醫(yī)用高精度四點支撐及姿態(tài)調整系統技術方案

1、醫(yī) 用 高 精 度 四 點 支 撐及 姿 態(tài) 調 整 系 統 技 術 方 案目 錄1 概述。12 方案說明。13 技術方案。2 3.1 設計總則。2 3.1.1 設計標準和規(guī)范。.2 3.1.2 設計原則。2 3.2 系統構架及工作過程。5 3.2.1 工作過程。5 3.3 方案設計。7 3.3.1 支撐腿設計。7 3.3.2 水平傳感器設計。8 3.3.3 控制系統設計。9 3.3.4 軟件設計。9 3.3.5 系統性能。134 名詞解釋。135 附圖。1、 概述在醫(yī)療技術蓬勃發(fā)展的今天，移動式醫(yī)療設備（諸如移動手術床、移動檢測設備、移動手術設備等等）已廣為使用，這類設備中一大部分需要有穩(wěn)定

2、的操作平臺，一直以來這些平臺需要自動三點剛性支撐或四點手動剛性支撐。但三點自動剛性支撐抗傾覆力矩比較小，支撐穩(wěn)固性較差；四點手動支撐系統支撐費時費力，且支撐效果不好，往往有一點是虛腿（支撐腿未著地，不能起到支撐作用），不能很好起到支撐作用。醫(yī)用高精度四點支撐及姿態(tài)調整系統是北京萊孟德自動控制技術有限公司2010年6月應客戶需求為骨科導航定位系統（注：該系統是國家863計劃項目的成果轉化）設計開發(fā)的支撐產品，于2011年初投入臨床使用，并取得良好的使用效果；已經成為骨科導航定位系統的標配產品。目前，我公司已與多家移動式醫(yī)療設備廠家取得了廣泛聯系，一些已經有初步合作意向。醫(yī)用高精度四點支撐及姿態(tài)調

3、整系統是一套非常可靠 的平穩(wěn)四點支撐系統。該系統的最大優(yōu)點是在四點同時以一定姿態(tài)穩(wěn)定支撐，抗傾覆力矩大，支撐簡便迅速，支撐可靠度高，因此，醫(yī)用高精度四點支撐及姿態(tài)調整系統是未來移動式醫(yī)用平臺平衡支撐的發(fā)展趨勢。2、 方案說明 該系統包括：支撐腿四條、傾角傳感器一只、控制箱一匹等。我公司在設計本系統方案時，充分考慮了醫(yī)用手術平臺的使用環(huán)境和使用特點，并結合多年來我公司數百套車載平衡支撐系統的設計生產經驗和教訓，使該系統具備如下特點：醫(yī)用手術平臺高精度平衡支撐系統的特點有： 完全自主知識產權，支撐腿、水平傳感器、控制系統全部為我公司獨立開發(fā)生產，產品具有良好的擴展性和可延續(xù)性； 穩(wěn)定可靠，依靠支撐

4、的二次檢測和支撐補償，可確保支撐的穩(wěn)定性和牢固性； 支持水平支撐和固定支撐，支持傾角姿態(tài)的調整和支撐； 支持系統集中控制； 良好的硬件軟件兼容性； 可靠實現所需的支撐高度：程序可輸入支撐高度參數，并依據對齒輪齒的脈沖計數可靠實現所需支撐。3、 技術方案3.1 設計總則3.1.1 設計遵循標準和規(guī)范包裝儲運圖示標志 gb191-2000測量、控制和試驗室用電氣設備的安全要求，通用要求 gb4793.1-1995iec1010-1：1990gb9706.1醫(yī)用電氣設備安全通用要求 gb9706.1醫(yī)用電氣設備 第一部分：安全通用要求 gb9706.1-1995工業(yè)產品使用說明書 總則 gb1015

5、2-1997醫(yī)用電氣設備環(huán)境要求及試驗方法 gb/t14710-93醫(yī)療器械生物學評價 gb/t16886.16-2003編寫和使用醫(yī)用電氣設備教材的導則 gb/z17994-1999管理、醫(yī)療、護理人員安全使用醫(yī)用電氣設備導則 gb/z17995-1999骨接合植入物 金屬接骨板 yy0017-2002骨接合植入物 金屬接骨螺釘 yy0018-2002外科器械 金屬材料 yy/t0294.1-2005電動手術臺 yy91106-1999 3.1.2 設計原則 先進性： 本系統方案的先進性主要體現在以下幾方面： 國內無同類性產品 先進的設計理念：由于電機提供的扭力和電機電流關系受外界條件影響比

6、較大(如溫度)，且電機電流只能大概反映電機扭矩的大小，所以在最后補償階段可能會出現兩種情況：a 調整支腿的電機在特定電流下提供的推力較大，造成其他支撐腿的虛腿；b 調整支腿特定電流下，由于受外界干擾和自身阻力的不恒定，該支撐腿未觸地就停車，造成該腿任然是虛腿的問題。該設計創(chuàng)新采用pw m欠壓供電，提高電機的電流/扭矩的比例參數（見圖），實現了大電流提供低力矩的性能，在實際應用中達到了良好的使用效果。 可靠性、穩(wěn)定性 高可靠性具體體現在： 整個系統采用的技術和器件都是有多年的成功應用經驗；軟件高可靠性設計，采用成熟技術和冗余設計 可維護性 可維護性表現在： 故障點易于發(fā)現 故障點易于排除 日常管

7、理操作簡便 操作簡易性 操作簡易性表現在： 面板操作和集中控制 水平支撐（把平臺支撐調整到水平狀態(tài)）、固定支撐（按支撐前的狀態(tài)支撐并調整角度）、和支撐收起等3種功能，每個功能只需一個按鍵及可完成全部操作 可擴展性 可擴展性表現在 所有知識產權全部自主，可依據不同需求做相應調整3.2 系統構架及工作過程系統構架圖如下到 上 位 機 支撐腿四個控制箱水平傳感器 3.2.1 工作過程：l 水平支撐：四條腿接近開關b（見附圖）均為開啟（接近狀態(tài)），電機正轉（順時針方向）進入觸地過程，支撐腿伸長，接近開關a開始計齒輪齒轉動的脈沖數，并計算總伸長長度防止超行程，同時單片機檢測每個電機的電流值，支撐腿觸地電

8、機電流變大，電機停車，四個電機完成停車后，電機再次啟動進入抬升過程，共同抬升工作平臺到一定高度（通過計算齒輪齒對接近開關a的脈沖信號），電機停車進入調平過程；控制箱和水平傳感器通信，根據水平傳感器二維傾角信號調整相應的腿的長度以達到要求的水平度并計算出虛腿（未提供支撐力）位置，為該腿pwm欠壓供電并檢測電流值達到一定后停車；再次執(zhí)行該過程直到水平度滿足需求，完成全部過程。l 固定支撐：四條腿接近開關b（見附圖）均為開啟（接近狀態(tài)），且記憶該狀態(tài)下的水平傳感器值，完成觸地過程、支撐過程，并進入調整過程，該調整過程是以支撐前的水平傳感器值為調整基準，直到支撐后的水平傳感器值和支撐前相同，支撐過程結

9、束。l 收起過程：電機反轉，支撐腿收起，直到接近開關b開啟，電機停車，支撐腿處于收起狀態(tài)。裝機圖：支撐狀態(tài)圖：3.3 方案設計3.3.1 支撐腿的設計如下圖：1 齒輪a 2 接近開關a 3 絲母 4 絲杠 5 外套筒 6 接近開關b 7 支撐腿 8 齒輪箱 9 電機工作時，電機通過齒輪付帶動絲杠做轉動，從而帶動支撐腿做伸、縮運動，其中接近開關b檢測支撐腿的位置是否為初始位置，接近開關a檢測齒輪旋轉的齒數，與接近開關b配合計算支撐腿的伸長量3.3.2 水平傳感器的設計水平傳感器采用兩塊單軸微硅加速度表，分別檢測相互垂直的兩個軸向的加速度值，根據測的的值和理論加速度對比計算出每個軸相對水平面的傾角

10、，兩軸的矢量和的方向及水平傳感器安裝平面的傾角切線方向。我們選sca60c作為傾角敏感器件，該器件具有工作溫度范圍寬，測量范圍寬，性能穩(wěn)定等特點，在常溫下測量精度可達0.2。同時水平傳感器4路高低電平輸出到控制箱，為控制箱提供控制信號。3.3.3 控制系統的設計 控制系統須有一下功能： a 電機正反轉：可分別控制四路中任一路電機的正反轉 b 電流檢測功能：可分別檢測四路電機的即時電流值并可和預設值做對比 c 可分別對四路電機的任一路做pwm輸出，以控制電機的速度和大電流小力矩的電機特性 d 具備傾角傳感器信號接口 e 具備上位機控制接口 由于系統的控制點和監(jiān)測點比較多，為節(jié)約單片機資源我們采用

11、cd4067bms作為模擬量切換開關，cd4067bms是16路雙向模擬量切換開關，該芯片可作為按鍵、指示燈、電流檢測、水平傳感器接口使用，采用掃描方式檢測輸入單片機的模擬量和對應的開關為實現所需功能，。本系統采用ms51系列單片機作為硬件電路，具有成本低廉，性能穩(wěn)定易于采購等特點。具體電路件附件。系統的位置定義（俯視）其中傳感器前為水平3.3.4 軟件設計：軟件特點： 采用c語言為設計語言，具備易讀模塊化結構：方便擴展易于修改軟件結構：包括：水平傳感器輸出程序行程判斷模塊 電流檢測模塊著地檢測模塊抬升模塊 pwm控制模塊 虛腿檢測模塊 及地補償模塊收起模塊等u 水平傳感器輸出程序：對水平傳感

12、器傾角進行采樣，并按工作模式以四路開關量為控制系統提供動作指令，控制四條支撐腿的動作。u 行程判斷程序：檢測接近開關的脈沖信號，計算相應的伸長長度。該行程通常有兩種，一種是總行程，一種是抬升行程?？傂谐淌菑拈_始支撐動作起到虛腿補償結束的整個過程中，脈沖數須小于設定值，以保證實際伸長量小于極限伸長量，防止撞車事故。抬升行程是從支撐腿觸地到姿態(tài)調整前的行程。u 電流檢測模塊：檢測分流器兩端的電壓，計算電機即時電流值。該模塊有兩種用途。一、檢測電機電流不能超過電機的額定電流值，保護電機不過熱；二、通過檢測電機電流，初略計算電機提供的扭力，在并與設定的電流值進行比較，為支撐腿觸地提供依據。u 著地檢測

13、模塊：通過檢測電機的電流，判斷支撐腿的伸長是否觸地。u 抬升模塊：支撐腿著地后，四條支撐腿需要把平臺抬升一定高度，抬升模塊以檢測接近開關的脈沖數量，并折算為支撐腿的行程，實現所需的抬升量u pwm控制模塊:pwm控制模塊是該系統的關鍵點。由于電機在不同的環(huán)境條件下，相同的電流輸出力矩差別別比較大，為避免支不到位或支撐力過大引起其他支撐腿的虛腿現象，我們通過為電機提供低壓工作的環(huán)境，實現電機大電流低力矩的特性，實現了空載情況下電流增加值比較小，有一定負載情況下，電流變化比較大的性能，很好地解決了支撐不到位或造成其他支腿虛腿的狀況。u 虛腿檢測模塊：判斷四條支撐腿中虛腿的位置，經過長期的試驗我們發(fā)

14、現四條支撐腿同時運動時，最先停止運動的那條支撐腿在支撐動作結束后為虛腿，所以檢測虛腿的位置即檢測最先停止運動的支撐腿。u 及地補償模塊補償虛腿至受力，并承擔一定的支撐力，同時實現四條支撐腿均無虛腿現象u 收起模塊：支撐腿收起，平臺處于可移動狀態(tài)軟件結構示意圖如下按水平支撐（或固定支撐）按鈕 否檢測四個位置接近開關是否電機不動作是檢測每個數齒接近開關脈沖并于設定值比較是大于四個電機全部停車四個電機正轉支撐腿支撐每條支撐腿支撐到設定脈沖值否該電機停車，直到四個電機全部停車，并標記第一支停車的支撐腿檢測電機電流小于設定值與水平傳感器通信，并調整到水平（或支撐前的姿態(tài)）位置pwm欠壓為標定的支撐腿供電，到電流達設定值動作結束3.3.5 系統性能：精確實現所需的支撐高度，該支撐系統可按用戶需求實現支撐高度，高度精度不大于0.5mm；支持平臺的水平支撐，在四條支撐腿穩(wěn)定支撐的條件下保證平臺在高水平精度內工作，水平精度小于0.1。支持平臺的固定支撐在四條支撐腿穩(wěn)定支撐的條件下保證平臺保持支撐前的水平度，角度誤差小于0.1。4、名詞解釋n 水平支撐： 指支撐系統將被支撐臺體的特定工作面支撐、調整到水平狀態(tài)，并實現穩(wěn)定支撐。n 固定支撐： 指支撐系統將被支撐臺體