[发明专利]一种可变刚度的柔性手术臂的气动控制系统

说明书

本发明公开了一种可变刚度的柔性手术臂的气动控制系统，属于柔性机器人控制领域。包括柔性手术臂、图像采集装置、气动手术臂控制箱、数据交换机、气源、手动操作面板及PC机；其中，图像采集装置、PC机及数据交换机构成上层控制单元，气源、手动操作面板及气动手术臂控制箱构成下层控制单元；下层控制单元能够独立控制手术臂工作或接受上层控制单元的反馈信息后控制柔性手术臂工作。该控制系统结构设计合理，能够提高柔性手术臂的控制精度，减少由于柔性手术臂自身不对称导致的扭曲与偏转。

技术领域

本发明属于柔性机器人控制领域，其中涉及一种可变刚度的柔性手术臂的气动控制系统。

背景技术

柔性机器人近些年一直是研究的热门，柔性手术臂更是研究的热点，相较于传统刚性手术臂，柔性手术臂可以在狭小的空间内变形，适应多变的人体腔道环境，更由于本身材料柔软，安全性能相对更高。然而，由于其本身刚度较低，精确的控制成为一大问题，需要根据实时的工作情况调节柔性手术臂的工作姿态。

PLC控制器作为底层控制器，能够设置不同类型产品的工位数量及位置参数，并能够在线监控运行过程，兼容性高，安全性能高，抗干扰能力强，可以最为稳定的控制单元，在工业上有十分广泛的应用。

应用内窥镜的视觉控制系统，其特点是：相机本身不需要有较高的集成度，通过PC机对图像信息进行处理，而且由于PC机外置于机械臂外节省空间，而且计算能力强，可以快速反馈图像信号。

现有的气动控制系统都是开环的控制，所控制的柔性机器人精度都不高，并未着重提高精度，有进行建模分析柔性机器人运动效果都不理想，无法实时精确的调整运动状态。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可变刚度的柔性手术臂的气动控制系统，该控制系统结构设计合理，能够提高柔性手术臂的控制精度，减少由于柔性手术臂自身不对称导致的扭曲与偏转。

本发明是通过以下技术方案来实现：

本发明公开的一种可变刚度的柔性手术臂的气动控制系统，包括柔性手术臂、图像采集装置、气动手术臂控制箱、数据交换机、气源、手动操作面板及PC机；其中，图像采集装置、PC机及数据交换机构成上层控制单元，气源、手动操作面板及气动手术臂控制箱构成下层控制单元；

气源与气动手术臂控制箱相连，气动手术臂控制箱的气压输出端与柔性手术臂的气腔相连，手动操作面板与气动手术臂控制箱电连接；图像采集装置设置于柔性手术臂末端，图像采集装置的输出端与PC机的输入端相连，PC机与数据交换机交互；数据交换机与气动手术臂控制箱电连接；

下层控制单元能够独立控制手术臂工作或接受上层控制单元的反馈信息后控制柔性手术臂工作。

优选地，当下层控制单元能够独立控制手术臂工作时：

手动操作面板的电信号输出端通过网络传输至数据交换机，由数据交换机传递给气动手术臂控制箱控制柔性手术臂完成动作。

优选地，当下层控制单元接受上层控制单元反馈信息后工作时：

PC机用于接收图像采集装置采集的视觉信号，分析处理后传给数据交换机，再传输给气动手术臂控制箱，由气动手术臂控制箱完成对柔性手术臂的调节控制。

优选地，气动手术臂控制箱包括PLC控制器、电空比例阀、真空发生器及二位三通电磁阀；

PLC控制器分别与电空比例阀及真空发生器相连，PLC控制器用于将接收的来自手动操作面板的电信号传输至电空比例阀控制输出气压大小，传输至真空发生器以产生小于标准大气压的气压；

电空比例阀与气源的气管相连，能够通过电压信号调节气管中的气压大小；电空比例阀通过二位三通电磁阀与外界相连；真空发生器与气源相连，能够将气流由正压转为负压。