一种电动吻合器控制方法及系统与流程

1.本发明涉及电动吻合器技术领域，具体地涉及一种电动吻合器控制方法及系统。


背景技术：

2.外科吻合器是目前比较常用的一种外科手术器械，是医学上使用的替代传统手工缝合的设备，具有缝合快速、操作简便及很少有副作用和手术并发症等优点，还使得过去无法切除的肿瘤手术得以病灶切除。
3.随着技术的发展，外科吻合器逐渐从开放式外科手术吻合器逐步演变成适合微创手术的腔镜式吻合器；也从纯手动的操作模式演变成完全的电动操作模式，即通过一个或者多个电机来实现钉仓的摆动、钉仓钉砧的闭合，以及自动缝切等动作，而电机的驱动是通过控制器实现驱动。
4.在自动控制过程中，会有一系列的操作节点需要注意，例如：钉仓型号的判定，不同的钉仓型号对应的缝切距离不同；钉仓摆动的角度的判定，不同的钉仓摆动角度对应的电机驱动力不同。更甚的是：在实际闭合击发运动过程中，由于组织厚度的不一致，实际缝切过程中对电机产生的负载也一直在变化，这对于电机的转速会有很大的影响；另外由于电动产品实际采用电池进行供电，考虑到电池特性，随着电量的消耗，电池电压也在降低，此外电机工作过程中产生发热，这些因素都会影响电机的转速，导致其转速不稳定。而电机速度的波动，会影响到吻合钉的成型以及切割刀对组织的切割痕迹，具有引起手术失败的风险。此外，不容忽视的是，电动吻合器有可能还会产生机械故障，例如传动齿轮卡死、钉仓卡钉等情况的出现。而目前传统的吻合器或多或少地缺少上述的检测过程、缝切速度的自动控制、吻合器故障检测等功能，依靠的是使用者经验进行操作和判断，易出现主观判断的失误。
5.鉴于此，现有技术中公开了一系列的关于电动吻合器的控制方法的专利申请，例如wo2018/234891a1、wo2018/234901a1、wo2018/234883a1、wo2018/234904a1、wo2018/234890a1、wo2018/234887a1等，这些专利从多个方面，例如组织厚度、位移构件的位置、执行件闭合力的反馈、电机电压的反馈等多个方面来控制电机的速度，其原理是产生一个电机的变速控制，但是控制方式相对比较复杂，例如位移构件的速度通过测量在位移构件的预先确定位置间隔处的实耗时间或测量位移构件在预先确定时间间隔处的位置来确定，将这种测量用于评估组织状况诸如组织厚度，并且在击发行程期间根据组织状况诸如组织厚度来调节切割构件的速度。组织厚度通过将切割构件的预期速度与切割构件的实际速度进行比较来确定。这种闭环控制需要检测和计算的控制点太多。众所周知，在软件控制上，计算过程越复杂，越容易出错。


技术实现要素：

6.本发明的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种电动吻合器控制方法及系统。
7.本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种电动吻合器控制方法，包括如下步骤：步骤s1、系统初始化；步骤s2、判断钉仓型号数据，根据所述钉仓型号数据来设定击发距离；步骤s3、采集钉仓摆动角度数据，结合所述击发距离确定电机目标速度；步骤s4、实时采样电流大小，判断吻合器状态；步骤s5、获取当前电机的实际转速，计算电机的实际转速与电机目标速度的速度偏差，将实际转速和速度偏差作为pid控制的输入参数，计算得到pid的输出值，根据pid的输出值调节加载在电机驱动信号上的pwm脉冲占空比，进而调节电机的转速达到稳速控制。
8.优选的，所述步骤s1具体包括检测电池电量，以及检测控制器、传感器工作是否正常。
9.优选的，所述步骤s2具体包括：s21、采集连续n次的线性霍尔开关产生的实时电压；s22、计算实时电压的平均值；s23、查表确定钉仓型号；s24、根据钉仓型号数据来设定击发距离。
10.优选的，所述步骤s3具体包括：s31、采集与钉仓摆动相关的线性霍尔开关产生的电压；s32、基于所述电压与钉仓摆动角度的线性关系，通过一次函数关系计算所述钉仓摆动角度；s33、结合所述击发距离和钉仓摆动角度确定电机目标速度。
11.优选的，所述吻合器状态包括机械故障状态、钉仓卡钉状态、负载波动状态。
12.优选的，所述步骤s4具体包括，通过控制器采集连续n次的实时电流in、i
n-1
、i
n-2
、i
n-3
、i
n-4
……
、i1，计算电流的平均值i
average = average()，通过i
average
判断吻合器状态，如果i
average
大于极限阈值i
s1
，则判定吻合器状态为机械故障状态p1，立即停止电机转动，并故障报警提示；如果i
average
大于稳速阈值i
s2
且小于极限阈值i
s1
，则判定吻合器状态为钉仓卡钉状态p2，电机控制器以最大脉冲占空比进行驱动电机转动；如果i
average
小于稳速阈值i
s2
，并产生上下小幅波动，则判定吻合器状态为负载波动状态p3，开始步骤s5。其中n取值10次，实时电流采样的间隔时间是1ms。
13.优选的，所述步骤s5具体包括：s51、通过控制器采集电机霍尔信号，计算得到当前电机的实际转速，三路电机霍尔信号连接到控制器的三路gpio接口中，在定时器中断中去采样gpio接口的电平高低状态，低电平变换为高电平进行计数触发，高电平变换为低电平计数置0，从而得到电机霍尔信号高电平的持续时间，t=c/ft ，其中t为180
°
电角度的时间，ft为霍尔脉冲采样频率即为定时器频率，c为采样的计数次数；当电机为n对极的话，实际转速的计算公式为ft*60/(n*2*c)；s52、通过以下离散公式计算pid的输出值uk；，其中uk是ｋ时刻的pid计
算输出值，ek是ｋ时刻的速度偏差，e
k-1
是k-1时刻的速度偏差，是累计k时刻的速度偏差，k
p
是比例环节系数，ki是积分环节系数，kd是微分环节系数。
14.优选的，所述步骤s5还包括，s53、对所述输出值uk进行滑动平均滤波。
15.优选的，所述步骤s51中还包括对所述实际转速进行滤波的过程。
16.本发明还揭示了一种电动吻合器控制系统，包括：初始化单元，用于系统初始化；击发距离设定单元，用于判断钉仓型号数据，根据所述钉仓型号数据来设定击发距离；电机目标速度确定单元，用于采集钉仓摆动角度数据，结合所述击发距离确定电机目标速度；吻合器状态判断单元，用于实时采样电流大小，判断吻合器状态；稳速控制单元，用于获取当前电机的实际转速，计算电机的实际转速与电机目标速度的速度偏差，将实际转速和速度偏差作为pid控制的输入参数，计算得到pid的输出值，根据pid的输出值调节加载在电机驱动信号上的pwm脉冲占空比，进而调节电机的转速达到稳速控制。
17.本发明的有益效果主要体现在：1、高度集成智能化，兼顾钉仓型号判断、钉仓摆动角度测量、电机目标速度确定、以及电机稳速控制等多种功能；2、稳速控制方法简单，稳定电机转速以实现电动吻合器更好的钉仓成型，不易出错。
附图说明
18.下面结合附图对本发明技术方案作进一步说明：图1：本发明优选实施例的流程示意图。
具体实施方式
19.以下将结合附图所示的具体实施方式对本发明进行详细描述。但这些实施方式并不限于本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。
20.本发明所应用的电动腔镜直线型切割吻合器，主要部件含驱动电机，具有输出轴；工作头，包括钉砧、钉仓；闭合机构、击发机构；以及控制所有工作过程的控制器，等等。当吻合器闭合到位或击发完成后，会有信号反馈到控制器，控制电机的启停以及正反转。驱动电机优选带霍尔的无刷电机，当然只要是能够提供速度采集信息的电机均在本发明保护范围内。吻合器会有电池（充电电池或者干电池）给控制系统进行供电，本发明中，控制器采集电流大小进行工作状态判断，采集电机霍尔信号进行稳速算法计算以及控制电机的稳速转动，符合人体工学的按键会控制电机的启停以及正反转转向、及稳速转动。
21.具体如图1所示，本发明揭示了一种电动吻合器控制方法，包括如下步骤：
步骤s1、系统初始化；步骤s2、判断钉仓型号数据，根据所述钉仓型号数据来设定击发距离；步骤s3、采集钉仓摆动角度数据，结合所述击发距离确定电机目标速度；步骤s4、实时采样电流大小，判断吻合器状态；步骤s5、获取当前电机的实际转速，计算电机的实际转速与电机目标速度的速度偏差，将实际转速和速度偏差作为pid控制的输入参数，计算得到pid的输出值，根据pid的输出值调节加载在电机驱动信号上的pwm脉冲占空比，进而调节电机的转速达到稳速控制。步骤s5形成闭环控制。
22.当吻合器通电后，即开始步骤s1完成系统初始化，具体包括检测电池电量，以及检测控制器、传感器工作是否正常。
23.步骤s1结束后，控制系统开始步骤s2。其目的是实现钉仓的自动识别。因为目前的电动吻合器的钉仓包括多种形式，最主要的区别在于长度不同，因此根据不同的长度就会有不同的击发距离。控制系统需要计算出具体的击发距离，进而控制电机的转动圈数。
24.具体的，不同的钉仓中含有不同大小的磁铁，不同大小的磁铁产生不同大小的磁场，根据线性霍尔开关的原理，当磁场不一样，线性霍尔开关产生的电压也不一样。
25.基于上述技术方案，本发明所述步骤s2具体包括：s21、采集连续n次的线性霍尔开关产生的实时电压vn、v
n-1
、v
n-2
、v
n-3
、v
n-4
……v1
；其中n一般取值10次；s22、计算实时电压的平均值v
average = average()；s23、通过电压的平均值v
average
查表确定钉仓型号；s24、根据钉仓型号数据来设定击发距离。
26.步骤s2结束后，控制系统开始步骤s3，其目的是实现钉仓摆动角度的自动识别，继而通过结合钉仓摆动角度和步骤s2中设定的击发距离来确定电机的目标速度。这是因为电动吻合器的主电机（一般采用带霍尔传感器的无刷电机）通过主轴来推动钉仓和钉砧闭合，继而开始击发。当钉仓产生摆动角度后，钉仓与吻合器的适配端之间会产生不同的摩擦力，因此当钉仓摆动角度较大时，电机目标速度相对变慢。另外，钉仓的长度不同，导致击发距离不同，为了让操作者有相同的击发手感，不同长度的钉仓所对应的电机目标速度也不同，较短的钉仓长度所对应的电机目标速度应相对变慢。
27.具体的，钉仓摆动角度不一样，使得钉仓内部的磁铁距离用于检测钉仓偏转角度的线性霍尔开关的距离也就不一样，电压跟磁铁距离线性霍尔开关的关系基本呈线性关系，由此可以认为角度跟电压的关系也是呈线性关系。
28.基于上述技术方案，本发明所述步骤s3具体包括：s31、采集与钉仓摆动相关的线性霍尔开关产生的电压；s32、基于所述电压与钉仓摆动角度的线性关系，通过一次函数关系θ = av b计算所述钉仓摆动角度，θ指的是摆动角度，v指的是采样电压；s33、根据钉仓摆动角度，结合所述击发距离和钉仓摆动角度确定电机目标速度。
29.当吻合器开始自动缝切时，即开始步骤s4。
30.具体来讲，步骤s4中首先通过控制器采集连续n次的实时电流in、i
n-1
、i
n-2
、i
n-3
、in-4
……
、i1，计算电流的平均值i
average = average()，通过i
average
判断吻合器状态，优选的，其中n取值10次，实时电流采样的间隔时间是1ms。n取值太大灵敏度降低，n取值太小信号噪声会有影响；实时电流采样频率太快会影响整个系统性能。具体数值可根据实际应用进行微调。
31.一般来讲，吻合器的外界状态包括：机械故障状态（传动失效）、钉仓卡钉状态（受力增加）、负载波动状态（因为组织厚度不均）、电池特性变化（电池长时间耗损、电池电压下降、电机发热）。
32.本发明中，如果i
average
大于极限阈值i
s1
，则判定吻合器状态为机械故障状态p1，立即停止电机转动，并故障报警提示；如果i
average
大于稳速阈值i
s2
且小于极限阈值i
s1
，则判定吻合器状态为钉仓卡钉状态p2，电机控制器以最大脉冲占空比进行驱动电机转动；如果i
average
小于稳速阈值i
s2
，并产生上下小幅波动，则判定吻合器状态为负载波动状态p3，开始步骤s5。
33.当负载波动的时候，实际转速与电机目标速度会存在一定的偏差。因此，在稳速控制系统中，需要首先获取电机的实际转速。
34.步骤s5中，电机的实际转速的获取，是通过控制器采集电机霍尔信号进行计算得到。
35.三路电机霍尔信号连接到控制器的三路gpio（general-purpose input/output）接口中，在定时器中断中去采样gpio接口的电平高低状态，低电平变换为高电平进行计数触发，高电平变换为低电平计数置0，从而得到霍尔信号高电平的持续时间，t=c/ft (t为180
°
电角度的时间，ft为霍尔脉冲采样频率即为定时器频率，c为采样的计数次数)。
36.当无刷电机磁极只有一对极时，电机旋转一圈三个霍尔信号的高低电平持续时间是一样的，都为180
°
电角度。采集其中一个霍尔信号的高电平持续时间为t=c/ft，所以电机旋转一圈需要的时间为t=2*c/ft。从而得到转速（单位s/圈）为1/t =ft/(2*c)，转换为rpm即为ft*60/(2*c)。如果电机为n对极的话，转速公式为ft*60/(n*2*c)。
37.计算得到的实际转速实际是有噪声存在的，需要进一步进行滑动平均滤波消除抖动误差，指数滑动平均公式pt=w*xt (1-w)*pt-1，其中pt表示预测值，w表示衰减权重，xt为观测值，指数滑动平均法实时性强，能更加接近当前时刻的观测值。
38.所述步骤s5中，将计算得到的实际转速、以及与电机目标速度之间的速度偏差作为pid控制的输入参数，随后进行pid算法计算。
39.pid算法是一种结合比例、积分和微分三个环节于一体的闭环控制算法，控制流程为将实际值与目标值进行偏差计算，计算结果输入到pid控制算法中，经过比例、积分和微分三个环节运算，运算后的输出结果作用控制系统，从而让控制系统的实际值趋向于目标值。
40.pid算法的离散公式如下：，其中uk是ｋ时刻的pid计算输出，ek是ｋ时刻的速度偏差，e
k-1
是k-1时刻的速度偏差，是累计k时刻的速度偏差，k
p 是比例环节系数，ki是积分环节系数，kd是微分环节系数。
41.将pid算法计算出的输出值uk进行指数滑动平均滤波，然后得到pwm脉冲的占空比，通过pwm脉冲占空比的调节实现电机转速的调节，形成稳速控制。
42.整个缝切过程中，当负载增大，电机实际转速就会降低，pid的输入参数变量就会减小，偏差ek增大，通过pid计算后，输出值uk就会增大，pwm脉冲占空比就会增大，将电机转速上拉。同样的，当负载减小，电机实际转速就会增大，pid的输入参数变量就会增大，偏差ek减小，通过pid计算后，输出值uk就会减小，pwm脉冲占空比就会减小，将电机转速下拉。基于系统的实时处理，整个系统的采样调节频率在20khz，可以快速稳定地调节微小的速度偏差，保持速度的稳定。
43.同时的，整个缝切过程中，当电池电压下降，电机发热导致电机速度异常的时候，也同样采用上述方式进行稳速控制，形成闭环控制。
44.采用本发明控制方法，进行多次实验后发现：扭矩增大（从0.1n.m增大到2n.m）或者电池电压下降（从12v降低到10v），电机转速都能够稳定在电机目标速度附近。整个系统是稳定可控的，具有鲁棒性。
45.本领域技术人员所熟知：滤波方式还包括限幅滤波、中位值滤波、算术平均值滤波、滑动平均滤波等等。
46.本发明还揭示了一种电动吻合器控制系统，包括：初始化单元，用于系统初始化；击发距离设定单元，用于判断钉仓型号数据，根据所述钉仓型号数据来设定击发距离；电机目标速度确定单元，用于采集钉仓摆动角度数据，结合所述击发距离确定电机目标速度；吻合器状态判断单元，用于实时采样电流大小，判断吻合器状态；稳速控制单元，用于获取当前电机的实际转速，计算电机的实际转速与电机目标速度的速度偏差，将实际转速和速度偏差作为pid控制的输入参数，计算得到pid的输出值，根据pid的输出值调节加载在电机驱动信号上的pwm脉冲占空比，进而调节电机的转速达到稳速控制。
47.本发明控制方法简单，稳定电机转速以实现电动吻合器更好的钉仓成型，不易出错；并且具有判断吻合器状态的功能和步骤，进一步确保吻合器的安全性。
48.上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。