CN206819166U - 一种用于远程控制医疗器械的控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型的目的是提出一种适于操控柔性器械、精度高及能灵活多自由度运动的用于远程控制医疗器械的控制系统。本实用新型的用于远程控制医疗器械的控制系统包括将操作动作转化为控制信号的控制端、用于收集和处理控制端的控制信号，并将控制信号传输给执行端的中央控制器，用于实现多自由度运动控制的执行端；关键在于所述控制端设有旋钮及检测旋钮转动角度的控制编码器，所述执行端设有驱动电机及用于检测驱动电机转动角度的执行编码器，所述控制编码器、执行编码器、驱动电机分别与中央控制器通讯连接，中央控制器根据控制编码器传输的控制信号以及执行编码器的反馈信号，来控制驱动电机的动作，使得驱动电机的转动角度与旋钮的转动角度成正比。

Description

一种用于远程控制医疗器械的控制系统

技术领域

本实用新型涉及医疗器械控制技术，具体来说是一种用于远程控制医疗器械的控制系统。

背景技术

专利号为201310342710.8的实用新型专利公开了一种用于远程控制医疗器械的控制系统，包括用于实现各种输入方式输入并转化为电信号、显示相关信息及通过通讯模块将控制信号传输给执行控制器模块的中央控制器、用于提供各种信号传输通道及信号转换的通讯模块、用于实现多自由度运动控制的执行控制器模块；其中，中央控制器、通讯模块及执行控制器模块依次信号连接。

具体来说，该专利以操作杆来控制各个部件的动作，其操作杆输入模块包括第一操作杆、第一操作杆位置传感器、第二操作杆、第二操作杆位置传感器；其中，第一操作杆位置传感器设于第一操作杆内，第二操作杆位置传感器设于第二操作杆内；第一操作杆有5个方向，分别是前、后、左、右以及旋转，前、后两个方向分别对应着上下维的向上、向下；左、右两个方向分别对应着左右维的向左、向右；旋转对应着转轴维的旋转，当顺时针旋转时，医疗器械也顺时针旋转，逆时针旋转时，医疗器械也逆时针旋转；第二操作杆有3个方向，分别是前、后及旋转，前、后两个方向对应着前后维的向前、向后，旋转则对应着拨盘维，控制着医疗器械的弯曲度。操作杆的信号是通过操作杆内安装位置传感器来检测的，在操作杆的各个方向安装位置传感器，当操纵操作杆时对应方向的位置传感器获得信号，传感器采集到这些信号并将该信号发送给主控制器，主控制器将信号的处理后通过CAN把信号传输到执行端控制器，执行端控制器接收到信号即时驱动伺服控制系统驱动电机动作。

上述实用新型专利中的操作杆只能向主控制器发出方向信号，主控制器根据收到的方向信号来控制执行端动作，这种操作方式的弊端如下：1、难以保证执行端的控制精度，因为操作杆的动作与执行端的动作之间存在一定的时间延迟，特别是远程控制的时候，当操作人员通过远程的观察或者其它信号得知执行端已经执行到位而停止操作杆的动作时，执行端仍然要继续动作一定时间，从而造成了执行端位置的偏差，这对于医疗等技术领域来说是不可接受的；2、无法从操作杆的位置、状态直接地观察到执行端的位置、状态，也就是说，操作杆只能提供给执行端的运动方向的信号，操作杆自身的位置、状态（例如说旋转或倾斜角度）等与执行端的位置、状态完全无关，操作人员只能通过其他途径来获知执行端的位置、状态，不仅具有延时，而且出错的机会也多。3、当需要同时控制多个执行端的多自由度运动时，由于操作杆发出的是方向信号，因此人手难以同时精确控制多个执行端，使其停止在预定的位置及状态。

发明内容

本实用新型的目的是提出一种适于操控柔性器械、精度高及能灵活多自由度运动的用于远程控制医疗器械的控制系统。

本实用新型的用于远程控制医疗器械的控制系统包括将操作动作转化为控制信号的控制端、用于收集和处理控制端的控制信号，并将控制信号传输给执行端的中央控制器、用于实现多自由度运动控制的执行端；关键在于所述控制端设有旋钮及检测旋钮转动角度的控制编码器，所述执行端设有驱动电机及用于检测驱动电机转动角度的执行编码器，所述控制编码器、执行编码器、驱动电机分别与中央控制器通讯连接，中央控制器根据控制编码器传输的控制信号以及执行编码器的反馈信号，来控制驱动电机的动作，使得驱动电机的转动角度与旋钮的转动角度成正比。

上述控制系统与现有技术的不同之处在于：现有技术中的控制端只能提供前进或旋转或弯曲的方向性动作控制信号，并不能提供关于控制端位置、形态的状态控制信号，因此其执行端的动作只能按照动作控制信号持续进行相应的动作，造成了控制的延迟和不精准。而在本实用新型的控制系统中，控制端提供的不再是前进或旋转或弯曲的方向性动作控制信号，而是关于控制端转动角度的状态控制信号，中央控制器接收到状态控制信号后，通过执行编码器来检测执行端中的驱动电机与控制端中的旋钮所处角度之间的差异，并根据该差异来控制执行端的驱动电机，使得驱动电机向减少该角度差异的方向转动，直到驱动电机的转动角度与旋钮的转动角度相对应（即驱动电机的转动角度与旋钮的转动角度成正比），这样，操作人员只要将控制端的旋钮角度转动至预定角度，即可控制执行端的驱动电机的角度也转动至相应的预定角度，保证了执行端的驱动电机角度控制的精确度，并避免了控制延迟而可能造成的执行端的驱动电机转动过度的问题。

进一步地，上述控制编码器可采用绝对值型编码器，所述控制编码器传输的控制信号为反映旋钮当前角度信息的信号，所述执行编码器的反馈信号为反映执行端当前角度信息的信号。上述绝对值型编码器就是对应每个基准的角度发出一个唯一与该角度对应二进制的数值，通过外部记圈器件可以进行多个位置的记录和测量，从而正确检测旋钮及执行端的当前所处的角度。

进一步地，在某些医疗器械中，需要操作人员一手控制两个执行端的转动，为方便操作，本实用新型提出下述方案：所述控制端包括第一旋钮和第二旋钮，所述第一旋钮与第一控制编码器固定连接，所述第二旋钮与第二控制编码器固定连接；所述第一旋钮内部中空而形成空腔，空腔的侧壁设有镂空部，所述第二旋钮及第二控制编码器均安装于空腔内，第二旋钮的部分通过镂空部露出于第一旋钮外；所述第一旋钮还设有供第二控制编码器的导线引出的引线通道。操作人员可以在用手掌控第一旋钮转动的同时，利用单个手指来同时控制第二旋钮的转动，提高了操作的方便性。

进一步地，所述控制端包括第一安装板和第二安装板，所述第一旋钮与第一控制编码器分别位于第一安装板的两侧，第一旋钮的转轴穿过第一安装板，并通过联轴器与第一控制编码器的转轴固定连接；第一安装板在位于第一控制编码器的一侧固定设有第一控制编码器支架，所述第一控制编码器固定于第一控制编码器支架上；所述第二旋钮与第二控制编码器分别位于第二安装板的两侧，第二旋钮的转轴穿过第二安装板，并通过联轴器与第二控制编码器的转轴固定连接；第二安装板在位于第二控制编码器的一侧固定设有第二控制编码器支架，所述第二控制编码器固定于第二控制编码器支架上；第二安装板或第二控制编码器支架与第一旋钮的空腔的侧壁固定连接。上述第一安装板、第二安装板提供了相应旋钮及控制编码器的安装基础，使得第一旋钮、第二旋钮及对应的控制编码器各自形成独立、稳定的结构模块，非常便于装配。

进一步地，所述第一安装板上还通过螺栓安装有第一调阻尼板，所述第一旋钮的转轴设有突出的环形板，所述第一调阻尼板与第一旋钮的环形板之间，以及第一旋钮的环形板与第一安装板之间均夹设有弹性阻尼材料；所述第二安装板上还通过螺栓安装有第二调阻尼板，所述第二旋钮的转轴设有突出的环形板，所述第二调阻尼板与第二旋钮的环形板之间，以及第二旋钮的环形板与第二安装板之间均夹设有弹性阻尼材料。上述旋钮调节其转动阻尼的原理如下：调阻尼板、弹性阻尼材料、旋钮的环形板、弹性阻尼材料、安装板依次叠放，使得旋钮的环形板上下两侧均与弹性阻尼材料接触，当调阻尼板在螺栓的作用下朝向安装板移动时，就会增加环形板与弹性阻尼材料之间的压力，从而增加环形板与弹性阻尼材料之间的摩擦力，提高旋钮的转动阻尼。

相应地，需要减少旋钮转动阻尼时，只需要增加调阻尼板与安装板之间的间距即可，此处不再赘述。

进一步地，所述第一安装板上还通过螺栓安装有第一稳定盘，所述第一稳定盘设有供第一旋钮的转轴穿过的通孔，以提高第一旋钮的转轴的稳定性，所述第一控制编码器支架固定于第一稳定盘上；所述第二安装板上还通过螺栓安装有第二稳定盘，所述第二稳定盘设有供第二旋钮的转轴穿过的通孔，以提高第二旋钮的转轴的稳定性，所述第二控制编码器支架固定于第二稳定盘上。上述稳定盘的厚度较厚，可以增加与旋钮转轴的接触长度，从而稳定旋钮的转轴，防止旋钮的转轴发生倾斜。

进一步地，所述第一旋钮的转轴中空并与所述空腔连通，所述引线通道位于第一旋钮的转轴侧壁上，并位于第一安装板的朝向第一控制编码器的一侧。将第二控制编码器的导线从第一旋钮的转轴侧壁处引出，其引出方向基本与第一控制编码器的导线方向相同，不仅可以提高接线的方便性，避免导线露出于第一安装板朝向第一旋钮的一侧而影响外观，而且该导线不会阻碍第一旋钮的转动。

进一步地，该控制系统还包括用于实时显示控制端的位置、状态等信息的触摸屏，所述触摸屏与中央控制器通讯连接。中央控制器读取控制编码器及执行编码器的数据，并将处理后的数据转化成执行端中的位置、状态等信息显示于触摸屏上，这样操作人员可以直观地看到每个操作旋钮及对应的机器人的自由度的动态状态图（当然，需要利用软件将旋钮及执行端驱动电机的转动角度转化为对应的机器人的动作），提高了操作的可靠性，减少了出错的可能性。

本实用新型的用于远程控制医疗器械的控制系统改变了传统控制系统中的信号类型和控制原理，同时优化了具体的结构，使得远程控制的精度大大提高，使其不会因为控制延迟而造成执行端动作过度，还提高了控制的可靠性和实用性。本实用新型解决了所述现有技术的弊端，非常适合于软镜机械手等医疗器械的远程控制。

附图说明

图1是实施例1的用于远程控制医疗器械的控制系统的原理图。

图2是实施例1的控制端的立体结构示意图（未包括分离的第三旋钮）。

图3是实施例1的控制端的剖视图（未包括分离的第三旋钮）。

图4是实施例1的旋钮的布置图。

附图标示：1、控制端；2、执行端；3、中央控制器；4、第一旋钮；5、第二旋钮；6、第一控制编码器；7、第二控制编码器；8、第三旋钮；9、第三控制编码器；10、第一驱动电机；11、第二驱动电机；12、第一执行编码器；13、第二执行编码器；14、第三执行编码器；15、第一安装板；16、第二安装板；17、第一稳定盘；18、第一控制编码器支架；19、第一调阻尼板；20、第二稳定盘；21、第二控制编码器支架；22、第二调阻尼板；23、引线通道；24、第三驱动电机；25、弹性阻尼材料；26、联轴器；27、导线；28、操控台；29、触摸屏；30、第一旋钮的环形板；31、第二旋钮的环形板。

具体实施方式

下面对照附图，通过对实施实例的描述，对本实用新型的具体实施方式如所涉及的各构件的形状、构造、各部分之间的相互位置及连接关系、各部分的作用及工作原理等作进一步的详细说明。

实施例1：

如图所示，本实施例的用于远程控制医疗器械的控制系统包括将操作动作转化为控制信号的控制端1、用于收集和处理控制端1的控制信号，并将控制信号传输给执行端2的中央控制器3、用于实现多自由度运动控制的执行端2；其中：所述控制端1设有旋钮及检测旋钮转动角度的控制编码器，所述执行端2设有驱动电机和用于检测驱动电机转动角度的执行编码器，所述控制编码器、执行编码器、驱动电机分别与中央控制器3通讯连接，中央控制器3根据控制编码器传输的控制信号以及执行编码器的反馈信号，来控制驱动电机的动作，使得驱动电机的转动角度与旋钮的转动角度成正比。在本实施例中，驱动电机的转动角度与旋钮的转动角度相同，当然，也可以根据需要，将驱动电机的转动角度与旋钮的转动角度设计为预定比例，例如说4:1等，以提高控制的精确性。

在本实施例中，所述控制端1包括水平旋转的第一旋钮4和垂直旋转的第二旋钮5，所述第一旋钮4与第一控制编码器6固定连接，所述第二旋钮5与第二控制编码器7固定连接；所述第一旋钮4内部中空而形成空腔，空腔的侧壁设有镂空部，所述第二旋钮5及第二控制编码器7均安装于空腔内，第二旋钮5的部分通过镂空部露出于第一旋钮4外；所述第一旋钮4还设有供第二控制编码器7的导线引出的引线通道。操作人员可以在用手掌控第一旋钮4转动的同时，利用单个手指来同时控制第二旋钮5的转动，提高了操作的方便性。当然，执行端2也分别设有与第一旋钮4、第二旋钮5对应的第一驱动电机10、第二驱动电机11及第一执行编码器12、第二执行编码器13。在本实施例中，驱动电机采用伺服电机，各执行编码器为上述各驱动电机自身所设有的编码器。

上述控制端1还包括一个与第一旋钮4、第二旋钮5分离的第三旋钮8，该第三旋钮8也连接有对应的检测其转动角度的第三控制编码器9，对应地，执行端2也设有与第三旋钮8对应的第三驱动电机24及第三执行编码器14，在本实施例中，上述各个执行端的动作都是转动的。

本实施例中，上述第一旋钮4对应操作的第一驱动电机10的转动，第二旋钮5对应操作的第二驱动电机11的转动，而第三旋钮8对应操作的第三驱动电机24的转动。

上述各控制编码器采用绝对值型编码器，控制编码器传输的控制信号为反映对应旋钮当前角度信息的信号，所述执行编码器的反馈信号为反映执行端2当前角度信息的信号。上述绝对值型编码器就是对应每个基准的角度发出一个唯一与该角度对应二进制的数值，通过外部记圈器件可以进行多个位置的记录和测量，从而正确检测旋钮及对应执行端2的当前所处的角度。当然，采用增量型编码器也能够实现相应的控制，只需要将软件进行相应的设计，使得软件能够根据改变的角度值来计算出旋钮及执行端的当前所处的角度。

上述控制系统与现有技术的不同之处在于：现有技术中的控制端只能提供前进或旋转方向的动作控制信号，并不能提供关于控制端位置、状态的状态控制信号，因此其执行端的动作只能按照动作控制信号持续进行相应的动作，造成了控制的延迟和不精准。而在本实施例的控制系统中，控制端1提供的不再是前进或旋转等的方向性动作控制信号，而是关于控制端1中各个旋钮当前转动角度的状态控制信号，中央控制器3接收到状态控制信号后，通过执行编码器来检测执行端2的驱动电机所处角度与对应旋钮所处角度之间的差异，并根据该差异来控制执行端2的驱动电机，使得执行端2的驱动电机向减少该角度差异的方向转动，直到执行端2的驱动电机的转动角度与对应旋钮的转动角度相同，这样，操作人员只要将控制端1旋钮的角度转动至预定角度，即可控制执行端2的驱动电机的角度也转动至预定角度，保证了执行端2的驱动电机角度控制的精确度，并避免了控制延迟而可能造成的执行端2的驱动电机转动过度的问题。

在本实施例中，为改善控制台的整体结构、方便操作人员的操作，对控制端1结构做出了下述改进：所述控制端1除了分离的第三旋钮8外，还包括第一安装板15和第二安装板16，所述第一旋钮4与第一控制编码器6分别位于第一安装板15的两侧，第一旋钮4的转轴穿过第一安装板15所设的通孔，并通过联轴器26与第一控制编码器6的转轴固定连接；第一安装板15上还通过螺栓安装有第一稳定盘17，所述第一稳定盘17设有供第一旋钮4的转轴穿过的通孔，该通孔与第一旋钮4的转轴之间为间隙配合，以提高第一旋钮4的转轴的稳定性；第一稳定盘17在位于第一控制编码器6的一侧通过螺丝固定有U形的第一控制编码器支架18，所述第一控制编码器6固定于第一控制编码器支架18上。为方便操作，第一旋钮4的转轴偏心于第一旋钮4的中心。

所述第一安装板15上还通过螺栓安装有第一调阻尼板19，所述第一旋钮4的转轴设有突出的环形板30，所述第一调阻尼板19与第一旋钮的环形板30之间，以及第一旋钮的环形板30与第一安装板15之间均夹设有弹性阻尼材料25；所述第二安装板16上还通过螺栓安装有第二调阻尼板22，所述第二旋钮的转轴设有突出的环形板31，所述第二调阻尼板22与第二旋钮的环形板31之间，以及第二旋钮的环形板31与第二安装板16之间均夹设有弹性阻尼材料。在本实施例中，第一调阻尼板19、第二调阻尼板22的截面均设有弯折部，以限位对应的弹性阻尼材料和环形板。

所述第二旋钮5与第二控制编码器7分别位于第二安装板16的两侧，第二旋钮5的转轴穿过第二安装板16，并通过联轴器26与第二控制编码器7的转轴固定连接；第二安装板16上还通过螺栓安装有第二稳定盘20，所述第二稳定盘20设有供第二旋钮5的转轴穿过的通孔，该通孔与第二旋钮5的转轴之间为间隙配合，以提高第二旋钮5的转轴的稳定性，第二稳定盘20在位于第二控制编码器7的一侧固定设有第二控制编码器支架21，所述第二控制编码器7固定于第二控制编码器支架21上；第二安装板16与第一旋钮4的空腔的侧壁固定连接；第二安装板16上还通过螺栓安装有第二调阻尼板22，所述第二调阻尼板22与第二安装板16之间夹设有弹性阻尼材料25。

上述第一安装板15、第二安装板16提供了相应旋钮及控制编码器的安装基础，使得第一旋钮4、第二旋钮5及对应的控制编码器各自形成独立、稳定的结构模块，非常便于装配。

上述旋钮调节其转动阻尼的原理如下：调阻尼板、弹性阻尼材料、旋钮的环形板、弹性阻尼材料、安装板依次叠放，使得旋钮的环形板上下两侧均与弹性阻尼材料接触，当调阻尼板在螺栓的作用下朝向安装板移动时，就会增加环形板与弹性阻尼材料之间的压力，从而增加环形板与弹性阻尼材料之间的摩擦力，提高旋钮的转动阻尼。相应地，需要减少旋钮转动阻尼时，只需要增加调阻尼板与安装板之间的间距即可，此处不再赘述。

上述稳定盘的厚度较厚，可以增加与旋钮转轴的接触长度，从而稳定旋钮的转轴，防止旋钮的转轴发生倾斜。

第一旋钮4的转轴中空并与所述空腔连通，所述引线通道23位于第一旋钮4的转轴侧壁上，并位于第一安装板15的朝向第一控制编码器6的一侧。将第二控制编码器7的导线27从第一旋钮4的转轴侧壁处引出，其引出方向基本与第一控制编码器6的导线27方向相同，不仅可以提高接线的方便性，避免导线27露出于第一安装板15朝向第一旋钮4的一侧而影响外观，而且该导线27不会阻碍第一旋钮4的转动。

本实施例中的第三旋钮8的结构与第二旋钮5的结构类似，此处不再赘述。上述第一旋钮4、第二旋钮5、第三旋钮8及中央控制器均安装于操控台28上。

在本实施例中，控制系统还包括用于实时显示旋钮转动角度信息的触摸屏29，触摸屏29安装于操控台28上，触摸屏29与中央控制器通讯连接，中央控制器读取控制编码器及执行编码器的数据，并将处理后的数据转化成执行端中的位置、状态等信息显示于触摸屏29上，这样操作人员可以直观地看到每个操作旋钮及对应的机器人的自由度的动态状态图（当然，需要利用软件将旋钮及执行端驱动电机的转动角度转化为对应的机器人的动作），提高了操作的可靠性，减少了出错的可能性。

Claims (8)

1.一种用于远程控制医疗器械的控制系统，包括将操作动作转化为控制信号的控制端、用于收集和处理控制端的控制信号，并将控制信号传输给执行端的中央控制器、用于实现多自由度运动控制的执行端；其特征在于所述控制端设有旋钮及检测旋钮转动角度的控制编码器，所述执行端设有驱动电机及用于检测驱动电机转动角度的执行编码器，所述控制编码器、执行编码器、驱动电机分别与中央控制器通讯连接，中央控制器根据控制编码器传输的控制信号以及执行编码器的反馈信号，来控制驱动电机的动作，使得驱动电机的转动角度与旋钮的转动角度成正比。

2.根据权利要求1所述的用于远程控制医疗器械的控制系统，其特征在于所述控制编码器为绝对值编码器，所述控制编码器传输的控制信号为反映旋钮当前角度信息的信号，所述执行编码器的反馈信号为反映执行端当前角度信息的信号。

3.根据权利要求1或2所述的用于远程控制医疗器械的控制系统，其特征在于所述控制端包括第一旋钮和第二旋钮，所述第一旋钮与第一控制编码器固定连接，所述第二旋钮与第二控制编码器固定连接；所述第一旋钮内部中空而形成空腔，空腔的侧壁设有镂空部，所述第二旋钮及第二控制编码器均安装于空腔内，第二旋钮的部分通过镂空部露出于第一旋钮外；所述第一旋钮还设有供第二控制编码器的导线引出的引线通道。

4.根据权利要求3所述的用于远程控制医疗器械的控制系统，其特征在于所述控制端包括第一安装板和第二安装板，所述第一旋钮与第一控制编码器分别位于第一安装板的两侧，第一旋钮的转轴穿过第一安装板，并通过联轴器与第一控制编码器的转轴固定连接；第一安装板在位于第一控制编码器的一侧固定设有第一控制编码器支架，所述第一控制编码器固定于第一控制编码器支架上；所述第二旋钮与第二控制编码器分别位于第二安装板的两侧，第二旋钮的转轴穿过第二安装板，并通过联轴器与第二控制编码器的转轴固定连接；第二安装板在位于第二控制编码器的一侧固定设有第二控制编码器支架，所述第二控制编码器固定于第二控制编码器支架上；第二安装板或第二控制编码器支架与第一旋钮的空腔的侧壁固定连接。

5.根据权利要求4所述的用于远程控制医疗器械的控制系统，其特征在于所述第一安装板上还通过螺栓安装有第一调阻尼板，所述第一旋钮的转轴设有突出的环形板，所述第一调阻尼板与第一旋钮的环形板之间，以及第一旋钮的环形板与第一安装板之间均夹设有弹性阻尼材料；所述第二安装板上还通过螺栓安装有第二调阻尼板，所述第二旋钮的转轴设有突出的环形板，所述第二调阻尼板与第二旋钮的环形板之间，以及第二旋钮的环形板与第二安装板之间均夹设有弹性阻尼材料。

6.根据权利要求4所述的用于远程控制医疗器械的控制系统，其特征在于所述第一安装板上还通过螺栓安装有第一稳定盘，所述第一稳定盘设有供第一旋钮的转轴穿过的通孔，以提高第一旋钮的转轴的稳定性，所述第一控制编码器支架固定于第一稳定盘上；所述第二安装板上还通过螺栓安装有第二稳定盘，所述第二稳定盘设有供第二旋钮的转轴穿过的通孔，以提高第二旋钮的转轴的稳定性，所述第二控制编码器支架固定于第二稳定盘上。

7.根据权利要求4所述的用于远程控制医疗器械的控制系统，其特征在于所述第一旋钮的转轴中空并与所述空腔连通，所述引线通道位于第一旋钮的转轴侧壁上，并位于第一安装板的朝向第一控制编码器的一侧。

8.根据权利要求1所述的用于远程控制医疗器械的控制系统，其特征在于该控制系统还包括用于实时显示控制端的位置、状态信息的触摸屏，所述触摸屏与中央控制器通讯连接。