[發明專利]一種可變剛度的柔性手術臂的氣動控制系統

有效

• 申請號: 201710576573.2
• 申請日: 2017-07-14
• 公開（公告）號: CN107322589B
• 公開（公告）日: 2020-06-19
• 發明（設計）人: 王永泉;溫坤;陳花玲;徐曉亮;魏東;李宗奇
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: B25J9/14
• 分類號: B25J9/14;B25J9/16;B25J13/06;A61B34/30
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 王霞

1.一種可變剛度的柔性手術臂的氣動控制系統，其特征在于，包括柔性手術臂、圖像采集裝置、氣動手術臂控制箱、數據交換機、氣源、手動操作面板、視頻顯示模塊及PC機；其中，圖像采集裝置、PC機及數據交換機構成上層控制單元，氣源、手動操作面板及氣動手術臂控制箱構成下層控制單元；

氣源與氣動手術臂控制箱相連，氣動手術臂控制箱的氣壓輸出端與柔性手術臂的氣腔相連，手動操作面板與氣動手術臂控制箱電連接；圖像采集裝置設置于柔性手術臂末端，圖像采集裝置的輸出端與PC機的輸入端相連，PC機與數據交換機交互；數據交換機與氣動手術臂控制箱電連接；

下層控制單元能夠獨立控制手術臂工作或接受上層控制單元的反饋信息后控制柔性手術臂工作，獨立控制柔性手術臂的運動方向、各節驅動器的剛度調節，也可與視覺處理交換機結合完成視覺的反饋調節；

氣動手術臂控制箱包括PLC控制器、電空比例閥、真空發生器及二位三通電磁閥；

PLC控制器分別與電空比例閥及真空發生器相連，PLC控制器用于將接收的來自手動操作面板的電信號傳輸至電空比例閥控制輸出氣壓大小，傳輸至真空發生器以產生小于標準大氣壓的氣壓；

電空比例閥與氣源的氣管相連，能夠通過電壓信號調節氣管中的氣壓大小；電空比例閥通過二位三通電磁閥與外界相連；真空發生器與氣源相連，能夠將氣流由正壓轉為負壓；

PLC控制器中包括數字量輸入模塊、數字量輸出模塊、模擬量輸入模塊及模擬量輸出模塊；來自手動操作面板的電信號分別傳輸至數字量輸入模塊和模擬量輸入模塊，分別得到數字信號和模擬信號；

數字量輸出模塊將數字信號傳輸至二位三通電磁閥用于控制氣路的開閉；

模擬量輸出模塊將模擬信號傳輸至電空比例閥用于控制正負氣壓大小；

視頻顯示模塊，用于顯示圖像采集裝置采集的實時圖像，視頻顯示模塊與PC機相連；PC機中還設有圖像處理模塊，圖像處理模塊將圖像采集裝置采集的實時圖像分析處理后，確定目標點位置信息后進行補償處理，再通過網絡將產生的補償信號傳輸至數據交換機，由數據交換機將目標點在圖像中的位置信息傳輸給PLC控制器中的模擬量輸入模塊，輸入用于描述目標點位置的信號，完成對柔性手術臂的自主導航調節；

PC機能夠與下層控制單元交互，將補償信號直接輸入PLC控制器的模擬量輸入模塊，用于完成手動操作的補償調節；

所述補償處理，包括：

(1)準備圖像采集裝置；

(2)采集第一張圖片，并由醫生從圖片中選擇目標區域，并將目標點特征讀取儲存到內存；

(3)采集第i張圖片，獲取第i張圖片中符合目標區域特征的區域并且獲取其位置信息；

(4)采集第i+1張圖片，獲取第i+1張圖片中符合目標區域特征的區域并且獲取其位置信息；

(5)對比兩次獲取的目標區域位置信息差異所產生的位移信息并且與搖桿輸出的位移信號對比并產生補償信號；

(6)將產生的補償信號與搖桿輸出信號相加控制柔性手術臂的運動；

(7)循環步驟(3)-(6)直到柔性手術臂到達指定位置后退出程序；

還包括與氣源相連的減壓閥，用于控制氣源輸入壓力的大小并顯示輸入氣壓，其用于控制氣源輸入的壓力大小保護氣動控制原件，并且顯示輸入氣壓；PLC儲存器中的運算算法能夠根據遙桿輸入模擬信號的大小進行調節，實時調節機械臂中的沖入氣壓大小，其基本運算流程如下：

p_i+1-p_i＝P_i (1)

E_i+1＝e_i+1+d_i|e_i+1| (3)

p_i為讀取第i張圖像中目標點位置信息，P_i為連續兩張圖片中目標點的位置差值向量，e_i為遙桿輸入信號信息，E_i為修正后信號，通過對算法詳細參數進行調節能夠適應不同尺寸的柔性機械臂。

2.根據權利要求1所述的可變剛度的柔性手術臂的氣動控制系統，其特征在于，當下層控制單元能夠獨立控制手術臂工作時：

手動操作面板的電信號輸出端通過網絡傳輸至數據交換機，由數據交換機傳遞給氣動手術臂控制箱控制柔性手術臂完成動作。