CN116421308A - 一种柔性器械钳头运动的极限位置判断方法及系统 - Google Patents

一种柔性器械钳头运动的极限位置判断方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明属于医疗器械技术领域，提供了一种柔性器械钳头运动的极限位置判断方法及系统，包括：获取执行柔性器械钳头相关运动的电机电流；依据获取的电机电流判断电机是否处于堵转状态；如果电机处于堵转状态，则判定柔性器械钳头的相关运动到达极限位置，否则没有到达极限位置；以获取的电机电流为依据，通过电机的堵转状态来判定柔性器械钳头相关运动是否到达极限位置，避免了因柔性器械误差精度较低，做为定值的量程难以精确满足极限位置判断的要求，为提高柔性器械钳头位置控制的精度提供了可靠依据。

Description

一种柔性器械钳头运动的极限位置判断方法及系统
技术领域
本发明属于医疗器械技术领域，尤其涉及一种柔性器械钳头运动的极限位置判断方法及系统。
背景技术
微创医疗器械一般分为纯机械传动器械和电控器械两种；纯机械传动器械通过机械传动，将简易的动作指令传递给末端的执行器械，功能较为单一；电控器械，输入设备将信号发送给控制系统，控制系统通过电机驱动传动机构带动末端的执行器械，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系统，控制系统发出控制指令给电机，电机经传动机构带动末端的执行器械，执行器械执行动作。
手术机器人与其他行业的机器人相比，要求控制精度高；想要实现高精度控制，在结构上可以选用刚性器械进行控制，但是刚性器械的自由度数量有限，很难实现微创需求，而柔性器械是钢丝传动，易于集成多个自由度，实现简单，所以现在手术机器人的主流方向就是柔性器械。
发明人发现，在对柔性器械进行精确位置控制时，首先要确定柔性器械的运动量程，常用的做法是选择某一类柔性器械作一般性样品，通过测量工具进行量程确定，确定后的数据作为这一类柔性器械的量程标准，是个定值；然而由于实际制作工艺水平的限制，柔性器械很难像刚性器械那样达到较高的误差精度，所以做为定值的量程很难满足精确位置控制，同时，伴随柔性器械老化，柔性器械的钢丝弹性形变，会进一步使量程不准确。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提出了一种柔性器械钳头运动的极限位置判断方法及系统，本发明通过电机的堵转状态来判定柔性器械钳头相关运动是否到达极限位置，避免了因柔性器械误差精度较低，做为定值的量程难以精确满足极限位置判断的要求。
为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：
第一方面，本发明提供了一种柔性器械钳头运动的极限位置判断方法，包括：
获取执行柔性器械钳头相关运动的电机电流；
依据获取的电机电流判断电机是否处于堵转状态；
如果电机处于堵转状态，则判定柔性器械钳头的相关运动到达极限位置，否则没有到达极限位置。
进一步的，延时获取预设次数的电流，如果电流持续处于堵转状态，断定电机处于堵转状态。
进一步的，固定输出力的大小，当相关运动到达极限位置时，电机的输出力小于执行柔性器械钳头进一步运动的力，此时电机处于堵转状态。
进一步的，通过样品器械测试，分别得出相关运动下的固定输出力。
进一步的，所述电机为直流无刷电机，当电机堵转时，电机没有旋转，输入相电压做功全部用来发热，此时母线电流达到最大。
进一步的，柔性器械钳头相关运动包括俯仰运动、偏航运动和夹合运动。
进一步的，柔性器械钳头俯仰运动时，当向上仰至最高点时，读取位置数据，获得最大值；向下俯至最低点时，读取位置数据，获得最小值；
柔性器械钳头偏航运动时，当向左至最左点时，读取此时位置数据，获得最大值；向右至最右点时，读取此时位置数据，获得最小值；
柔性器械钳头夹合运动时，当张开至最大点时，读取此时位置数据，获得最大值；当闭合至最紧时，读取此时位置数据，获得最小值。
第二方面，本发明还提供了一种柔性器械钳头运动的极限位置判断系统，包括：
数据采集模块，被配置为：获取执行柔性器械钳头相关运动的电机电流；
堵转状态判断模块，被配置为：依据获取的电机电流判断电机是否处于堵转状态；
极限位置判断模块，被配置为：如果电机处于堵转状态，则判定柔性器械钳头的相关运动到达极限位置，否则没有到达极限位置。
第三方面，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现了第一方面所述的柔性器械钳头运动的极限位置判断方法的步骤。
第四方面，本发明还提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现了第一方面所述的柔性器械钳头运动的极限位置判断方法的步骤。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、本发明以获取的电机电流为依据，通过电机的堵转状态来判定柔性器械钳头相关运动是否到达极限位置，避免了因柔性器械误差精度较低，做为定值的量程难以精确满足极限位置判断的要求，为提高柔性器械钳头位置控制的精度提供了可靠依据；
2、本发明通过柔性器械的极限位置自适应，减小了对工艺管理的依赖，提高了柔性器械位置控制精度。
附图说明
构成本实施例的一部分的说明书附图用来提供对本实施例的进一步理解，本实施例的示意性实施例及其说明用于解释本实施例，并不构成对本实施例的不当限定。
图1为本发明实施例1的流程图；
图2为本发明实施例1的手术机器人结构示意；
图3为本发明实施例1的主机结构示意图；
图4为本发明实施例1的俯仰运动示意图；
图5为本发明实施例1的偏航运动示意图；
图6为本发明实施例1的旋转运动示意图；
图7为本发明实施例1的夹合运动示意图；
其中，1、主机；11、手柄绑带；12、俯仰和偏航控制旋钮；13、复位键；14、电量指示灯；15、状态灯；16、开关键；17、使能建；2、柔性器械钳头；3、无菌保护罩。
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，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
实施例1：
如背景技术中记载的，柔性器械很难像刚性器械那样达到较高的误差精度，所以做为定值的量程很难满足精确位置控制，针对上述问题，本实施例提供了一种柔性器械钳头运动的极限位置判断方法，包括：
获取执行柔性器械钳头相关运动的电机电流；
依据获取的电机电流判断电机是否处于堵转状态；
如果电机处于堵转状态，则判定柔性器械钳头的相关运动到达极限位置，否则没有到达极限位置。
具体的，以获取的电机电流为依据，通过电机的堵转状态来判定柔性器械钳头相关运动是否到达极限位置，避免了因柔性器械误差精度较低，做为定值的量程难以精确满足极限位置判断的要求，为提高柔性器械钳头位置控制的精度提供了可靠依据。
如图1和图2所示，本实施例提供了一种手术机器人，包括主机1和柔性器械钳头2；所述柔性器械钳头2可拆卸的安装在所述主机1上，此处设置可通过常规技术实现，在此不再详述。所述主机1上设置有手柄绑带11、俯仰和偏航控制旋钮12、复位键13、电量指示灯14、状态灯15、、开关键16和使能建17。
如土3、图4、图5和图6所示，所述柔性器械钳头2的运动自由度一般包括俯仰运动、偏航运动、旋转运动和夹合运动。
所述柔性器械钳头2的俯仰运动范围可以定义为[-A°，A°]，初始位置为竖直状态，即钳头与器械杆平行，记为0°。同理，所述柔性器械钳头2的偏航运动范围可以定义为[-B°，B°]，初始位置为0°。A和B分别是所述柔性器械钳头2在俯仰运动和偏航运动的最大移动角度，一般情况，希望A＝B。因为所述柔性器械钳头2的工艺误差，以及钢丝疲劳和老化等原因，造成极限角度大于或者小于A和B，因此，在安装后需要重新确定这两个值。
所述柔性器械钳头2的角度，由部署在所述主机1端传动机构处的霍尔传感器获取。当所述柔性器械钳头2在俯仰或者偏航方向有移动时，对应的霍尔传感器就可以获得角度。
所述柔性器械钳头2在旋转自由度上是可以多圈旋转，不存在结构上的极限位置，因此不对旋转进行极限位置自适应。
所述柔性器械钳头2在夹合自由度上，两个钳片是对称的，可以定义钳头闭合时极限位置为C1，张开到最大时极限位置为C2，即运动范围为[C1，C2]。钳片闭合后，虽然钳头的角度为0，但是获取角度的霍尔传感器是部署在主机1端传动机构处的，角度不为0，而且，钳头刚闭合，力是很小的，传动机构继续拉伸，钳头会夹合的更紧；因此，根据样品测试结果，定义夹合后的极限位置为C1；刚张开到最大角度时的两个钳片张开力是比较小的，传动机构继续拉伸，张开力会更大，因此，根据样品测试结果，定义张开后的极限位置为C2。
所述柔性器械钳头2在夹合运动时，存在结构上的极限位置，因此需要对夹合进行极限位置自适应。
所述柔性器械钳头2的安装或拆卸，所述主机1必须先复位，复位是通过操作所述主机1上的复位键13实现的。所述复位键13按下后，电机初始化，传动轴回到初始位置，检测所述柔性器械钳头2是否安装，刚安装好的柔性器械钳头2处于初始位置。
检测到安装好的柔性器械钳头之后，开始进行柔性器械钳头在俯仰运动、偏航运动和夹合运动的极限位置检测。
极限位置检测，根本原理是通过读取电机堵转状态为前提进行的。电机以直流无刷电机为例，当电机堵转时，电机没有旋转，输入相电压做功全部用来发热，此时母线电流达到最大。
柔性器械钳头运动的极限位置判断过程为：
S1、开机，系统初始化；
S2、按下复位键13复位；如果检测到所述主机2安装了所述柔性器械钳头1，则进行极限位置检测。固定输入力的大小，当俯仰上下运动，到达极限位置时，因为电机的输出力小于能够拉动柔性器械钳头2进一步运动的力，此时电机处于堵转状态，此时的电流称为堵转电流。通过判断堵转电流可以得出电机是否处于极限位置。在对电机进行位置控制时，如果电机突然收到一个大力，为了保持位置不变，电机母线电流会突然增加至最大电流状态，但此时不是堵转；因此，在判断是否堵转时，需要延时获取预设次数的电流值，如果电流持续处于堵转状态，则可断定是电机堵转。
在研发阶段，通过样品器械测试，在不同自由度得出给定固定输入力F，电机堵转，获得电机母线堵转电流I的数据。把获得的俯仰、偏航和旋转电机的输入力F1、F2和F3作为电机固定输入，对柔性器械钳头2进行极限位置测试。测试F1、F2和F3的另一个目的是，选取最优输入，防止损坏柔性器械钳头2和电机。选用力过大，可能损坏柔性器械钳头2，电机发热过高损坏电机；选用力过小，柔性器械钳头2不能到达目标位置，不符合实际应用需求。
S2、柔性器械钳头2俯仰运动时，当向上仰至最高点时，读取位置数据，获得最大值；向下俯至最低点时，读取位置数据，获得最小值；具体的，进行俯仰自由度的极限位置检测；柔性器械钳头2在俯仰自由度做往复运动，当向上仰至最高点时，即读取到电机堵转，读取此时位置传感器的位置数据，获得最大值A1；向下俯至最低点时，即读取到电机堵转，读取此时位置传感器的位置数据，获得最小值A2；为了让俯仰运动范围基于初始位置对称，取最大值A1和最小值A2到初始位置的最小值。
S3、柔性器械钳头2偏航运动时，当向左至最左点时，读取此时位置数据，获得最大值；向右至最右点时，读取此时位置数据，获得最小值；具体的，进行偏航自由度的极限位置检测；柔性器械钳头2在偏航自由度做往复运动，当向左至最左点时，即读取到电机堵转，读取此时位置传感器的位置数据，获得最大值B1；向右至最右点时，即读取到电机堵转，读取此时位置传感器的位置数据，获得最小值B2；为了让偏航自由度的运动范围基于初始位置对称，取最大值B1和最小值B2到初始位置的最小值。
S4、柔性器械钳头2夹合运动时，当张开至最大点时，读取此时位置数据，获得最大值；当闭合至最紧时，读取此时位置数据，获得最小值；具体的，进行夹合自由度的极限位置检测；柔性器械钳头2在夹合自由度做往复运动，当张开至最大点时，即读取到电机堵转，读取此时位置传感器的位置数据，获得最大值C1；当闭合至最紧时，即读取到电机堵转，读取此时位置传感器的位置数据，获得最小值C2；夹合自由度运动不需要对称。
S6、保存数据，供运动学解析调用。
实施例2：
本实施例提供了一种柔性器械钳头运动的极限位置判断系统，包括：
数据采集模块，被配置为：获取执行柔性器械钳头相关运动的电机电流；
堵转状态判断模块，被配置为：依据获取的电机电流判断电机是否处于堵转状态；
极限位置判断模块，被配置为：如果电机处于堵转状态，则判定柔性器械钳头的相关运动到达极限位置，否则没有到达极限位置。
所述系统的工作方法与实施例1的柔性器械钳头运动的极限位置判断方法相同，这里不再赘述。
实施例3：
本实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现了实施例1所述的柔性器械钳头运动的极限位置判断方法的步骤。
实施例4：
本实施例提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现了实施例1所述的柔性器械钳头运动的极限位置判断方法的步骤。
以上所述仅为本实施例的优选实施例而已，并不用于限制本实施例，对于本领域的技术人员来说，本实施例可以有各种更改和变化。凡在本实施例的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实施例的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种柔性器械钳头运动的极限位置判断方法，其特征在于，包括：
获取执行柔性器械钳头相关运动的电机电流；
依据获取的电机电流判断电机是否处于堵转状态；
如果电机处于堵转状态，则判定柔性器械钳头的相关运动到达极限位置，否则没有到达极限位置。
2.如权利要求1所述的一种柔性器械钳头运动的极限位置判断方法，其特征在于，延时获取预设次数的电流，如果电流持续处于堵转状态，断定电机处于堵转状态。
3.如权利要求1所述的一种柔性器械钳头运动的极限位置判断方法，其特征在于，固定输出力的大小，当相关运动到达极限位置时，电机的输出力小于执行柔性器械钳头进一步运动的力，此时电机处于堵转状态。
4.如权利要求3所述的一种柔性器械钳头运动的极限位置判断方法，其特征在于，通过样品器械测试，分别得出相关运动下的固定输出力。
5.如权利要求1所述的一种柔性器械钳头运动的极限位置判断方法，其特征在于，所述电机为直流无刷电机，当电机堵转时，电机没有旋转，输入相电压做功全部用来发热，此时母线电流达到最大。
6.如权利要求1所述的一种柔性器械钳头运动的极限位置判断方法，其特征在于，柔性器械钳头相关运动包括俯仰运动、偏航运动和夹合运动。
7.如权利要求6所述的一种柔性器械钳头运动的极限位置判断方法，其特征在于，柔性器械钳头俯仰运动时，当向上仰至最高点时，读取位置数据，获得最大值；向下俯至最低点时，读取位置数据，获得最小值；
柔性器械钳头偏航运动时，当向左至最左点时，读取此时位置数据，获得最大值；向右至最右点时，读取此时位置数据，获得最小值；
柔性器械钳头夹合运动时，当张开至最大点时，读取此时位置数据，获得最大值；当闭合至最紧时，读取此时位置数据，获得最小值。
8.一种柔性器械钳头运动的极限位置判断系统，其特征在于，包括：
数据采集模块，被配置为：获取执行柔性器械钳头相关运动的电机电流；
堵转状态判断模块，被配置为：依据获取的电机电流判断电机是否处于堵转状态；
极限位置判断模块，被配置为：如果电机处于堵转状态，则判定柔性器械钳头的相关运动到达极限位置，否则没有到达极限位置。
9.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现了如权利要求1-7任一项所述的柔性器械钳头运动的极限位置判断方法的步骤。
10.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现了如权利要求1-7任一项所述的柔性器械钳头运动的极限位置判断方法的步骤。
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