运动控制器和医疗设备的制作方法

本发明涉及控制器技术领域，特别是涉及一种运动控制器和医疗设备。

背景技术

运动控制器是一种控制电机运行方式(如正反转、转速、行程等)的专用控制器。

一般地，当负载变化不大时，运动控制器能够保持在一个相对稳定的工作状态，并且由于负载基本无变化，故电机可以有较好的跟随效果。

然而，当负载变化较大(如负载随重力、摩擦力等变化比较大)时，传统的运动控制器往往不能控制电机保持一个较好的跟随效果，这就使得电机的运转情况无法满足实际需要，从而造成一些损失或事故。例如，在医疗领域中，由于手术机器人等手术装置需要依靠电机驱动，而手术机器人在与病患接触时必然会受到不断改变的摩擦力，这就需要电机能够保持良好的跟随效果；若使用传统的运动控制器，必然会对手术进程造成不良影响。

技术实现要素：

基于此，有必要提供一种运动控制器和医疗设备，以提高电机的跟随效果。

一种运动控制器，用于控制电机驱动负载的运动，所述运动控制器包括：

运动控制器前端模块，用于根据所接收到的第一位置信息生成第一电流控制信息；

补偿模块，存储有与所述负载相对应的补偿信息；所述补偿模块与所述运动控制器前端模块连接，用于根据所述补偿信息对所述第一电流信息进行补偿以生成第二电流控制信息；

运动控制器后端模块，分别与所述补偿模块和所述电机连接，用于根据所述第二电流控制信息输出驱动电流至所述电机，以使得所述电机驱动所述负载运动。

在其中一个实施例中，所述运动控制器前端模块包括：

位置信息处理单元，用于根据所述第一位置信息生成第一速度信息；

速度信息处理单元，分别与所述位置信息处理单元和所述补偿模块连接，用于根据所述第一速度信息生成所述第一电流控制信息。

在其中一个实施例中，所述运动控制器还包括限制单元，存储有第一限制信息、第二限制信息和第三限制信息；

其中，所述限制单元与所述位置信息处理单元连接，用于根据所述第一限制信息对所述第一位置信息进行限制；

所述限制单元还与所述速度信息处理单元连接，还用于根据所述第二限制信息对所述第一速度信息进行限制；

所述限制单元还与所述运动控制器后端模块连接，还用于根据所述第三限制信息对所述第二电流控制信息进行限制。

在其中一个实施例中，所述位置信息处理单元包括：

轨迹规划器子单元，用于根据所接收到的所述第一位置信息生成位置环参数；

位置环子单元，分别与所述轨迹规划器子单元和所述速度信息处理单元连接，用于根据所述位置环参数生成所述第一速度信息；

所述速度信息处理单元包括：

限速器子单元，与所述位置环子单元连接，用于根据所述第一速度信息生成速度环参数；

速度环子单元，分别与所述限速器子单元和所述补偿模块连接，用于根据所述速度环参数生成所述第一电流控制信息。

在其中一个实施例中，所述位置环子单元还与所述电机连接，还用于根据所述位置环参数和由所述电机反馈的当前位置参数生成所述第一速度信息。

在其中一个实施例中，所述速度环子单元还与所述电机连接，还用于根据所述速度环参数和由所述电机反馈的当前速度参数生成所述第一电流控制信息。

在其中一个实施例中，所述运动控制器后端模块包括电流控制信息处理单元；所述电流控制信息处理单元包括：

限流器子单元，与所述补偿模块连接，用于根据所述第二电流控制信息生成电流环参数；

电流环子单元，分别与所述限流器子单元和所述电机连接，用于根据所述电流环参数生成所述驱动电流。

在其中一个实施例中，所述电流环子单元还用于根据所述电流环参数和由所述电机反馈的当前电流参数生成所述控制电流。

在其中一个实施例中，所述补偿信息为基于所述负载的摩擦模型生成的信息；

其中，所述摩擦模型包括库伦摩擦模型和粘性摩擦模型。

一种医疗设备，包括：

上述的运动控制器；

电机，与所述运动控制器连接，用于在所述运动控制器的控制下运转；

手术装置，与所述电机连接，用于在所述电机的驱动下进行运动。

在上述的运动控制器和医疗设备中，通过在运动控制器前端模块和运动控制器后端模块之间加入了补偿模块，这就使得单纯由运动控制器前端模块基于第一位置信息所生成的粗糙的第一电流控制信息能够得到补偿，又因为这种补偿是基于负载模型的补偿，故经过补偿后所生成的第二电流控制信息能够使得运动控制器后端模块生成与当前负载更为匹配的驱动电流。而驱动电流能够直接控制电机的运动状态，故电机能够对负载保持一个较好的跟随效果。

附图说明

图1为一个实施例中运动控制器的结构示意图；

图2为一个实施例中运动控制器前端模块的结构示意图；

图3为一个实施例中位置信息处理单元的结构示意图；

图4为一个实施例中速度信息处理单元的结构示意图；

图5为一个实施例中运动控制器后端模块的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1为一个实施例中运动控制器的结构示意图。如图1所示，本实施例提供一种运动控制器，可以包括运动控制器前端模块10、补偿模块11和运动控制器后端模块12。其中，操作端c可以与运动控制器前端模块10连接，运动控制器前端模块10、补偿模块11和运动控制器后端模块12可以依次连接，运动控制器后端模块12可以和电机m连接，电机m上可以带有负载。

在一个实施例中，用户可以根据实际需要，于操作端c上编制电机m的运行参数如电机m的行程(也即第一位置信息)。运动控制器前端模块10可以接收该第一位置信息，并根据该第一位置信息初步确定驱动电机m运动所需要的电流的大小(也即第一电流控制信息)。

在一个实施例中，补偿模块11中可以存储有基于负载模型的补偿信息，该补偿信息来自于大量负载在不同运动状态下所需的驱动电流数据，因此针对任意负载，该补偿信息可以较好确定出该负载所需要的驱动电流的大致数据。补偿模块11可以获取第一电流控制信息，并通过补偿信息对第一电流控制信息进行补偿，从而获得一个更为准确的对应当前负载的驱动电流数据(也即第二电流控制信息)。

在一个实施例中，由于摩擦是电机性能退化的重要来源，特别是在电机低速运行时，机械动力主要由摩擦项决定；故而，可以基于负载的摩擦模型生成补偿信息。补偿模块11中可以存储有该基于摩擦模型的补偿信息；当负载运动时，补偿模块11可以根据该补偿信息对第一电流控制信息进行补偿，从而避免由于负载受到不断变化的摩擦力而影响运动控制器的控制效果。

在一个实施例中，由于相互作用材料的表面和近表面区域之间复杂的相互作用，很难对非线性摩擦进行完全建模，并且摩擦本身也取决于许多参数，如速度、位置、温度和润滑。因此可以使用简化的摩擦模型，如库仑摩擦模型和粘性摩擦模型来生成对应的补偿信息。

在一个实施例中，摩擦模型中可以包括多个变量参数，这些变量参数可以也使用自适应控制框架来做不断地调整，从而获得与负载实际所受摩擦更为接近的摩擦模型。

在一个实施例中，运动控制器后端模块12可以根据该第二电流控制信息输出相应的驱动电流，从而使得电机m在该驱动电流的驱动下带动负载进行运动。

在上述实施例中，通过在运动控制器前端模块和运动控制器后端模块之间加入了补偿模块，这就使得单纯由运动控制器前端模块基于第一位置信息所生成的粗糙的第一电流控制信息能够得到补偿，又因为这种补偿是基于负载模型的补偿，故经过补偿后所生成的第二电流控制信息能够使得运动控制器后端模块生成与当前负载更为匹配的驱动电流。而驱动电流能够直接控制电机的运动状态，故电机能够对负载保持一个较好的跟随效果。

图2为一个实施例中运动控制器前端模块的结构示意图。如图2所示，在一些实施例中，运动控制器前端模块10可以进一步包括位置信息处理单元20和速度信息处理单元21。其中，位置信息处理单元20可以与操作端c建立有通信连接，速度信息处理单元21可以分别与位置信息处理单元20和补偿模块11连接。

具体地，可以由位置信息处理单元20接收来自操作端c的第一位置信息，并由位置信息处理单元20根据现有的位置-速度转换方式，根据第一位置信息生成第一速度信息(用于控制电机m的运行速度)。进一步地，速度信息处理单元21可以接收该第一速度信息，并根据现有的速度-电流转换方式，根据第一速度信息生成第一电流控制信息(用于控制电机m的所需的驱动电流)。

图3为一个实施例中位置信息处理单元的结构示意图。如图3所示，在一个实施例中，位置信息处理单元20可以进一步包括轨迹规划器子单元(trajectorygenerator)30和位置环子单元(positionloop)31。其中，轨迹规划器子单元30可以与操作端c连接，位置环子单元31可以分别与轨迹规划器子单元30和速度信息处理单元21连接。

在一个实施例中，为了保证系统的运行稳定，运动控制器还可以包括限制单元(图中未示出)，该限制单元可以集成在操作端c上，也可以是一个单独的存储有各种限制信息的器件。其中，该限制单元可以与轨迹规划器子单元30连接。

在一个实施例中，位置环子单元31可以包括速度前馈装置(velocityfeedforward，简称vff)311、加速度前馈装置(accelerationfeedforward，简称aff)312、位置环比例装置(positionproportonalgain，简称pp)313、第一位置环加法器314、第二位置环加法器315和叠加器(gainmultiplier)316。其中，轨迹规划器子单元30可以分别与速度前馈装置311和加速度前馈装置312连接；轨迹规划器子单元30可以通过第一位置环加法器314与位置环比例装置313连接；速度前馈装置311、加速度前馈装置312和位置环比例装置313可以连接至第二位置环加法器315；第二位置环加法器315可以和叠加器316连接；叠加器316可以连接至速度信息处理单元21。

在一个实施例中，为了提高电机m对负载的跟随效果，可以在电机m与位置环子单元31之间建立反馈链路。其中，电机m可以与第一位置环加法器314连接。

在一个实施例中，轨迹规划器子单元30可以接收来自限制单元的第一限制信息，如最大速度参数(maxvelocity)、最大加速度参数(maxdecel)、最大减速度参数(maxdecel)、退出减速度(abortdecel)等，并根据该第一限制信息对第一位置信息进行限制后，生成位置环参数，如轮廓速度参数(profilevelocity)、轮廓加速度参数(profileacceleration)、受限位置参数(limitedposition)等。

在一个实施例中，速度前馈装置311可以基于轮廓速度参数生成速度前馈参数；加速度前馈装置312可以基于轮廓加速度参数生成加速度前馈参数；第一位置环加法器314可以基于受限位置参数和来自电机m的当前位置信息进行运算，并将运算结果发送至位置环比例装置313；位置环比例装置313可以进一步基于该运算结果生成位置比例参数。进一步地，第二位置环加法器315可以基于速度前馈参数、加速度前馈参数和位置比例参数进行运算，并将运算结果发送至叠加器316，并由叠加器316基于该运算结果生成第一速度信息。

图4为一个实施例中速度信息处理单元的结构示意图。如图4所示，在一个实施例中，速度信息处理单元21可以包括限速器子单元(velocitylimiter)40和速度环子单元(velocityloop)41。其中，限速器子单元40可以与叠加器316连接。速度环子单元41可以分别连接至限速器子单元40和补偿模块11。

在一个实施例中，为了保证系统的运行稳定，限速器子单元40还可以与限制单元连接。在其他实施例中，为了使各元器件生成的结果更为可靠，速度信息处理单元21还可以包括第一速度环筛选器42和第二速度环筛选器43。其中，第一速度环筛选器42可以连接在限速器子单元40和速度环子单元41之间，用于对限速器子单元40所生成的速度环参数进行筛选(如去除噪音等)；第二速度环筛选器43可以连接在速度环子单元41和补偿模块11之间，使得由速度环子单元41所生成的第一电流控制信息更为准确。

在一个实施例中，速度环子单元41可以包括速度环积分装置(velocityintegralgain，简称vi)411、速度环比例装置(velocityproportionalgain，简称vp)412、第一速度环加法器413和第二速度环加法器414。其中，第一速度换加法器413可以和第一速度环筛选器42连接；速度环积分装置411和速度环比例装置412的一端可以连接至第一速度环加法器413，另一端可以连接至第二速度环加法器414；第二速度环加法器414可以与第二速度环筛选器43连接。

在一个实施例中，为了提高电机m对负载的跟随效果，可以在电机m与速度环子单元41之间建立反馈链路。其中，电机m可以与第一速度环加法器413连接。

在一个实施例中，限速器子单元40可以接收来自限制单元的第二限制信息，如速度参数(velocity)、加速度参数(acceleration)、减速度参数(deceleration)、紧急停止减速度(emergencystopdeceleration)等，并根据该第二限制信息对第一速度信息进行限制以生成速度环参数。第一速度环筛选器42可以对速度环参数进行筛选，并将筛选后的参数如受限速度参数(limitedvelocity)发送至第一速度环加法器413。

在一个实施例中，第一速度环加法器413可以基于受限速度参数以及来自电机m所反馈的当前速度参数进行运算，并将运算结果分别发送至速度环积分装置411和速度环比例装置412。进一步地，速度环积分装置411可以基于运算结果生成速度积分参数，速度环比例装置412可以基于运算结果生成速度比例参数。进一步地，第二速度环加法器414可以基于该速度积分参数和该速度比例参数进行运算，并且，第二速度环筛选器43可以根据该计算结果生成第一电流控制信息。

图5为一个实施例中运动控制器后端模块的结构示意图。如图5所示，运动控制器后端模块12可以包括电流控制信息处理单元120，且该电流控制信息处理单元120可以进一步包括限流器子单元(currentlimiter)50和电流环子单元(currentloop)51。其中，限流器子单元50可以和补偿模块11连接，电流环子单元51可以分别与限流器子单元50和电机m连接。

在一个实施例中，为了保证系统的运行稳定，限流器子单元50还可以与限制单元连接。在其他实施例中，电流环子单元51可以进一步包括电流环积分装置(currentintegralgain，简称ci)511、电流环比例装置(currentproportionalgain，简称cp)512、第一电流环加法器513和第二电流环加法器514。其中，第一电流环加法器513可以和限流器子单元50连接；电流环积分装置511和电流环比例装置512的一端可以连接至第一电流环加法器513，另一端可以连接至第二电流环加法器514；第二电流环加法器514可以连接至电机m。

在一个实施例中，为了提高电机m对负载的跟随效果，可以在电机m与电流环子单元51之间建立反馈链路。其中，电机m可以与第一电流环加法器513连接。

在一个实施例中，限流器子单元50可以接收来自限制单元的第三限制信息，如峰值电流参数(peakcurrent)、连续电流参数(continuouscurrent)、峰值电流限制时间(peakcurrentlimittime)等，并可以根据该第三限制信息对第二电流控制信息进行限制以生成电流环参数。

在一个实施例中，第一电流环加法器513可以基于电流环参数以及来自电机m所反馈的当前电流参数进行运算，并将并将运算结果分别发送至电流环积分装置511和电流环比例装置512。进一步地，电流环积分装置511可以基于运算结果生成电流积分参数，电流环比例装置512可以基于运算结果生成电流比例参数。进一步地，第二电流环加法器514可以基于该电流积分参数和该电流比例参数进行运算，以生成驱动电流。

本实施例提供一种医疗设备，可以用于进行手术操作，具体地，该医疗设备可以包括：运动控制器；电机，与运动控制器连接，用于在运动控制器的控制下运转；以及，手术装置，与电机连接，用于在电机的驱动下进行运动。其中，该运动控制器可以具体包括：运动控制器前端模块，用于根据所接收到的第一位置信息生成第一电流控制信息；补偿模块，存储有与负载相对应的补偿信息；补偿模块与运动控制器前端模块连接，用于根据补偿信息对第一电流信息进行补偿以生成第二电流控制信息；运动控制器后端模块，分别与补偿模块和电机连接，用于根据第二电流控制信息输出驱动电流至电机，以使得电机驱动负载运动。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。