[发明专利]一种可变刚度的柔性手术臂的气动控制系统

权利要求书

1.一种可变刚度的柔性手术臂的气动控制系统，其特征在于，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、视频显示模块及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，独立控制柔性手术臂的运动方向、各节驱动器的刚度调节，也可与视觉处理交换机结合完成视觉的反馈调节；

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；

PLC控制器中包括数字量输入模块、数字量输出模块、模拟量输入模块及模拟量输出模块；来自手动操作面板的电信号分别传输至数字量输入模块和模拟量输入模块，分别得到数字信号和模拟信号；

数字量输出模块将数字信号传输至二位三通电磁阀用于控制气路的开闭；

模拟量输出模块将模拟信号传输至电空比例阀用于控制正负气压大小；

视频显示模块，用于显示图像采集装置采集的实时图像，视频显示模块与PC机相连；PC机中还设有图像处理模块，图像处理模块将图像采集装置采集的实时图像分析处理后，确定目标点位置信息后进行补偿处理，再通过网络将产生的补偿信号传输至数据交换机，由数据交换机将目标点在图像中的位置信息传输给PLC控制器中的模拟量输入模块，输入用于描述目标点位置的信号，完成对柔性手术臂的自主导航调节；

PC机能够与下层控制单元交互，将补偿信号直接输入PLC控制器的模拟量输入模块，用于完成手动操作的补偿调节；

所述补偿处理，包括：

(1)准备图像采集装置；

(2)采集第一张图片，并由医生从图片中选择目标区域，并将目标点特征读取储存到内存；

(3)采集第i张图片，获取第i张图片中符合目标区域特征的区域并且获取其位置信息；

(4)采集第i+1张图片，获取第i+1张图片中符合目标区域特征的区域并且获取其位置信息；

(5)对比两次获取的目标区域位置信息差异所产生的位移信息并且与摇杆输出的位移信号对比并产生补偿信号；

(6)将产生的补偿信号与摇杆输出信号相加控制柔性手术臂的运动；

(7)循环步骤(3)-(6)直到柔性手术臂到达指定位置后退出程序；

还包括与气源相连的减压阀，用于控制气源输入压力的大小并显示输入气压，其用于控制气源输入的压力大小保护气动控制原件，并且显示输入气压；PLC储存器中的运算算法能够根据遥杆输入模拟信号的大小进行调节，实时调节机械臂中的冲入气压大小，其基本运算流程如下：

p_i+1-p_i＝P_i (1)

E_i+1＝e_i+1+d_i|e_i+1| (3)

p_i为读取第i张图像中目标点位置信息，P_i为连续两张图片中目标点的位置差值向量，e_i为遥杆输入信号信息，E_i为修正后信号，通过对算法详细参数进行调节能够适应不同尺寸的柔性机械臂。

2.根据权利要求1所述的可变刚度的柔性手术臂的气动控制系统，其特征在于，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。