一整个操作过程，都是简单、直观的，并不需要进行任何多余的关于如何操作手柄的思考，实现主手摇杆的“拟物态”，握持主手摇杆相当于握持住了手术器械，实现手术的操作方便。

Description

一种眼科手术中的主手摇杆

技术领域

本发明涉及医疗器械领域，尤其涉及一种眼科手术中的主手摇杆。

背景技术

目前，微创外科手术机器人的发展在医学领域产生了重大的影响，为传统医学带来了技术乃至观念上的根本变革。主从式微创外科手术机器人的设计和相关关键技术的研究已经成为了机器人领域的研究热点问题之一。

为减少手术器械对手术切入点的挤压和拉扯，微创手术机器人中的从手术器械广泛采用远程运动中心RCM(英文为：Remote center of motion)机构，该机构可绕一个远端中心点转动，中心点与手术切口重合，其运动模式绕为切入点的三维转动和沿器械切入方向的平动。

外科医生进行微创手术过程中，直接操作主手摇杆，主手摇杆记录医生的手部动作，并将其传递给从端手术器械。从端手术器械实时跟随主手摇杆运动来进行手术操作，因此主手摇杆的性能直接影响手术的效果及成功率。现有技术中，这种模式下的主手摇杆和从手术器械自由度设置不同，需要在主-从端建立复杂的映射关系，将会增加系统的控制难度以及延时，降低操纵的直观性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种眼科手术中的主手摇杆，以解决上述背景技术中提出的精度不够的问题。

为实现上述目的本发明所采用的技术方案是一种眼科手术中的主手摇杆，包括第一转动副、第二转动副、第三转动副，其中，第一转动副包括第一组件和第二组件，第一组件和第二组件能相对旋转，第二转动副包括第二组件和第三组件，第二组件和第三组件能相对旋转，第三转动副包括第三组件和第四组件，第三组件和第四组件能相对旋转；

其中，第一转动副的旋转轴线、第二转动副的旋转轴线两者相互垂直，第二转动副的旋转轴线、第三转动副的旋转轴线两者相互垂直。

进一步地，第一转动副的旋转轴线、第二转动副的旋转轴线、第三转动副的旋转轴线，三者交汇于一点，交汇点为控制点，控制点被构造为对应主手摇杆所控制的对应手术器械的远端不动点。

进一步地，第一组件包括第一支架；

第二组件包括第一转动件以及固定在第一转动件上的第二支架；

第三组件包括第二转动件、第三支架组件、安装件，其中，第二转动件上安装有第三支架组件，第三支架组件上安装有安装件；

第四组件包括控制组件；

其中，第一支架与第一转动件转动配合连接；第二支架与第二转动件转动配合连接；安装件与控制组件转动配合连接。

进一步地，第一转动副还包括第一角度传感器，第一角度传感器一端安装在第一支架上，另一端安装在第一转动件上；

第二转动副还包括第二角度传感器，第二角度传感器一端安装在第二支架上，另一端安装在第二转动件上；

第三转动副还包括第三角度传感器，第三角度传感器一端安装在安装件上，另一端安装在控制组件上。

进一步地，第二转动件与第三支架组件滑动配合连接；第二转动件安装有滑轨，第二转动件通过滑轨安装有框架，框架内安装有齿条，主手摇杆还包括第四角度传感器，第四角度传感器一端上安装有齿轮，齿轮与齿条啮合，第四角度传感器另一端直接或间接安装在第二转动件上；

主手摇杆上安装第四角度传感器位置形成第四转动副，第四转动副一端安装在第二转动件上，另一端安装在齿轮上。

进一步地，第二转动件呈U形，其U形底部位置用于安装滑轨，第二转动件的U形顶部位置提供两个安装部位：分别为第一安装部位和第二安装部位，第一安装部位和第二安装部位能分别用于安装第二角度传感器和第四角度传感器。

进一步地，第二角度传感器的旋转轴线与第四角度传感器的旋转轴线重合，第一转动副的旋转轴线、第二转动副的旋转轴线、第三转动副、第四转动副的旋转轴线，四者交汇于一点。

进一步地，控制组件上设有功能按钮，功能按钮包括第一按钮，和/或第二按钮，和/或第三按钮；

第一按钮能用于控制手术器械前进指定的距离；第二按钮能用于控制手术器械后退指定的距离；第三按钮能用于控制手术器械注射液体。

进一步地，还包括阻尼结构，阻尼结构包括固定件、固定杆、弹性部件、摩擦件，固定件通过固定杆与摩擦件组装在一起，弹性部件套设于固定杆的外部，弹性部件位于固定件与摩擦件之间，摩擦件与固定件之间能够相对移动，当摩擦件与固定件相对移动时，弹性部件能存储或释放弹性势能；其中，摩擦件包括至少一个摩擦面，摩擦面呈弧形，摩擦面被构造为能与主手摇杆内的转动副进行接触。

进一步地，固定件上设有固定孔，固定孔用于固定件在主手摇杆上的固定；

固定件上设有凸起，凸起用于确定固定件在主手摇杆上的固定方向；

固定杆与固定件固定连接，或者，固定杆与摩擦件固定连接；

当固定杆与固定件固定连接时，摩擦件上设有插孔，固定杆能插入到插孔内；当固定杆与摩擦件固定连接时，固定件上设有插孔，固定杆能插入到插孔内。

本发明的优势在于：本发明的主手摇杆能实现手术器械状态的精准控制，且操作者对操作部分执行的动作，能完全传递给手术器械，例如操作者希望远端不动点做Z方向上的旋转，此时只要旋转第四组件，让第三转动副旋转即可；操作者希望手术器械绕远端不动点做X方向上的旋转，只需掰动第四组件，让第一转动副旋转即可；操作者希望手术器械绕远端不动点做Y方向上的旋转，只需掰动第四组件，让第二转动副旋转即可。这一整个操作过程，都是简单、直观的，并不需要进行任何多余的关于如何操作手柄的思考，实现主手摇杆的“拟物态”，握持主手摇杆相当于握持住了手术器械，实现手术的操作方便。

附图说明

图1为一种眼科手术中主手摇杆在不配备阻尼结构时的示意图；

图2为图1中一种眼科手术中主手摇杆在控制手术器械时的示意图；

图3为图1中一种眼科手术的主手摇杆中第一转动副、第二转动副、第三转动副、第四转动副分离时的示意图；

图4为主手摇杆上第一转动副位置的外部结构示意图以及内部结构放大图；

图5为主手摇杆上第二转动副、第四转动副位置的外部结构示意图以及内部结构示意图；

图6为主手摇杆上第三转动副位置的外部结构示意图以及内部结构示意图；

图7为图1中主手摇杆配备有阻尼结构后的示意图；

图8为实施例1中阻尼结构的示意图；

图9为图8的剖视图；

图10为实施例2中阻尼结构的示意图；

图11为第二转动件的结构示意图；

图12为实施例3中控制组件的整体结构示意图；

图13为实施例3中控制组件的内部结构示意图；

图14为图13的爆炸图；

图15为使用者将要握持实施例3中控制组件时的示意图；

图16为实施例4中静止状态下角度传感器输出图；

图17为实施例4中电压5V~0V变化图；

图18为实施例4中滑窗法寻找、判断跳变值示意图；

图19为实施例4中静止状态下电压值的滤波图；

图20为实施例4中电压变化过程图；

图21为实施例4中控制方法的流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施方式做进一步详细描述，应当指出的是，实施例只是对本发明的详细阐述，不应视为对本发明的限定，本发明的实施例中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均能够以任何方式组合。

本发明提供一种眼科手术中的主手摇杆，包括第一转动副30、第二转动副40、第三转动副50，其中，第一转动副30包括第一组件和第二组件，第一组件和第二组件能相对旋转，第二转动副40包括第二组件和第三组件，第二组件和第三组件能相对旋转，第三转动副50包括第三组件和第四组件，第三组件和第四组件能相对旋转。第一转动副30的旋转轴线、第二转动副40的旋转轴线两者相互垂直，第二转动副40的旋转轴线、第三转动副50的旋转轴线两者相互垂直。第四组件为主手摇杆的操作部分，操作者通过操作操作部分能实现控制手术器械在三个方向上的旋转，在本发明中，参照附图2，第一转动副30用于实现X轴方向上的旋转，第二转动副40用于实现Y轴方向上的旋转，第三转动副50用于实现Z轴方向上的旋转。需要注意的是，附图2中标出的坐标系并不是相对于地面，而是相对于手术器械，即手术器械与该坐标系之间始终保持静止。

优选的，第一转动副30的旋转轴线、第二转动副40的旋转轴线、第三转动副50的旋转轴线，三者交汇于一点，如附图2所示，交汇点为控制点60，控制点60对应主手摇杆所控制的对应手术器械的远端不动点70，这样，能实现手术器械状态的精准控制，且操作者对操作部分执行的动作，能完全传递给手术器械，例如操作者希望远端不动点70做Z方向上的旋转，此时只要旋转第四组件，让第三转动副50旋转即可；操作者希望手术器械绕远端不动点70做X方向上的旋转，只需掰动第四组件，让第一转动副30旋转即可；操作者希望手术器械绕远端不动点70做Y方向上的旋转，只需掰动第四组件，让第二转动副40旋转即可。这一整个操作过程，都是简单、直观的，并不需要进行任何多余的关于如何操作手柄的思考，实现主手摇杆的“拟物态”，握持主手摇杆相当于握持住了手术器械，实现手术的操作方便。

优选的，在本发明中，第一组件包括第一支架90，第二组件包括第一转动件31以及固定在第一转动件31上的第二支架92，第三组件包括第二转动件43、第三支架组件94、安装件95，其中，第二转动件43上安装有第三支架组件94，第三支架组件94上安装有安装件95；第四组件包括控制组件96。其中，第一支架90与第一转动件31转动配合连接；第二支架92与第二转动件43转动配合连接；安装件95与控制组件96转动配合连接。

更为具体的，第一转动副30还包括第一角度传感器32，第一角度传感器32一端安装在第一支架90上，另一端安装在第一转动件31上，这样就能统计第一转动副30位置旋转的角度；第二转动副40还包括第二角度传感器44，第二角度传感器44一端安装在第二支架92上，另一端安装在第二转动件43上，这样就能统计第二转动副40位置旋转的角度；第三转动副50还包括第三角度传感器51，第三角度传感器51一端安装在安装件95上，另一端安装在控制组件96上，这样就能统计第三转动副50位置旋转的角度。

手术器械除了三个转向的自由度以外，还需一个沿器械方向的前进/后退的自由度，优选的，主手摇杆能实现该方向上的自由度。具体的，第二转动件43与第三支架组件94滑动配合连接，通过控制第二转动件43与第三支架组件94的相对滑动，来控制手术器械的前进/后退。更为具体的，第二转动件43安装有滑轨45，第二转动件43通过滑轨45安装有框架46，框架内安装有齿条47，主手摇杆还包括第四角度传感器81，第四角度传感器81一端上安装有齿轮82，齿轮82与齿条47啮合，第四角度传感器81另一端直接或间接安装在第二转动件43上，即第四角度传感器81与第二转动件43始终能保持相对静止，这样，当第二转动副40在相对于地面发生旋转时，齿条47、第四角度传感器81以及齿轮82也会相对于地面进行同步旋转，但是其内部，第四角度传感器81自身不发生旋转，不会产生角度偏转。而操作者握住控制组件96进行上下移动时，此时齿轮82与齿条47会发生相对运动，此时第四角度传感器81记录角度偏转，进而控制对应的手术器械做对应的上下移动。

上述主手摇杆上安装第四角度传感器81位置形成第四转动副80，优选的，第四转动副80一端安装在第二转动件43上，另一端安装在齿轮82上，这样就能统计第四转动副80位置旋转的角度。

优选的，第二转动件43呈U形，其U形底部位置用于安装滑轨45，第二转动件43的U形顶部位置提供两个安装部位：分别为第一安装部位48和第二安装部位49，第一安装部位48和第二安装部位49能分别用于安装第二角度传感器44和第四角度传感器81。进一步地，第二角度传感器44的旋转轴线与第四角度传感器81的旋转轴线重合，即第一转动副30的旋转轴线、第二转动副40的旋转轴线、第三转动副50、第四转动副80的旋转轴线，四者交汇于一点。

优选的，控制组件96上设有功能按钮。功能按钮包括第一按钮97，第一按钮97能用于控制手术器械前进指定的距离，例如10微米；功能按钮包括第二按钮98，第二按钮98能用于控制手术器械后退指定的距离，例如10微米；功能按钮包括第三按钮99，第三按钮99能用于控制手术器械注射液体。功能按钮能帮助操作者进行手术。需要注意的是，这里的前进/后退，指的是，沿着手术器械Z轴方向。

为了避各个转动副的灵敏度过高，优选的，还包括阻尼结构，阻尼结构包括固定件、固定杆、弹性部件、摩擦件，固定件通过固定杆与摩擦件组装在一起，弹性部件套设于固定杆的外部，弹性部件位于固定件与摩擦件之间，摩擦件与固定件之间能够相对移动，当摩擦件与固定件相对移动时，弹性部件能存储或释放弹性势能；其中，摩擦件包括至少一个摩擦面，摩擦面呈弧形，摩擦面被构造为能与主手摇杆内的转动副进行接触，从而解决主手摇杆灵敏度过高的问题，从机械结构上消除人手正常颤抖对手术的影响。

优选的，固定件上设有固定孔，固定孔用于固定件在主手摇杆上的固定。

优选的，固定件上设有凸起，凸起用于确定固定件在主手摇杆上的固定方向。

优选的，固定杆与固定件固定连接，或者，固定杆与摩擦件固定连接。

优选的，当固定杆与固定件固定连接时，摩擦件上设有插孔，固定杆能插入到插孔内；当固定杆与摩擦件固定连接时，固定件上设有插孔，固定杆能插入到插孔内。

优选的，第一支架90与第一转动件31转动配合连接，其旋转轴是水平的，有助于主手摇杆的操控。

以下提供两个设置在主手摇杆上的阻尼结构的具体实施例。

实施例1，参照附图7~附图9。

本实施例提供一种阻尼结构，主要是针对第一转动副30位置，包括第一固定件10、第一固定杆11、第一弹性部件12、第一摩擦件13，第一固定件10通过第一固定杆11与第一摩擦件13组装在一起，第一弹性部件12套设于第一固定杆11的外部，第一弹性部件12位于第一固定件10与第一摩擦件13之间，第一摩擦件13与第一固定件10之间能够相对移动，当第一摩擦件13与第一固定件10相对移动时，第一弹性部件12能存储弹性势能；其中，第一摩擦件13包括一个第一摩擦面14，第一摩擦面14呈弧形，第一摩擦面14被构造为能与主手摇杆内的转动副进行接触，在本实施例中，第一固定件10通过两根第一固定杆11与第一摩擦件13组装在一起，同时，与该阻尼结构接触的是第一转动副30，能避免第一转动副30灵敏度过高。

优选的，第一固定件10上设有第一固定孔15，第一固定孔15用于第一固定件10在主手摇杆上的固定。在本实施例中，第一固定件10被固定在主手摇杆的第一支架90上。

优选的，第一固定件10上设有第一凸起16，第一凸起16用于确定第一固定件10在主手摇杆上的固定方向。在本实施例中，第一支架90上设有第一条形孔91，第一凸起16能嵌入到第一条形孔91中。

优选的，第一支架90上设有三个第一条形孔91，第一凸起15嵌入到其中一个第一条形孔91中，剩余两个第一条形孔91能通过安装螺栓与第一固定孔15进行连接。需要注意的是，三个第一条形孔91形状可以是相同的，或是不同的。

优选的，第一凸起16 能在第一条形孔91内滑动，从而调节阻尼结构的阻尼力。具体的，在本实施例中，第一固定杆11与第一固定件10固定连接，第一摩擦件13上设有第一插孔17，第一固定杆11能插入到第一插孔17内，当第一摩擦件13向第一固定件10一侧移动时，此时第一固定杆11继续深入第一插孔17内，同时第一弹性部件12的弹性势能变大，实现阻尼力的增大。

优选的，第一转动副30包括第一转动件31，第一转动件31提供一个可与第一摩擦面14接触的面，在本实施例中，第一转动件31的外轮廓与第一摩擦面14接触，第一转动件31的外轮廓呈圆形。针对第一转动副30的阻尼，只需要配备一个本实施例的阻尼结构即可。

实施例2，参照附图1~附图2、附图5~附图6。

本实施例提供一种阻尼结构，主要是针对第二转动副40位置和/或第四转动副80位置，包括第二固定件20、第二固定杆21、第二弹性部件22、第二摩擦件23，第二固定件20通过第二固定杆21与第二摩擦件23组装在一起，第二弹性部件22套设于第二固定杆21的外部，第二弹性部件22位于第二固定件20与第二摩擦件23之间，第二摩擦件23与第二固定件20之间能够相对移动，当第二摩擦件23与第二固定件20相对移动时，第二弹性部件22能存储弹性势能；其中，第二摩擦件23包括一个第二摩擦面24，第二摩擦面24呈弧形，第二摩擦面24被构造为能与主手摇杆内的转动副进行接触，在本实施例中，第二固定件20通过一根第二固定杆21与第二摩擦件23组装在一起，阻尼结构设有两组，其中一组阻尼结构接触第二转动副40，另一组阻尼结构接触第四转动副80。能避免第二转动副40、第四转动副80灵敏度过高。

优选的，第二固定件20上设有第二固定孔25，第二固定孔25用于第二固定件20在主手摇杆上的固定。在本实施例中，第二固定件20被固定在主手摇杆的第二支架92上。

优选的，第二固定件20上设有第二凸起26，第二凸起26用于确定第二固定件20在主手摇杆上的固定方向。在本实施例中，第二支架92上设有第二条形孔93，第二凸起26能嵌入到第二条形孔93中。

优选的，第二支架92上设有三个第二条形孔93，第一凸起15嵌入到其中一个第二条形孔93中，剩余两个第二条形孔93能通过安装螺栓与第二固定孔25进行连接。需要注意的是，三个第二条形孔93形状可以是相同的，或是不同的。

优选的，第二凸起26 能在第二条形孔93内滑动，从而调节阻尼结构的阻尼力。具体的，在本实施例中，第二固定杆21与第二固定件20固定连接，第二摩擦件23上设有第二插孔，第二固定杆21能插入到第二插孔内，当第二摩擦件23向第二固定件20一侧移动时，此时第二固定杆21继续深入第二插孔内，同时第二弹性部件22的弹性势能变大，实现阻尼力的增大。

优选的，第二摩擦件23上设有第三凸起27，第三凸起27能在第二条形孔93内滑动。

优选的，第二转动件43的第一安装部位48和第二安装部位49，提供两个可与第二摩擦面24接触的面：分别为第一接触面41、第二接触面42，第一接触面41、第二接触面42的外轮廓呈圆形，第一接触面41、第二接触面42位置分别安装有一组阻尼结构。

以下提供一种控制组件96的替代实施例。

实施例3，参照附图11~附图15。

本实施例提供一种控制组件96，区别于实施例1中的控制组件，本实施例中的控制组件96包括壳体69以及设于壳体69上的操作部件，操作部件包括活动件68以及按钮，壳体69上安装活动件68的一侧为第一侧面67，壳体69上安装按钮的一侧为第二侧面66，第一侧面67所在平面与第二侧面66所在平面不重合，在本实施例中，第一侧面67与第二侧面66夹角在70°~110°之间，优选第一侧面67与第二侧面66垂直，这样的设计方便操作者握持控制组件96时对控制组件96的操作，参照附图15，操作者的四指弯曲能进行活动件68的控制，实际在操作过程中，视操作者舒适度而定，可能是1~3根手指对活动件68进行按压，其他手指不进行按压，操作者的大拇指弯曲能进行按钮的控制，活动件68、按钮被构造为功能不同的操作部件。

优选的，控制组件96为可旋转的，其具有中心轴线19，壳体69上设有第三侧面65，第三侧面65与第二侧面66位于壳体69的同一侧，即第三侧面65与第二侧面66平行，但第三侧面65所在平面与第二侧面66所在平面不重合，第二侧面66相对于第三侧面65更接近中心轴线19，这样的设计也是为了使控制组件96更容易被握持。进一步地，第二侧面66与第三侧面65之间设有过渡部分64，第二侧面66位于第三侧面65的下侧位置。

需要注意的是，由于壳体69上的表面并不一定是平整的，因此上述第一侧面67、第二侧面66、第三侧面65并不一定为壳体69上现实存在的侧面，在一些实施例中，它们代表与壳体69上某一点相切的平面，本发明中的第一侧面67、第二侧面66、第三侧面65主要是为了区分壳体69上不同朝向的位置而定义的，并不特指壳体69上某一位置为平面。

优选的，按钮至少包括一个，该按钮被构造为用于控制手术器械进行前进/后退。在本实施例中，按钮包括第一按钮63和第二按钮62，第一按钮63和第二按钮62分别被构造为控制手术器械进行后退和前进，该前进/后退的距离是固定的，例如10μm。

优选的，操作部件还包括模式切换开关18，模式切换开关18被构造为正逆动力学的切换，模式切换开关18可以选用自复按钮或者拨动开关等。进一步地，模式切换开关18位于与按钮一样也位于第二侧面66上。

优选的，活动件68为可转动的。活动件68被构造为用于控制手术器械完成特定操作，例如手术器械为镊子时，控制手术镊子进行夹持/松开操作；例如手术器械为注射器时，控制注射器进行注射液体。

优选的，壳体69内设有固定座59，活动件68包括转动部58、杆部57、按压部56，转动部58通过杆部57与按压部56连接，转动部58与固定座59转动配合连接，转动部58上设有第一弧形面55，壳体69内还设有凸起部位54，凸起部位54上设有第二弧形面53，第一弧形面55与第二弧形面53相对布置。

优选的，转动部58内设有镂空区域39，镂空区域39内能安装弹性部件38，弹性部件38具有两个安装部位：第一安装部件37和第二安装部位36，第一安装部位37抵靠在镂空区域39内，第二安装部位36抵靠在凸起部位54上，通过按压活动件68，能带动转动部58与固定座59相对转动，此时弹性部件38的第一安装部件37和第二安装部位36相对运动，使得弹性部件38存储弹性势能，当操作者松开活动件68后，弹性部件38会带动活动件68运动并恢复初始状态。

优选的，转动部58与固定座59之间设有角度传感器52，用于传递操作者按压活动件68的信息。

优选的，壳体69上设有开口34，活动件68的按压部56能穿过开口34，暴露于壳体69外部。

优选的，壳体69内相对开口34的一侧设有限位柱29，限位柱29能与活动件68抵接，用于限制活动件68的运动的范围。

在一些其他实施例中，镂空区域39不安装弹性部件38，活动件68上设有插孔28，限位柱29与插孔28之间设有弹性部件（图中未示出），同样也能实现：通过按压活动件68，带动转动部58与固定座59相对转动，使得弹性部件存储弹性势能，当操作者松开活动件68后，弹性部件会带动活动件68运动并恢复初始状态。

优选的，活动件68位于按压部56一侧设有限位凸起35，限位凸起35能与壳体69内部抵接，用于限制活动件68的运动的范围。

实施例4，参照附图16~附图21。

现有技术中的角度传感器存在一些问题，使得它们应用在本发明的主手摇杆上无法达到最佳效果。具体为：

1.由于测量精度原因，该传感器的输出电压会有±0.025V以内的误差波动（如图16）。

2. 0.025V对应的角度值为1.8°，在普通的机器人手术操作应用场景下该精度可以满足需求，但是在显微手术操作场景中，为了实现机器人关节位置角度的精细操作，对角度传感器的精度要求需要小于现有传感器的测量精度值。传感器的角度测量值可以看作是被测角度的真实值与噪声信号的叠加。因此，本系统采用基于卡尔曼滤波的算法来获得角度真实值的估计。

3.在主手关节的操作过程当中，角度传感器的转动可能会经过传感器的零点（即是0°与360°交界处），这样会导致角度传感器的输出电压值发生0V~5V或5V~0V的跳变。由于角度传感器输出0~5V对应0°~360°，当运动经过零点后，电压测量值不能够反映出真实的被测角度。

并且，主手关节运动经过零点时，电压跳变会经历电压的回升和回落。图17展示了5ms采样频率下，角度传感器在零点时，对应的测量电压从5V回落到0V的过程。而在理想状况下，测量电压应当由0V瞬间跳变为5V，或者由5V瞬间跳变为0V。在实际测量中，角度传感器在零点时需要经历约20ms的电压回升或电压回落。在这个过程中，传感器的测量值并不是角度真实值与高斯白噪声的叠加。传统卡尔曼滤波算法只能滤除高斯白噪声，因此如若采用传统卡尔曼滤波算法，并不能够准确的估计出传感器角度真实值估计。角度传感器在非零点测量时，传感器的测量值是角度真实值与高斯白噪声的叠加，因此可以通过传统卡尔曼滤波算法来准确估计角度真实值。

本实施例还提供一种霍尔元器件角度传感器以及配套的基于卡尔曼滤波的角度测量方法，应用于主手摇杆上进行机器人主手关节角度测量与控制，以达到主手摇杆最佳使用效果。角度测量方法主要包括对关节角度传感器的零点监测，并提出在零点与非零点情况下的角度传感器真实值估计算法。

该传感器工作电压为DC 5V±10%；角度的测量量程为0~360°；对应输出信号为0~5V；测量分辨率12bit；精度±0.5%；

传统的卡尔曼滤波是一种递推计算的最优状态估计算法，可以由掺杂了高斯噪声信号的、离散的观测数据来获得角度的无偏估计值。但是传统的卡尔曼滤波算法不能够满足背景技术中提到的全部要求，包括无法判断角度传感器越过零点，以及无法应对在越过零点、电压跳变后电压回升/回落的情形。传感器在处于零点时，此时角度测量值并不是角度真实值与高斯白噪声的叠加，不属于卡尔曼滤波算法所应处理的信号，所以不能将这个值作为卡尔曼滤波器的输入值来进行更新。在本发明中我们提出了一种应用于眼科手术机器人主手控制的改进型卡尔曼滤波算法来应对背景技术中提到的零点检测、电压跳变时的回升和回落。

相对传统卡尔曼滤波算发，此算法可以满足本发明中的以下几个要求：

1.检查并判断传感器是否处于零点位置；

2.在传感器处于非零点位置，可以从掺杂了高斯白噪声信号的角度测量值中估计角度信息的真实值；

3.在传感器处于非零点位置，可以从掺杂了非高斯白噪声信号的角度测量值中估计角度信息的真实值。

本实施例提供的算法的内容如下：

首先利用状态转移方程对传感器的检测值和噪声的协方差进行预测，然后计算卡 尔曼增益，随后在时间点t与t-1时刻电压观测值之差以及跳变计数器的数值判断当前传感 器是否正在处于零点位置，如果角度传感器没有处于零点位置，则根据这一组时刻的先验 估计值结合传感器实际提供的检测值进行状态更新，随后对系统过程噪声的协方差进行更 新，将估计值进行输出并暂存此时刻。如果这个点处于零点位置（电压回升/回落）状态，即 跳变计数器不为零同时t-1时刻传感器值之差大于阈值

，则应以估计值进行输出 并跳过更新阶段，暂存此时刻电压值并且对跳变计数器进行赋值更新。图21是本发明的方 法流程示意图。

进一步地，包括以下步骤：

步骤一：建立目标状态方程和测量方程模型

其中，状态方程式根据上一时刻的状态来推测此刻的状态，

是预测过程中的 噪声，

是符合高斯分布的白噪声；测量方程中的

是符合高斯分布的白噪声，称为测 量噪声。

步骤二：采集获取当前时刻t的角度传感器的电压读数

；

步骤三：判断跳变计数器的值是否为零，如果为零，继续执行步骤三；如果不为零，则将跳变计数器的值减一，执行步骤五，步骤六后执行步骤八；

步骤四：利用滑窗法判断电压是否发生了跳变。滑窗法判断跳变的思路如下，在10ms周期的操作循环中，对每个轴都始终保存一个长度为5的滑窗。如图18所示；对于时间t，由于发生跳变的时间段在20-30毫秒，为了保证一定能检测出跳变，需要一直对长度为5，持续时间40ms的时间间隔内进行检测。长度为5的滑窗是指以5次采样为一个跳变检测单元进行判断，具体而言：在t时刻，长度为5的滑窗内暂存了t，t-1，t-2,t-3,t-4五个时刻的电压值并进行判断；因此，可知长度为5的滑窗为(5-1)*10ms=40ms的持续时间。在t时刻，计算：

并且判断

其中

设置为4.5V，如果有任何一个判断条件成立，则认为已经发生了跳 变，将滑窗内的点作为异常点，对于这些异常点，跳过它们在卡尔曼滤波过程中的更新阶 段，在进行预测阶段的计算（步骤五，六）后跳过步骤七，将预测的结果作为控制量。以图20 （上）中的点划线为例：时刻36电压0.0297V，时刻37电压3.2925V，时刻38电压4.9431V；即：

；

。满足

。判断 为电压发生跳变。

步骤五：计算t时刻传感器的状态估计值

其中：

是t时刻的先验状态估计值，这个值是通过t-1时刻的状态估计值结合来预测。

A是状态转移矩阵，表示目标状态转换的模型。

H是状态变量到测量的转换矩阵。

步骤六：计算t时刻协方差估值

其中：

表示t时刻的先验协方差估计值；

表示t-1时刻的后验协方差估计值Q 表示协方差（系统过程的协方差）。该参数被用来表示状态转换矩阵与实际过程之间的误 差。是预测模型本身带来的噪声。

步骤七：计算高斯增益，更新t时刻状态估计值和协方差估值

其中：

表示t时刻的状态估计值，是经过卡尔曼更新阶段后得到的结果。

表示卡尔曼增益，

表示的是实际观测和预测观测的残差。

传感器噪声的协方差。

步骤八：将此时刻未经过处理的传感器读数暂存用于与t+1时刻电压值进行比较。具体而言，传感器读数暂存就是将t时刻电压值暂存至长度为5的滑窗内的最后一位用于后续循环时步骤四的判断。并返回至步骤二。

图19、图20展示的是经过本算法优化处理后的数据，图19是静止状态下电压的输出值，黑色线为滤波前数据，白色线为滤波后数据，经过滤波处理后，数据的方差由1.101994下降到了0.449452，说明本算法对高斯噪声有较好的滤除功能。图20展示了运动状态中电压经历了5V-0V的压降，以及图20中经历了0V-5V的压升过程，在使用算法中的判断逻辑后，仍可以较好地跟踪传感器数据并进行滤波输出。

以上，仅为发明的具体实施方式，但发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在发明的保护范围之内，因此，发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种眼科手术中的主手摇杆，其特征在于，包括第一转动副、第二转动副、第三转动副，其中，第一转动副包括第一组件和第二组件，第一组件和第二组件能相对旋转，第二转动副包括第二组件和第三组件，第二组件和第三组件能相对旋转，第三转动副包括第三组件和第四组件，第三组件和第四组件能相对旋转；

其中，第一转动副的旋转轴线、第二转动副的旋转轴线两者相互垂直，第二转动副的旋转轴线、第三转动副的旋转轴线两者相互垂直；第一转动副的旋转轴线、第二转动副的旋转轴线、第三转动副的旋转轴线，三者交汇于一点，交汇点为控制点，控制点被构造为对应主手摇杆所控制的对应手术器械的远端不动点；

第一组件包括第一支架；

第二组件包括第一转动件以及固定在第一转动件上的第二支架；

第三组件包括第二转动件、第三支架组件、安装件，其中，第二转动件上安装有第三支架组件，第三支架组件上安装有安装件；

第四组件包括控制组件；

其中，第一支架与第一转动件转动配合连接；第二支架与第二转动件转动配合连接；安装件与控制组件转动配合连接；

第一转动副还包括第一角度传感器，第一角度传感器一端安装在第一支架上，另一端安装在第一转动件上；

第二转动副还包括第二角度传感器，第二角度传感器一端安装在第二支架上，另一端安装在第二转动件上；

第三转动副还包括第三角度传感器，第三角度传感器一端安装在安装件上，另一端安装在控制组件上。

2.根据权利要求1所述的主手摇杆，其特征在于，第二转动件与第三支架组件滑动配合连接；第二转动件安装有滑轨，第二转动件通过滑轨安装有框架，框架内安装有齿条，主手摇杆还包括第四角度传感器，第四角度传感器一端上安装有齿轮，齿轮与齿条啮合，第四角度传感器另一端直接或间接安装在第二转动件上；

主手摇杆上安装第四角度传感器位置形成第四转动副，第四转动副一端安装在第二转动件上，另一端安装在齿轮上。

3.根据权利要求2所述的主手摇杆，其特征在于，第二转动件呈U形，其U形底部位置用于安装滑轨，第二转动件的U形顶部位置提供两个安装部位：分别为第一安装部位和第二安装部位，第一安装部位和第二安装部位能分别用于安装第二角度传感器和第四角度传感器。

4.根据权利要求2或3所述的主手摇杆，其特征在于，第二角度传感器的旋转轴线与第四角度传感器的旋转轴线重合，第一转动副的旋转轴线、第二转动副的旋转轴线、第三转动副的旋转轴线、第四转动副的旋转轴线，四者交汇于一点。

5.根据权利要求1所述的主手摇杆，其特征在于，控制组件上设有功能按钮，功能按钮包括第一按钮，和/或第二按钮，和/或第三按钮；

第一按钮能用于控制手术器械前进指定的距离；第二按钮能用于控制手术器械后退指定的距离；第三按钮能用于控制手术器械注射液体。

6.根据权利要求1所述的主手摇杆，其特征在于，还包括阻尼结构，阻尼结构包括固定件、固定杆、弹性部件、摩擦件，固定件通过固定杆与摩擦件组装在一起，弹性部件套设于固定杆的外部，弹性部件位于固定件与摩擦件之间，摩擦件与固定件之间能够进行相对移动，当摩擦件与固定件发生相对移动时，弹性部件能存储或释放弹性势能；其中，摩擦件包括至少一个摩擦面，摩擦面呈弧形，摩擦面被构造为能与主手摇杆内的转动副进行接触。

7.根据权利要求6所述的主手摇杆，其特征在于，固定件上设有固定孔，固定孔用于固定件在主手摇杆上的固定；

固定件上设有凸起，凸起用于确定固定件在主手摇杆上的固定方向；

固定杆与固定件固定连接，或者，固定杆与摩擦件固定连接；

当固定杆与固定件固定连接时，摩擦件上设有插孔，固定杆能插入到插孔内；当固定杆与摩擦件固定连接时，固定件上设有插孔，固定杆能插入到插孔内。

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