机械臂关节的控制系统以及控制方法技术方案

本发明专利技术提供了一种机械臂关节的控制系统以及控制方法，所述控制系统包括减速机构、控制器以及与控制器连接的增量式编码器和旋转电位器，所述减速机构包括输入端和输出端，所述减速机构的输出端与关节相连接，且所述减速机构的输出端与关节中任一可以被另一个驱动，所述增量式编码器用以根据减速机构的输入端的转动状态输出第一信号至控制器，所述旋转电位器用以根据减速机构的输出端的转动状态输出第二信号至控制器，所述控制器根据所述第一信号和第二信号获取上电时减速机构的输入端的绝对角度的精确值，并根据第一信号以及上电时减速机构的输入端的绝对角度的精确值，获得上电后关节的绝对角度的精确值，以控制关节的运动。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及医疗器械
，特别涉及一种机械臂关节的控制系统以及控制方法。
技术介绍
手术机器人的机械臂通常由多个关节组成，各个关节的位置精度影响和决定着整个机器人的运动精度和工作性能。尤其在微创伤手术过程中，任何关节位置的不精确测量都会造成病变组织切除，乃至打结缝合等操作的不准确，由此影响整个手术的成功甚至对病人造成额外的伤害。故而，用于测量、控制关节位置的位置传感器的精确性至关重要。目前，在手术机器人机械臂，经常使用的一种位置传感器是绝对式编码器。但是，绝对式编码器价格高、体积大。另有一种广泛使用的位置传感器是增量式编码器。然而，增量式编码器默认其上电时的位置为零点位置，因此在要求绝对角度位置的场合，设备开机时必须先执行参考点归零操作，以建立机械参考原点，如此操作比较繁琐。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种机械臂关节的控制系统及其控制方法，以解决现有技术中手术机器人的机械臂关节控制系统成本高、体积大以及操作复杂等问题中的一个或多个。为实现上述目的以及其它相关目的，本专利技术提供了一种机械臂关节的控制系统，所述控制系统包括减速机构、控制器以及与所述控制器连接的增量式编码器和旋转电位器；所述减速机构包括输入端和输出端，所述减速机构的输出端与所述关节相连接，且所述减速机构的输出端与所述关节中任一可以被另一个驱动；所述增量式编码器用以根据所述减速机构的输入端的转动状态输出第一信号至所述控制器；所述旋转电位器用以根据所述减速机构的输出端的转动状态输出第二信号至所述控制器；所述控制器根据所述第一信号和第二信号获取上电时所述减速机构的输入端的绝对角度的精确值，并根据所述第一信号以及上电时所述减速机构的输入端的绝对角度的精确值，获得上电后所述关节的绝对角度的精确值，以控制所述关节的运动。优选地，在上述的机械臂关节的控制系统中，所述第一信号包括所述增量式编码器中A相、B相以及C相的脉冲信号，所述控制器根据所述脉冲信号得到上电时所述减速机构的输入端的相对角度的精确值，所述第二信号包括所述旋转电位器的电压信号，所述控制器根据所述电压信号得到上电后所述减速机构的输出端的绝对角度的粗略值。优选地，在上述的机械臂关节的控制系统中，所述控制器根据所述第一信号和第二信号获取上电时所述减速机构的输入端的绝对角度的精确值的过程包括：上电时，所述控制器根据所述第二信号中所述旋转电位器的电压信号获取上电时减速机构的输出端的绝对角度的粗略值；上电后，所述减速机构的输入端转动至所述控制器接收到所述增量式编码器的第一个C相脉冲信号时，所述控制器根据此时的增量式编码器的A相以及B相的脉冲信号以得到上电时增量式编码器的C相偏转角度；然后，所述控制器根据所述上电时减速机构的输出端的绝对角度的粗略值、所述上电时增量式编码器的C相偏转角度以及减速机构的减速比，获取上电时所述减速机构的输入端的绝对角度的精确值。优选地，在上述的机械臂关节的控制系统中，上电后所述减速机构的输入端的绝对角度的精确值的计算如下：θH0＝int(θL0*i/360°)*360°+Δθ0其中，θH0为上电时所述减速机构的输入端的绝对角度的精确值，以角度制度量；int()为向下取整函数；i为预设的减速机构的减速比，且i为大于1的正数；θL0为上电时所述减速机构的输出端的绝对角度的粗略值；Δθ0为上电时所述增量式编码器的C相偏转角度。优选地，在上述的机械臂关节的控制系统中，所述控制器根据上电时所述减速机构的输入端的绝对角度的精确值、所述增量式编码器中A相以及B相的脉冲信号，获得上电后所述减速机构的输入端的绝对角度的精确值。优选地，在上述的机械臂关节的控制系统中，所述减速机构的输入端为一主动轮，所述减速机构的输出端为一从动轮，所述主动轮和从动轮通过牵引体传动连接；所述从动轮与所述关节同轴转动或通过一传动机构连接，所述旋转电位器与所述从动轮同轴转动；所述增量式编码器与所述主动轮同轴转动。优选地，在上述的机械臂关节的控制系统中，所述控制系统还包括一驱动电机，所述驱动电机与减速机构的输入端机械连接，以驱动减速机构的输入端转动，所述控制器与驱动电机电连接，以控制驱动电机的转动。为实现上述目的以及其它相关目的，本专利技术提供了一种机械臂关节的控制方法，包括：一增量式编码器用以根据所述减速机构的输入端的转动状态输出第一信号至控制器；一旋转电位器用以根据所述减速机构的输出端的转动状态输出第二信号至所述控制器；所述控制器根据所述第一信号和第二信号获取上电时所述减速机构的输入端的绝对角度的精确值，并根据所述第一信号以及上电后所述减速机构的输入端的绝对角度的精确值，获得上电后所述关节的绝对角度的精确值，以控制所述关节的运动。优选地，在上述机械臂关节的控制方法中，所述第一信号包括所述增量式编码器中A相、B相以及C相的脉冲信号，所述控制器根据所述脉冲信号得到上电时所述减速机构的输入端的相对角度的精确值，所述第二信号包括所述旋转电位器的电压信号，所述控制器根据所述电压信号得到上电后所述减速机构的输出端的绝对角度的粗略值。优选地，在上述机械臂关节的控制方法中，所述控制器根据所述第一信号和第二信号获取上电时所述减速机构的输入端的绝对角度的精确值的过程包括：上电时，所述控制器根据所述第二信号中所述旋转电位器的电压信号获取上电时所述减速机构的输出端的绝对角度的粗略值；上电后，所述减速机构的输入端转动至所述控制器接收到所述增量式编码器的第一次C相脉冲信号时，所述控制器根据此时的增量式编码器A相以及B相的脉冲信号以得到上电时增量式编码器的C相偏转角度；然后，所述控制器根据所述上电时减速机构的输出端的绝对角度的粗略值、所述上电时增量式编码器的C相偏转角度以及预设的减速机构的减速比，获取上电时所述减速机构的输入端的绝对角度的精确值。优选地，在上述机械臂关节的控制方法中，上电时所述减速机构的输入端的绝对角度的精确值的计算如下：θH0＝int(θL0*i/360°)*360°+Δθ0其中，θH0为上电时所述减速机构的输入端的绝对角度的精确值，以角度制度量；int()为向下取整函数；i为预设的减速机构的减速比，且i为大于1的正数；θL0为上电时所述减速机构的输出端的绝对角度的粗略值；Δθ0为上电时所述增量式编码器的C相偏转角度。优选地，在上述机械臂关节的控制方法中，所述控制器根据上电时所述减速机构的输入端的绝对角度的精确值、所述增量式编码器中A相以及B相的脉冲信号，获得上电后所述减速机构的输入端的绝对角度的精确值。优选地，在上述机械臂关节的控制方法中，所述控制方法还包括上电后校验增量式编码器的步骤：上电后，所述控制器根据所述第二信号获取上电后所述减速机构的输出端的绝对角度的粗略值，并根据所述第一信号获取所述增量式编码器的A相以及B相的脉冲信号，以及上电时所述减速机构的输入端的绝对角度的精确值以及预设的减速机构的减速比，判断所述控制系统是否工作正常。优选地，在上述机械臂关节的控制方法中，判断公式为|θH-θL*i|＞360°，其中，θL为上电后所述减速机构的输出端的绝对角度的粗略值，以角度制度量；θH为上电后所述减速机构的输入端的绝对角度的精确值，以角度制度量；θH为根据增量式编码器的A相、B相的脉冲信号以及上电时所述减速本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种机械臂关节的控制系统，所述控制系统包括减速机构、控制器以及与所述控制器连接的增量式编码器和旋转电位器；所述减速机构包括输入端和输出端，所述减速机构的输出端与所述关节相连接，且所述减速机构的输出端与所述关节中任一可以被另一个驱动；所述增量式编码器用以根据所述减速机构的输入端的转动状态输出第一信号至所述控制器；所述旋转电位器用以根据所述减速机构的输出端的转动状态输出第二信号至所述控制器；所述控制器根据所述第一信号和第二信号获取上电时所述减速机构的输入端的绝对角度的精确值，并根据所述第一信号以及上电时所述减速机构的输入端的绝对角度的精确值，获得上电后所述关节的绝对角度的精确值，以控制所述关节的运动。

【技术特征摘要】
1.一种机械臂关节的控制系统，所述控制系统包括减速机构、控制器以及与所述控制器连接的增量式编码器和旋转电位器；所述减速机构包括输入端和输出端，所述减速机构的输出端与所述关节相连接，且所述减速机构的输出端与所述关节中任一可以被另一个驱动；所述增量式编码器用以根据所述减速机构的输入端的转动状态输出第一信号至所述控制器；所述旋转电位器用以根据所述减速机构的输出端的转动状态输出第二信号至所述控制器；所述控制器根据所述第一信号和第二信号获取上电时所述减速机构的输入端的绝对角度的精确值，并根据所述第一信号以及上电时所述减速机构的输入端的绝对角度的精确值，获得上电后所述关节的绝对角度的精确值，以控制所述关节的运动。2.根据权利要求1所述的机械臂关节的控制系统，其特征在于，所述第一信号包括所述增量式编码器中A相、B相以及C相的脉冲信号，所述控制器根据所述脉冲信号得到上电时所述减速机构的输入端的相对角度的精确值，所述第二信号包括所述旋转电位器的电压信号，所述控制器根据所述电压信号得到上电后所述减速机构的输出端的绝对角度的粗略值。3.根据权利要求2所述的机械臂关节的控制系统，其特征在于，所述控制器根据所述第一信号和第二信号获取上电时所述减速机构的输入端的绝对角度的精确值的过程包括：上电时，所述控制器根据所述第二信号中所述旋转电位器的电压信号获取上电时减速机构的输出端的绝对角度的粗略值；上电后，所述减速机构的输入端转动至所述控制器接收到所述增量式编码器的第一个C相脉冲信号时，所述控制器根据此时的增量式编码器的A相以及B相的脉冲信号以得到上电时增量式编码器的C相偏转角度；然后，所述控制器根据所述上电时减速机构的输出端的绝对角度的粗略值、所述上电时增量式编码器的C相偏转角度以及减速机构的减速比，获取上电时所述减速机构的输入端的绝对角度的精确值。4.根据权利要求3所述的机械臂关节的控制系统，其特征在于，上电后所述减速机构的输入端的绝对角度的精确值的计算如下：θH0＝int(θL0*i/360°)*360°+Δθ0其中，θH0为上电时所述减速机构的输入端的绝对角度的精确值，以角度制度量；int()为向下取整函数；i为预设的减速机构的减速比，且i为大于1的正数；θL0为上电时所述减速机构的输出端的绝对角度的粗略值；Δθ0为上电时所述增量式编码器的C相偏转角度。5.根据权利要求2所述的机械臂关节的控制系统，其特征在于，所述控制器根据上电时所述减速机构的输入端的绝对角度的精确值、所述增量式编码器中A相以及B相的脉冲信号，获得上电后所述减速机构的输入端的绝对角度的精确值。6.根据权利要求1所述的机械臂关节的控制系统，其特征在于，所述减速机构的输入端为一主动轮，所述减速机构的输出端为一从动轮，所述主动轮和从动轮通过牵引体传动连接；所述从动轮与所述关节同轴转动或通过一传动机构连接，所述旋转电位器与所述从动轮同轴转动；所述增量式编码器与所述主动轮同轴转动。7.根据权利要求1所述的机械臂关节的控制系统，其特征在于，所述控制系统还包括一驱动电机，所述驱动电机与减速机构的输入端机械连接，以驱动减速机构的输入端转动，所述控制器与驱动电机电连接，以控制驱动电机的转动。8.一种机械臂关节的控制方法，其特征在于，包括：一增量式编码器用以根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱祥，师云雷，王家寅，何超，施吉超，
申请(专利权)人：微创上海医疗机器人有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31