專利名稱：自反饋的雙形狀記憶合金絲驅(qū)動控制系統(tǒng)及其測試平臺的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種適用于微創(chuàng)外科手術(shù)的形狀記憶合金驅(qū)動器，尤其涉及一種自反饋的雙形狀記憶合金絲驅(qū)動控制系統(tǒng)及其測試平臺。
背景技術(shù)：
隨著微創(chuàng)理念的深入人心和微創(chuàng)技術(shù)的迅速進步，在傳統(tǒng)腹腔鏡手術(shù)的基礎(chǔ)上，一種更加微創(chuàng)的技術(shù)一單孔腹腔鏡手術(shù)已成為現(xiàn)實。該技術(shù)優(yōu)勢在于手術(shù)瘢痕更隱蔽，腹腔內(nèi)粘連更少，術(shù)后疼痛更輕，術(shù)后康復更快。而制作出適用于單孔腔鏡手術(shù)的外科機器人已成為眾多學者和科研機構(gòu)關(guān)注的國際前沿熱點之一。目前，對于單孔腔鏡手術(shù)機器人，商業(yè)化的系統(tǒng)還未面世，其中一個重要原因是在現(xiàn)有機器人傳統(tǒng)驅(qū)動方式中，驅(qū)動裝置和執(zhí)行機構(gòu)是分離的，且現(xiàn)有驅(qū)動裝置體積尺寸都太大，占據(jù)大量外部空間，使得手術(shù)操作空間不足，手術(shù)難度增加，不可能進入人體內(nèi)完成復雜的手術(shù)操作。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種結(jié)構(gòu)簡單、體積小、操作靈活的自反饋的雙形狀記憶合金絲驅(qū)動控制系統(tǒng)及其測試平臺。本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的本發(fā)明的自反饋的雙形狀記憶合金絲驅(qū)動控制系統(tǒng)，包括SMA驅(qū)動器，所述SMA驅(qū)動器的輸出端向第一 SMA絲和第二 SMA絲輸出驅(qū)動電壓和/或電流，所述SMA驅(qū)動器的輸入端連接有PID控制器，所述PID控制器接收輸入目標位置信息并向所述SMA驅(qū)動器輸出第一 SMA絲和第二 SMA絲的電壓和/或電流占空比信號，所述SMA驅(qū)動器的輸出端與所述PID控制器的輸入端之間連接有自傳感反饋單元，所述自傳感反饋單元向所述PID控制器的輸入端反饋所述第一 SMA絲和第二 SMA絲的位移信息、電阻信息。本發(fā)明的自反饋的雙形狀記憶合金絲驅(qū)動控制測試平臺，包括線性導軌，所述固定模塊與活動模塊之間設(shè)有滑塊，所述活動模塊與滑塊之間設(shè)有第一 SMA絲，所述固定模塊與所述滑塊之間設(shè)有第二 SMA絲，所述活動模塊與第一 SMA絲之間設(shè)有第一力傳感器，所述固定模塊與所述第二 SMA絲之間設(shè)有第二力傳感器，所述滑塊連接有位移傳感器；所述第一 SMA絲、第二 SMA絲、第一力傳感器、位移傳感器、第二力傳感器連接有上述的自反饋的雙形狀記憶合金絲驅(qū)動控制系統(tǒng)。由上述本發(fā)明提供的技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明提供的自反饋的雙形狀記憶合金絲驅(qū)動控制系統(tǒng)及其測試平臺，由于僅由兩根SMA絲組成，結(jié)構(gòu)簡單、體積小、無外部傳感器，并事實上實現(xiàn)了驅(qū)動和執(zhí)行一體化。很大程度上提高了微創(chuàng)手術(shù)器械的設(shè)計空間，并為單孔手術(shù)專用機器人提供了可行的方案。在耦合微創(chuàng)手術(shù)的末端執(zhí)行器械時，驅(qū)動器被安裝在管狀的支撐結(jié)構(gòu)中，末端的腕式關(guān)節(jié)由本發(fā)明的系統(tǒng)驅(qū)動進行多個自由度的運動，實現(xiàn)體內(nèi)狹窄空間的靈活操作。


圖1為本發(fā)明實施例提供的自反饋的雙形狀記憶合金絲驅(qū)動控制系統(tǒng)進行自反饋精確控制的控制流程示意圖；圖2為本發(fā)明的實施例中補償模型控制的流程示意圖；圖3為本發(fā)明的實施例中雙SMA絲驅(qū)動控制系統(tǒng)的電路不意圖；圖4為本發(fā)明的實施例提供的自反饋的雙形狀記憶合金絲驅(qū)動控制測試平臺的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中標記的含義1.第一 S型力傳感器，2.第一 SMA驅(qū)動絲，3.第二 SMA驅(qū)動絲，4. LVDT位移傳感器，5.第二 S型力傳感器，6.固定模塊，7.滑塊，8.線性導軌，9.活動模塊。
具體實施例方式下面將對本發(fā)明實施例作進一步地詳細描述。本發(fā)明的自反饋的雙形狀記憶合金(SMA)絲驅(qū)動控制系統(tǒng)，其較佳的具體實施方式
如圖1、圖2所示包括SMA驅(qū)動器，所述SMA驅(qū)動器的輸出端向第一 SMA絲和第二 SMA絲輸出驅(qū)動電壓和/或電流，所述SM驅(qū)動器的輸入端連接有PID控制器，所述PID控制器接收輸入目標位置信息并向所述SMA驅(qū)動器輸出第一 SMA絲和第二 SMA絲的電壓和/或電流占空比信號，所述SMA驅(qū)動器的輸出端與所述PID控制器的輸入端之間連接有自傳感反饋單元，所述自傳感反饋單元向所述PID控制器的輸入端反饋所述第一 SMA絲和第二 SMA絲的位移信息、電阻信息。所述PID控制器的輸入端與所述SMA驅(qū)動器的輸入端之間連接有滯后模型補償單元，所述滯后模型補償單元接收輸入目標位置信息并向所述SMA驅(qū)動器輸出第一 SMA絲和第二 SMA絲的電壓和/或電流補償占空比信號。所述PID控制器的輸入端與所述SMA驅(qū)動器的輸入端之間還連接有補償模型控制單元，所述補償模型控制單元接收輸入目標位置信息并向所述SMA驅(qū)動器輸出第一 SMA絲和第二 SMA絲的電阻占空比差值信號。本發(fā)明的自反饋的雙形狀記憶合金絲驅(qū)動控制測試平臺，其較佳的具體實施方式
如圖3所示包括線性導軌，所述固定模塊與活動模塊之間設(shè)有滑塊，所述活動模塊與滑塊之間設(shè)有第一 SMA絲，所述固定模塊與所述滑塊之間設(shè)有第二 SMA絲，所述活動模塊與第一SMA絲之間設(shè)有第一力傳感器，所述固定模塊與所述第二 SMA絲之間設(shè)有第二力傳感器，所述滑塊連接有位移傳感器；所述第一 SMA絲、第二 SMA絲、第一力傳感器、位移傳感器、第二力傳感器連接有上述的自反饋的雙形狀記憶合金絲驅(qū)動控制系統(tǒng)。所述第一力傳感器和第二力傳感器為S型力傳感器，所述位移傳感器為LVDT位移傳感器。本發(fā)明中，由兩根SMA絲實現(xiàn)雙向驅(qū)動，并通過電阻反饋和前饋補償實現(xiàn)在無外部傳感器的情況下的精確控制，適用于驅(qū)動單孔腔鏡手術(shù)器械。通過建立雙SMA絲驅(qū)動控制測試平臺，用于SMA驅(qū)動器控制模型建立過程中應(yīng)力、應(yīng)變和電阻等參數(shù)的測量，并對雙驅(qū)動絲施加合適的預應(yīng)力以及預應(yīng)變，在控制模型建立后對驅(qū)動器實施自傳感精確控制的驗證該測試平臺包括一對對抗性SMA驅(qū)動絲、微型直線導軌、模塊化拉拽滑塊、LVDT位移傳感器、S型力傳感器、電路控制模塊以及數(shù)據(jù)采集卡、直流線性電源。所述對抗性SMA驅(qū)動絲，具有高溫下收縮，低溫下強度降低易被拉伸的特點，通過電流加熱，用于提供本驅(qū)動單元的驅(qū)動力。所述微型直線導軌和模塊化拉拽滑塊，用于保證SMA驅(qū)動絲沿軸向方向運動的情況下不受徑向力的干擾。所述LVDT位移傳感器，用于標定SMA驅(qū)動絲的實際應(yīng)變量。所述S型力傳感器，用于標定SMA驅(qū)動絲在收縮過程中的實際應(yīng)力。所述電路控制模塊，用于通過SMA電壓與標準電壓比例得出SMA實時電阻，并調(diào)控SMA驅(qū)動絲的加載電流占空比。數(shù)據(jù)采集卡用于采集SMA驅(qū)動絲的實時電阻以及其它傳感器所傳回的模擬信號。所述直流線性電源為SMA驅(qū)動絲的加熱提供能源由上述所提供的測試平臺，得出SMA驅(qū)動絲的電阻-形變關(guān)系圖，并建立擬合近線性控制模型。根據(jù)實際施加于SMA驅(qū)動絲上的電壓占空比-形變關(guān)系圖，擬合建立占空比-形變滯后關(guān)系模型。耦合上述兩套模型，最終得到核心控制模型?；谒龊诵目刂颇Ｐ?，位移控制模塊進一步采用模糊PID的策略實現(xiàn)。該模糊PID控制策略的輸入為所述驅(qū)動裝置的目標位置，輸出為所述直流線性電源輸出的高電平百分比，該比例作為所述電路控制模塊的輸入?yún)?shù)。最終實現(xiàn)對驅(qū)動器的精確控制。本發(fā)明的有益效果是采用本發(fā)明的雙SMA絲驅(qū)動器和自反饋控制模型，可以僅通過兩根SMA絲實現(xiàn)雙方向的主動運動，并且無需外傳感器實現(xiàn)精確控制，使得驅(qū)動與執(zhí)行一體化，并具有較大的能量體積輸出比?？膳c微小型的腕式機構(gòu)耦合，制成單孔腔鏡手術(shù)專用的手術(shù)器械。具體實施例用于耦合驅(qū)動腔鏡手術(shù)機器人的末端執(zhí)行器，包括用于建立控制模型和驗證驅(qū)動器控制效果和精度的雙SMA絲驅(qū)動控制測試平臺如圖3所示，電路控制模塊同時對第一 SMA驅(qū)動絲、第二 SMA驅(qū)動絲輸出不同PWM波占空比，SMA絲驅(qū)動滑塊沿導軌運動。所述LVDT位移傳感器，實時測試滑塊的行進距離，即SMA驅(qū)動絲的實際應(yīng)變量。所述第一 S型力傳感器和第二 S型力傳感器，實時測試滑塊運動過程中，兩根SMA驅(qū)動絲由于收縮或者被拉伸所產(chǎn)生的應(yīng)力。如圖2所示，驅(qū)動電路串聯(lián)標準電阻和SMA絲，通過測量直流線性電源在標準電阻和SMA絲上所加載的電壓比例，得出SMA絲電阻Rsma相對標準電阻Rtl的比值，得出SM絲實時電阻D — DSMAMsma — K0 X ――—所述數(shù)據(jù)采集卡用于采集SMA驅(qū)動絲的實時電
V
R
O
阻以及其它傳感器所傳回的模擬信號，并調(diào)控加載在SMA驅(qū)動絲上的PWM波占空比?？刂颇Ｐ腿鐖D1a所示，基于雙SMA絲驅(qū)動控制測試平臺，建立得出SMA驅(qū)動絲的電阻-形變關(guān)系圖，并建立擬合近線性控制模型。根據(jù)實際施加于SM驅(qū)動絲上的電壓占空比-形變關(guān)系圖，擬合建立占空比-形變滯后關(guān)系模型。在具體實現(xiàn)過程中，輸入為目標位置，結(jié)合滯后關(guān)系模型和電阻反饋值計算出實際加載于雙SMA驅(qū)動絲上占空比，知道滑塊到達預計位置。在具體實現(xiàn)過程中，如圖1b所示，占空比-形變滯后關(guān)系模型用于在電流加熱過程開始后，通過目標位置的輸入，預測達到目標位置所需加載于雙SMA絲上所需的PWM波占空比，并將該數(shù)值輸出。之后將實測電阻值輸入電阻-形變關(guān)系，得出此時的近似形變量，并得出所需占空比傾向。將滯后模型得出的占空比與電阻-形變關(guān)系得出的占空比傾向結(jié)合，最終通過模糊PID的控制策略進行調(diào)節(jié)優(yōu)化，得到占空比輸出值。本發(fā)明中的雙SMA絲驅(qū)動系統(tǒng)主要是為了耦合微創(chuàng)手術(shù)的末端執(zhí)行器械，解決現(xiàn)有器械受傳統(tǒng)驅(qū)動系統(tǒng)限制，體積無法進一步縮減的限制。本驅(qū)動器僅由兩根SMA絲組成，結(jié)構(gòu)簡單、體積小、無外部傳感器，并事實上實現(xiàn)了驅(qū)動和執(zhí)行一體化。很大程度上提高了微創(chuàng)手術(shù)器械的設(shè)計空間，并為單孔手術(shù)專用機器人提供了可行的方案。在耦合微創(chuàng)手術(shù)的末端執(zhí)行器械時，驅(qū)動器被安裝在管狀的支撐結(jié)構(gòu)中，末端的腕式關(guān)節(jié)由本發(fā)明的系統(tǒng)驅(qū)動進行多個自由度的運動，實現(xiàn)體內(nèi)狹窄空間的靈活操作。以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實施方式
，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明披露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書的保護范圍為準。
權(quán)利要求
1.一種自反饋的雙形狀記憶合金絲驅(qū)動控制系統(tǒng)，其特征在于，包括SMA驅(qū)動器，所述SMA驅(qū)動器的輸出端向第一 SMA絲和第二 SMA絲輸出驅(qū)動電壓和/或電流，所述SMA驅(qū)動器的輸入端連接有PID控制器，所述PID控制器接收輸入目標位置信息并向所述SMA驅(qū)動器輸出第一 SMA絲和第二 SMA絲的電壓和/或電流占空比信號，所述SMA驅(qū)動器的輸出端與所述PID控制器的輸入端之間連接有自傳感反饋單元，所述自傳感反饋單元向所述PID控制器的輸入端反饋所述第一 SMA絲和第二 SMA絲的位移信息、電阻信息及力信息。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自反饋的雙形狀記憶合金絲驅(qū)動控制系統(tǒng)，其特征在于，所述PID控制器的輸入端與所述SMA驅(qū)動器的輸入端之間連接有滯后模型補償單元，所述滯后模型補償單元接收輸入目標位置信息并向所述SMA驅(qū)動器輸出第一 SMA絲和第二 SMA絲的電壓和/或電流補償占空比信號。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的自反饋的雙形狀記憶合金絲驅(qū)動控制系統(tǒng)，其特征在于，所述PID控制器的輸入端與所述SMA驅(qū)動器的輸入端之間還連接有補償模型控制單元，所述補償模型控制單元接收輸入目標位置信息并向所述SMA驅(qū)動器輸出第一 SMA絲和第二 SMA絲的電阻占空比差值信號。
4.一種自反饋的雙形狀記憶合金絲驅(qū)動控制測試平臺，其特征在于，包括線性導軌，所述固定模塊與活動模塊之間設(shè)有滑塊，所述活動模塊與滑塊之間設(shè)有第一 SMA絲，所述固定模塊與所述滑塊之間設(shè)有第二 SMA絲，所述活動模塊與第一 SMA絲之間設(shè)有第一力傳感器，所述固定模塊與所述第二 SMA絲之間設(shè)有第二力傳感器，所述滑塊連接有位移傳感器；所述第一 SMA絲、第二 SMA絲、第一力傳感器、位移傳感器、第二力傳感器連接有權(quán)利要求1、2或3所述的自 反饋的雙形狀記憶合金絲驅(qū)動控制系統(tǒng)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的自反饋的雙形狀記憶合金絲驅(qū)動控制測試平臺，其特征在于，所述第一力傳感器和第二力傳感器為S型力傳感器，所述位移傳感器為LVDT位移傳感器。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種自反饋的雙形狀記憶合金絲驅(qū)動控制系統(tǒng)及其測試平臺，包括SMA驅(qū)動器，SMA驅(qū)動器的輸出端向第一SMA絲和第二SMA絲輸出驅(qū)動電壓和/或電流，SMA驅(qū)動器的輸入端連接有PID控制器，PID控制器接收輸入目標位置信息并向SMA驅(qū)動器輸出第一SMA絲和第二SMA絲的電壓和/或電流占空比信號，SMA驅(qū)動器的輸出端與PID控制器的輸入端之間連接有自傳感反饋單元，自傳感反饋單元向所述PID控制器的輸入端反饋所述第一SMA絲和第二SMA絲的位移信息、電阻信息及力信息。結(jié)構(gòu)簡單、體積小、無外部傳感器，并事實上實現(xiàn)了驅(qū)動和執(zhí)行一體化，提高了微創(chuàng)手術(shù)器械的設(shè)計空間，并為單孔手術(shù)專用機器人提供了可行的方案。
文檔編號G05B11/42GK103076739SQ20121033004
公開日2013年5月1日 申請日期2012年9月7日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月7日
發(fā)明者劉達, 史震云, 馬晨 申請人:北京航空航天大學