一种力反馈闭环控制机构及控制方法与流程

1.本发明涉及到医疗器械技术领域，特别涉及到一种力反馈闭环控制机构及控制方法。


背景技术：

2.现有介入机器人进行手术时，医生通过操作主端的控制器，即操作组件，实现对从端医疗器械的远程控制，但由于医生没有和从端的医疗器械进行直接接触，医生难以直观地感受从端导管、导丝的递送阻力，严重影响了医生对手术过程地判断。由此可见，采用力反馈机构将医疗器械从端受到的阻力反馈给操作组件，将会使医生在手术过程中始终对从端反馈的阻力有所感知，大大提高手术的安全性。
3.而目前的力反馈机构的力反馈功能精度普遍较差，无法精准地控制力反馈，严重威胁了手术过程的安全性。


技术实现要素：

4.本发明的主要目的为提供一种力反馈闭环控制机构及控制方法，旨在解决在利用机器人做介入手术时，如何精准地在操作组件反馈从端导管导丝递送阻力的技术问题。
5.为了实现上述目的，本发明第一方面提出一种力反馈闭环控制机构及控制方法，用于介入手术机器人主端。
6.进一步地，所述力反馈闭环控制机构包括支撑架，所述支撑架上设置有操作组件、力检测组件以及力反馈组件；还包括与所述力检测组件以及力反馈组件通信连接的主端控制器；
7.所述操作组件与所述力检测组件相互抵接，且与所述力反馈组件保持连接；
8.工作状态下，主端控制器基于递送阻力控制所述力反馈组件输出反向推力给操作组件，所述力检测组件检测所述操作组件被推动时的操作力并传给所述主端控制器；所述主端控制器基于操作力和递送阻力修正所述力反馈组件输出的反向推力。
9.进一步地；所述力检测组件包括安装在所述操作组件上的力传感器支座和力传感器；所述力传感器支座设有导向孔，所述操作组件穿过所述导向孔与所述力传感器一端抵接；所述力传感器的另一端与所述力传感器支座连接。
10.进一步地，所述操作组件包括操作杆和转动连接在所述操作杆端部的旋转轴承组件；所述操作杆穿过所述导向孔与所述旋转轴承组件一侧连接，所述旋转轴承组件另一侧与所述所述力传感器连接。
11.进一步地，所述旋转轴承组件包括安装在所述力传感器支座上的轴承支座、以及安装在所述轴承支座上的轴承；
12.所述轴承支座开设有容置槽，所述容置槽的开口朝向所述操作杆；
13.所述轴承包括轴承外圈、与所述轴承外圈活动连接的轴承内圈；所述轴承外圈安装在所述容置槽内，所述操作杆端部安装在所述轴承内圈，以实现所述操作杆相对所述力
检测组件旋转。
14.进一步地，所述轴承外圈还与所述力传感器支座抵接。
15.进一步地，工作状态下，所述操作杆沿第一方向相对所述支撑架轴向移动，所述操作杆依次推动所述轴承支座、所述力传感器和力传感器支座移动；
16.所述操作杆沿第二方向相对所述支撑架轴向移动，所述操作杆推动所述力传感器支座，所述轴承支座和所述力传感器跟随所述力传感器支座移动；其中所述第一方向与所述第二方向相反。
17.进一步地，所述力检测组件还设有弹性部件，所述轴承支座和所述力传感器支座通过所述弹性部件保持连接，以使所述轴承支座与所述力传感器连接。
18.进一步地，所述力反馈组件包括力矩电机、驱动齿轮和力传导组件；所述力矩电机固定在所述支撑架上，所述力矩电机的输出轴连接所述驱动齿轮；所述力传导组件与所述驱动齿轮啮合，且与所述操作组件连接。
19.进一步地，所述力传导组件包括齿条和导向板；所述齿条与所述驱动齿轮啮合；所述导向板的第一端与所述齿条连接，所述导向板的第二端与所述传感器支座连接。
20.本发明第二方面提出一种力反馈闭环控制方法，用于控制上述力反馈闭环控制机构，所述介入手术机器人主端还包括主端控制器，所述方法运行在所述主端控制器上，所述方法包括以下步骤：
21.s1：获取递送阻力；
22.s2：对所述递送阻力进行处理，获取反向推力，并控制所述力反馈组件输出所述反向推力；
23.s3：获取所述力检测组件反馈的所述操作组件克服所述反向推力被推动时的操作力；
24.s4：判断所述操作力和所述递送阻力是否相等；
25.s5：若所述操作力和所述递送阻力不相等，则重复执行s2-s4，直至所述操作力和所述递送阻力相等，实现闭环反馈。
26.本发明的一种力反馈闭环控制机构及控制方法，用于介入手术机器人主端，所述控制机构包括支撑架，支撑架上设置有操作组件、力检测组件以及力反馈组件；还包括与所述力检测组件以及力反馈组件通信连接的主端控制器；操作组件与力检测组件相互抵接，且与力反馈组件保持连接；工作状态下，主端控制器基于递送阻力控制力反馈组件基于递送阻力输出反向推力给操作组件，力检测组件检测操作组件被推动时的操作力并传给所述主端控制器并以此为依据输出的反向推力；反向推力被力反馈组件传递到操作组件，从而实现操作组件力反馈的闭环控制功能，提高医生操作过程中的力反馈精度，有利于医生对手术过程的判断。
附图说明
27.图1是本发明一实施例的力反馈闭环控制机构结构示意图；
28.图2是本发明一实施例的力检测组件结构示意图；
29.图3是本发明一实施例的力检测组件剖面视图；
30.图4是本发明一实施例的力反馈组件结构示意图；
31.图5是本发明一实施例的力反馈闭环控制方法流程图；
32.图6是本发明一实施例的力反馈闭环控制机构的闭环控制算法流程图。
33.其中，1-支撑架；2-操作组件；3-力检测组件；4-力反馈组件；21-操作杆；22-旋转轴承组件；31-传感器支座；32-力传感器；33-弹性部件；41-力矩电机；42-驱动齿轮；43-传导组件；221-轴承支座；222-轴承；311-导向孔；431-齿条；432-导向板；2211-容置槽；2221-轴承外圈；2222-轴承内圈。
34.本发明目的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
35.应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
36.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体地限定。
37.在本发明的描述中，需要说明的是，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，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或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
38.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
39.参照图1，本发明提出一种力反馈闭环控制机构，用于介入手术机器人主端，所述力反馈闭环控制机构包括支撑架1，所述支撑架1上设置有操作组件2、力检测组件3以及力反馈组件4；还包括与所述力检测组件3以及力反馈组件4通信连接的主端控制器；
40.所述操作组件2与所述力检测组件3相互抵接，且与所述力反馈组件4保持连接；
41.工作状态下，主端控制器基于递送阻力控制所述力反馈组件4输出反向推力给操作组件2，所述力检测组件3检测所述操作组件2被推动时的操作力并传给所述主端控制器；所述主端控制器基于操作力和递送阻力修正所述力反馈组件4输出的反向推力。
42.本实施例中，当操作者推动操作组件2直线移动时，从端机器人在操作组件2的控制下，在人体血管中递送或回撤导管导丝，导管导丝在递送或回撤过程中产生递送阻力。从端机器人将递送阻力发送给主端控制器，控制力反馈组件4输出递送阻力对应的反向推力，
阻碍操作组件2运动，而让操作者感知递送阻力。操作组件2与力检测组件3相互接触，力检测组件3能实时检测出所述操作组件2被推动时的操作力，主端控制器将从端反馈过来的导丝导管的递送阻力和力检测组件3检测出来的推力值(主端力检测值)进行比较而调整输出不同的力矩，并将该力矩反馈给操作组件2，从而实现操作组件2力反馈的闭环控制功能。本实施例中，操作者推动操作组件2直线移动可以是推动操作组件2前进或后退。
43.参照图2，在一实施例中，所述力检测组件3包括安装在所述操作组件2上的传感器支座31和力传感器32；所述传感器支座31设有导向孔311，所述操作组件2穿过所述导向孔311与所述力传感器32一端抵接；所述力传感器32的另一端与所述传感器支座31连接。
44.本实施例中，力检测组件3包括安装在所述操作组件2上的传感器支座31和力传感器32，所述传感器支座31用于支撑和放置力传感器32，所述力传感器32用于检测来自操作组件2的应力大小；同时，所述传感器支座31设有导向孔311，所述操作组件2穿过所述导向孔311，确保操作组件2只能沿所述导向孔311的轴向移动以及沿所述导向孔311的周向转动，且所述操作组件2与所述力传感器32一端抵接，所述力传感器32的另一端与所述传感器支座31连接，由于操作组件2与力检测组件3直接接触，因此通过闭环控制后，可以排除力反馈组件4自身输出力矩精度不准的影响，也可以排除力反馈组件4和操作组件2之间零件间摩擦力的影响，从而能够最大限度的保证操作组件2力反馈的精度。
45.参照图2，所述操作组件2包括操作杆21和转动连接在所述操作杆21端部的旋转轴承组件22；所述操作杆21穿过所述导向孔311与所述旋转轴承组件22一侧连接，所述旋转轴承组件22另一侧与所述所述力传感器32连接。
46.本实施例中，所述操作组件2包括操作杆21和转动连接在所述操作杆21端部的旋转轴承组件22，使得操作组件2可以绕轴承222转动；同时，所述操作杆21穿过所述导向孔311与所述旋转轴承组件22一侧连接，所述旋转轴承组件22另一侧与所述力传感器32连接，确保操作杆21可以和力传感器32进行力的传递。
47.参照图3，所述旋转轴承组件22包括安装在所述传感器支座31上的轴承支座221、以及安装在所述轴承支座221上的轴承222；所述轴承支座221开设有容置槽2211，所述容置槽2211的开口朝向所述操作杆21；所述轴承222包括轴承外圈2221、与所述轴承外圈2221活动连接的轴承内圈2222；所述轴承外圈2221安装在所述容置槽2211内，所述操作杆21端部安装在所述轴承内圈2222，以实现所述操作杆21相对所述力检测组件3旋转。
48.本实施例中，所述轴承支座221开设有容置槽2211，用于安装所述轴承222，所述容置槽2211的开口朝向所述操作杆21。同时所述轴承222包括轴承外圈2221、与所述轴承外圈2221活动连接的轴承内圈2222，所述轴承外圈2221安装在所述容置槽2211内，所述操作杆21端部安装在所述轴承内圈2222，该结构既保证操作杆21可以自由旋转，又保证轴承支座221与力传感器32的接触点没有相对摩擦运动，从而保证力传感器32的检测值准确，不受操作杆21旋转的影响；同时操作杆21旋转也不受力检测组件3的影响，使得操作杆21能够旋转顺畅。
49.参照图3，所述轴承外圈2221还与所述传感器支座31抵接。
50.本实施例中，所述传感器支座31与所述轴承外圈2221抵接，传感器支座31起到对所述轴承外圈2221的支撑与限位的作用。
51.参照图3，工作状态下，所述操作杆21沿第一方向相对所述支撑架1轴向移动，所述
操作杆21依次推动所述轴承支座221、所述力传感器32和传感器支座31移动；所述操作杆21沿第二方向相对所述支撑架1轴向移动，所述操作杆21推动所述传感器支座31，所述轴承支座221和所述力传感器32跟随所述传感器支座31移动；其中所述第一方向与所述第二方向相反。
52.图3中，向左为第一方向，向右为第二方向，本实施例中，力反馈闭环控制机构工作状态下，操作杆21向右移动时，轴承外圈2221右端推动轴承支座221，从而推动力传感器32，从而推动传感器支座31，从而推动整个力检测组件3向右移动；操作杆21向左移动时，轴承外圈2221左端推动传感器支座31，从而推动整个力检测组件3向左移动。
53.进一步地，传感器支座31和操作杆21之间还设置滑动件，该滑动件可以减少操作杆21相对传感器支座31移动的摩擦力，保证在操作杆21向右/左移动过程中，力检测组件3检测到的操作力更加精准，这是因为操作力为操作杆克服摩擦力和反向推力的力，当摩擦力越小，操作力越接近反向推力，力检测组件3检测到的操作力越精准。本实施例中，滑动件可以是滑动轴承、交叉滚子导轨、直线导轨的任一种。
54.参照图2，所述力检测组件3还设有弹性部件33，所述轴承支座221和所述传感器支座31通过所述弹性部件33保持连接，以使所述轴承支座221与所述力传感器32连接。
55.本实施例中，当轴承支座221距离力传感器32超过弹性部件32的临界长度，弹性部件32处于拉伸状态；当轴承支座221距离力传感器32小于弹性部件32的临界长度，弹性部件32处于压缩状态。轴承支座221与力传感器32通过弹性部件33保持一直接触，使得轴承支座221与力传感器32之间的作用力始终能够被弹性部件32缓冲，避免轴承支座221与力传感器32之间或者与力反馈闭环控制机构的其它组件发生过于猛烈的碰撞。在一具体实施例中，所述弹性部件33可以采用拉簧、板簧以及压簧等，只要保证轴承支座221与力传感器32一直接触即可。
56.参照图4，所述力反馈组件4包括力矩电机41、驱动齿轮42和力传导组件43；所述力矩电机41固定在所述支撑架1上，所述力矩电机41的输出轴连接所述驱动齿轮42；所述力传导组件43与所述驱动齿轮42啮合，且与所述操作组件2连接。
57.本实施例中，力矩电机41先后通过驱动齿轮42和力传导组件43将力传递到操作组件2，力检测组件3检测所述操作组件2被推动时的操作力并传给所述力反馈组件4，所述力反馈组件4基于操作力和递送阻力修正所述力反馈组件4输出的反向推力。
58.参照图4，所述力传导组件43包括齿条431和导向板432；所述齿条431与所述驱动齿轮42啮合；所述导向板432的第一端与所述齿条431连接，所述导向板432的第二端与所述传感器支座31连接。
59.本实施例中，操作组件2与力检测组件3相互接触，当推动操作组件2直线移动时，力检测组件3能实时检测出操作组件2的推力值，力矩电机41将根据从端反馈过来的导丝导管的推力值信号和力检测组件3检测出来的推力值(主端力检测值)进行比较而调整输出不同的力矩，该力矩将通过驱动齿轮42到齿条431再到力检测组件3，最终反馈给操作组件2，从而实现操作组件2力反馈的闭环控制功能。
60.参照图5，本发明还提出一种力反馈闭环控制方法，用于控制上述力反馈闭环控制机构，所述介入手术机器人主端还包括主端控制器，所述方法运行在所述主端控制器上，所述方法包括以下步骤：
61.s1：获取递送阻力；
62.s2：对所述递送阻力进行处理，获取反向推力，并控制所述力反馈组件输出所述反向推力；
63.s3：获取所述力检测组件反馈的所述操作组件克服所述反向推力被推动时的操作力；
64.s4：判断所述操作力和所述递送阻力是否相等；
65.s5：若所述操作力和所述递送阻力不相等，则重复执行s2-s4，直至所述操作力和所述递送阻力相等，实现闭环反馈。
66.如上述步骤s1-s5，力反馈闭环控制机构运用于介入手术机器人主端上，介入手术机器人主端还包括主端控制器，操作组件2、力检测组件3和力反馈组件4与主端控制器通信连接。所述闭环控制方法采用的闭环控制程序可以是pi控制算法、p控制算法或pid算法，参照图6，本实施例中，闭环控制程序选用pid算法。所述闭环控制方法运行在主端控制器上。
67.步骤s1中，t(1)时刻，主端控制器获取到从端检测到的递送阻力，即从端机器人通过can总线发过来的阻力数据，该阻力数据包括导管或导丝标识，以及导管或导丝在血管中递送阻力。
68.步骤s2中，主端控制器对所述递送阻力进行处理，即将所述递送阻力输入pid控制环，获取pid控制环输出的反向推力，并控制所述力反馈组件4输出所述反向推力。
69.步骤s3中，t(2)时刻，以阻力数据的变量target(即递送阻力)为目标值，主端控制器开始进入闭环控制算法，设定目标值到操作组件2；然后，进入闭环控制算法的闭环程序(pid闭环程序)，以力检测组件3检测到的操作组件2的操作力作为反馈量，该反馈量即为所述操作组件2克服所述反向推力被推动时的操作力。
70.步骤s4-s5中，每隔一个pid控制周期修正一次，持续判断力反馈组件4输出的反向推力是否达到目标阈值，如果达到，则继续检测变量target数值是否改变，如果数值发生变动，将继续以新目标阈值为准进行pid控制，直到该变量在一个通讯周期内不发生变化，则停止pid调节。本实施例中，指定目标阈值等于递送阻力。
71.以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

技术特征：
1.一种力反馈闭环控制机构，用于介入手术机器人主端，其特征在于，包括支撑架，所述支撑架上设置有操作组件、力检测组件以及力反馈组件；还包括与所述力检测组件以及力反馈组件通信连接的主端控制器；所述操作组件与所述力检测组件相互抵接，且与所述力反馈组件保持连接；工作状态下，主端控制器基于递送阻力控制所述力反馈组件输出反向推力给操作组件，所述力检测组件检测所述操作组件被推动时的操作力并传给所述主端控制器；所述主端控制器基于操作力和递送阻力修正所述力反馈组件输出的反向推力。2.根据权利要求1所述的力反馈闭环控制机构，其特征在于，所述力检测组件包括安装在所述操作组件上的力传感器支座和力传感器；所述力传感器支座设有导向孔，所述操作组件穿过所述导向孔与所述力传感器一端抵接；所述力传感器的另一端与所述力传感器支座连接。3.根据权利要求2所述的力反馈闭环控制机构，其特征在于，所述操作组件包括操作杆和转动连接在所述操作杆端部的旋转轴承组件；所述操作杆穿过所述导向孔与所述旋转轴承组件一侧连接，所述旋转轴承组件另一侧与所述所述力传感器连接。4.根据权利要求3所述的力反馈闭环控制机构，其特征在于，所述旋转轴承组件包括安装在所述力传感器支座上的轴承支座、以及安装在所述轴承支座上的轴承；所述轴承支座开设有容置槽，所述容置槽的开口朝向所述操作杆；所述轴承包括轴承外圈、与所述轴承外圈活动连接的轴承内圈；所述轴承外圈安装在所述容置槽内，所述操作杆端部安装在所述轴承内圈，以实现所述操作杆相对所述力检测组件旋转。5.根据权利要求4所述的力反馈闭环控制机构，其特征在于，所述轴承外圈还与所述力传感器支座抵接。6.根据权利要求5所述的力反馈闭环控制机构，其特征在于，工作状态下，所述操作杆沿第一方向相对所述支撑架轴向移动，所述操作杆依次推动所述轴承支座、所述力传感器和力传感器支座移动；所述操作杆沿第二方向相对所述支撑架轴向移动，所述操作杆推动所述力传感器支座，所述轴承支座和所述力传感器跟随所述力传感器支座移动；其中所述第一方向与所述第二方向相反。7.根据权利要求4所述的力反馈闭环控制机构，其特征在于，所述力检测组件还设有弹性部件，所述轴承支座和所述力传感器支座通过所述弹性部件保持连接，以使所述轴承支座与所述力传感器连接。8.根据权利要求4所述的力反馈闭环控制机构，其特征在于，所述力反馈组件包括力矩电机、驱动齿轮和力传导组件；所述力矩电机固定在所述支撑架上，所述力矩电机的输出轴连接所述驱动齿轮；所述力传导组件与所述驱动齿轮啮合，且与所述操作组件连接。9.根据权利要求8所述的力反馈闭环控制机构，其特征在于，所述力传导组件包括齿条和导向板；所述齿条与所述驱动齿轮啮合；所述导向板的第一端与所述齿条连接，所述导向板的第二端与所述传感器支座连接。10.一种力反馈闭环控制方法，用于控制如权利要求1-9任一项所述的力反馈闭环控制机构，其特征在于，所述方法运行在所述主端控制器上，所述方法包括以下步骤：
s1：获取递送阻力；s2：对所述递送阻力进行处理，获取反向推力，并控制所述力反馈组件输出所述反向推力；s3：获取所述力检测组件反馈的所述操作组件克服所述反向推力被推动时的操作力；s4：判断所述操作力和所述递送阻力是否相等；s5：若所述操作力和所述递送阻力不相等，则重复执行s2-s4，直至所述操作力和所述递送阻力相等，实现闭环反馈。

技术总结
本发明涉及到医疗器械技术领域，公开了一种力反馈闭环控制机构及控制方法，用于介入手术机器人主端，所述控制机构包括支撑架，支撑架上设置有操作组件、力检测组件以及力反馈组件；还包括与所述力检测组件以及力反馈组件通信连接的主端控制器；操作组件与力检测组件相互抵接，且与力反馈组件保持连接；工作状态下，主端控制器基于递送阻力控制力反馈组件基于递送阻力输出反向推力给操作组件，力检测组件检测操作组件被推动时的操作力并传给所述主端控制器并以此为依据输出的反向推力；反向推力被力反馈组件传递到操作组件，从而实现操作组件力反馈的闭环控制功能。组件力反馈的闭环控制功能。组件力反馈的闭环控制功能。


技术研发人员：李正龙 曹晟
受保护的技术使用者：深圳市爱博医疗机器人有限公司
技术研发日：2023.05.06
技术公布日：2023/8/6