CN116392259B - 同轨道双驱动模块的行程和防撞监测方法、系统和机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种同轨道双驱动模块的行程和防撞监测方法、系统和机器人，将各检测模块和编码器进行初始化，使其均回到初始位置；在任务周期内持续读取各编码器值，进行转换后，分别与各自的预设的行程范围限制值比较，根据比较结果进行对应的驱动模块的控制，使其在行程限制范围内；在任务周期内持续读取各驱动模块上检测模块的数据，当任一驱动模块的检测模块检测到障碍时，控制所述驱动模块停止对应方向的移动。本发明可以避免在同一轨道上运行的驱动模块完全到达行程限位或者碰撞限位而产生的电机堵转问题。
Description
技术领域
本发明属于运动控制技术领域，涉及一种同轨道双驱动模块的行程和防撞监测方法、系统和机器人。
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。
血管介入机器人支持对内外两层导管以及导丝、球囊支架导管的推进，基于同轨道的多层耗材的推进驱动模块，在进行人员操作时，存在驱动模块靠近行程两端还在继续推进操作的可能，也存在驱动模块之间相互碰撞的可能。
而且，当驱动模块到达限位还在继续被控制推进时，存在电机堵转，损坏设备的风险，因此接近限位时需要进行用户提醒，且需要系统禁止继续往限位方向发力。
据发明人了解，现有技术方案，可在行程到达限位时触发限位信号，进而用于控制系统继续往限位方向发力，但是此方法每次都会完全接近限位时触发，而若当前推进的速度过大，由于运动惯性作用，速度无法即刻变为0，导致电机堵转，因此依然无法完全解决电机堵转对设备的损坏。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提出了一种同轨道双驱动模块的行程和防撞监测方法、系统和机器人，本发明可以避免在同一轨道上运行的驱动模块完全到达行程限位或者碰撞限位而产生的电机堵转问题。
根据一些实施例，本发明采用如下技术方案：
为方便描述本发明的方案，先进行如下的必要说明：
在靠近轨道起始端的第一驱动模块上、靠近起始端的一侧设置第一检测模块，在靠近轨道终止端的第二驱动模块上，靠近终止端的一侧设置第三检测模块，两个驱动模块中的任一驱动模块，在朝向另一驱动模块的一侧设置有第二检测模块。
两个驱动模块均为电机驱动，且电机均设置有编码器，以反馈对应的驱动模块的位置。
一种同轨道双驱动模块的行程和防撞监测方法，包括以下步骤：
对系统进行初始化操作，首先令当前编码器值归零，再令各检测模块回到初始位置；
在任务周期内持续读取各编码器值，进行转换后，分别与各自的预设的行程范围限制值比较，根据比较结果进行对应的驱动模块的控制，使其在行程限制范围内；
在任务周期内持续读取各驱动模块上检测模块的数据，当任一驱动模块的检测模块检测到障碍时，控制所述驱动模块停止对应方向的移动。
作为可选择的实施方式，将各检测模块进行初始化过程包括将各驱动模块移动至对应的基准位置，并记录此时各电机尾部编码器的值；
靠近轨道起始端的第一驱动模块的基准位置为轨道的起始端点；
第二驱动模块的基准位置为轨道的起始端点后移第一驱动模块长度的位置。
作为进一步的，在向基准位置移动各驱动模块时，如果各检测模块的信号值为第一值，则继续以设定速度移动各驱动模块，且靠近轨道起始端的第一驱动模块移动的设定速度大于所述第二驱动模块移动的设定速度；
以防止第二驱动模块速度过快引起两个驱动的碰撞，从而导致第二驱动模块不能到达初始位置。
如果有检测模块的信号值为第二值，则停止对应对应驱动模块的移动。
作为可选择的实施方式，将各编码器进行初始化过程包括给电机驱动模块发出初始化信号，令每个编码器值归零。
作为可选择的实施方式，进行转换的具体过程为：依据传动系数进行转换，所述传动系数为编码器值与驱动模块行进距离的传动关系系数，由电机输出轴周长、电机减速比以及电机转动一圈编码器的脉冲数计算得到。
作为可选择的实施方式，分别与各自的预设的行程范围限制值比较，如果大于等于行程范围上限，则比较结果为第一值，在范围内为第二值，小于等于行程范围下限时为第三值；
当某检测模块的比较结果由第二值改为第一值或第三值时，禁止对应的驱动模块向原行进方向继续移动。
作为可选择的实施方式，在和预设的行程范围限制值比较时，在包含轨道起始端、轨道终止端和基准位置的边界位置上，再配置有一范围增量，以保证具有软限位。
一种同轨道双驱动模块的行程和防撞监测系统，包括：
检测单元，包括在靠近轨道起始端的第一驱动模块上、靠近起始端的一侧设置的第一检测模块，在靠近轨道终止端的第二驱动模块上，靠近终止端的一侧设置的第三检测模块，两个驱动模块中的任一驱动模块，在朝向另一驱动模块的一侧设置的第二检测模块；
以及各驱动模块的电机设置的编码器；
控制单元，被配置为将各检测模块和编码器进行初始化，编码器值归零后，驱动模块回到初始位置；
在任务周期内持续读取各编码器值，进行转换后，分别与各自的预设的行程范围限制值比较，根据比较结果进行对应的驱动模块的控制，保证其在限制范围内；
在任务周期内持续读取各驱动模块上检测模块的数据，当任一驱动模块的检测模块检测到障碍时，控制所述驱动模块停止对应方向的移动。
一种控制设备，包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行所述的方法中的步骤。
一种血管介入机器人，包括在同一轨道上运行的两个驱动模块，还包括上述系统或设备。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明针对在同一轨道上两个或多个双向运动的驱动模块的行程监测、防撞监测，消除电机堵转带来的对设备的损坏风险，保证了驱动模块同时操作的安全性。
本发明在限位信号防护的基础上，增加了软防护，让电机堵转风险得到有效控制。使得多层耗材的操作得以规范，实现有效的系统防护，避免了人员操作失误导致的系统损坏。
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是本实施例的驱动模块关系示意图；
图2是本实施例的流程示意图；
图3是本实施例的初始化流程示意图。
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，以下详细说明都是例示性的，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。
本实施例以血管介入机器人支持对内、外两层导管驱动的应用场景为例进行说明，但并不代表本发明的方案仅能用到该场景。
实施例一
如图1所示，同轨道上的两个耗材驱动模块的位置关系，其中A模块为内导管驱动模块，用于连接内层导管耗材盒并带动内导管的前进后退和旋转动作、B模块为外导管驱动模块，用于连接外层导管耗材盒并带动外导管的前进后退和弯曲动作。驱动模块均为电机驱动。
三处光电开关分别置于两个耗材驱动模块上，用于监测模块是否到达轨道边界以及监测模块是否碰撞。接触时值为1，不接触时为0。
如图2所示，心血管机器人中行程和防撞监测的整体流程，包括以下步骤：
步骤1、电机驱动程序初始化，设定电机编码器的数值0位置
系统给电机的驱动程序发出初始化信号，令每个电机位置反馈编码器值归零，(系统中耗材的推进距离计算是依据电机尾部设置的编码器的反馈值进行比例换算后得出)。
步骤2、耗材驱动模块初始化，获取并记录基准0位置
系统自动将轨道上的内导管驱动模块和外导管驱动模块拖到轨道的起始端，即手术前的开始位置，该位置被认为耗材的前进后退基准位置。需要记录该位置时，电机位置反馈编码器的值，用于后续的位置推算。具体的初始化过程如图3所示，进行内外导管驱动模块的初始化。对于内导管驱动模块初始化依据光电开关1的信号变化，对于外导管驱动模块初始化依据光电开关2的信号变化。
【光电开关信号＝0】表示导管驱动模块光电开关位置没有接近遮挡物，根据机械结构的设定，对于内导管驱动模块而言，光电开关1＝0表示内导管制动机构没有接近轨道起始端。对于外导管驱动模块而言，光电开关2＝0表示外导管制动机构没有接近内导管制动机构。
【令导管驱动模块以速度V向轨道起始端移动】在初始化操作时，如光电开关信号为0，需要继续移动模块，直到到达起始位置。速度V被设定为一个相对安全的数值，不会导致初始化过程中，到达起始位置后电机堵转带来的设备损坏。且由于内外导管驱动模块同时往轨道起始端方向移动，需要设定内导管的移动速度>外导管的移动速度。
【光电开关信号是否相对上一周期被更新】如果光电开关信号此时为1，且在上个周期被更新，说明光电开关发生了0->1的跳变，即相应的模块移动到了其对应的初始位置。注意：内导管驱动模块和外导管驱动模块的初始位置不同，内导管驱动模块的初始位置即轨道的起始端点，外导管驱动模块的初始位置为轨道的起始端点+内导管驱动模块的长度。
【令导管驱动模块停止移动】如果光电开关发生0->1的跳变，表示到达初始位置需要停止继续移动。
【读取此刻导管前进后退电机处位置编码器值】此时的编码器值即为基准零位置，将参与后续行程监测和防撞监测的判断。其中内导管驱动模块的基准零位置记作：Sensora0。外导管驱动模块的基准零位置记作：Sensorb0。
步骤3、监测两个导管驱动模块是否在合理范围内
在任务周期内不停的读取代表两个导管驱动模块的当前前进后退的位置编码器值(电机尾处安装的正交编码器)，通过换算后，与行程范围限制值比较。
其中因为软监控要求电机在到达行程限位之前必须停止，防止电机堵转，设置一个允许接近边界的范围增量△L＝5mm。
在其他实施例中，范围增量可以调整为其他数字，只要保证有一定的软限位量即可，并不限定于本实施例提供的数值。
其中编码器值与输出轴驱动模块行进距离的传动关系系数：K＝62.8/(84*512),其中62.8为输出轴周长(单位mm)，84为电机减速比，512为电机转动一圈编码器的脉冲数。
其他实施例中，上述个参数的值并不限定于此，根据具体情况适配。
其中轨道总长度为Lmax，内导管驱动模块的长度为L1，外导管驱动模块的长度为L2，则内/外导管驱动模块的总行程为L＝Lmax-(L1+L2)，(因为两模块在同一轨道上)(单位mm)。
其中Sensora,Sensorb为内导管驱动模块和外导管驱动模块的当前位置编码器值。
因此，内导管驱动模块的行程范围在(Sensora0*K)+ΔL≤Sensora*K≤(Sensora0*K)+L-ΔL；
外导管驱动模块的行程范围在(Sensorb0*K)+ΔL≤Sensorb*K≤(Sensorb0*K)+L-ΔL；
防撞监测的要求为[(Sensorb*K)–(Sensorb0*K)]≥[(Sensora*K)–(Sensora0*K)]+ΔL；
将行程监测和防撞监测的实时结果更新给以下3个变量：
内导管驱动模块行程监测结果RinsideCatheter:大于上限时为1，在范围内为0，小于下限时为-1；
外导管驱动模块行程监测结果Rcatheter:大于上限时为1，在范围内为0，小于下限时为-1；
防撞监测结果为Rcollision：未接近碰撞时为0，接近碰撞时为1。
步骤4、根据监测结果干预控制命令的响应。
在处理内外导管驱动模块的运动控制命令时，同时参考行程监测结果和防撞监测结果。
对于内导管驱动模块的控制，若接收到后退命令且RinsideCatheter＝-1时，禁止内导管驱动模块后退，且进行行程超限告警提醒。若接收到前进命令且RinsideCatheter＝1时，禁止内导管驱动模块前进，且进行行程超限告警提醒。若接受到前进命令，且Rcollision＝1时，禁止内导管驱动模块前进，且进行接近碰撞告警。
对于外导管驱动模块的控制，若接收到后退命令且Rcatheter＝-1时，禁止外导管驱动模块后退，且进行行程超限告警提醒。若接收到前进命令且Rcatheter＝1时，禁止外导管驱动模块前进，且进行行程超限告警提醒。若接收到后退命令，且Rcollision＝1时，禁止外导管驱动模块后退，且进行接近碰撞告警。
当然，因为内导管驱动模块、外导管驱动模块上的光电开关1、光电开关2和光电开关3的设置，根据光电开关1的值，也可以进行行程和防撞的监测。
如果光电开关1从0突变为1，则内导管驱动模块后退到了起始端，应停止其倒退运动。光电开关3从0突变为1，则外导管驱动模块前进到了终止端，应停止其前进运动。
光电开关2从0突变为1，说明两者要相撞，需要停止正在行进的驱动模块的运动。
当然，在采用软限位的实施例中，只要软限位有效时，就不会触发光电开关的跳变，利用光电开关的行程和防撞的监测就不会被触发。
实施例二
在本实施例中，光电开关2的位置设置到内导管驱动模块远离轨道起始端的一侧。
其他和实施例一一致。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
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。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (6)
1.一种同轨道双驱动模块的行程和防撞监测方法，其特征是，包括以下步骤：
将各检测模块和编码器进行初始化，编码器值归零后，使驱动模块回到初始位置；
将各检测模块进行初始化过程包括将各驱动模块移动至对应的基准位置，并记录此时各电机编码器的值；
靠近轨道起始端的第一驱动模块的基准位置为轨道的起始端点；
远离轨道起始端的第二驱动模块的基准位置为轨道的起始端点后移第一驱动模块长度的位置；
在向基准位置移动各驱动模块时，如果各检测模块的信号值为第一值，则继续以设定速度移动各驱动模块，且靠近轨道起始端的第一驱动模块移动的设定速度大于远离轨道起始端的第二驱动模块移动的设定速度；
如果有检测模块的信号值为第二值，则停止对应驱动模块的移动；
在任务周期内持续读取各编码器值，进行转换后，分别与各自的预设的行程范围限制值比较，根据比较结果进行对应的驱动模块的控制，使其在行程限制范围内；
分别与各自的预设的行程范围限制值比较，如果大于等于行程范围上限，则比较结果为第一值，在范围内为第二值，小于等于行程范围下限时为第三值；
当某检测模块的比较结果由第二值改为第一值或第三值时，禁止对应的驱动模块向原行进方向继续移动；
在和预设的行程范围限制值比较时，在包含轨道起始端、轨道终止端和基准位置的边界位置上，再配置有一范围增量，以保证具有软限位；
在任务周期内持续读取各驱动模块上检测模块的数据，当任一驱动模块的检测模块检测到障碍时，控制所述驱动模块停止对应方向的移动。
2.如权利要求1所述的一种同轨道双驱动模块的行程和防撞监测方法，其特征是，将各编码器进行初始化过程包括给电机发出初始化信号，令每个编码器值归零。
3.如权利要求1所述的一种同轨道双驱动模块的行程和防撞监测方法，其特征是，进行转换的具体过程为：依据传动系数进行转换，所述传动系数为编码器值与驱动模块行进距离的传动关系系数，由电机输出轴周长、电机减速比以及电机转动一圈编码器的脉冲数计算得到。
4.一种同轨道双驱动模块的行程和防撞监测系统，其特征是，包括：
检测单元，包括在靠近轨道起始端的第一驱动模块上、靠近起始端的一侧设置的第一检测模块，在第二驱动模块上，靠近终止端的一侧设置的第三检测模块，两个驱动模块中的任一驱动模块，在朝向另一驱动模块的一侧设置的第二检测模块；
以及各驱动模块的电机上设置的编码器；
控制单元，被配置为将各检测模块和编码器进行初始化，编码器值归零后，驱动模块回到初始位置；
将各检测模块进行初始化过程包括将各驱动模块移动至对应的基准位置，并记录此时各电机编码器的值；
靠近轨道起始端的第一驱动模块的基准位置为轨道的起始端点；
远离轨道起始端的第二驱动模块的基准位置为轨道的起始端点后移第一驱动模块长度的位置；
在向基准位置移动各驱动模块时，如果各检测模块的信号值为第一值，则继续以设定速度移动各驱动模块，且靠近轨道起始端的第一驱动模块移动的设定速度大于远离轨道起始端的第二驱动模块移动的设定速度；
如果有检测模块的信号值为第二值，则停止对应驱动模块的移动；
在任务周期内持续读取各编码器值，进行转换后，分别与各自的预设的行程范围限制值比较，根据比较结果进行对应的驱动模块的控制，保证其在限制范围内；
分别与各自的预设的行程范围限制值比较，如果大于等于行程范围上限，则比较结果为第一值，在范围内为第二值，小于等于行程范围下限时为第三值；
当某检测模块的比较结果由第二值改为第一值或第三值时，禁止对应的驱动模块向原行进方向继续移动；
在和预设的行程范围限制值比较时，在包含轨道起始端、轨道终止端和基准位置的边界位置上，再配置有一范围增量，以保证具有软限位；
在任务周期内持续读取各驱动模块上检测模块的数据，当任一驱动模块的检测模块检测到障碍时，控制所述驱动模块停止对应方向的移动。
5.一种控制设备，其特征是，包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行权利要求1-3中任一项所述的方法中的步骤。
6.一种血管介入机器人，其特征是，包括在同一轨道上运行的至少两个驱动模块，采用权利要求1-3中任一项所述的方法中的步骤控制各个驱动模块，或还包括权利要求4所述的系统或权利要求5所述的设备。
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