管线输送系统及其控制方法与流程

本发明涉及医疗器械技术领域，更具体地，涉及一种管线输送系统和一种管线输送系统的控制方法。

背景技术

目前，介入手术机器人包括输送机架和跟随机架。为了防止管线卷曲，也为了避免管线受阻而影响输送，输送机架和跟随机架在输送管线时，末端均需要对管线起支撑作用的装置。

一般而言，输送机架在整个机器的前端固定不动，跟随机架在整个机器的后端，跟随机架通过管线与输送机架连接，并可随着管线前后运动。当管线向前运动时，会拉拽后端的跟随机架向前运动，使管线张紧力变大。然而，如果仅靠拉拽的力保持跟随机架和输送机架的相对位置，不仅容易损坏管线，还会使得管线输送反应迟钝。

同样的，跟随机架的后端也需要一个支撑结构对管线进行引导，否则跟随机架的运动将会使管线过度拉拽或卷曲。

技术实现要素：

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种管线输送系统，该系统能够保证输送装置对管线进行稳定输送。

本发明的第二个目的在于提出一种管线输送系统的控制方法。

为达到上述目的，本发明第一方面实施例提出了一种管线输送系统，包括：输送装置，所述输送装置相对地面固定设置；安装组件和跟随装置，所述跟随装置安装在所述安装组件上，所述跟随装置通过管线与所述输送装置相连；跟随电机和传动组件，所述跟随电机安装在所述传动组件上，所述跟随电机带动所述传动组件转动，所述传动组件与所述安装组件相连，以在所述传动组件转动时带动所述跟随装置运动。

本发明实施例的管线输送系统，通过跟随电机驱动传动组件转动，以带动跟随装置运动，能够保证输送装置对管线进行稳定输送。

本发明第二方面实施例提出了一种管线输送系统的控制方法，包括以下步骤：接收用户输入的管线输送指令；检测所述输送装置输送的管线的位置，以得到第二位置信息；根据所述管线输送指令和所述第二位置信息对管线进给电机和/或管线旋转电机进行控制，其中，所述管线进给电机和所述管线旋转电机与所述输送装置配合以驱动管线运动；检测所述跟随装置夹持的所述管线的位置，以得到第一位置信息，并根据所述第一位置信息对所述跟随电机进行控制。

根据本发明实施例的管线输送系统的控制方法，根据所述管线输送指令和所述第二位置信息对管线进给电机和/或管线旋转电机进行控制，并根据所述第一位置信息对所述跟随电机进行控制，以通过跟随电机驱动传动组件转动，从而带动跟随装置运动，能够保证输送装置对管线进行稳定输送。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

图1是根据本发明一个实施例的管线输送系统的结构示意图；

图2是根据本发明一个实施例的管线输送系统工作时的示意图；

图3是根据本发明一个实施例的跟随装置的示意图；

图4是根据本发明一个实施例的跟随装置的爆炸图；

图5是根据本发明一个实施例的连接套组件的爆炸图；

图6是根据本发明一个实施例的跟随装置的剖视图；

图7是根据本发明一个实施例的滑块上盖打开时跟随装置的示意图；

图8是根据本发明一个实施例的传感器组件的结构示意图；

图9是根据本发明一个实施例的输送装置的结构示意图；

图10是根据本发明一个实施例的驱动装置的结构示意图；

图11是根据本发明实施例的管线输送系统的控制方法的流程图。

附图标记：

管线输送系统100；

1跟随装置、2输送装置、3安装组件、4同步带、5主动带轮、6跟随电机、7从动带轮、8管线、9传送组件、10驱动装置、11基座、动力组件12、13管线位置激光传感器；

101连接套组件、102滑块上盖、103滑块座、104第一导向轴、105拨叉、106传感器组件、107底座、108固定板、109导向轴支架、110第一圆柱销、111第二导向轴、112第一直线轴承、113第二直线轴承、114第二圆柱销、115拉伸弹簧；

1011连接套、1012轴承、1013轴承、1014护套；

1021定位块、1031定位块；

1051第一触点、1052第二触点、1061第一微动开关、1062第二微动开关、1063霍尔传感器、1064磁铁；

201管线进给电机、202管线旋转电机。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参考附图1-11描述本发明实施例的管线输送系统及其控制方法。

图1是本发明实施例的管线输送系统的结构示意图。如图1所示，管线输送系统100包括跟随装置1、输送装置2、安装组件3、跟随电机6和传送组件9。

其中，输送装置2相对地面固定设置；跟随装置1安装在安装组件3上，跟随装置1通过管线8与输送装置2相连；跟随电机6安装在传动组件9上，跟随电机6带动传动组件9转动，传动组件9与安装组件3相连，以在传动组件9转动时带动跟随装置1运动。

具体地，参见图1，管线8的尾端夹持在跟随装置1中，管线8的首端穿过输送装置2，并由输送装置2向人体输送。此时，可控制跟随电机6启动，以带动传动组件9转动，进而与传动组件9相连的安装组件3跟随传动组件9一起朝向输送装置2运动，同时安装在安装组件3上的跟随装置1向输送装置2运动，由此，可以保证管线8的稳定输送。具体操作过程中，所传输的管线8包括但不限于导管、导丝，还可以是其他任意管状物、线状物、丝状物等。

在本发明的一个实施例中，如图1、图2所示，传动组件9包括同步带4、主动带轮5、从动带轮7，其中，主动带轮5与跟随电机6相连，同步带4的两端分别套设在主动带轮5和从动带轮7上。具体地，跟随电机6驱动主动带轮5转动，以带动同步带4运动。

参见图2，当跟随装置1处于a位置时，输送装置2开始向右输送管线8，此时控制跟随电机6启动，开始带动同步带4顺时针转动，以使跟随装置1向右运动。当输送装置2完成管线8的输送后，跟随装置1运动到b位置，此时控制跟随电机6停止，以使跟随装置1停止在b位置。

可选地，传动组件9可以包括滑轨、滑轮、牵引件，其中，滑轮安装在安装组件3的底部，滑轮可沿滑轨滑动，牵引件的一端与安装组件3相连，牵引件的另一端与跟随电机6的转轴相连。由此，跟随电机6转动时，可通过牵引件带动安装组件3在滑轨滑动。

如图3-7所示，在一个实施例中，跟随装置1包括连接套组件101、滑块上盖102、滑块座103、第一导向轴104、底座107、固定板108、导向轴支架109、第一圆柱销110、第二导向轴111、第一直线轴承112、第二直线轴承113、第二圆柱销114和拉伸弹簧115。

其中，底座107安装在安装组件3上，固定板108安装在底座107上，导向轴支架109安装在固定板108上，第一导向轴104和第二导向轴111均安装在导向轴支架109上。滑块座103内限定有用于容纳连接套组件101的第一容纳腔，滑块座103与导向轴支架109之间通过拉伸弹簧115连接，其中，连接套组件101通过管线8与输送装置2相连，拉伸弹簧115的两端分别通过第一圆柱销110和第二圆柱销114固定。第一直线轴承112和第二直线轴承113均安装在滑块座103内，并分别对应安装在第一导向轴104与第二导向轴111上，其中，滑块座103在第一导向轴104与第二导向轴上111可移动。滑块上盖102与第一导向轴104和第二导向轴111可活动地相连以打开和关闭第一容纳腔。

具体地，参见图3、图4和图7，滑块上盖102的一端可安装在第一导向轴104上，并绕第一导向轴104可旋转，滑块上盖102另一端设有缺口，并可压紧安装在第二导向轴111上。

如图5所示，连接套组件101包括连接套1011、第一轴承1012、第二轴承1013和护套1014。

参见图5-7，连接套1011用于夹持管线8的尾端，第一轴承1012和第二轴承1013均安装在连接套1011上，护套1014内限定有用于容纳连接套1011、第一轴承1012和第二轴承1013的第二容纳腔，且连接套1011在第二容纳腔中可旋转，护套1014上设有第一定位孔1015和第二定位孔(图5-7中未示出)，其中，滑块上盖102的定位块1021嵌入连接在第一定位孔1015中，滑块座103的定位块1031嵌入连接在第二定位孔中。

进一步地，如图3、图4、图7和图8所示，跟随装置1还包括拨叉105、传感器组件106和跟随电机控制器(图中未示出)。

其中，拨叉105安装在滑块座103的下端，且设置在底座107的一侧，拨叉105的下端悬空。传感器组件106安装在底座107上，且设置在拨叉105的下端，传感器组件106用于检测夹持在连接套1011中的管线8的位置，并生成第一位置信息。

在该实施例中，跟随电机控制器分别与传感器组件106和跟随电机6电连接，跟随电机控制器用于根据第一位置信息生成相应的控制指令，并根据控制指令对跟随电机6进行控制。

具体地，参见图8，传感器组件106包括第一微动开关1061和第二微动开关1062。其中，第一微动开关1061与拨叉105的第一触点1051对应设置，且当管线8的轴向力大于预紧力时，第一微动开关1061与第一触点1051接触，并生成第一触发信号；第二微动开关1062与拨叉105的第二触点1052对应设置，且当管线8的轴向力小于预紧力时，第二微动开关1062与第二触点1052接触，并生成第二触发信号。

可选地，第一微动开关1061、第一触点1051、第二微动开关1062和第二触点1052的连线为一条直线，且该直线与管线8的输送方向平行。其中，如果第一微动开关1061设置在靠近输送装置2的一端，则第二微动开关1062设置在远离输送装置2的一端；如果第二微动开关1062设置在靠近输送装置2的一端，则第一微动开关1061设置在远离输送装置2的一端。

在该实施例中，第一位置信息包括第一触发信息和第二触发信息，跟随电机控制器可根据第一触发信号控制跟随电机6以预设上限速度和第一方向转动，以及根据第二触发信号控制跟随电机6以预设上限速度和第二方向转动。

具体而言，管线8穿过连接套组件101，管线8尾端由连接套组件101中连接套1011夹持、限位；连接套组件101装入跟随装置1，如图7所示；将跟随装置1安装在安装组件3上，管线8前端由输送装置2输送。

当管线8做旋转运动时，连接套组件101中的连接套1011可以随管线8做同步旋转运动。

如果第一微动开关1061远离输送装置2的一端设置，则当管线8的轴向力大于预紧力时，拨叉105的第一触点1051与第一微动开关1061接触，如图8所示，跟随电机控制器得到第一触发信号，跟随电机控制器控制跟随电机6启动，驱动同步带4，使跟随装置1向输送装置2靠近；当拨叉105的第一触点1051与第一微动开关1061脱离接触，跟随电机控制器控制跟随电机6停止，跟随装置1停止运动，此时，管线8的轴向力与预紧力相同。

如果第一微动开关1061远离输送装置2的一端设置，则当管线8的轴向力小于预紧力时，在拉伸弹簧115的弹簧力的作用下拨叉105的第二触点1052与第二微动开关1062接触，跟随电机控制器得到第二触发信号，跟随电机控制器控制跟随电机6启动，驱动同步带4，使跟随装置1远离输送装置2；当拨叉105的第二触点1052与后微动开关1062脱离接触，跟随电机控制器控制跟随电机6停止，跟随装置1停止运动，此时，管线8的轴向力与预紧力相同。

由此，当输送装置2直线输送管线8时，使得跟随装置1跟随管线8做进给运动，同时，使管线8受到恒定预紧力的作用，保持直线状态；当管线8旋转时，连接套组件101中的连接套1011可以随管线8做同步旋转运动。即言，输送系统100可以使管线8在工作过程中，保持直线状态，不会绕曲，保证输送装置2能够正常输送管线。

在本发明的一个实施例中，如图8所示，传感器组件106还可以包括霍尔传感器1063和磁铁1064，霍尔传感器1063设置在第一微动开关1061和第二微动开关1062之间，且与拨叉105相对设置；磁铁1064固定在拨叉105的底部，且正对霍尔传感器1063设置。

在该实施例中，第一位置信息还可包括霍尔传感器的输出信号，当第一微动开关1061和第二微动开关1062均未被触发时，跟随电机控制器具体用于每隔第一预设时间对霍尔传感器1063的输出信号进行一次采样，进而每隔第二预设时间根据如下公式(1)计算一次采样信号的斜率k：

其中，n为采样信号的个数，其为正整数，fi为第i个采样信号的取值，xi为第i个采样信号的采样时刻，为n个采样电压的平均值，为n个采样时刻的平均值；

当计算得到m个斜率时，根据如下公式(2)计算一次速度值：

其中，m为正整数，是m个斜率的平均值，km是第m次计算得到的斜率，v是当前计算出的速度值，v′是上一次计算出的速度值,p是比例参数。

当计算出的速度值大于预设上限速度时，控制跟随电机以预设上限速度运行；当计算出的速度值小于或者等于预设上限速度时，则控制跟随电机以计算出的速度值运动。

在本发明的一个实施例中，如图9所示，输送装置2包括后端盖21、摩擦轮芯组件22、前端盖组件23、进给组件24、固定件25，其中，摩擦轮芯组件22设置在前端盖组件23中，可由限位块限位，后端盖21与前端盖组件23固定连接，进给组件24与前端盖组件23啮合，固定件25与前端盖组件23固定连接，将前端盖组件23和进给组件24组合。其中，管线8由固定件25的中心孔穿入，经过前端盖组件23以及摩擦轮芯组件22，并从后端盖21的中心孔穿出。

进一步地，如图1、图2、图10所示，管线输送系统100还包括驱动装置10，驱动装置10包括基座11和动力组件12、管线位置激光传感器13和管线电机控制器(图中未示出)。

其中，输送装置2安装在基座11上，且基座11相对地面固定设置。动力组件12安装在基座11上，动力组件12包括管线进给电机201和管线旋转电机202，管线进给电机201和管线旋转电机202与输送装置2配合以驱动管线8运动；管线位置激光传感器13可设置在输送装置2的后端盖21处，用于检测管线8的位置并生成第二位置信息。

在该实施例中，管线电机控制器分别与管线进给电机201、管线旋转电机202和管线位置激光传感器13电连接，管线电机控制器用于根据第二位置信息分别对管线给进电机201与管线旋转电机202进行控制。

可选地，跟随电机控制器和管线电机控制器均可采用单片机或者fpga(fieldprogrammablegatearray，即现场可编程门阵列)。

在本发明的一个具体实施例中，管线输送系统100的工作流程如下：

步骤1，管线电机控制器接收到控制管线8向前运动10mm的控制指令，根据该指令控制导管进给电机201转动，以使得管线8向前运动。

步骤2，管线8向前运动拉拽跟随装置1向前运动，霍尔传感器1063检测到磁铁1064位置变化，但第一微动开关1061还没有被触发，跟随电机控制器根据霍尔传感器1063的输出信号，采用预测控制算法得出跟随电机6的方向、转速，控制跟随电机6正向转动，使得安装组件3和跟随装置1向前运动。

步骤3，当管线8向前运动速度较快时，会使得第一微动开关1061触发，此时跟随电机控制器会控制跟随电机6以上限速度(等于管线8向前的上限速度)向前运动。

步骤4，当管线8速度减慢之后，第一微动开关1061会慢慢脱离触发状态，此时跟随电机控制器会再次根据霍尔传感器1063的输出量，采用预测控制算法得出跟随电机6的方向、转速来控制电机运动，

步骤5，重复步骤3-4，直至管线电机控制器控制管线进给电机201和管线旋转电机202停止时，磁铁1064慢慢回到中间位置，霍尔传感器1063的输出信号等于0，跟随电机控制器控制跟随电机6停止运动，整个过程完成。

具体地，上述预测控制算法如下：

霍尔传感器1063的输出信号为输出电压u，其输出电压代表了磁铁1064相对于霍尔传感器1063的位置，当磁铁1064在霍尔传感器1063正上方时，输出电压为2.5v，当磁铁1064在霍尔传感器1063最左端时，输出电压为0v，当磁铁1064在霍尔传感器1063最右端时，输出电压为5v，其位置值与霍尔传感器1063的输出电压成非线性关系。

每100μs，对霍尔传感器1063的输出电压采样一次，得到采样值f，其与输出电压的关系为

假设跟随电机6的轴承直径为d，则跟随电机6每正转一圈同步带4带动跟随装置1向前运动s，其中，s＝2×π×d。

对连续10次霍尔传感器1063的输出电压进行采样，采样值表示为f1,f2,...f10，这10次采样的时刻为：1,2...10，用x1,x2...x10代替，根据上式(1)对这十个采样值做线性拟合，得出采样电压的斜率其中，

也就是每1ms得出一个斜率值k，对下一次连续10次采样值f继续做线性拟合，得到斜率k1,k2...k10，然后将上述操作进行10次,得出连续10次斜率。

对连续10次的斜率值进行滑动平均，得出平均值然后与第十次斜率k10进行比较,得出速度其中，v′是上一次计算出的速度值,p是比例参数，其可通过实验分析得到，此例中p取值1.62。当计算出的v＞v1时，以v1控制跟随电机运行。当管线运动速度达到v1时，第一微动开关1061会触发，使得跟随电机6也按照v1运动，否则按照计算出的速度v运动。其中，v1为预设上限速度。

需要说明的是，上述预测控制算法，在控制跟随电机6运动时，根据管线速度的斜率变化率可以预测到管线速度的变化趋势，使得跟随电机6可以提前快速跟随上管线的速度。

举例而言，当线性拟合出的k1,k2...k10分别是1.1,1.2,...2.0时，计算得到v＝0.45p+v′，此时管线速度在不断上升；当线性拟合出的k1,k2...k10分别是2.0,1.9,...1.1时，计算得到v＝-0.45p+v′，此时管线速度在不断下降。

由于，管线的速度变化都是连续的，因此，可以通过计算速度的变化趋势，来估计管线在下一次的速度。

综上，根据本发明实施例的管线输送系统，在介入手术时，输送装置输送管线做直线运动或旋转运动，当管线轴向力小于预紧力时，控制跟随电机转动，跟随装置在同步带的驱动下，向远离输送装置的方向移动，当达到预紧力要求时，跟随电机停止工作，跟随装置保持位置不变；当管线的轴向力大于预紧力时，控制跟随电机转动，跟随装置在同步带的驱动下，向靠近输送装置的方向移动，当达到预紧力要求时，跟随电机停止工作，跟随装置保持位置不变。由此，能够保证管线受恒定预紧力作用，保持直线状态，不会绕曲，保证输送装置正常输送管线。

基于上述管线输送系统，本发明提出了一种管线输送系统的控制方法。

图11是根据本发明实施的管线输送系统的控制方法的流程图。如图1所示，该控制方法包括以下步骤：

s1，接收用户输入的管线输送指令。

s2，检测输送装置输送的管线的位置，以得到第二位置信息。

s3，根据管线输送指令和第二位置信息对管线进给电机和/或管线旋转电机进行控制。

其中，管线进给电机和管线旋转电机与输送装置配合以驱动管线运动。

s4，检测跟随装置夹持的管线的位置，以得到第一位置信息，并根据第一位置信息对跟随电机进行控制。

具体地，当第一位置信息至少包括第一触发信号时，根据第一触发信号控制跟随电机以预设上限速度和第一方向转动；当第一位置信息至少包括第二触发信号时，根据第二触发信号控制跟随电机以预设上限速度和第二方向转动；当第一位置信息仅包括霍尔传感器的输出信号时，根据霍尔传感器的输出信号对跟随电机进行控制。

其中，第一位置信息中不会同时包含第一触发信号和第二触发信号。

在该实施例中，根据霍尔传感器的输出信号对跟随电机进行控制包括如下步骤：

s41，每隔第一预设时间对霍尔传感器的输出信号进行一次采样。

s42，每隔第二预设时间根据如下公式(1)计算一次采样信号的斜率k：

其中，n为采样信号的个数，fi为第i个采样信号的取值，xi为第i个采样信号的采样时刻，为n个采样电压的平均值，为n个采样时刻的平均值；

s43，当计算得到m个斜率时，根据如下公式(2)计算一次速度值：

其中，是m个斜率的平均值，km是第m次计算得到的斜率，v是当前计算出的速度值，v′是上一次计算出的速度值,p是比例参数；

s44，当计算出的速度值大于预设上限速度时，控制跟随电机以预设上限速度运行。

s45，当计算出的速度值小于或者等于预设上限速度时，则控制跟随电机以计算出的速度值运动。

需要说明的是，本发明实施例的管线输送系统的控制方法的其他具体实施方式，可参见本发明上述实施例的管线输送系统的具体实施方式。

根据本发明实施例的管线输送系统的控制方法，能够保证管线受恒定预紧力作用，保持直线状态，不会绕曲，进而保证输送装置正常输送管线。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。