手术动力系统的制作方法

1.本技术涉及手术设备技术领域，更具体地，涉及一种手术动力系统。


背景技术：

2.目前，手术动力系统是一种可提供手术所需的动力、控制和操作的器械，减轻医生工作强度。手术动力系统一般由主机、电缆、马达、输出电力驱动的手机、刀具、附属附件等组成，由电源供电，主机控制，将电能和信号通过电缆传递给电力驱动的手机，驱动刀具实施手术，从而实现外科手术中对人体骨组织或软组织的刨削、磨削、钻削等处理。
3.目前通常是每个手术动力系统设备对应一个控制手机及刀头，但是，不同的病变情况要根据耳鼻喉、关节、脊神经来选择不同的手术刀具，而手术刀具应用的手机也不同，这就使得手术过程需要更换不同的手术动力系统，而手术动力系统设备沉重，移动和更换尤为困难。


技术实现要素：

4.鉴于上述问题，本技术提出了一种手术动力系统，可改善上述问题。
5.本技术实施例提供了一种手术动力系统，所述系统包括主控制模块、驱动控制模块、切换控制模块以及至少一个应用模块，所述主控制模块经所述驱动控制模块、所述切换控制模块与所述至少一个应用模块连接；所述驱动控制模块，用于接收所述主控制模块的控制指令，并向所述切换控制模块输出驱动指令；所述切换控制模块，用于根据所述驱动指令，于所述至少一个应用模块中选取目标应用模块进行驱动切换。
6.可选的，所述系统中的所述切换控制模块可以包括切换开关电路，所述切换开关电路与所述至少一个应用模块连接，用于根据所述驱动指令，导通所述目标应用模块，并截止所述至少一个应用模块中除所述目标应用模块外的其他应用模块。
7.可选的，所述系统中的所述切换控制模块还可以包括切换处理器以及驱动芯片，所述切换处理器通过所述驱动芯片控制所述切换开关电路的导通或截止。
8.可选的，所述系统中的所述应用模块可以包括速度传感器以及电机，所述速度传感器经所述切换控制模块与驱动控制模块连接；所述速度传感器，用于采集所述电机的转速信息并发送至所述驱动控制模块；所述驱动控制模块，用于根据接收到的所述转速信息，对所述电机的转速进行闭环控制。
9.可选的，所述系统中的所述驱动控制模块可以包括电流传感器以及驱动处理器；所述电流传感器，用于采集所述电机的电流信息并发送至所述驱动处理器；所述驱动处理器，用于根据接收到的所述电流信息，对所述电机的电流进行闭环控制。
10.可选的，所述系统中的所述驱动控制模块还可以包括速度处理电路，所述速度传感器经所述速度处理电路与所述驱动处理器连接；所述速度处理电路，用于对所述速度传感器发送的转速信息进行预处理，并将预处理后的转速信息发送至所述驱动处理器。
11.可选的，所述系统中的所述驱动处理器还可以用于：根据接收到的所述电流信息
以及所述预处理后的转速信息，确定转速误差以及电流误差；基于所述转速误差以及电流误差，通过pid算法获取控制参数；根据所述控制参数，对所述电机的转速以及电流进行双闭环控制。
12.可选的，所述系统中的所述转速的闭环控制形成的回路与所述电流的闭环控制形成的回路呈并联结构。
13.可选的，所述系统中的所述驱动处理器还可以用于：在未接收到所述电流信息时，根据接收到所述预处理后的转速信息，确定转速误差；基于所述转速误差，通过pid算法获取第二控制参数；根据所述第二控制参数，对所述电机的转速进行单闭环控制。
14.可选的，所述系统中的所述驱动处理器还可以用于：在未接收到所述预处理后的转速信息时，根据接收到所述电流信息，确定电流误差；基于所述电流误差，通过pid算法获取第三控制参数；根据所述第三控制参数，对所述电机的电流进行单闭环控制。
15.可选的，所述系统中的所述驱动控制模块还可以包括半桥驱动电路，所述半桥驱动电路与所述切换控制模块连接，用于生成驱动信号并发送至所述切换控制模块。
16.可选的，所述系统还可以包括力矩加载模块，所述力矩加载模块与所述主控制模块通过总线连接，以减少电机的转速误差。
17.可选的，所述系统还包括显示模块，所述显示模块与所述主控制模块通过总线连接，用于显示并设置所述至少一个应用模块的工作参数。
18.本技术提供的手术动力系统，包括主控制模块、驱动控制模块、切换控制模块以及至少一个应用模块，所述主控制模块经所述驱动控制模块、所述切换控制模块与所述至少一个应用模块连接；所述驱动控制模块，用于接收所述主控制模块的控制指令，并向所述切换控制模块输出驱动指令；所述切换控制模块，用于根据所述驱动指令，于所述至少一个应用模块中选取目标应用模块进行驱动切换。从而采用了分路控制机制，可通过单个驱动控制模块连接多个应用模块，并通过切换控制模块来确保每个时间点只有一个应用端能被驱动工作，确保了系统的稳定性与抗干扰能力。
附图说明
19.为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
20.图1示出了本技术提供的一种手术动力系统的结构示意图。
21.图2示出了本技术提供的另一种手术动力系统的结构示意图。
22.图3示出了本技术提供的一种手术动力系统中驱动控制模块的结构示意图。
23.图4示出了本技术提供的另一种手术动力系统中驱动控制模块的结构示意图。
24.图5示出了本技术提供的又一种手术动力系统中驱动控制模块的结构示意图。
25.图6示出了本技术提供的又一种手术动力系统的结构示意图。
26.图7是本技术提供的一种手术动力系统中力矩加载模块的结构示意图。
具体实施方式
27.为了使本技术领域的人员更好地理解本技术方案，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
28.手术动力系统是现代手术电动装置的总动力来源，在该设备上可以接上钻、铣、磨等多种功能工具，由其提供动力进行开颅、切除骨组织、钻孔等外科手术操作。手术动力系统是神经外科、脊柱外科、骨科、心胸外科、耳鼻喉科、整形美容科等精细手术的重要设备，它提供手术所需的动力和控制，减轻医生工作强度，实现手术精确操作。综合性能良好的手术动力系统能够实现手术所需的钻、磨、铣、锯、吸等功能，辅助医生高效、安全、快速、精确的完成外科手术，最大限度减少手术时间、减轻病人痛苦、促进术后痊愈。
29.手术动力系统一般由主机、电缆、马达、输出电力驱动的手机、刀具、附属附件等组成，而手机需要动力和控制装置来驱动手机里面的电机来转动手术刀具，但目前通常是单个驱动控制单元控制单个应用输出，主控制器与驱动控制单元通过总线连接方式，软件采用扫描方式进行命令的下发与数据的上传，是一对多的通信方式；这样的通信机制有以下几个缺点；一是这样一对多的方式，抗干扰能力差，容易导致误触发，给手术带来风险；二是对于产品本身而言，增加了产品的硬件成本；三是对于后续产品升级、精简产品体积等增加了难度。
30.发明人经过长期的研究发现并提出了本技术实施例提供的手术动力系统，可通过单个驱动控制模块连接多个应用模块，并通过切换控制模块来确保每个时间点只有一个应用端能被驱动工作，确保了系统的稳定性与抗干扰能力，也降低了产品的硬件成本。具体的手术动力系统在后续的实施例中进行详细的说明。
31.请参阅图1，图1示出了本技术一个实施例提供的手术动力系统。所述手术动力系统100包括主控制模块110、驱动控制模块120、切换控制模块130以及至少一个应用模块140，所述主控制模块110经所述驱动控制模块120、所述切换控制模块130与所述至少一个应用模块140连接。
32.具体地，如图1所示，所述至少一个应用模块140可以是应用模块1、应用模块2、应用模块3
……
等，应用模块1、应用模块2、应用模块3分别通过信号线与切换控制模块130连接。切换控制模块130通过控制信号线与驱动控制模块120连接，具体连接方式可以包括pcb直接连接方式，此处不作限定。驱动控制模块120可以通过数字信号总线与主控制模块110连接，其中，数字总线可以采用rs232，iic等，此处也不作限定。从而在主控制模块可以依次经过驱动控制模块、所述切换控制模块，对所述至少一个应用模块中的任意一个应用模块进行驱动工作。
33.在一些实施例中，应用模块可以是电力驱动的手机、刀具、附属附件等具备不同手术功能的应用，如可以是磨、钻、刨、冲洗、锯、铣等不同种类、不同型号的刀具，此处不作限定。
34.在本技术实施例中，所述驱动控制模块具体可以用于：接收所述主控制模块的控制指令，并向所述切换控制模块输出驱动指令；所述切换控制模块，用于根据所述驱动指令，于所述至少一个应用模块中选取目标应用模块进行驱动切换。
35.其中，控制指令可以是用于指示当前所需控制驱动的目标应用模块，其可以包含目标应用模块的标识。其中，目标应用模块为所述至少一个应用模块中被确定需要进行驱
动工作的任一应用模块。驱动控制模块在接收到主控制模块的控制指令后，可以生成对应的驱动信号发送至切换控制模块，以使切换控制模块能够根据该对应的驱动信息，准确地于所述至少一个应用模块中选取目标应用模块进行驱动切换。
36.可以理解的是，相关技术中通常是单个驱动控制模块驱动控制单个应用模块，当手术动力系统需要实现多个应用模块时，也就需要多个驱动控制模块来对应控制。而在本技术实施例中，可以单个驱动控制模块同时连接多个应用模块，而为了确保了产品的稳定性与抗干扰能力，可以通过增加切换控制模块，于所述多个应用模块中选取一个应用模块进行驱动切换，从而尽管单个驱动控制模块同时连接多个应用端，仍可以通过分时控制、分路控制机制，来有效实现多个应用端的择一工作，以确保每个时间点只有一个应用端能工作。
37.在一些实施例中，在手术动力系统启动前，主控制模块可以事先获取应用模块的是否插入、应用模块的型号、通道是否打开等状态参数，驱动控制模块也可以获取电机是否存在堵转、电流过大等等异常情况。
38.在一些实施例中，请参阅图2，所述切换控制模块130可以包括切换开关电路131，可以通过切换开关电路131与所述至少一个应用模块140连接。其中，切换开关电路可以具体用于：导通所述目标应用模块，并截止所述至少一个应用模块中除所述目标应用模块外的其他应用模块。从而切换开关电路可以根据驱动控制模块的驱动指令，准确选择对应的应用模块的输出电路驱动工作。
39.在一些实施例中，切换开关电路可以是能够在多个应用模块中分别单独导通其中一个应用模块的切换电路，其可以是单刀多掷开关，也可以是多刀多掷开关，还可以具有连接导通或断开功能的组合电路。具体的切换开关电路在此处不作限定。
40.在一些实施例中，请参阅图3，所述切换控制模块还可以包括切换处理器133以及驱动芯片132，所述切换处理器通过所述驱动芯片控制所述切换开关电路的导通或截止。
41.具体地，当驱动控制模块120接收到所述主控制模块110的控制指令时，可以生成驱动指令并发送至切换处理器133，切换处理器133可以根据驱动指令向驱动芯片132发送驱动信号，以驱动切换开关电路131选择对应应用模块140的输出电路进行工作，以控制对应应用模块140的工作状态，例如，维持某一应用模块的转速，或控制某个应用模块是否工作，或维持稳定的电流等。此处不作限定。
42.在一些实施例中，所述应用模块还可以包括速度传感器以及电机，所述速度传感器可以经由所述切换控制模块与驱动控制模块连接，从而可以将所述应用模块的电机转速反馈至驱动控制模块，以实现电机转速的精准控制。
43.具体地，所述速度传感器可以是具体用于采集所述电机的转速信息并发送至所述驱动控制模块；所述驱动控制模块，用于根据接收到的所述转速信息，对所述电机的转速进行闭环控制。从而所述速度传感器通过与所述切换控制模块连接，所述切换控制模块与驱动控制模块的输入端连接，从而形式闭环反馈，实现电机的速度环闭环控制。
44.其中，所述电机为所述应用模块内部的动力装置，通过驱动应用模块内部的电机转动，电机可以通过传动组件带动手术刀具进行工作。在一些实施例中，上述驱动控制模块120生成的驱动指令，可以是指电机触发信号，以用于驱动应用模块的电机转动。
45.由于应用模块中的速度传感器能够检测电机的速度变化大小，因此可以很好的反
应了应用模块的工作状态，例如电机当前是否堵转，电机当前的转速多少等，从而可以便于后续产品稳定性的分析。
46.可以理解的是，电机的电压和电机的转速存在一定的比例关系，也可以可以通过该比例关系，将电机的电压映射至相应的电机转速。因此，在一些实施例中，可以是通过检测到的电压值来确定电机的转速，也可以是通过电机的电压信息，来进行电机的速度环或者是电压环的闭环控制。
47.在一些实施例中，请参阅图4，所述驱动控制模块120可以包括电流传感器121以及驱动处理器122；所述电流传感器输出可以直接与驱动控制处理器连接，从而能够将所述应用模块的电机工作电流反馈至驱动控制模块，以实现电机电流(力矩)的精准控制。
48.具体地，所述电流传感器，可以是具体用于采集所述电机的电流信息并发送至所述驱动处理器；所述驱动处理器，可以是具体用于根据接收到的所述电流信息，对所述电机的电流进行闭环控制。从而实现电机的电流环闭环控制。
49.可以理解的是，相关技术的手术动力装置都是单闭环控制，不能很好地实现力矩的控制，尤其在低速情况下，负载能力是比较差的，速度的精度范围很难符合标准要求，给手术带来了很多的风险，尤其在低速负载启动的情况。而在本技术实施例中，通过前述的速度环闭环控制，可以确保应用模块输出稳定的电机转速，通过此处的电流环闭环控制，可以确保应用模块输出稳定的最大输出力矩。从而实现了力矩的控制和速度的双闭环控制。如此，应用模块依次通过切换控制模块、驱动控制模块与主控制模块连接，通过驱动控制模块内部的电流传感器(主要检测电机电流)，与驱动控制模块形成闭环反馈，能够在应用模块负载的变化下，对产品参数进行精确控制。
50.在一些实施例中，如图4所示，所述驱动控制模块120还可以包括半桥驱动电路124以及驱动芯片123，所述半桥驱动电路与所述切换控制模块连接，用于生成驱动信号并发送至所述切换控制模块。
51.具体地，主控制模块通过驱动处理器122与驱动芯片123连接，以使驱动芯片123驱动半桥驱动电路124，半桥驱动与切换控制模块连接，以驱动切换开关电路，选择导通连接到对应应用模块的输出电路。
52.在一些实施例中，如图5所示，所述驱动控制模块120还可以包括速度处理电路125，所述速度传感器经所述速度处理电路125与所述驱动处理器122连接。用于对所述速度传感器发送的转速信息进行预处理，并将预处理后的转速信息发送至所述驱动处理器。从而可以将电机电流和电机转速的反馈计算集中由驱动控制模块中的驱动处理器进行处理。可以理解的是，由于每个应用模块内都包含速度传感器，因此，每个应用模块内的速度传感器均与驱动控制模块120内的速度处理电路125连接，由速度处理电路集中处理各个应用模块的转速信息。
53.具体地，通过速度传感器采集应用模块电机的实时速度信号，可以获取该电机的工作状态并发送到速度处理电路，从而实现电机速度/转速的检测，便于后续用于应用模块输出稳定的(电机)转速。其中，电机的工作状态可以是电机的停止状态或运行状态，也可以是电机的当前转速多少，还可以是电机是否发生堵转等异常。在通过驱动控制模块120内的速度处理电路125进行预处理后，可以将预处理后的转速信息发送至驱动处理器进行分析处理。在一些实施例中，速度传感器可以是采集应用模块电机的电压信号，并发送到速度处
理电路，由速度处理电路根据电机的电压和电机的转速存在的比例关系，对所述电压信号进行预处理，以将电机的电压映射至相应的电机转速，从而可以得到电机的转速。
54.可以理解的是，由于电流传感器检测到电机的电流信息，也会发送到驱动处理器进行分析处理，因此，驱动处理器的主要工作可以是电机的电流转速分析，以结合电机的电流信息以及转速信息，对电机的力矩和速度进行双闭环控制。
55.在一些实施例中，所述驱动处理器可以具体用于：根据接收到的所述电流信息以及所述预处理后的转速信息，确定转速误差以及电流误差；基于所述转速误差以及电流误差，通过pid算法获取第一控制参数；根据所述第一控制参数，对所述电机的转速以及电流进行双闭环控制。从而通过一套复杂的pid算法将转速误差和电流误差进行整合，获取到一个综合的控制参数，该控制参数可以反映出电机的工作状态信息，如是否过载，过流等，并基于该控制参数进行反馈校准，例如，调大或调小电机的工作电流。
56.如此，通过电机的速度传感器计算出电机工作速度，速度的误差可以通过pid计算值可以作为电流环的输入，同时通过电流传感器计算电机电流值，计算电流值的误差，这个误差同样可以通过pid运算计算值作为电流环的输入，形成双闭环控制，从而在本技术实施例中，通过pid算法，可以在一定的转速下，为了确保最大输出力矩，根据电流传感器的返回值进行实时校准。如此，本技术实现了低速力矩的控制与速度的精确控制，从而符合医疗产品的精确控制。
57.在本技术实施例中，如图5所示，上述双闭环控制可以是并联关系，也即所述转速的闭环控制形成的回路与所述电流的闭环控制形成的回路呈并联结构。如此，即使存在任一分支的闭环控制回路断开或者出现故障，本系统的应用部分仍会正常工作，也仍具备部分的闭环调节效果。
58.在一些实施例中，如果所述电机的所述电流的闭环控制断开或出现故障，由于双闭环控制为并联结构，因此应用部分的电机仍可以正常工作，同时也能实现电机转速的单闭环控制。基于此，所述驱动处理器还可以用于：在未接收到所述电流信息时，根据接收到所述预处理后的转速信息，确定转速误差；基于所述转速误差，通过pid算法获取第二控制参数；根据所述第二控制参数，对所述电机的转速进行单闭环控制。
59.可以理解的是，本技术的系统的硬件结构和软件算法均支持双闭环控制和单闭环控制，因此，在未检测到电机的电流信息时，本技术的系统可以自动切换为单闭环控制，从而可以根据能够接收到所述电机的转速信息，确定转速误差，并通过pid算法获取第二控制参数，以对所述电机的转速进行单闭环控制。
60.同理，在另一些实施例中，如果所述电机的所述转速的闭环控制断开或出现故障，由于双闭环控制为并联结构，因此应用部分的电机仍可以正常工作，同时也能实现电机电流的单闭环控制。基于此，所述驱动处理器还可以用于：在未接收到所述预处理后的转速信息时，根据接收到所述电流信息，确定电流误差；基于所述电流误差，通过pid算法获取第三控制参数；根据所述第三控制参数，对所述电机的电流进行单闭环控制。
61.可以理解的是，本技术的系统的硬件结构和软件算法均支持双闭环控制和单闭环控制，因此，在未检测到电机的转速信息时，本技术的系统可以自动切换为单闭环控制，从而可以根据能够接收到所述电机的电流信息，确定电流误差，并通过pid算法获取第三控制参数，以对所述电机的电流进行单闭环控制。
62.在一些实施例中，基于上述并联的双闭环控制结构，本技术的系统也可以根据不同的应用部分的情况，从双闭环控制模式和单闭环控制模式中择一进行。其中，由于医疗产品大多需要力矩与速度的精确控制，因此可以将双闭环控制模式优先作为默认模式。在一些实施例中，请参阅图6，手术动力系统还可以包括力矩加载模块(即脚踏开关)150，用于控制力矩的加载。所述力矩加载模块与所述主控制模块可以通过总线连接，以减少电机的转速误差。在一些实施例中，请参阅图7，力矩加载模块150主要可以包括位置传感器151、运算放大电路152、a/d转换芯片153。
63.可以理解的是，目前的手术动力装置通常是采用模拟信号或无线传输来接入力矩加载模块，而模拟信号由于线缆本身阻抗，导致设置速度与加载速度存在偏差，增大了速度的误差，且模拟信号的无线通信抗干扰能力也比较差，极大的影响了手术动力装置的稳定性，给手术带来风险。因此，在本技术实施例中，力矩加载模块与主控制模块之间的通信通过采用数字总线传输方式，可以不受线缆阻抗的影响，抗干扰能力好，减少了实际速度与设置速度之间的误差。
64.在一些实施例中，如图6所示，手术动力系统还可以包括显示模块160，所述显示模块与所述主控制模块可以通过总线连接，用于显示并设置所述至少一个应用模块的工作参数。
65.其中，显示模块可以是主要用于显示与设置各类参数，比如，速度大小、工作模式、流量控制、往复频率、应用模块的选择、力矩加载模式选择等参数。具体地，应用模块的电机上电工作前，需要通过显示模块设置速度大小、工作模式、流量控制、往复频率、应用模块、力矩加载模式的选择，然后，再通过力矩加载模块使应用模块处于工作状态与停止状态。
66.在一些实施例中，主控制模块可以通过现有的软件对各参数进行综合分析，并将检测分析得到的各种数据上传给显示模块，并通过现有的软件对各参数进行综合分析。
67.在一些实施例中，如图6所示，手术动力系统还可以包括音频输出模块170，所述音频输出模块连接主控制模块，通过主控制模块控制音频输出模块的音频输出大小。其中，所述驱动控制模块、主控制模块、显示模块、力矩加载模块均可以通过总线连接。且除音频输出模块外，均能够通过其各自对应的驱动控制单元实现数据的传输，能够保证各应用模块参数的正确性。
68.可以理解，图1～6所示结构仅为示例，手术动力系统还可以包括比图1～6所示更多或更少的模块组件，或是具有与图1～6所示完全不同的配置方式。本技术实施例对此没有限制。
69.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本技术的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本技术进行了详细的说明，本领域的普通技术人员当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不驱使相应技术方案的本质脱离本技术各实施例技术方案的精神和范围。