機械臂關節的控制系統以及控制方法技術方案

本發明專利技術提供了一種機械臂關節的控制系統以及控制方法，所述控制系統包括減速機構、控制器以及與控制器連接的增量式編碼器和旋轉電位器，所述減速機構包括輸入端和輸出端，所述減速機構的輸出端與關節相連接，且所述減速機構的輸出端與關節中任一可以被另一個驅動，所述增量式編碼器用以根據減速機構的輸入端的轉動狀態輸出第一信號至控制器，所述旋轉電位器用以根據減速機構的輸出端的轉動狀態輸出第二信號至控制器，所述控制器根據所述第一信號和第二信號獲取上電時減速機構的輸入端的絕對角度的精確值，并根據第一信號以及上電時減速機構的輸入端的絕對角度的精確值，獲得上電后關節的絕對角度的精確值，以控制關節的運動。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及醫療器械
，特別涉及一種機械臂關節的控制系統以及控制方法。
技術介紹
手術機器人的機械臂通常由多個關節組成，各個關節的位置精度影響和決定著整個機器人的運動精度和工作性能。尤其在微創傷手術過程中，任何關節位置的不精確測量都會造成病變組織切除，乃至打結縫合等操作的不準確，由此影響整個手術的成功甚至對病人造成額外的傷害。故而，用于測量、控制關節位置的位置傳感器的精確性至關重要。目前，在手術機器人機械臂，經常使用的一種位置傳感器是絕對式編碼器。但是，絕對式編碼器價格高、體積大。另有一種廣泛使用的位置傳感器是增量式編碼器。然而，增量式編碼器默認其上電時的位置為零點位置，因此在要求絕對角度位置的場合，設備開機時必須先執行參考點歸零操作，以建立機械參考原點，如此操作比較繁瑣。
技術實現思路
本專利技術的目的在于提供一種機械臂關節的控制系統及其控制方法，以解決現有技術中手術機器人的機械臂關節控制系統成本高、體積大以及操作復雜等問題中的一個或多個。為實現上述目的以及其它相關目的，本專利技術提供了一種機械臂關節的控制系統，所述控制系統包括減速機構、控制器以及與所述控制器連接的增量式編碼器和旋轉電位器；所述減速機構包括輸入端和輸出端，所述減速機構的輸出端與所述關節相連接，且所述減速機構的輸出端與所述關節中任一可以被另一個驅動；所述增量式編碼器用以根據所述減速機構的輸入端的轉動狀態輸出第一信號至所述控制器；所述旋轉電位器用以根據所述減速機構的輸出端的轉動狀態輸出第二信號至所述控制器；所述控制器根據所述第一信號和第二信號獲取上電時所述減速機構的輸入端的絕對角度的精確值，并根據所述第一信號以及上電時所述減速機構的輸入端的絕對角度的精確值，獲得上電后所述關節的絕對角度的精確值，以控制所述關節的運動。優選地，在上述的機械臂關節的控制系統中，所述第一信號包括所述增量式編碼器中A相、B相以及C相的脈沖信號，所述控制器根據所述脈沖信號得到上電時所述減速機構的輸入端的相對角度的精確值，所述第二信號包括所述旋轉電位器的電壓信號，所述控制器根據所述電壓信號得到上電后所述減速機構的輸出端的絕對角度的粗略值。優選地，在上述的機械臂關節的控制系統中，所述控制器根據所述第一信號和第二信號獲取上電時所述減速機構的輸入端的絕對角度的精確值的過程包括：上電時，所述控制器根據所述第二信號中所述旋轉電位器的電壓信號獲取上電時減速機構的輸出端的絕對角度的粗略值；上電后，所述減速機構的輸入端轉動至所述控制器接收到所述增量式編碼器的第一個C相脈沖信號時，所述控制器根據此時的增量式編碼器的A相以及B相的脈沖信號以得到上電時增量式編碼器的C相偏轉角度；然后，所述控制器根據所述上電時減速機構的輸出端的絕對角度的粗略值、所述上電時增量式編碼器的C相偏轉角度以及減速機構的減速比，獲取上電時所述減速機構的輸入端的絕對角度的精確值。優選地，在上述的機械臂關節的控制系統中，上電后所述減速機構的輸入端的絕對角度的精確值的計算如下：θH0＝int(θL0*i/360°)*360°+Δθ0其中，θH0為上電時所述減速機構的輸入端的絕對角度的精確值，以角度制度量；int()為向下取整函數；i為預設的減速機構的減速比，且i為大于1的正數；θL0為上電時所述減速機構的輸出端的絕對角度的粗略值；Δθ0為上電時所述增量式編碼器的C相偏轉角度。優選地，在上述的機械臂關節的控制系統中，所述控制器根據上電時所述減速機構的輸入端的絕對角度的精確值、所述增量式編碼器中A相以及B相的脈沖信號，獲得上電后所述減速機構的輸入端的絕對角度的精確值。優選地，在上述的機械臂關節的控制系統中，所述減速機構的輸入端為一主動輪，所述減速機構的輸出端為一從動輪，所述主動輪和從動輪通過牽引體傳動連接；所述從動輪與所述關節同軸轉動或通過一傳動機構連接，所述旋轉電位器與所述從動輪同軸轉動；所述增量式編碼器與所述主動輪同軸轉動。優選地，在上述的機械臂關節的控制系統中，所述控制系統還包括一驅動電機，所述驅動電機與減速機構的輸入端機械連接，以驅動減速機構的輸入端轉動，所述控制器與驅動電機電連接，以控制驅動電機的轉動。為實現上述目的以及其它相關目的，本專利技術提供了一種機械臂關節的控制方法，包括：一增量式編碼器用以根據所述減速機構的輸入端的轉動狀態輸出第一信號至控制器；一旋轉電位器用以根據所述減速機構的輸出端的轉動狀態輸出第二信號至所述控制器；所述控制器根據所述第一信號和第二信號獲取上電時所述減速機構的輸入端的絕對角度的精確值，并根據所述第一信號以及上電后所述減速機構的輸入端的絕對角度的精確值，獲得上電后所述關節的絕對角度的精確值，以控制所述關節的運動。優選地，在上述機械臂關節的控制方法中，所述第一信號包括所述增量式編碼器中A相、B相以及C相的脈沖信號，所述控制器根據所述脈沖信號得到上電時所述減速機構的輸入端的相對角度的精確值，所述第二信號包括所述旋轉電位器的電壓信號，所述控制器根據所述電壓信號得到上電后所述減速機構的輸出端的絕對角度的粗略值。優選地，在上述機械臂關節的控制方法中，所述控制器根據所述第一信號和第二信號獲取上電時所述減速機構的輸入端的絕對角度的精確值的過程包括：上電時，所述控制器根據所述第二信號中所述旋轉電位器的電壓信號獲取上電時所述減速機構的輸出端的絕對角度的粗略值；上電后，所述減速機構的輸入端轉動至所述控制器接收到所述增量式編碼器的第一次C相脈沖信號時，所述控制器根據此時的增量式編碼器A相以及B相的脈沖信號以得到上電時增量式編碼器的C相偏轉角度；然后，所述控制器根據所述上電時減速機構的輸出端的絕對角度的粗略值、所述上電時增量式編碼器的C相偏轉角度以及預設的減速機構的減速比，獲取上電時所述減速機構的輸入端的絕對角度的精確值。優選地，在上述機械臂關節的控制方法中，上電時所述減速機構的輸入端的絕對角度的精確值的計算如下：θH0＝int(θL0*i/360°)*360°+Δθ0其中，θH0為上電時所述減速機構的輸入端的絕對角度的精確值，以角度制度量；int()為向下取整函數；i為預設的減速機構的減速比，且i為大于1的正數；θL0為上電時所述減速機構的輸出端的絕對角度的粗略值；Δθ0為上電時所述增量式編碼器的C相偏轉角度。優選地，在上述機械臂關節的控制方法中，所述控制器根據上電時所述減速機構的輸入端的絕對角度的精確值、所述增量式編碼器中A相以及B相的脈沖信號，獲得上電后所述減速機構的輸入端的絕對角度的精確值。優選地，在上述機械臂關節的控制方法中，所述控制方法還包括上電后校驗增量式編碼器的步驟：上電后，所述控制器根據所述第二信號獲取上電后所述減速機構的輸出端的絕對角度的粗略值，并根據所述第一信號獲取所述增量式編碼器的A相以及B相的脈沖信號，以及上電時所述減速機構的輸入端的絕對角度的精確值以及預設的減速機構的減速比，判斷所述控制系統是否工作正常。優選地，在上述機械臂關節的控制方法中，判斷公式為|θH-θL*i|＞360°，其中，θL為上電后所述減速機構的輸出端的絕對角度的粗略值，以角度制度量；θH為上電后所述減速機構的輸入端的絕對角度的精確值，以角度制度量；θH為根據增量式編碼器的A相、B相的脈沖信號以及上電時所述減速本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種機械臂關節的控制系統，所述控制系統包括減速機構、控制器以及與所述控制器連接的增量式編碼器和旋轉電位器；所述減速機構包括輸入端和輸出端，所述減速機構的輸出端與所述關節相連接，且所述減速機構的輸出端與所述關節中任一可以被另一個驅動；所述增量式編碼器用以根據所述減速機構的輸入端的轉動狀態輸出第一信號至所述控制器；所述旋轉電位器用以根據所述減速機構的輸出端的轉動狀態輸出第二信號至所述控制器；所述控制器根據所述第一信號和第二信號獲取上電時所述減速機構的輸入端的絕對角度的精確值，并根據所述第一信號以及上電時所述減速機構的輸入端的絕對角度的精確值，獲得上電后所述關節的絕對角度的精確值，以控制所述關節的運動。

【技術特征摘要】
1.一種機械臂關節的控制系統，所述控制系統包括減速機構、控制器以及與所述控制器連接的增量式編碼器和旋轉電位器；所述減速機構包括輸入端和輸出端，所述減速機構的輸出端與所述關節相連接，且所述減速機構的輸出端與所述關節中任一可以被另一個驅動；所述增量式編碼器用以根據所述減速機構的輸入端的轉動狀態輸出第一信號至所述控制器；所述旋轉電位器用以根據所述減速機構的輸出端的轉動狀態輸出第二信號至所述控制器；所述控制器根據所述第一信號和第二信號獲取上電時所述減速機構的輸入端的絕對角度的精確值，并根據所述第一信號以及上電時所述減速機構的輸入端的絕對角度的精確值，獲得上電后所述關節的絕對角度的精確值，以控制所述關節的運動。2.根據權利要求1所述的機械臂關節的控制系統，其特征在于，所述第一信號包括所述增量式編碼器中A相、B相以及C相的脈沖信號，所述控制器根據所述脈沖信號得到上電時所述減速機構的輸入端的相對角度的精確值，所述第二信號包括所述旋轉電位器的電壓信號，所述控制器根據所述電壓信號得到上電后所述減速機構的輸出端的絕對角度的粗略值。3.根據權利要求2所述的機械臂關節的控制系統，其特征在于，所述控制器根據所述第一信號和第二信號獲取上電時所述減速機構的輸入端的絕對角度的精確值的過程包括：上電時，所述控制器根據所述第二信號中所述旋轉電位器的電壓信號獲取上電時減速機構的輸出端的絕對角度的粗略值；上電后，所述減速機構的輸入端轉動至所述控制器接收到所述增量式編碼器的第一個C相脈沖信號時，所述控制器根據此時的增量式編碼器的A相以及B相的脈沖信號以得到上電時增量式編碼器的C相偏轉角度；然后，所述控制器根據所述上電時減速機構的輸出端的絕對角度的粗略值、所述上電時增量式編碼器的C相偏轉角度以及減速機構的減速比，獲取上電時所述減速機構的輸入端的絕對角度的精確值。4.根據權利要求3所述的機械臂關節的控制系統，其特征在于，上電后所述減速機構的輸入端的絕對角度的精確值的計算如下：θH0＝int(θL0*i/360°)*360°+Δθ0其中，θH0為上電時所述減速機構的輸入端的絕對角度的精確值，以角度制度量；int()為向下取整函數；i為預設的減速機構的減速比，且i為大于1的正數；θL0為上電時所述減速機構的輸出端的絕對角度的粗略值；Δθ0為上電時所述增量式編碼器的C相偏轉角度。5.根據權利要求2所述的機械臂關節的控制系統，其特征在于，所述控制器根據上電時所述減速機構的輸入端的絕對角度的精確值、所述增量式編碼器中A相以及B相的脈沖信號，獲得上電后所述減速機構的輸入端的絕對角度的精確值。6.根據權利要求1所述的機械臂關節的控制系統，其特征在于，所述減速機構的輸入端為一主動輪，所述減速機構的輸出端為一從動輪，所述主動輪和從動輪通過牽引體傳動連接；所述從動輪與所述關節同軸轉動或通過一傳動機構連接，所述旋轉電位器與所述從動輪同軸轉動；所述增量式編碼器與所述主動輪同軸轉動。7.根據權利要求1所述的機械臂關節的控制系統，其特征在于，所述控制系統還包括一驅動電機，所述驅動電機與減速機構的輸入端機械連接，以驅動減速機構的輸入端轉動，所述控制器與驅動電機電連接，以控制驅動電機的轉動。8.一種機械臂關節的控制方法，其特征在于，包括：一增量式編碼器用以根據...

【專利技術屬性】
技術研發人員：朱祥，師云雷，王家寅，何超，施吉超，
申請(專利權)人：微創上海醫療機器人有限公司，
類型：發明
國別省市：上海;31