CN118336938A - 一种手柄 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种手柄，包括光电耦合单元、电感线圈耦合单元、信号采集端以及信号接收端；信号采集端通过光电耦合单元、电感线圈耦合单元与信号接收端电连接；信号采集端相对于信号接收端旋转动作；信号接收端通过电感线圈耦合单元向信号采集端提供电能；信号采集端接收手柄控制信号，将手柄控制信号转换为脉冲控制信号，并通过光电耦合单元将脉冲控制信号传送至信号接收端。本申请通过采用电感线圈耦合提供电能，并采用光电耦合实现通信，不仅满足了手柄的无线供电需求以及无线通讯需求，还实现了减小手柄体积、提高供电功率、提高通讯传输速率以及传输精度的技术效果。

Description

一种手柄

技术领域

本发明实施例涉及医疗器械技术领域，尤其涉及一种手柄。

背景技术

近距离无线供电技术和近场通信技术(Near Field Communication，NFC)两者都是比较成熟的技术，并在很多场景都有应用。而在需要同时实现短距离无线供电和简单通信的旋转类手柄场景下，需要同时满足以下操作条件：(1)开合角度的控制。医生通过控制主操作手上的压板开合的角度，来控制器械末端指尖开合的角度；(2)控制手术机器人的离合。医生通过主操作手上的一个按钮开关，提供角度信号传递给手术机器人的“离合”功能；(3)同时主操作手相对于其固定的基座还可以进行不限角度(或者叫无限)的旋转，在两者相对旋转的同时，以上两路信号都需要保持传输。

现有的实现方法主要有以下几种：

(1)无线供电和无线通讯两者相结合的共用线圈设计。一种是通过在NFC技术上集成无线供电功能，两者使用同一线圈，在13.56MHz频段上保留了近场通讯的功能，又利用线圈产生的磁场给接收端供电；优点是线圈体积变小，数据传输速率高；不足是供电效率较低，传输功率较小。另一种是通过在无线供电技术上加载无线通讯功能，在载波上使用ASK(Amplitude Shift Keyin，幅移键控)或者FSK(Frequency-shift keying，频移键控)调制通信的信息，也可以实现在同一发射线圈上实现供电和通讯的功能；优点是供电的功率较上述方案高，但通信时对传输效率也有影响，元器件较多导致体积较大。

(2)无线供电和无线通讯两者独立开发后再集成的设计。通过无线供电单元电路和供电线圈给接收端供电，然后利用NFC电路单元和单独天线实现通信功能；虽然具有较高的供电功率和较快的传输速率，但体积则会更大，且在旋转类无线传输的小体积应用场景中存在相互干扰，并不方便。

发明内容

本发明实施例提供一种手柄，解决了现有技术中的手柄使用的供电和通讯方法中所存在的供电功率、传输速率以及体积无法同时满足需求的技术问题。

本发明实施例提供了一种手柄，所述手柄包括光电耦合单元、电感线圈耦合单元、信号采集端以及信号接收端；所述信号采集端通过所述光电耦合单元、所述电感线圈耦合单元与所述信号接收端电连接；所述信号采集端相对于所述信号接收端旋转动作；

所述信号接收端通过所述电感线圈耦合单元向所述信号采集端提供电能；

所述信号采集端接收手柄控制信号，将所述手柄控制信号转换为脉冲控制信号，并通过所述光电耦合单元将所述脉冲控制信号传送至所述信号接收端。

进一步地，所述光电耦合单元包括一个发光二极管以及一个三极管；所述发光二极管设置于所述信号采集端，所述三极管设置于所述信号接收端。

进一步地，所述电感线圈耦合单元包括第一线圈以及第二线圈，所述第一线圈设置于所述信号接收端，所述第二线圈设置于所述信号采集端。

进一步地，所述信号接收端包括无线供电发射单元，所述无线供电发射单元与所述第一线圈电连接。

进一步地，所述信号采集端包括无线供电接收单元，所述无线供电接收单元与所述第二线圈电连接。

进一步地，所述手柄控制信号包括至少一路模拟控制信号以及至少一路数字控制信号；

所述信号采集端还包括模拟信号传感器单元、开关信号采集单元、捏合按钮、拨动开关以及信号调制单元；

所述模拟信号传感器单元采集所述捏合按钮发送的所述模拟控制信号，并将所述模拟控制信号传送至所述信号调制单元；

所述开关信号采集单元采集所述拨动开关发送的所述数字控制信号，并将所述数字控制信号传送至所述信号调制单元；

所述信号调制单元将所述模拟控制信号和所述数字控制信号转换为所述脉冲控制信号。

进一步地，所述信号调制单元还用于将所述模拟控制信号转换为占空比，将所述数字控制信号转换为频率，并基于所述占空比以及所述频率生成所述脉冲控制信号。

进一步地，所述信号接收端还包括信号接收处理单元；所述信号接收处理单元接收所述脉冲控制信号，并基于所述脉冲控制信号控制相应的器械执行相应的动作。

进一步地，所述信号接收处理单元还用于将所述脉冲控制信号转换为角度信号以及开关信号，并基于所述角度信号以及所述开关信号控制相应的器械执行相应的动作。

进一步地，所述信号接收处理单元与所述无线供电发射单元电连接，所述无线供电发射单元为所述信号接收处理单元供电。

本发明实施例公开了一种手柄，包括光电耦合单元、电感线圈耦合单元、信号采集端以及信号接收端；信号采集端通过光电耦合单元、电感线圈耦合单元与信号接收端电连接；信号采集端相对于信号接收端旋转动作；信号接收端通过电感线圈耦合单元向信号采集端提供电能；信号采集端接收手柄控制信号，将手柄控制信号转换为脉冲控制信号，并通过光电耦合单元将脉冲控制信号传送至信号接收端。本申请通过采用电感线圈耦合提供电能，并采用光电耦合实现通信，解决了现有技术中的手柄使用的供电和通讯方法中所存在的供电功率、传输速率以及体积无法同时满足需求的技术问题，不仅满足了手柄的无线供电需求以及无线通讯需求，还实现了减小手柄体积、提高供电功率、提高通讯传输速率以及传输精度的技术效果。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种手柄的结构图；

图2是本发明实施例提供的另一种手柄的结构图；

图3是本发明实施例提供一种手柄的外观图；

图4是本发明实施例提供周期2ms、数字量为1、模拟量为50％VCC的脉冲控制信号图；

图5是本发明实施例提供周期2ms、数字量为1、模拟量为12.5％VCC的脉冲控制信号图；

图6是本发明实施例提供周期2ms、数字量为1、模拟量为87.5％VCC的脉冲控制信号图；

图7是本发明实施例提供周期4ms、数字量为0、模拟量为50％VCC的脉冲控制信号图；

图8是本发明实施例提供周期4ms、数字量为0、模拟量为12.5％VCC的脉冲控制信号图；

图9是本发明实施例提供周期4ms、数字量为0、模拟量为87.5％VCC的脉冲控制信号图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于限定特定顺序。本发明下述各个实施例可以单独执行，各个实施例之间也可以相互结合执行，本发明实施例对此不作具体限制。

图1是本发明实施例提供的一种手柄的结构图。

如图1所示，手柄包括光电耦合单元10、电感线圈耦合单元20、信号采集端30以及信号接收端40；信号采集端30通过光电耦合单元10、电感线圈耦合单元20与信号接收端40电连接；信号采集端30相对于信号接收端40旋转动作；信号接收端40通过电感线圈耦合单元20向信号采集端30提供电能；信号采集端30接收手柄控制信号，将手柄控制信号转换为脉冲控制信号，并通过光电耦合单元10将脉冲控制信号传送至信号接收端40。

具体地，参见图1，手柄分为信号采集端30以及信号接收端40，信号接收端40中设置有供电装置，供电装置通过电感线圈耦合单元20为信号接收端30供电；信号采集端30能够采集用户输入的手柄控制信号，并将手柄控制信号转换为脉冲控制信号，然后通过光电耦合单元10传送至信号接收端40，信号接收端40在接收到脉冲控制信号之后，能够对其进行解析，并解析成相应的开关信号以及角度信号，进而利用解析出的开关信号以及角度信号控制相应的医疗器械执行相应的动作。

信号采集端30与信号接收端40之间可以发生相对旋转，由于信号采集端30与信号接收端40之间是通过光电耦合单元10与电感线圈耦合单元20实现通讯连接以及供电连接的，光电耦合单元10与电感线圈耦合单元20均属于无线信号传输，因此相较于机械接触，手柄的旋转过程中无磨损存在，使用寿命更长；同时由于光电耦合以及电感线圈耦合所使用的元器件较少，不仅减小了手柄的体积，还降低了手柄的成本。

本申请通过采用电感线圈耦合提供电能，并采用光电耦合实现通信，解决了现有技术中的手柄使用的供电和通讯方法中所存在的供电功率、传输速率以及体积无法同时满足需求的技术问题，不仅满足了手柄的无线供电需求以及无线通讯需求，还实现了减小手柄体积、提高供电功率、提高通讯传输速率以及传输精度的技术效果。

图2是本发明实施例提供的另一种手柄的结构图。

可选地，如图2所示，光电耦合单元10包括一个发光二极管D1以及一个三极管Q1；发光二极管D1设置于信号采集端30，三极管Q1设置于信号接收端40。

具体地，发光二极管D1可以为红外发光二极管，三极管Q1可以为红外光电三极管。当信号采集端30转换得到的脉冲控制信号加载到发光二极管D1上后，驱动发光二极管D1发光，三极管Q1接收到发光二极管D1发出的电平信号并输出给信号接收端40。需要说明的是，由于光电耦合单元10中只含有一个发光二极管D1以及一个三极管Q1，因此当信号采集端30与信号接收端40发送相对旋转的时候，不论如何动作，三极管Q1都可以准确的捕捉到发光二极管D1发出的电平信号，提高了通讯传输的准确性。

图3是本发明实施例提供一种手柄的外观图。

可选地，如图2和图3所示，电感线圈耦合单元20包括第一线圈C1以及第二线圈C2，第一线圈C1设置于信号接收端40，第二线圈C2设置于信号采集端30。

具体地，第一线圈C1为供电发射线圈，第二线圈C2为供电接收线圈，信号接收端40中的供电装置将交流信号加载到电感量相匹配的第一线圈C1上，实现能量的电磁转化；第二线圈C2在第一线圈C1的场强下产生感应交流电场，所产生的交流信号被送入信号采集端30中，实现为信号采集端30的供电。

可选地，如图2所示，信号接收端40包括无线供电发射单元41，无线供电发射单元41与第一线圈C1电连接。

可选地，如图2所示，信号采集端30包括无线供电接收单元31，无线供电接收单元31与第二线圈电C2连接。

具体地，信号接收端40的无线供电发射单元41由直流电源(3.3V-5V)直接供电，无线供电发射单元41将直流电源变频处理后输出为1MHz-5MHz交流信号，将交流信号加载在电感量相匹配的供电发射线圈(即上述第一线圈C1)上，实现能量的电磁转化；供电接收线圈(即上述第二线圈C2)在供电发射线圈的场强下产生感应交流电场，然后无线供电接收单元31将接收到的交流信号进行整流、滤波和稳压处理，最后实现对信号采集端30内的各个电路单元提供稳定电压(3.3V-5V)的直流电源。

可选地，如图2和图3所示，手柄控制信号包括至少一路模拟控制信号以及至少一路数字控制信号；信号采集端30还包括模拟信号传感器单元32、开关信号采集单元33、捏合按钮34、拨动开关35以及信号调制单元36；模拟信号传感器单元32采集捏合按钮34发送的模拟控制信号，并将模拟控制信号传送至信号调制单元36；开关信号采集单元33采集拨动开关35发送的数字控制信号，并将数字控制信号传送至信号调制单元36；信号调制单元36将模拟控制信号和数字控制信号转换为脉冲控制信号。

具体地，信号采集端30内的模拟信号传感器单元32用于采集一路连续的模拟信号量，并将该模拟量转为连续的电压输出到信号调制单元36；开关信号采集单元33用于采集数字信号量，并将该数字量以高低电平的方式输出给信号调制单元36，参见图3，模拟量为手柄的捏合按钮34的角度值，数字量为拨动开关35的开关拨动值；信号调制单元36在接收到两路信号后分别进行占空比和频率调制，产生脉冲控制信号，并将脉冲控制信号加载到电平波形上后，驱动发光二极管D1工作，产生电平信号；三极管Q1接收发光二极管D1产生的电平信号并输出给信号接收端40。

本申请通过设置模拟信号传感器单元32以及开关信号采集单元33分别用于采集手柄的模拟量以及开关量，并通过调制单元36将模拟量以及开关量转换为脉冲控制信号，实现了同时对模拟信号和数字信号的无线传输。

可选地，信号调制单元36还用于将模拟控制信号转换为占空比，将数字控制信号转换为频率，并基于占空比以及频率生成脉冲控制信号。

具体地，模拟控制信号为一个电压值，即模拟量电压，模拟量电压＝占空比*VCC，因此当模拟量从0V到VCC变化时，对应信号占空比0％-100％的变化；数字信号＝信号频率/最小步进频率，例如，若250Hz为最小步进频率，当频率调制为1000Hz，可以解析为数字信号＝4＝1000/250。

图4是本发明实施例提供周期2ms、数字量为1、模拟量为50％VCC的脉冲控制信号图；图5是本发明实施例提供周期2ms、数字量为1、模拟量为12.5％VCC的脉冲控制信号图；图6是本发明实施例提供周期2ms、数字量为1、模拟量为87.5％VCC的脉冲控制信号图；图7是本发明实施例提供周期4ms、数字量为0、模拟量为50％VCC的脉冲控制信号图；图8是本发明实施例提供周期4ms、数字量为0、模拟量为12.5％VCC的脉冲控制信号图；图9是本发明实施例提供周期4ms、数字量为0、模拟量为87.5％VCC的脉冲控制信号图。

示例性地，参见图4-图6，当输入的数字控制信号为1时，信号频率为频率500Hz(周期2ms)；参见图7-图9，当输入的数字控制信号为0时，信号频率为频率250Hz(周期4ms)。如图4和图7所示，当输入端模拟控制信号为VCC(电源电压)*0.5时，信号占空比为50％；如图5和图8所示，当输入端模拟控制信号为VCC(电源电压)*0.125时，信号占空比为12.5％；如图6和图9所示，当输入端模拟控制信号为VCC(电源电压)*0.875时，信号占空比为87.5％。

具体地，参见图4-图6，当周期为2ms、数字量为1时，代表手柄的拨动开关处于初始状态，即未离合状态；参见图7-图9，当周期为4ms、数字量为0时，代表手柄的拨动开关处于置位状态，即离合状态。其中，模拟量为12.5％*VCC，占空比为12.5％时，代表手柄的捏合按钮处于自然张开状态；模拟量为50％*VCC，占空比为50％时，代表手柄捏合按钮处于捏合过程状态；模拟量为87.5％*VCC，占空比为87.5％时，代表手柄捏合按钮处于完全捏合状态。

可选地，如图2所示，信号接收端40还包括信号接收处理单元42；信号接收处理单元42接收脉冲控制信号，并基于脉冲控制信号控制相应的器械执行相应的动作。

具体地，信号接收处理单元42对接收到的脉冲控制信号进行解析，以得到原始的模拟量信号和数字量信号，在根据解析得到的模拟量信号和数字量信号控制相应的器械进行动作，由此实现模拟量和数字量的无线传输。

可选地，信号接收处理单元42还用于将脉冲控制信号转换为角度信号以及开关信号，并基于角度信号以及开关信号控制相应的器械执行相应的动作。

具体地，基于信号调制单元36将模拟控制信号和数字控制信号转换为脉冲控制信号的原理，信号接收处理单元42同样可以实现从脉冲控制信号的频率和占空比解析出模拟量和数字量信息，例如，模拟量为角度信号，数字量为开关信号，可对应多档位开关等。进而根据解析出的角度信号以及开关信号控制相应的器械执行相应的动作。

可选地，如图2所示，信号接收处理单元42与无线供电发射单元41电连接，无线供电发射单元41为信号接收处理单元42供电。

具体地，无线供电发射单元41除了通过电感线圈耦合单元20为信号采集端30供电外，还可以为信号接收端40中的信号接收处理单元42，即信号接收端40中的无线供电发射单元41可以实现为整个手柄内的各个电路单元供电。

在本发明实施例中，以信号频率/周期来代表捏合按钮34的捏合角度，以占空比来代表拨动开关35的拨动状态。可选地，还可以用信号的幅值高低或边沿斜率等来代表不同的信息，例如，可以通过幅值高低来代表腹腔镜切换开关，还可以代表摄像头的远近控制等，在此不做限制。

需要说明的是，上述实施例仅表示了一路模拟控制信号以及一路数字控制信号的传输控制过程，在实际使用过程中，可以根据需要设置不少于两种控制信号；上述实施例仅表示了一个手柄的控制过程，在实际使用过程中，还可以根据手柄的设计需要，同时实现2个以上的手柄功能，例如腔镜和手术器械的切换控制，单个手柄的离合切换，两个手柄的离合切换等，在此不再赘述。

在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

最后应说明的是，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种手柄，其特征在于，所述手柄包括光电耦合单元、电感线圈耦合单元、信号采集端以及信号接收端；所述信号采集端通过所述光电耦合单元、所述电感线圈耦合单元与所述信号接收端电连接；所述信号采集端相对于所述信号接收端旋转动作；

所述信号接收端通过所述电感线圈耦合单元向所述信号采集端提供电能；

所述信号采集端接收手柄控制信号，将所述手柄控制信号转换为脉冲控制信号，并通过所述光电耦合单元将所述脉冲控制信号传送至所述信号接收端。

2.根据权利要求1所述的手柄，其特征在于，所述光电耦合单元包括一个发光二极管以及一个三极管；所述发光二极管设置于所述信号采集端，所述三极管设置于所述信号接收端。

3.根据权利要求1所述的手柄，其特征在于，所述电感线圈耦合单元包括第一线圈以及第二线圈，所述第一线圈设置于所述信号接收端，所述第二线圈设置于所述信号采集端。

4.根据权利要求3所述的手柄，其特征在于，所述信号接收端包括无线供电发射单元，所述无线供电发射单元与所述第一线圈电连接。

5.根据权利要求3所述的手柄，其特征在于，所述信号采集端包括无线供电接收单元，所述无线供电接收单元与所述第二线圈电连接。

6.根据权利要求1所述的手柄，其特征在于，所述手柄控制信号包括至少一路模拟控制信号以及至少一路数字控制信号；

所述信号采集端还包括模拟信号传感器单元、开关信号采集单元、捏合按钮、拨动开关以及信号调制单元；

所述模拟信号传感器单元采集所述捏合按钮发送的所述模拟控制信号，并将所述模拟控制信号传送至所述信号调制单元；

所述开关信号采集单元采集所述拨动开关发送的所述数字控制信号，并将所述数字控制信号传送至所述信号调制单元；

所述信号调制单元将所述模拟控制信号和所述数字控制信号转换为所述脉冲控制信号。

7.根据权利要求6所述的手柄，其特征在于，所述信号调制单元还用于将所述模拟控制信号转换为占空比，将所述数字控制信号转换为频率，并基于所述占空比以及所述频率生成所述脉冲控制信号。

8.根据权利要求4所述的手柄，其特征在于，所述信号接收端还包括信号接收处理单元；所述信号接收处理单元接收所述脉冲控制信号，并基于所述脉冲控制信号控制相应的器械执行相应的动作。

9.根据权利要求8所述的手柄，其特征在于，所述信号接收处理单元还用于将所述脉冲控制信号转换为角度信号以及开关信号，并基于所述角度信号以及所述开关信号控制相应的器械执行相应的动作。

10.根据权利要求8所述的手柄，其特征在于，所述信号接收处理单元与所述无线供电发射单元电连接，所述无线供电发射单元为所述信号接收处理单元供电。