機(jī)動(dòng)手術(shù)操作支撐裝置的自適應(yīng)平衡控制系統(tǒng)和方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種機(jī)動(dòng)手術(shù)操作支撐裝置的自適應(yīng)平衡控制系統(tǒng)和方法，該系統(tǒng)包括位姿測(cè)量機(jī)構(gòu)、四自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)，其中：位姿測(cè)量機(jī)構(gòu)安裝于機(jī)動(dòng)手術(shù)操作支撐裝置所搭載的平臺(tái)上并用于測(cè)量該平臺(tái)的位姿信號(hào)；四自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)包括上平臺(tái)、下平臺(tái)和連接于前述兩平臺(tái)之間的四個(gè)主動(dòng)支鏈和一個(gè)從動(dòng)支鏈，控制機(jī)構(gòu)基于機(jī)動(dòng)手術(shù)操作支撐裝置的理想位姿信號(hào)和測(cè)得的平臺(tái)位姿信號(hào)的偏差獲取主動(dòng)支鏈的位置信號(hào)，并與實(shí)際測(cè)量的主動(dòng)支鏈位置信號(hào)比較，基于該比較結(jié)果控制主動(dòng)支鏈運(yùn)動(dòng)。本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)全方位的穩(wěn)定，克服艦船體橫搖、縱搖和垂蕩的影響而保持機(jī)動(dòng)手術(shù)操作支撐裝置的平穩(wěn)；而且采用反饋調(diào)節(jié)智能控制，穩(wěn)定性好，執(zhí)行效率高。
【專利說明】機(jī)動(dòng)手術(shù)操作支撐裝置的自適應(yīng)平衡控制系統(tǒng)和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及自動(dòng)控制【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及外科手術(shù)臺(tái)的平衡控制領(lǐng)域，尤其是一種機(jī)動(dòng)手術(shù)操作支撐裝置的自適應(yīng)平衡控制系統(tǒng)和方法。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，機(jī)動(dòng)手術(shù)臺(tái)例如艦船載手術(shù)臺(tái)的綜合平衡系統(tǒng)最常用的手段是采用減搖鰭及減搖水艙等減搖裝置。這類系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉、便于維護(hù)保養(yǎng)，其減搖效果不受航速制約。但是，這類減搖裝置主要是針對(duì)船體的，采用減搖水艙和減搖鰭來實(shí)現(xiàn)，雖然可以用來減緩船體的搖晃，但不能夠作為減少艦船載手術(shù)臺(tái)(倉(cāng))的搖晃措施。這是因?yàn)闇p搖鰭直接安裝在船體外，而減壓水倉(cāng)則很難在比較小的空間其作用。而且這類減搖裝置通常只是有限方向的裝置，可以起到緩解一個(gè)方向，例如上下的震動(dòng)，但不具備同時(shí)完成橫搖、縱搖和垂蕩的減震效果。而對(duì)于艦船用控制性手術(shù)臺(tái)(倉(cāng))而言，其需要能夠在船體同時(shí)有橫搖、縱搖和垂蕩等多方位運(yùn)動(dòng)時(shí)還能夠保持其平穩(wěn)狀態(tài)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明旨在于提供一種機(jī)動(dòng)手術(shù)操作支撐裝置的自適應(yīng)平衡控制系統(tǒng)和方法，根據(jù)機(jī)動(dòng)手術(shù)臺(tái)所搭載平臺(tái)發(fā)生的橫搖、縱搖和垂蕩情況自動(dòng)調(diào)節(jié)手術(shù)臺(tái)的全方位平衡。
[0004]為達(dá)成上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下:
[0005]一種機(jī)動(dòng)手術(shù)操作支撐裝置的自適應(yīng)平衡控制系統(tǒng)，包括位姿測(cè)量機(jī)構(gòu)、四自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)、控制系統(tǒng)，其中:
[0006]位姿測(cè)量機(jī)構(gòu)安裝在機(jī)動(dòng)手術(shù)操作支撐裝置所搭載的平臺(tái)上并用于測(cè)量該平臺(tái)的位姿信號(hào)，該位姿信號(hào)包括橫搖角度、縱搖角度和垂蕩距離；
[0007]四自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)包括上平臺(tái)、下平臺(tái)和連接于前述兩平臺(tái)之間的四個(gè)主動(dòng)支鏈和一個(gè)從動(dòng)支鏈，下平臺(tái)固定在機(jī)動(dòng)手術(shù)操作支撐裝置所搭載的平臺(tái)上，機(jī)動(dòng)手術(shù)操作支撐裝置固定在上平臺(tái)上，每個(gè)主動(dòng)支鏈可驅(qū)動(dòng)上平臺(tái)，從動(dòng)支鏈的一端固定于下平臺(tái)且另一端通過球鏈與上平臺(tái)連接；位姿指位置和姿態(tài)的多維參數(shù)的定義。
[0008]控制機(jī)構(gòu)基于機(jī)動(dòng)手術(shù)操作支撐裝置的理想位姿信號(hào)和位姿測(cè)量機(jī)構(gòu)測(cè)得的平臺(tái)位姿信號(hào)的偏差獲取四自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的四個(gè)主動(dòng)支鏈的位置信號(hào)，并與實(shí)際測(cè)量的四個(gè)主動(dòng)支鏈的位置信號(hào)比較，基于該比較結(jié)果控制主動(dòng)支鏈運(yùn)動(dòng)。
[0009]進(jìn)一步，前述機(jī)動(dòng)手術(shù)操作支撐裝置為機(jī)動(dòng)手術(shù)臺(tái)。
[0010]進(jìn)一步，前述控制機(jī)構(gòu)包括一并聯(lián)機(jī)構(gòu)位置逆解裝置用于根據(jù)給定的機(jī)動(dòng)手術(shù)臺(tái)的理想位姿信號(hào)和位姿測(cè)量機(jī)構(gòu)測(cè)得的平臺(tái)位姿信號(hào)的偏差計(jì)算四自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的四個(gè)主動(dòng)支鏈的位置信號(hào)。
[0011]進(jìn)一步，前述控制機(jī)構(gòu)包括多個(gè)智能控制器，分別用于控制一路主動(dòng)支鏈的運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)。[0012]進(jìn)一步，前述智能控制器基于計(jì)算獲得的四自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的四個(gè)主動(dòng)支鏈的位置信號(hào)和測(cè)量獲得的四自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的四個(gè)主動(dòng)支鏈的位置信號(hào)，發(fā)出控制信號(hào)，通過每個(gè)主動(dòng)支鏈的電動(dòng)執(zhí)行裝置驅(qū)動(dòng)四個(gè)主動(dòng)支鏈運(yùn)動(dòng)。
[0013]進(jìn)一步，前述電動(dòng)執(zhí)行裝置包括伺服電機(jī)、伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和電動(dòng)缸，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器包括電流環(huán)調(diào)節(jié)器、速度環(huán)調(diào)節(jié)器及其逆變器，伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)輸出經(jīng)由電動(dòng)缸從而驅(qū)動(dòng)主動(dòng)支鏈運(yùn)動(dòng)，其中伺服電機(jī)采用三環(huán)負(fù)反饋控制，即:伺服電機(jī)的電流和電機(jī)轉(zhuǎn)子位置反饋信號(hào)，通過電流環(huán)調(diào)節(jié)器進(jìn)行調(diào)節(jié)控制；伺服電機(jī)的速度反饋信號(hào)，通過速度環(huán)調(diào)節(jié)器進(jìn)行調(diào)節(jié)控制；電動(dòng)缸內(nèi)活塞桿位置形成的位置反饋信號(hào)，通過位置環(huán)調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)位置調(diào)節(jié)控制。
[0014]進(jìn)一步,前述每個(gè)主動(dòng)支鏈的一端由虎克鉸與下平臺(tái)連接，四個(gè)虎克鉸點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)內(nèi)接于半徑為RO的圓的矩形，每個(gè)主動(dòng)支鏈的另一端由球鉸與上平臺(tái)連接，四個(gè)球鉸點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)內(nèi)接于半徑為Rl的圓的矩形，其中Rl與RO不相等。
[0015]進(jìn)一步，前述位姿測(cè)量機(jī)構(gòu)包括一陀螺儀。
[0016]進(jìn)一步，前述機(jī)動(dòng)手術(shù)臺(tái)改為機(jī)動(dòng)手術(shù)床。
[0017]本發(fā)明的另一方面提出一種機(jī)動(dòng)手術(shù)操作支撐裝置的自適應(yīng)平衡控制方法，包括以下步驟:
[0018]I)測(cè)量機(jī)動(dòng)手術(shù)操作支撐裝置所搭載平臺(tái)的位姿信號(hào)；
[0019]2)基于測(cè)得的平臺(tái)位姿信號(hào)、理想的機(jī)動(dòng)手術(shù)操作支撐裝置位姿信號(hào)與四自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算四自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的四個(gè)主動(dòng)支鏈的位置信號(hào)；
[0020]3)比較計(jì)算獲得的主動(dòng)支鏈的位置信號(hào)與實(shí)際測(cè)量得到的主動(dòng)支鏈的位置信號(hào);
[0021]4)智能控制器基于比較結(jié)果進(jìn)行位置智能控制，發(fā)出控制信號(hào)；
[0022]5)伺服電機(jī)根據(jù)控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)缸，使得主動(dòng)支鏈運(yùn)動(dòng)從而調(diào)節(jié)機(jī)動(dòng)手術(shù)操作支撐裝置的空間位置。
[0023]進(jìn)一步，前述伺服電機(jī)采用三環(huán)負(fù)反饋控制方式，其中:伺服電機(jī)的電流和電機(jī)轉(zhuǎn)子位置反饋信號(hào)，通過電流環(huán)調(diào)節(jié)器進(jìn)行調(diào)節(jié)控制；伺服電機(jī)的速度反饋信號(hào)，通過速度環(huán)調(diào)節(jié)器進(jìn)行調(diào)節(jié)控制；電動(dòng)缸內(nèi)活塞桿位置形成的位置反饋信號(hào)，通過位置環(huán)調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)位置調(diào)節(jié)控制。
[0024]進(jìn)一步，前述伺服電機(jī)采用交流伺服電機(jī)。
[0025]進(jìn)一步，前述機(jī)動(dòng)手術(shù)操作支撐裝置為機(jī)動(dòng)手術(shù)臺(tái)或機(jī)動(dòng)手術(shù)倉(cāng)中的一種。
[0026]本發(fā)明外科控制性手術(shù)臺(tái)(倉(cāng)):主要應(yīng)用于船載，考慮的應(yīng)用環(huán)境:海上風(fēng)浪導(dǎo)致的船舶不穩(wěn)定和類似自然災(zāi)害或緊急狀態(tài)應(yīng)急環(huán)境下如何順利進(jìn)行需要平衡穩(wěn)定環(huán)境外科手術(shù)
[0027]本發(fā)明外科控制性手術(shù)臺(tái)(倉(cāng)):也可應(yīng)用于車載，考慮的應(yīng)用環(huán)境:救護(hù)車因地面不平導(dǎo)致的車輛顛簸和自然災(zāi)害或緊急狀態(tài)類似應(yīng)急環(huán)境下如何順利進(jìn)行需要平衡穩(wěn)定環(huán)境外科手術(shù)
[0028]機(jī)動(dòng)手術(shù)操作支撐裝置:可用于海上船載和陸上車載的機(jī)動(dòng)(可三自由度調(diào)節(jié))的手術(shù)倉(cāng)(內(nèi)設(shè)手術(shù)臺(tái))；手術(shù)臺(tái)固定在機(jī)動(dòng)手術(shù)倉(cāng)內(nèi):其平面與手術(shù)倉(cāng)平面一致。
[0029]由以上本發(fā)明的技術(shù)方案可知，本發(fā)明的有益效果在于通過設(shè)計(jì)四自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)及其自動(dòng)調(diào)節(jié)方案，首先測(cè)量機(jī)動(dòng)手術(shù)臺(tái)所搭載平臺(tái)的橫搖、縱搖和垂蕩情況，并進(jìn)行實(shí)時(shí)的反饋調(diào)節(jié)控制，使得機(jī)動(dòng)手術(shù)臺(tái)在艦船、飛船等機(jī)動(dòng)平臺(tái)在航行過程中能夠抵御風(fēng)浪的波動(dòng)，保持外傷手術(shù)臺(tái)平面的相對(duì)平穩(wěn)、即外傷手術(shù)臺(tái)的平面相對(duì)于靜止坐標(biāo)系基本不動(dòng)，以保證手術(shù)的成功完成。與目前一般的艦船上使用的減搖裝置相比，本發(fā)明的方案具有主動(dòng)控制性，且體積小，可以內(nèi)置于平臺(tái)例如船體上，而且本發(fā)明方案中的減震不是單方向的，而是全方位的，穩(wěn)定 可靠。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0030]圖1為本實(shí)施例的機(jī)動(dòng)手術(shù)臺(tái)自適應(yīng)平衡控制系統(tǒng)的示例性的原理框圖。
[0031]圖2為圖1實(shí)施例中四自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)調(diào)控平臺(tái)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0032]圖3為圖1實(shí)施例中機(jī)動(dòng)手術(shù)臺(tái)自適應(yīng)平衡控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)原理示意圖。
[0033]圖4為圖1實(shí)施例中電動(dòng)缸位移智能控制的原理示意圖。
[0034]圖5為機(jī)動(dòng)手術(shù)臺(tái)自適應(yīng)平衡控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)流程示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0035]為了更了解本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容，特舉具體實(shí)施例并配合所附圖式說明如下。
[0036]根據(jù)本發(fā)明的較佳實(shí)施例，機(jī)動(dòng)手術(shù)操作支撐裝置的自適應(yīng)平衡控制系統(tǒng)通過設(shè)計(jì)四自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)及其自動(dòng)調(diào)節(jié)方案，首先測(cè)量機(jī)動(dòng)手術(shù)操作支撐裝置所搭載平臺(tái)的橫搖、縱搖和垂蕩情況，并進(jìn)行實(shí)時(shí)的反饋調(diào)節(jié)控制，使得機(jī)動(dòng)手術(shù)操作支撐裝置在艦船、飛船、汽車、航空器等平臺(tái)上在航行過程中能夠抵御多種環(huán)境因素導(dǎo)致的不平衡波動(dòng)，保持機(jī)動(dòng)手術(shù)操作支撐裝置平面的相對(duì)平穩(wěn)、即支撐裝置的平面相對(duì)于靜止坐標(biāo)系基本不動(dòng)，以保證手術(shù)的成功完成。
[0037]自適應(yīng)平衡系統(tǒng)的核心部件:自動(dòng)控制模塊(由工業(yè)計(jì)算機(jī)硬件嵌入式控制軟件構(gòu)成)；機(jī)動(dòng)手術(shù)臺(tái)(倉(cāng))的控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)米用機(jī)電一體化系統(tǒng):包含電控液壓和伺服電機(jī)兩種模式；針對(duì)自適應(yīng)平衡系統(tǒng)(含自動(dòng)控制模塊)的目標(biāo)調(diào)平等問題:提出采用參數(shù)化仿真分析方法對(duì)其進(jìn)行自動(dòng)控制及動(dòng)力學(xué)仿真模擬的方法?？梢酝ㄟ^計(jì)算機(jī)仿真:通過提供系統(tǒng)仿真測(cè)試優(yōu)化，進(jìn)行結(jié)構(gòu)特征參數(shù)和工程特性參數(shù)的設(shè)置與修改，并基于構(gòu)建的參數(shù)化自控平衡模型和報(bào)告模板模型，實(shí)現(xiàn)快速精確地引導(dǎo)項(xiàng)目系統(tǒng)的自動(dòng)調(diào)平整體穩(wěn)定性分析。
[0038]本發(fā)明還涉及:外科控制性手術(shù)臺(tái)(倉(cāng))自適應(yīng)平衡系統(tǒng)、外科手術(shù)臺(tái)(倉(cāng))自適應(yīng)平衡控制系統(tǒng)、機(jī)動(dòng)手術(shù)臺(tái)(倉(cāng))自適應(yīng)平衡控制系統(tǒng)等多種定義。
[0039]如圖1-5所示，下面以艦船搭載平臺(tái)為例，機(jī)動(dòng)手術(shù)操作支撐裝置采用機(jī)動(dòng)手術(shù)臺(tái)為例，當(dāng)然并不以此為限制，還可以采用手術(shù)倉(cāng)、手術(shù)床等。將本實(shí)施例的機(jī)動(dòng)手術(shù)臺(tái)搭建在艦船上，結(jié)合所附圖式1-5詳細(xì)說明本發(fā)明的原理、結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)方式。
[0040]參考圖1、2所示并結(jié)合圖3、4、5所示的信號(hào)和控制示意圖,本實(shí)施例的機(jī)動(dòng)手術(shù)臺(tái)的自適應(yīng)平衡控制系統(tǒng)包括位姿測(cè)量機(jī)構(gòu)、四自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)。
[0041]位姿測(cè)量機(jī)構(gòu)安裝在機(jī)動(dòng)手術(shù)臺(tái)所搭載的平臺(tái)上并用于測(cè)量該平臺(tái)的位姿信號(hào)，該位姿信號(hào)包括橫搖角度、縱搖角度和垂蕩距離。優(yōu)選地，本實(shí)施例中的位姿測(cè)量機(jī)構(gòu)包括一陀螺儀，可方便地測(cè)得船體的橫搖、縱搖和垂蕩信號(hào)。較佳地，陀螺儀安裝于艦船甲板平面，為系統(tǒng)提供艦船甲板橫搖、縱搖和垂蕩信息。
[0042]四自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)具有4個(gè)自由度，分別為升降、橫滾、俯仰、方位，其包括上平臺(tái)、下平臺(tái)和連接于前述兩平臺(tái)之間的四個(gè)主動(dòng)支鏈(P1B1, P2B2, P3B3、P4B4)和一個(gè)從動(dòng)支鏈，下平臺(tái)固定在機(jī)動(dòng)手術(shù)臺(tái)所搭載的平臺(tái)上，機(jī)動(dòng)手術(shù)臺(tái)固定在上平臺(tái)上。
[0043]每個(gè)主動(dòng)支鏈(P1B1, P2B2, P3B3、P4B4) 一端由虎克鉸與下平臺(tái)連接，四個(gè)虎克鉸點(diǎn)(B1、B2、B3、B4)構(gòu)成一個(gè)內(nèi)接于半徑為RO的圓的矩形，每個(gè)主動(dòng)支鏈(P1B1, P2B2, P3B3^P4B4)另一端由球鉸與上平臺(tái)連接，四個(gè)球鉸點(diǎn)(P1、P2、P3、P4)構(gòu)成一個(gè)內(nèi)接于半徑為Rl的圓的矩形，其中Rl與RO不相等。
[0044]每個(gè)主動(dòng)支鏈具有移動(dòng)副，可主動(dòng)伸縮，并且可驅(qū)動(dòng)上平臺(tái)。從動(dòng)支鏈由上下兩構(gòu)件組成，上端構(gòu)件通過球鏈與上平臺(tái)連接，下端構(gòu)件與下平臺(tái)固定連接，兩構(gòu)件間通過移動(dòng)副連接。
[0045]控制機(jī)構(gòu)基于機(jī)動(dòng)手術(shù)臺(tái)的理想位姿信號(hào)和位姿測(cè)量機(jī)構(gòu)測(cè)得的平臺(tái)位姿信號(hào)的偏差獲取四自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的四個(gè)主動(dòng)支鏈的位置信號(hào)，并與實(shí)際測(cè)量的四個(gè)主動(dòng)支鏈的位置信號(hào)比較，基于該比較結(jié)果控制主動(dòng)支鏈運(yùn)動(dòng)。
[0046]參考圖3-4所示，控制機(jī)構(gòu)包括一并聯(lián)機(jī)構(gòu)位置逆解裝置，用于根據(jù)給定的機(jī)動(dòng)手術(shù)臺(tái)的理想位姿信號(hào)和位姿測(cè)量機(jī)構(gòu)測(cè)得的平臺(tái)位姿信號(hào)的偏差計(jì)算四自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的四個(gè)主動(dòng)支鏈的位置信號(hào)。本實(shí)施例中，機(jī)動(dòng)手術(shù)臺(tái)的理想位姿信號(hào)就是橫搖角度、縱搖角度和垂蕩距離皆為零，希望的位姿與船甲板的位姿比較后得到的位姿信號(hào)表示了要求并聯(lián)機(jī)構(gòu)的上平面進(jìn)行與船甲板相反的運(yùn)動(dòng)從而保持機(jī)動(dòng)手術(shù)臺(tái)所在的上平面維持水平。
[0047]本實(shí)施例中， 優(yōu)選地，前述并聯(lián)機(jī)構(gòu)位置逆解裝置為一個(gè)DSP (digital singnalprocessor數(shù)字信號(hào)處理器)，來實(shí)現(xiàn)快速且準(zhǔn)確的計(jì)算，保證了實(shí)時(shí)控制效果的達(dá)到。
[0048]并聯(lián)機(jī)構(gòu)位置逆解裝置根據(jù)給定的機(jī)動(dòng)手術(shù)臺(tái)的理想位姿信號(hào)和位姿測(cè)量機(jī)構(gòu)測(cè)得的平臺(tái)位姿信號(hào)的偏差，并結(jié)合并聯(lián)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算求得并聯(lián)機(jī)構(gòu)四個(gè)主動(dòng)支鏈的位置信號(hào)，其中并聯(lián)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)主要如下:
[0049]上平面的四個(gè)球鉸點(diǎn)P1-P4所在的內(nèi)接園半徑為R1、結(jié)構(gòu)角Θ I ；
[0050]下平面的四個(gè)虎克鉸點(diǎn)B1-B4所在的內(nèi)接園半徑&、結(jié)構(gòu)角Θ ^ ;
[0051]上下平臺(tái)的垂直距離為h ；
[0052]四個(gè)支鏈的靜態(tài)長(zhǎng)度Ii ；
[0053]偏差橫搖位姿信號(hào)(a);
[0054]偏差縱搖位姿信號(hào)(β );
[0055]偏差垂蕩位姿信號(hào)(z);
[0056]首先根據(jù)并聯(lián)機(jī)構(gòu)調(diào)控平臺(tái)的幾何尺寸，獲得各個(gè)主動(dòng)支鏈的基礎(chǔ)信息，分別表示為:
[0057]bP = [bP1, bP2, bP3, bP4]
[0058]pB = [pB1, pB2, pB3, pB4]
[0059]其中:
[0060]bP1 = [R1.sin Θ ” R1.cos Θ 1； h]T
[0061]bP2 = [-R1.sin θ ” R1.cos Θ 1； h]T
[0062]bP3 = [-R1.sin Θ ” -R1.cos Θ 1； h]T[0063]bP4 = [R1.sin θ ” -R1.cos θ ” h]T
[0064]pB1 = [R0.sin Θ。，R。.cos Θ 0J 0]T
[0065]pB2 = [-R0.sin Θ。，R。.cos Θ 0J 0]T
[0066]pB3 = [-R0.sin Θ。，-R0.cos Θ 0J 0]T
[0067]pB4 = [R0.sin Θ。，-R0.cos Θ 0J 0]T
[0068]上述的計(jì)算可以在確定了并聯(lián)機(jī)構(gòu)的幾何尺寸信息后預(yù)先計(jì)算并存儲(chǔ)，然后再根據(jù)下平臺(tái)的測(cè)量位姿信息，進(jìn)行如下計(jì)算:
[0069]STEPl:計(jì)算矩陣上及
cosa -sina O cos β O sin ^ I O O
[0070]LpR= sina cos a 0.0 I 0.0 cos a —sina
0 0 1 -sin β 0 cos β 0 sina cos a
[0071]STEP2:計(jì)算 bB' j

'o'
[0072]hB\ = 0 +bpR- pBi,/ = 1,2,3,4
z
[0073]STEP3:計(jì)算 bP' ” i = 1，2，3，4
[0074]bP' i = [R1.sin Θ ” R1.cos Θ ” h]T+ [h.tan β，h.tan a , 0]T
[0075]bP' 2 = [-R1.sin Θ ” R1.cos Θ ” h]T+ [h.tan β，h.tan a , 0]T
[0076]bP' 3 = [-R1.sin Θ ” -R1.cos Θ ” h]T+ [h.tan β，h.tan a , 0]T
[0077]bP' 4 = [R1.sin Θ ” -R1.cos Θ ” h]T+ [h.tan β，h.tan a , 0]T
[0078]STEP4:計(jì)算支鏈i，i = 1，2，3，4的長(zhǎng)度Li或者相對(duì)于原始長(zhǎng)度的位移Λ Li:
'Al_
[0079]L2:bB;-bP;，i = l，2,3，4，Li = L] + L22 + L2,1 =1,2,3,4
_4」
[0080]Mi = +Il2+L23 = 1,2,3,4
[0081]并聯(lián)機(jī)構(gòu)位置逆解為獲得四自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的正確動(dòng)作提供了基礎(chǔ)算法。
[0082]結(jié)合圖3和圖5所示，計(jì)算得到四個(gè)主動(dòng)支鏈的位置信號(hào)后，與實(shí)際測(cè)量得到的四個(gè)主動(dòng)支鏈的位置信號(hào)進(jìn)行比較，通過控制機(jī)構(gòu)內(nèi)的智能控制器發(fā)出控制信號(hào)，由每個(gè)主動(dòng)支鏈的電動(dòng)執(zhí)行裝置驅(qū)動(dòng)支鏈運(yùn)動(dòng)，從而達(dá)到平衡手術(shù)臺(tái)的目的。較佳地，通過位置測(cè)量裝置實(shí)際測(cè)量四個(gè)主動(dòng)支鏈的位置，位置測(cè)量裝置安裝與主動(dòng)支鏈上，以快速地測(cè)量主動(dòng)支鏈的位移。
[0083]控制機(jī)構(gòu)包括多個(gè)智能控制器，分別用于控制一路主動(dòng)支鏈的運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)。如圖3所示，每路主動(dòng)支鏈分別連接有一個(gè)智能控制器，智能控制器基于計(jì)算獲得的四自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的四個(gè)主動(dòng)支鏈的位置信號(hào)和測(cè)量獲得的四自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的四個(gè)主動(dòng)支鏈的位置信號(hào)，發(fā)出控制信號(hào)，通過每個(gè)主動(dòng)支鏈的電動(dòng)執(zhí)行裝置驅(qū)動(dòng)四個(gè)主動(dòng)支鏈運(yùn)動(dòng)。
[0084]參考圖4并結(jié)合圖5所示，電動(dòng)執(zhí)行裝置包括伺服電機(jī)、伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和電動(dòng)缸，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器包括電流環(huán)調(diào)節(jié)器、速度環(huán)調(diào)節(jié)器及其逆變器，伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)輸出經(jīng)由電動(dòng)缸從而驅(qū)動(dòng)主動(dòng)支鏈運(yùn)動(dòng)，其中伺服電機(jī)采用三環(huán)負(fù)反饋控制，即:伺服電機(jī)的電流和電機(jī)轉(zhuǎn)子位置反饋信號(hào)，通過電流環(huán)調(diào)節(jié)器進(jìn)行調(diào)節(jié)控制；伺服電機(jī)的速度反饋信號(hào)，通過速度環(huán)調(diào)節(jié)器進(jìn)行調(diào)節(jié)控制；電動(dòng)缸內(nèi)活塞桿位置形成的位置反饋信號(hào)，通過位置環(huán)調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)位置調(diào)節(jié)控制。
[0085]本實(shí)施例中，伺服電機(jī)為交流伺服電機(jī)，電動(dòng)缸采用交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了全電動(dòng)力，使得本實(shí)施例的控制方案具有了廣泛的應(yīng)用場(chǎng)所。
[0086]電流環(huán)和速度環(huán)的反饋調(diào)節(jié)由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)，通過在電動(dòng)缸上或者電動(dòng)缸內(nèi)安裝位移傳感器，檢測(cè)并反饋活塞桿的位移信號(hào)，由運(yùn)動(dòng)控制器實(shí)現(xiàn)位置閉環(huán)控制。根據(jù)電動(dòng)缸的位移信號(hào)與給定位移的偏差以及偏差的變化分別采用進(jìn)行比例、微分、積分及其組合的智能PID控制，以獲得平穩(wěn)而快速的控制效果。其中，智能調(diào)節(jié)器的具體控制規(guī)則為:
【權(quán)利要求】
1.一種機(jī)動(dòng)手術(shù)操作支撐裝置的自適應(yīng)平衡控制系統(tǒng)，其特征在于，包括位姿測(cè)量機(jī)構(gòu)、四自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)，其中: 位姿測(cè)量機(jī)構(gòu)安裝于機(jī)動(dòng)手術(shù)操作支撐裝置所搭載的平臺(tái)上并用于測(cè)量該平臺(tái)的位姿信號(hào)，該位姿信號(hào)包括橫搖角度、縱搖角度和垂蕩距離； 四自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)包括上平臺(tái)、下平臺(tái)和連接于前述兩平臺(tái)之間的四個(gè)主動(dòng)支鏈和一個(gè)從動(dòng)支鏈，下平臺(tái)固定在機(jī)動(dòng)手術(shù)操作支撐裝置所搭載的平臺(tái)上，機(jī)動(dòng)手術(shù)操作支撐裝置固定在上平臺(tái)上，每個(gè)主動(dòng)支鏈可驅(qū)動(dòng)上平臺(tái)，從動(dòng)支鏈的一端固定于下平臺(tái)且另一端通過球鏈與上平臺(tái)連接； 控制機(jī)構(gòu)基于機(jī)動(dòng)手術(shù)操作支撐裝置的理想位姿信號(hào)和位姿測(cè)量機(jī)構(gòu)測(cè)得的平臺(tái)位姿信號(hào)的偏差獲取四自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的四個(gè)主動(dòng)支鏈的位置信號(hào)，并與實(shí)際測(cè)量的四個(gè)主動(dòng)支鏈的位置信號(hào)比較，基于該比較結(jié)果控制主動(dòng)支鏈運(yùn)動(dòng)； 前述機(jī)動(dòng)手術(shù)操作支撐裝置為一機(jī)動(dòng)手術(shù)臺(tái)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的機(jī)動(dòng)手術(shù)操作支撐裝置的自適應(yīng)平衡控制系統(tǒng)，其特征在于，前述控制機(jī)構(gòu)包括一并聯(lián)機(jī)構(gòu)位置逆解裝置用于根據(jù)給定的機(jī)動(dòng)手術(shù)臺(tái)的理想位姿信號(hào)和位姿測(cè)量機(jī)構(gòu)測(cè)得的平臺(tái)位姿信號(hào)的偏差計(jì)算四自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的四個(gè)主動(dòng)支鏈的位置信號(hào)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的機(jī)動(dòng)手術(shù)操作支撐裝置的自適應(yīng)平衡控制系統(tǒng)，其特征在于，前述控制機(jī)構(gòu)包括多個(gè)智能控制器，分別用于控制一路主動(dòng)支鏈的運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的機(jī)動(dòng)手術(shù)操作支撐裝置的自適應(yīng)平衡控制系統(tǒng)，其特征在于，前述智能控制器基于計(jì)算獲得的四自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的四個(gè)主動(dòng)支鏈的位置信號(hào)和測(cè)量獲得的四自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的四個(gè)主動(dòng)支鏈的位置信號(hào)，發(fā)出控制信號(hào)，通過每個(gè)主動(dòng)支鏈的電動(dòng)執(zhí)行裝置驅(qū)動(dòng)四個(gè)主動(dòng)支鏈運(yùn)動(dòng)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的機(jī)動(dòng)手術(shù)操作支撐裝置的自適應(yīng)平衡控制系統(tǒng)，其特征在于，前述電動(dòng)執(zhí)行裝置包括伺服電機(jī)、伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和電動(dòng)缸，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器包括電流環(huán)調(diào)節(jié)器、速度環(huán)調(diào)節(jié)器及其逆變器，伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)輸出經(jīng)由電動(dòng)缸從而驅(qū)動(dòng)主動(dòng)支鏈運(yùn)動(dòng)，其中伺服電機(jī)采用三環(huán)負(fù)反饋控制，即:伺服電機(jī)的電流和電機(jī)轉(zhuǎn)子位置反饋信號(hào)，通過電流環(huán)調(diào)節(jié)器進(jìn)行調(diào)節(jié)控制；伺服電機(jī)的速度反饋信號(hào)，通過速度環(huán)調(diào)節(jié)器進(jìn)行調(diào)節(jié)控制；電動(dòng)缸內(nèi)活塞桿位置形成的位置反饋信號(hào)，通過位置環(huán)調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)位置調(diào)節(jié)控制。
6.根據(jù)前述任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述的機(jī)動(dòng)手術(shù)操作支撐裝置的自適應(yīng)平衡控制系統(tǒng)，其特征在于，前述每個(gè)主動(dòng)支鏈的一端由虎克鉸與下平臺(tái)連接，四個(gè)虎克鉸點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)內(nèi)接于半徑為RO的圓的矩形，每個(gè)主動(dòng)支鏈的另一端由球鉸與上平臺(tái)連接，四個(gè)球鉸點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)內(nèi)接于半徑為Rl的圓的矩形，其中Rl與RO不相等。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的機(jī)動(dòng)手術(shù)操作支撐裝置的自適應(yīng)平衡控制系統(tǒng)，其特征在于，前述位姿測(cè)量機(jī)構(gòu)包括一陀螺儀。
8.一種機(jī)動(dòng)手術(shù)操作支撐裝置的自適應(yīng)平衡控制方法，其特征在于，包括以下步驟: 1)測(cè)量機(jī)動(dòng)手術(shù)操作支撐裝置所搭載平臺(tái)的位姿信號(hào)； 2)基于測(cè)得的平臺(tái)位姿信號(hào)、理想的機(jī)動(dòng)手術(shù)操作支撐裝置位姿信號(hào)與四自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算四自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的四個(gè)主動(dòng)支鏈的位置信號(hào)； 3)比較計(jì)算獲得的主動(dòng)支鏈 的位置信號(hào)與實(shí)際測(cè)量得到的主動(dòng)支鏈的位置信號(hào)；4)智能控制器基于比較結(jié)果進(jìn)行位置智能控制，發(fā)出控制信號(hào)； 5)伺服電機(jī)根據(jù)控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)缸，使得主動(dòng)支鏈運(yùn)動(dòng)從而調(diào)節(jié)機(jī)動(dòng)手術(shù)操作支撐裝置的空間位置。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的機(jī)動(dòng)手術(shù)操作支撐裝置的自適應(yīng)平衡控制方法，其特征在于，前述伺服電機(jī)采用三環(huán)負(fù)反饋控制方式，其中:伺服電機(jī)的電流和電機(jī)轉(zhuǎn)子位置反饋信號(hào)，通過電流環(huán)調(diào)節(jié)器進(jìn)行調(diào)節(jié)控制；伺服電機(jī)的速度反饋信號(hào)，通過速度環(huán)調(diào)節(jié)器進(jìn)行調(diào)節(jié)控制；電動(dòng)缸內(nèi)活塞桿位置形成的位置反饋信號(hào)，通過位置環(huán)調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)位置調(diào)節(jié)控制。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的機(jī)動(dòng)手術(shù)操作支撐裝置的自適應(yīng)平衡控制方法，其特征在于，前述伺服電機(jī)采用交流伺服電機(jī)，前述機(jī)動(dòng)手術(shù)操作支撐裝置為機(jī)動(dòng)手術(shù)臺(tái)或機(jī)動(dòng)手術(shù)倉(cāng)中的 一種。
【文檔編號(hào)】A61G13/02GK103655102SQ201310393624
【公開日】2014年3月26日 申請(qǐng)日期:2013年9月3日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月3日
【發(fā)明者】史建剛, 王元 申請(qǐng)人:史建剛, 王元