CN116392249A - 一种船舶医用手术平台及其自平衡控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种船舶医用手术平台及其自平衡控制方法，所述船舶医用手术平台包括手术台和稳定平台；稳定平台包括并联机构、下曳踏板、惯导单元、编码器和控制单元；并联机构包括上平台、下平台和执行机构；手术台和下曳踏板分别与上平台固定连接，下平台固定安装在船体的甲板上，执行机构可驱动上平台运动；惯导单元安装于下平台，用于获取下平台的振动信息；编码器安装于执行机构上，用于检测执行机构的运动信息；控制单元，基于下平台的振动信息、执行机构的运动信息主动控制执行机构动作，以使上平台在船舶行驶过程中保持平稳。本发明可实现全方位高效率的减振，克服海浪冲击的影响实现海上手术。

Description

一种船舶医用手术平台及其自平衡控制方法

技术领域

本发明涉及船舶医用设备领域，尤指一种船舶医用手术平台及其自平衡控制方法。

背景技术

在波涛汹涌的海面上，军舰、医用舰、运输船等各类船只会受到海水不同方向的连续冲击，造成船舶低频大幅的持续摇晃，在驱逐舰、护卫舰等相对较小的军舰上，船舶的横摇、纵摇、艏摇、横荡、纵荡、垂荡会更加明显。这些摇晃严重影响了在船/舰上实施手术的精确性,很可能进一步加重伤病员的伤情。

传统的船舶减摇装置，如减摇水舱、减摇舵、减摇陀螺、减摇鳍、减摇重块等，体积大、重量大、功耗大、成本高，主要用于船舶部分维度的减摇(如横摇或纵摇)，无法同时实现全部6个维度的减摇，且船舶经减摇装置处理后依然有较大的摇摆，无法完全解决摇晃的问题。

根据文献[1],传统舰载手术台基本还是沿袭固定式陆上用的综合手术台，针对海浪带来的颠簸，仅仅是通过手术台安装固定器来减轻振动对各类医用器械的影响，同时要求医护人员以“低位、坐姿、三固定和同步运动”来进行手术，以缓解由舰艇摇摆所带来的站立不稳，减少手术失误。但这些措施仅能满足实施外科手术的最低安全需求，面对较为恶劣的浪面环境，目前无法正常开展外科手术。

[1]王洵,沈俊良,夏志方等.船用综合手术台的研制[J].海军医学杂志,2005,6(26):139-141.

发明内容

本发明针对现有技术的至少部分不足，提供了一种船舶医用手术平台及其自平衡控制方法。

本发明提供的技术方案如下：

一种船舶医用手术平台，包括手术台和位于所述手术台下方的稳定平台；

所述稳定平台包括并联机构、下曳踏板、惯导单元、编码器和控制单元；

所述并联机构包括上平台、下平台和连接于所述上平台和所述下平台之间的执行机构；所述上平台与所述手术台固定连接，所述下平台固定安装在船体的甲板上，所述执行机构可驱动所述上平台；所述执行机构包括多条独立的运动链，每条运动链采用伺服缸进行伸缩运动；

所述下曳踏板与所述上平台固定连接；

所述惯导单元固定安装于所述下平台，用于获取下平台的振动信息；

所述编码器，安装于所述执行机构上，用于检测所述执行机构的运动信息；

所述控制单元，与所述编码器和所述惯导单元电性连接，基于所述下平台的振动信息、所述执行机构的运动信息、所述上平台和所述下平台之间的运动学关系主动控制所述执行机构动作，以使所述上平台在船舶行驶过程中保持平稳。

在一些实施例中，所述手术台包括手术台面；

所述手术台面分成四部分，其中第一部分和第二部分通过枕部转轴连接，第二部分和第三部分通过腰部转轴连接，第三部分和第四部分通过腿部转轴连接。

在一些实施例中，所述手术台还包括升降机构，所述升降机构位于所述手术台面下方，并嵌入到所述上平台。

在一些实施例中，所述并联机构采用6自由度的stewart构型。

在一些实施例中，在所述伺服缸的行程末端分别安装限位开关。

在一些实施例中，在所述伺服缸的外侧嵌套变刚度弹簧，和/或，在所述伺服缸的行程末端增加防撞弹簧或防撞垫。

在一些实施例中，所述运动链包括伺服液压缸和液压锁紧回路，所述液压锁紧回路与所述伺服液压缸的进出油口相连，所述液压锁紧回路采用溢流阀、三位四通换向阀和两个液控单向阀实现所述伺服液压缸的自锁紧。

在一些实施例中，在所述并联机构的周围安装若干安全柱，所述安全柱位于并联机器人任务空间的边界点，所述安全柱的内部为刚性柱体，外侧包裹弹性材料；将每个安全柱和所述并联机构的上平台之间通过一条被动支链进行连接，所述被动支链具有6个以上自由度，采用UPS或SPS构型。

本发明还提供一种自平衡控制方法，应用于前述的船舶医用手术平台，包括：获取所述船舶医用手术平台的下平台在当前时刻的位姿信息；获取所述船舶医用手术平台的上平台在当前时刻相对下平台的相对运动信息；根据所述下平台在当前时刻的位姿信息和所述上平台在当前时刻的相对运动信息确定所述上平台需要校正的相对运动信息；根据所述上平台需要校正的相对运动信息确定执行机构的期望运动信息；根据所述期望运动信息控制所述执行机构驱动所述上平台运动。

在一些实施例中，所述的根据所述下平台在当前时刻的位姿信息和所述上平台在当前时刻的相对运动信息确定所述上平台需要校正的相对运动信息，包括：

根据所述下平台在当前时刻的位姿信息和所述上平台在当前时刻的相对运动信息确定所述上平台相对所述下平台的相对运动的控制率；

根据所述上平台相对所述下平台的相对运动的控制率，经数值积分，得到所述上平台需要校正的相对运动信息。

与现有技术相比，本发明所提供的一种船舶医用手术平台及其自平衡控制方法具有以下至少一条有益效果：

1、本发明的船舶医用手术平台的底部为多维并联机器人稳定平台，可从多个维度主动消减海浪冲击的影响，提高了船舶行驶过程中手术台的平稳性；通过引入与上平台固定连接的下曳踏板承载医护人员，避免了医护人员与伤病员之间的相互运动；使医护人员能以陆地医院的感受进行手术，提高海上手术的成功率和效率。

2、本发明的船舶医用手术平台为多自由度串并混联机器人，由两部分组成：底部为多维并联机器人稳定平台，顶部为多轴串联手术台，可以根据手术需求调整伤病员姿态。

3、本发明的船舶医用手术平台采用集成式设计，通过嵌入式设计和可收缩结构降低了手术平台的高度和减少了体积。

4、本发明通过增加硬件安全性措施、结构安全性措施以及软件性安全措施，提高了船舶医用手术平台的安全性。

附图说明

下面将以明确易懂的方式，结合附图说明优选实施方式，对一种船舶医用手术平台及其自平衡控制方法的上述特性、技术特征、优点及其实现方式予以进一步说明。

图1是本发明的船舶医用手术平台的一个实施例的结构示意图；

图2是本发明的船舶医用手术平台的自平衡控制方法的一个实施例的流程图；

图3是通用并联机器人示意图；

图4和图5分别是本发明的船舶医用手术平台的另一个实施例的外观示意图和结构示意图；

图6和图7分别是本发明的船舶医用手术平台的自平衡控制方法的另一个实施例的工作流程图和控制流程图；

图8是本发明的船舶医用手术平台在横荡、纵荡、垂荡方向的减振效果图；

图9是本发明的船舶医用手术平台在横摇、纵摇、艏摇方向的减振效果图；

图10是在伺服电缸或液压缸中嵌套变刚度弹簧的结构示意图；

图11是在伺服电缸或液压缸的行程末端增加防撞弹簧或防撞垫的结构示意图；

图12是对伺服液压缸增加液压锁紧回路的结构示意图；

图13是在并联机构的任务空间中增加保护机构的结构示意图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。

为使图面简洁，各图中只示意性地表示出了与本发明相关的部分，它们并不代表其作为产品的实际结构。另外，以使图面简洁便于理解，在有些图中具有相同结构或功能的部件，仅示意性地绘制了其中的一个，或仅标出了其中的一个。在本文中，“一个”不仅表示“仅此一个”，也可以表示“多于一个”的情形。

本发明的一个实施例，如图1所示，一种船舶医用手术平台，包括手术台10和位于手术台下方的稳定平台20。

手术台10包括手术台面11。稳定平台20包括并联机构、下曳踏板21、惯导单元22、编码器和控制单元(未示出)。

并联机构，又称为并联机器人，定义为动平台和定平台通过至少两个独立的运动链相连接，机构具有两个或两个以上自由度，且以并联方式驱动的一种闭环机构。

并联机构包括上平台211(即动平台)、下平台213(即定平台)和连接于上平台和下平台之间的执行机构212。上平台211与手术台10固定连接，下平台213固定安装在船体的甲板上，执行机构212可驱动上平台211相对下平台213运动。执行机构包括多条独立的运动链，每条运动链可采用伺服缸进行伸缩运动。伺服缸包括伺服电缸或伺服液压缸。

每条运动链上安装一编码器。编码器可测量所在运动链的伸缩运动位移，根据伸缩运动位移可进一步得到伸缩运动速度。如此，通过编码器可获得执行机构的运动信息。根据减振维度的需求，并联机构可采用多种不同的构型。如果期望同时减少横摇、纵摇、艏摇、横荡、纵荡和垂荡的影响，则应该采用6自由度及以上的并联机器人。优选stewart构型以实现6个维度的全方位减振。

下曳踏板21与上平台211固定连接。下曳踏板用于承载医护人员，手术台承载伤病员，通过手术台和下曳踏板分别与上平台固定连接，避免了病员和医护人员之间的相互运动。

惯导单元22固定安装于下平台213，用于获取下平台的振动信息。惯导单元包括三轴加速度计、三轴陀螺仪以及三轴磁力计，能够检测惯导单元的安装载体的振动信息，振动信息包括随体系三轴加速度和随体系三轴角速度，经过进一步的计算处理(比如积分)能够获得安装载体的实时的位置、速度、角度信息。在一些实施例中，惯导单元还包括GPS，用于获取GPS位置信息，以增强感知精度。

控制单元，与编码器和惯导单元电性连接，基于下平台的振动信息、执行机构的运动信息、上平台和下平台之间的运动学关系主动控制执行机构动作，以使上平台在船舶行驶过程中保持平稳。

本实施例，通过底部采用并联机器人结构实现多自由度的平衡功能，减少船舶行驶过程中上平台的晃动，提高了固定在上平台上方的手术台的平稳性；通过设置与上平台固定连接的下曳踏板保证医护人员与伤病员之间无相对运动；通过采用stewart构型的并联机构实现了6个维度的全方位减振。本实施例提供的船舶医用手术平台可以主动抵消海浪冲击的影响，使医护人员以陆地医院的感受进行手术，提高海上手术的成功率和效率，使舰船具备复杂精细手术的能力。

在一个实施例中，手术台面分成四部分，其中第一部分和第二部分通过枕部转轴连接，第二部分和第三部分通过腰部转轴连接，第三部分和第四部分通过腿部转轴连接。这样可以实现手术床的姿态动态调节功能。

在前述基础上，有的实施例还在手术台面下方设有升降机构，升降机构嵌入到上平台，通过升降机构可调节手术床的高度。通过嵌入式设计和可收缩结构大幅缩减了手术平台的体积。

考虑到手术平台的高安全性要求，需要采取相应的安全性保护措施，来避免平台因故障导致超出正常工作区间甚至出现下塌等安全性问题。为此，对上述船舶医用手术平台增加了硬件安全性措施和/或结构安全性措施。

硬件安全性措施包括：在伺服缸的两侧行程末端分别安装限位开关，当系统检测到限位开关触发时，停止系统运行，避免伺服缸超出工作限位。

结构安全性措施可细分为关节空间安全性措施和任务空间安全性措施。

(1)关节空间安全性措施

包括：

A.在伺服缸中嵌套变刚度弹簧

如图10所示，在并联机器人的每条伺服电缸或伺服液压缸的外侧嵌套变刚度弹簧，该弹簧在平衡位置附近刚度较小，而当其被拉伸或压缩时，刚度会快速增加，因此当伺服电缸或伺服液压缸运行到最低点或最高点附近时，变刚度弹簧都会产生很大的回复作用力，大幅降低伺服电缸或伺服液压缸运行到正常工作区间外面的可能性。

B.在伺服缸的行程末端增加防撞弹簧或防撞垫

如图11所示，在并联机器人的每条伺服电缸或伺服液压缸的行程末端增加防撞弹簧或防撞垫，当伺服电缸或伺服液压缸运行到最低点或最高点时，防撞弹簧或防撞垫会产生很大的阻力，避免电缸或液压缸击穿行程。

C.伺服液压缸增加液压锁紧回路

如果并联机器人的执行机构为伺服液压缸，可以采用液压锁紧回路实现伺服液压缸的自锁紧。

如图12所示，液压锁紧回路与伺服液压缸的进出油口相连，液压锁紧回路包括溢流阀、三位四通换向阀和两个液控单向阀；液压动力源(液压泵)与溢流阀和三位四通换向阀相连；三位四通换向阀分别与两个液控单向阀相连；两个液控单向阀的控制油口分别于另一液控单向阀的进油端连接，即第一液控单向阀的控制端X1与第二液控单向阀的进油端A2连接，第二液控单向阀的控制端X2与第一液控单向阀的进油端A1连接。

只有进油端A1或A2有压力输出时，控制端X1或X2才会打开液控单向阀，形成工作回路；否则油缸端的B1和B2是被单向阀封堵住成封闭油路。该装置可以保证当系统出现突然断电或其他故障时，液压缸会停留在原位，不会因为其他外力移动，确保并联机器人组成的稳定平台不会发生坍塌现象。

(2)任务空间安全性措施

任务空间安全性措施主要在并联机器人的任务空间中增加保护机构，一种可行的方案如图13所示，在并联机器人平台的周围安装数个安全柱，安全柱固定安装在船体的甲板上，位于并联机器人任务空间的边界点，其作用是防止并联机器人超出任务空间的工作范围，发生侧倾等现象。

安全柱采用内刚外柔的材料，内部为刚性柱体，外侧包裹了海绵、橡胶等弹性材料，避免产生刚性碰撞。

为了产生更好的任务空间保护效果，将每个安全柱和并联机器人上平台之间通过一条被动支链进行连接，被动支链具有6个以上自由度，可以采用UPS或SPS构型，即被动支链本体为滑移副，其两侧的铰链分别为球铰-球铰或球铰-虎克铰(万向节)，同时在滑移副上嵌套防撞弹簧或防撞垫，当并联机器人上台面接近安全柱时，可以产生较大的阻力，避免其超出任务空间的正常工作范围。

根据实际需要，可以采用上述一种或多种安全性保护措施。

本发明的一个实施例，如图2所示，一种自平衡控制方法，应用于前述的船舶医用手术平台，包括：

步骤S100获取船舶医用手术平台的下平台在当前时刻的位姿信息；

步骤S200获取船舶医用手术平台的上平台在当前时刻相对下平台的相对运动信息；

步骤S300根据下平台在当前时刻的位姿信息和上平台在当前时刻的相对运动信息确定上平台需要校正的相对运动信息；

步骤S400根据上平台需要校正的相对运动信息确定执行机构的期望运动信息；

步骤S500根据期望运动信息控制执行机构驱动上平台运动。

在一个实施例中，步骤S100中获取下平台在当前时刻的位姿信息包括：

步骤S110通过惯导单元获取下平台在当前时刻的振动信息；

步骤S120通过滤波算法消除振动信息中偏差和噪声，得到下平台在当前时刻的位姿信息。

惯导单元可根据需要包括三轴加速度计、三轴陀螺仪以及三轴磁力计中的部分或全部，对应的振动信息包括三轴加速度和三轴角速度中的部分或全部。由于传感器本身的偏差和噪声，传感器输出的数据并不精确，如果直接积分会导致快速发散。通过滤波算法消除振动信息中的偏差和噪声，然后再进行积分，可以得到高精度的安装载体的位姿信息，包括横摇角、纵摇角、艏摇角、横荡位移、纵荡位移和垂荡位移等。滤波算法可采用互补滤波算法、卡尔曼滤波算法或扩展卡尔曼滤波算法。

在一个实施例中，步骤S200中获取上平台在当前时刻相对下平台的相对运动信息包括：

步骤S210通过编码器获取执行机构在当前时刻的运动信息；

步骤S220根据执行机构在当前时刻的运动信息，进行运动学正解，得到上平台在当前时刻相对下平台的相对运动信息。

具体的，上平台与下平台之间设有执行机构，执行机构采用机器人构型，上平台为机器人的末端。执行机构的运动信息包括位移和速度，具体包括每条运动链的位移和速度，采用设置于执行机构中的编码器或位置/速度感应器可获取对应运动链的位移和速度。

如图3所示，在下平台和上平台的中心位置，分别建立随体坐标系O_Ax_Ay_Az_A和随体坐标系O_Bx_By_Bz_B。上平台为机器人的任务空间或操作空间，其相对于下平台的6维运动为Δx,Δy,Δz,Δα,Δβ,Δγ，前三维为相对移动，后三维为相对转动。

假设连接上平台与下平台的执行机构的关节空间坐标为q₁,q₂,…,q_n，分别代表第1-n个运动链中对应关节的运动。根据几何学和机器人运动学知识，可以推导出此机器人的运动学正解为：

其中，q＝[q₁,q₂,...,q_n]^T，ΔX＝[Δx,Δy,Δz,Δα,Δβ,Δγ]^T。

ΔX、

分别为上平台相对下平台的相对运动信息中的相对位移和相对速度，q、

分别为执行机构的位移和速度，J为逆运动学的速度映射雅克比矩阵。

在一个实施例中，步骤S300包括：

步骤S310根据下平台在当前时刻的位姿信息和上平台在当前时刻的相对运动信息确定上平台相对下平台的相对运动的控制率。

步骤S320根据上平台相对下平台的相对运动的控制率，经数值积分，得到上平台需要校正的相对运动信息。

具体地，为了实现上平台的平稳，任务空间控制率的设计目标是使上平台在惯性空间的位姿信息尽可能小，等于或趋于0。可以采用PID、ADRC、最优控制、鲁棒控制、自适应控制等多种控制理论进行设计。

记下平台在当前时刻在惯性空间的位姿信息为：X_A＝[x_A,y_A,z_A,α_A,β_A,γ_A]^T，则上平台在当前时刻在惯性空间的位姿信息为：

X_B＝X_A+ΔX，X_B＝[x_B,y_B,z_B,α_B,β_B,γ_B]^T，ΔX为上平台相对下平台在当前时刻的相对位移。

作为一种优选方案，以PID控制为例，基于以下公式获取上平台相对下平台的相对运动的控制率

其中，K_P,K_D为相关参数，

为上平台相对下平台在当前时刻的相对速度，X_A为下平台在当前时刻的位姿信息，/>

分别为下平台在当前时刻的速度和加速度信息。

采用数值积分得到上平台需要校正的相对运动信息，相对运动信息包括相对位移和相对速度。

在一个实施例中，步骤S400包括：

步骤S410根据上平台需要校正的相对运动信息，进行运动学逆解，得到执行机构的期望位移和期望速度。

q_t＝f_INV(ΔX_t)

其中，采用公式

得到执行机构的期望位移和期望速度，ΔX_t、/>

分别为上平台需要校正的相对运动信息中的相对位移和相对速度，q_t、/>

分别为执行机构的期望位移和期望速度，J为逆运动学的速度映射雅克比矩阵。

再根据期望位移和期望速度生成执行机构的驱动指令，并由执行机构执行，实际执行情况经编码器反馈回控制单元。

考虑到手术平台的高安全性要求，还可以在船舶医用手术平台的自平衡控制方法中增加安全性措施，比如：在执行机构执行之前，先根据期望位移和期望速度预判上平台是否越过正常工作区间，若不会越过，则由执行机构执行相应的驱动指令；否则，降低期望位移和/或期望速度。可按预设步长逐步降低期望位移和/或期望速度，直至找到一个安全的期望位移和/或期望速度，根据安全的期望位移和期望速度预判上平台不会越过正常工作区间。

本实施例，通过对并联机构的自动调节，使得手术台在船舶的航行过程中能够抵御风浪的波动，保持手术台平面的平稳，即手术台平面相对于惯性坐标系基本不动，从而保证手术的成功完成。

本发明还提供了一个具体应用场景实施例，提供了一种船舶医用手术平台，其外观如图4所示，其结构示意如图5所示。

该船舶医用手术平台由2个模块组成：

模块一为手术台，包括①手术台面；②枕部转轴；③腰部转轴；④腿部转轴；⑤升降机构，该模块为4自由度串联机器人，可以实现手术过程中伤病员姿态的动态调节。

模块二为稳定平台，包括⑥上平台；⑦下曳踏板；⑧并联机器人；⑨下平台。下曳踏板和上平台固接，通过下曳踏板可以让医护人员和伤病员同时位于稳定平台上，不受海浪冲击的影响。模块一的手术台固接于模块二的上平台上，通过嵌入式设计来降低高度，减少体积。

除了上述机械结构外，该船舶医用手术平台还包括以下电气模块：

惯导单元，包括三轴加速度计、三轴陀螺仪、三轴磁力计和GPS模块，固定于下平台上，可感知船舶的位置和姿态信息，经感知融合算法处理，可以得到船舶实时的横摇角、纵摇角、艏摇角、横荡位移、纵荡位移和垂荡位移。

执行机构，可采用伺服电缸、伺服液压缸、电机减速机等作为机器人各轴的执行机构，每个执行机构都配备相应的伺服控制板，可以让执行机构按照期望指令执行，并通过编码器将执行结果反馈给主控单元。

主控单元，运行核心的控制算法，并将指令下发给执行机构。

电源和线缆等。

船舶医用手术平台的自平衡功能的工作流程图如图6所示，当自平衡功能开启后，可以正常开启平台的手术台调节功能。

具体实施如下：

(1)通过惯导单元获取船舶的实时位姿信息。

安装在下平台(固定在甲板上)的惯导单元可实时测量舰船的振动信息，包括3轴加速度、3轴角速度、GPS位置信息等，可通过互补滤波算法、卡尔曼滤波算法、扩展卡尔曼滤波算法等消除信号中偏差和噪声，得到高精度的下平台在惯性空间的位姿信息，即实时的横摇角、纵摇角、艏摇角、横荡位移、纵荡位移和垂荡位移。

(2)机器人运动学分析

如图3所示，在并联机器人稳定平台的下平台和上平台的中心位置，分别建立随体坐标系OAxAyAzA和随体坐标系OBxByBzB。上平台为此并联机器人的任务空间或操作空间，其相对于下平台的6维运动为Δx,Δy,Δz,Δα,Δβ,Δγ，前三维为相对移动，后三维为相对转动。对于自由度为n的机器人，任务空间的6维运动中只有n个独立运动，其它运动为耦合运动。

假设并联机器人稳定平台的关节空间坐标为q₁,q₂,…,q_n，分别代表第1，2，…，n关节的运动。根据几何学和机器人运动学知识，可以推导出机器人的运动学逆解为：

对上式求导，得到

其中，J为逆运动学的速度映射雅克比矩阵。

同样的，可以推导出此机器人的运动学正解为：

其中，ΔX、

分别为上平台相对下平台的相对运动信息中的相对位移和相对速度，q、/>

分别为关节空间位移(执行机构的位移)和关节空间速度(执行机构的速度)。

当需要同时对6个维度进行减振时，并联机器人主动稳定平台应满足n＝6。

(3)任务空间(操作空间)控制率设计

记惯导单元度量的舰船振动输入矢量为X_A＝[α_A β_A γ_A x_A y_A z_A]^T，

其中，α_A,β_A,γ_A,x_A,y_A,z_A分别为下平台(固定于舰船甲板上)的横摇角、纵摇角、艏摇角、横荡位移、纵荡位移、垂荡位移。

上平台在惯性空间的振动输出矢量为

X_B＝[α_B β_B γ_B x_B y_B z_B]^T＝X_A+ΔX，

其中，α_B,β_B,γ_B,x_B,y_B,z_B分别为上平台的横摇角、纵摇角、艏摇角、横荡位移、纵荡位移、垂荡位移。ΔX为上平台相对下平台的相对运动矢量。

任务空间控制率的设计目标是使上平台的振动输出量尽可能小，可以采用PID、ADRC、最优控制、鲁棒控制、自适应控制等多种控制理论进行设计。

此处以PID控制为例作为一种优选方案，设定任务空间的控制率为

其中，K_P,K_D为PID的控制参数。

计算出t时刻的

后，采用数值积分，可以得到t时刻并联机器人在任务空间的期望位移和期望速度分别为ΔX_t和/>

(4)关节空间驱动指令解算

根据机器人的运动学逆解，可以得到t时刻在关节空间的期望位移和期望速度(即执行机构的期望位移和期望速度)分别为：

q_t＝f_INV(ΔX_t)

伺服驱动器根据设定的位移、速度指令执行。

(5)执行机构执行驱动指令，并通过编码器反馈执行情况

伺服驱动器中的编码器将执行机构的实际执行情况实时反馈给控制系统。

控制流程图如图7所示。

结果分析：

在动力学仿真软件Adams中搭建船舶医用手术平台，其中底部的并联机器人稳定平台采用6自由度stewart构型。按照前述的设计方法，在Simulink软件中搭建控制率，并将其和Adams软件连接，进行Adams+Simulink联合仿真。

在模型的下平台施加复合激励，各维度激励分量如下：

横荡激励(x方向)为幅值100mm，频率1Hz的正弦波；

纵荡激励(y方向)为幅值200mm，频率0.6Hz的正弦波；

垂荡激励(z方向)为幅值500mm，频率0.8Hz的正弦波；

横摇激励(α方向)为幅值20°，频率0.7Hz的正弦波；

纵摇激励(β方向)为幅值10°，频率0.5Hz的正弦波；

艏摇激励(γ方向)为幅值6°，频率0.3Hz的正弦波。

采用PID控制，控制参数设置为k_P＝1000,k_D＝60。

仿真结果如图8和图9所示，可以看出船舶医用手术平台可以有效的减少舰船的横摇、纵摇、艏摇、横荡、纵荡和垂荡，每个维度的减振效率均达到98％以上，使得医护人员可以以陆地医院的体感进行手术，有效提高手术的效率和成功率。

本实施例提供的船舶医用手术平台基于主动减振原理，可以主动削减甚至消除船舶横摇、纵摇、艏摇、横荡、纵荡、垂荡的影响，实现6个维度的全方位减振，并且减振效果可以达到98％以上。通过在机器人的任务空间设计控制率，可以不受底部稳定平台所采用的机器人构型限制，实现规范化的高精度控制。通过采用串并混联机器人技术进行集成设计，底部采用并联机器人结构实现多自由度的平衡功能，顶部采用串联机器人结构实现手术床的姿态动态调节功能，下曳踏板保证医护人员与伤病员之间无相对运动，嵌入式设计和可收缩结构大幅缩减了平台的体积，在有限空间内实现了稳定平台与手术台的一体化，使医护人员可以隔绝海浪影响，以陆上医院的体感进行手术，有效提高手术的成功率和效率。

应当说明的是，上述实施例均可根据需要自由组合。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种船舶医用手术平台，其特征在于，包括手术台和位于所述手术台下方的稳定平台；

所述稳定平台包括并联机构、下曳踏板、惯导单元、编码器和控制单元；

所述并联机构包括上平台、下平台和连接于所述上平台和所述下平台之间的执行机构；所述上平台与所述手术台固定连接，所述下平台固定安装在船体的甲板上，所述执行机构可驱动所述上平台；所述执行机构包括多条独立的运动链，每条运动链采用伺服缸进行伸缩运动；

所述下曳踏板与所述上平台固定连接；

所述惯导单元固定安装于所述下平台，用于获取下平台的振动信息；

所述编码器，安装于所述执行机构上，用于检测所述执行机构的运动信息；

所述控制单元，与所述编码器和所述惯导单元电性连接，基于所述下平台的振动信息、所述执行机构的运动信息、所述上平台和所述下平台之间的运动学关系主动控制所述执行机构动作，以使所述上平台在船舶行驶过程中保持平稳。

2.根据权利要求1所述的船舶医用手术平台，其特征在于，

所述手术台包括手术台面；

所述手术台面分成四部分，其中第一部分和第二部分通过枕部转轴连接，第二部分和第三部分通过腰部转轴连接，第三部分和第四部分通过腿部转轴连接。

3.根据权利要求2所述的船舶医用手术平台，其特征在于，

所述手术台还包括升降机构，所述升降机构位于所述手术台面下方，并嵌入到所述上平台。

4.根据权利要求1所述的船舶医用手术平台，其特征在于，

所述并联机构采用6自由度的stewart构型。

5.根据权利要求1所述的船舶医用手术平台，其特征在于，

在所述伺服缸的行程末端分别安装限位开关。

6.根据权利要求1所述的船舶医用手术平台，其特征在于，

在所述伺服缸的外侧嵌套变刚度弹簧，和/或，在所述伺服缸的行程末端增加防撞弹簧或防撞垫。

7.根据权利要求1所述的船舶医用手术平台，其特征在于，

所述运动链包括伺服液压缸和液压锁紧回路，所述液压锁紧回路与所述伺服液压缸的进出油口相连，所述液压锁紧回路采用溢流阀、三位四通换向阀和两个液控单向阀实现所述伺服液压缸的自锁紧。

8.根据权利要求1所述的船舶医用手术平台，其特征在于，

在所述并联机构的周围安装若干安全柱，所述安全柱位于并联机器人任务空间的边界点，所述安全柱的内部为刚性柱体，外侧包裹弹性材料；

将每个安全柱和所述并联机构的上平台之间通过一条被动支链进行连接，所述被动支链具有6个以上自由度，采用UPS或SPS构型。

9.一种自平衡控制方法，应用于权利要求1-8任一项所述的船舶医用手术平台，其特征在于，包括：

获取所述船舶医用手术平台的下平台在当前时刻的位姿信息；

获取所述船舶医用手术平台的上平台在当前时刻相对下平台的相对运动信息；

根据所述下平台在当前时刻的位姿信息和所述上平台在当前时刻的相对运动信息确定所述上平台需要校正的相对运动信息；

根据所述上平台需要校正的相对运动信息确定执行机构的期望运动信息；

根据所述期望运动信息控制所述执行机构驱动所述上平台运动。

10.根据权利要求9所述的自平衡控制方法，其特征在于，所述的根据所述下平台在当前时刻的位姿信息和所述上平台在当前时刻的相对运动信息确定所述上平台需要校正的相对运动信息，包括：

根据所述下平台在当前时刻的位姿信息和所述上平台在当前时刻的相对运动信息确定所述上平台相对所述下平台的相对运动的控制率；

根据所述上平台相对所述下平台的相对运动的控制率，经数值积分，得到所述上平台需要校正的相对运动信息。

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