基于直流減速電機(jī)的內(nèi)鏡縫合器電控系統(tǒng)研制

楊玉婷 宋成利 呂坤勇

摘 要：旨在設(shè)計(jì)以直流減速電機(jī)為動(dòng)力元件，利用編碼器精準(zhǔn)控制的閉環(huán)控制系統(tǒng)。研究霍爾編碼器控制原理，利用霍爾編碼器實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)控制、調(diào)速以及定位功能;研制內(nèi)鏡縫合器電動(dòng)控制系統(tǒng)，闡述系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成部分，以及器械運(yùn)動(dòng)控制算法，利用參數(shù)調(diào)節(jié)合適的PWM波占空比，以實(shí)現(xiàn)對(duì)器械運(yùn)動(dòng)的精準(zhǔn)控制，并通過(guò)外部傳感器進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明，當(dāng)PWM波占空比在80%～100%之間時(shí)，運(yùn)動(dòng)速度合理，電機(jī)測(cè)試精度變化范圍大致為-0.007%～0.567%，精度較高。該研究為內(nèi)窺鏡器械的電動(dòng)控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)提供了理論基礎(chǔ)，且具有良好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：內(nèi)鏡縫合器;直流減速電機(jī);霍爾編碼器;精準(zhǔn)控制

0 引言

近年來(lái)，消化內(nèi)鏡手術(shù)因具有創(chuàng)傷小、病人恢復(fù)快、費(fèi)用少以及并發(fā)癥發(fā)生率低等優(yōu)勢(shì)[1]，逐漸取代了傳統(tǒng)開(kāi)腹手術(shù)，同時(shí)也促進(jìn)了經(jīng)自然腔道內(nèi)鏡手術(shù)（Natural Orifice Transluminal Surgery，NOTES）等技術(shù)的發(fā)展[2]。內(nèi)鏡縫合器械是消化內(nèi)鏡手術(shù)的常用器械之一，主要用于治療消化道急性出血、醫(yī)源性與非醫(yī)源性穿孔，修復(fù)缺損組織或輔助其它手術(shù)治療等。消化內(nèi)鏡手術(shù)常用的內(nèi)鏡縫合器械包括內(nèi)鏡金屬夾和內(nèi)鏡專用縫合器，手術(shù)時(shí)醫(yī)生將器械固定在內(nèi)窺鏡外側(cè)或通過(guò)內(nèi)鏡鉗道進(jìn)入人體內(nèi)，對(duì)病灶處進(jìn)行縫合。目前，內(nèi)鏡金屬夾逐漸成為治療消化內(nèi)鏡醫(yī)源性損傷最有效的方法[3]，可用于消化道止血，穿口、瘺管、吻合口瘺閉合以及作為標(biāo)記物等[4-5]。但現(xiàn)有內(nèi)鏡金屬夾存在定位不準(zhǔn)確、組織固定不牢固等問(wèn)題[5]。2008年德國(guó)推出了Over-the-Scope Clip system（OTSC，Ovesco AG，Germany），OTSC是一種記憶耙狀?yuàn)A，預(yù)置在內(nèi)鏡外側(cè)的施放套管中，該裝置能提供較大夾持力，但對(duì)周圍損傷較大，目前臨床應(yīng)用不多[6-9]。由于器械裝填程序復(fù)雜，不僅耗時(shí)長(zhǎng)，還增加了再定位難度[10-11]，而能否快速、有效地閉合穿孔對(duì)減少并發(fā)癥發(fā)病率及減輕手術(shù)創(chuàng)傷至關(guān)重要[12-13]。內(nèi)鏡專用縫合器組織固定效果較好，常用于全層固定，但器械本身體積大、操作復(fù)雜，手術(shù)抓鉗需要提供安全的夾持力，若夾持力過(guò)大會(huì)導(dǎo)致組織損傷，過(guò)小則會(huì)造成組織滑脫[14]，而且市場(chǎng)上現(xiàn)有內(nèi)鏡縫合器多為手動(dòng)控制，不便于操作。常用內(nèi)鏡縫合器包括Endogastric Solutions公司推出的EsophyX，以及Apollo Endosurgery研制的一種彎針縫合裝置OverStitch[15]，但兩種器械體積都較大，手持控制難度高。因此，電動(dòng)智能控制內(nèi)鏡縫合器有望解決上述問(wèn)題。

臨床上常見(jiàn)的電動(dòng)手術(shù)器械一般采用步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)[16-17]，但其成本相對(duì)較高，且具有控制精度差、開(kāi)環(huán)控制、易產(chǎn)生共振噪聲等缺點(diǎn)，容易造成手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。相比于步進(jìn)電機(jī)，自帶霍爾編碼器的直流減速電機(jī)可省去驅(qū)動(dòng)器，并且體積小、測(cè)量精度高、控制效果好、易于微型化[18-20]。如文獻(xiàn)[18]通過(guò)閉環(huán)控制系統(tǒng)，利用編碼器提高測(cè)速與控制效果，但是需要在速度閉環(huán)帶寬不變的情況下，編碼器采樣頻率才不會(huì)對(duì)控制系統(tǒng)的位置環(huán)產(chǎn)生影響;文獻(xiàn)[19]利用帶霍爾的增量式編碼器作為永磁同步伺服系統(tǒng)的位置傳感器，可以完成調(diào)速及精準(zhǔn)定位功能，但該位置的傳感器是永磁同步伺服電機(jī)外加的模塊，一定程度上增加了永磁同步伺服系統(tǒng)成本;文獻(xiàn)[20]介紹一種以直流電機(jī)為動(dòng)力元件的驅(qū)動(dòng)減速齒輪箱，采用單片機(jī)與光電傳感器控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)，實(shí)現(xiàn)藥物的微量輸送，但外加光電傳感器增加了設(shè)計(jì)成本，同時(shí)該系統(tǒng)存在電機(jī)過(guò)沖現(xiàn)象，控制精度不夠高。本研究旨在設(shè)計(jì)一種基于編碼器精準(zhǔn)控制的閉環(huán)控制系統(tǒng)[21]，利用霍爾編碼器實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)控制、調(diào)速以及精準(zhǔn)定位等功能，可用于電動(dòng)內(nèi)鏡縫合器械研制。

1 電動(dòng)內(nèi)鏡縫合器結(jié)構(gòu)

電動(dòng)內(nèi)鏡縫合器由機(jī)械手柄、鞘管和執(zhí)行端組成，其中機(jī)械手柄有兩個(gè)自由度，手柄中間的兩個(gè)活動(dòng)板分別與鋼絲連接，通過(guò)活動(dòng)板的移動(dòng)帶動(dòng)鋼絲運(yùn)動(dòng)，鋼絲與鉗口的金屬夾底座相連，從而帶動(dòng)鉗口的張合運(yùn)動(dòng)及金屬夾的推送運(yùn)動(dòng)，兩個(gè)活動(dòng)板分別與螺桿相連，電機(jī)帶動(dòng)螺桿運(yùn)動(dòng)，鞘管由外層鋼管和內(nèi)層鋼絲構(gòu)成。執(zhí)行端包括保護(hù)管和抓鉗，抓鉗裝置在保護(hù)管遠(yuǎn)端，用于夾取組織，其中間設(shè)有槽溝，前端為向內(nèi)彎曲的弧形面，其與槽溝共同構(gòu)成金屬夾通道。保護(hù)管內(nèi)可放置金屬夾，由推座推送，金屬夾頭端是可彎曲的細(xì)臂，如圖1所示。電動(dòng)內(nèi)鏡縫合器械施夾具體步驟可參考文獻(xiàn)[22]。

1.1 運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)及縫合器設(shè)計(jì)

運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)由控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、霍爾編碼器、外部傳感器等機(jī)構(gòu)組成，如圖2所示。

1.2 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)由中央處理器、控制電路、驅(qū)動(dòng)電路、按鍵以及液晶顯示屏組成，其中按鍵作為輸入，液晶顯示屏作為輸出，構(gòu)成人機(jī)交互界面。按鍵可以改變編碼器脈沖數(shù)與PWM波占空比，以調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)距離和速度。按鍵控制參數(shù)將在液晶顯示屏上顯示。

1.3 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)由直流減速電機(jī)、霍爾編碼器、滾珠絲桿等組成。選擇扭矩足夠驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的直流電機(jī)，將直流減速電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變成直線運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)滾珠絲桿。電機(jī)由夾具固定住，電機(jī)通電后，通過(guò)霍爾編碼器可以精準(zhǔn)記錄電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)，絲桿尾部和電機(jī)連接處固定一個(gè)夾具，當(dāng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，絲桿可以沿軸向進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)。絲桿上固定激光擋板，激光擋板下部是一個(gè)絲桿旋轉(zhuǎn)限制零件，會(huì)隨著電機(jī)旋轉(zhuǎn)進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)，便于位移傳感器精準(zhǔn)測(cè)試運(yùn)動(dòng)距離，通過(guò)絲桿的導(dǎo)程可以推出電機(jī)實(shí)際旋轉(zhuǎn)圈數(shù)（見(jiàn)圖3）。

1.4 霍爾編碼器

1.4.1 計(jì)數(shù)原理

編碼器是一種旋轉(zhuǎn)式傳感器，其工作原理是將角位移或角速度轉(zhuǎn)換成一串電數(shù)字脈沖。編碼器又分為光電編碼器和霍爾編碼器，本研究采用增量式輸出的霍爾編碼器。

霍爾編碼器由霍爾碼盤(pán)和霍爾元件組成，其工作原理是利用磁電轉(zhuǎn)換將輸出的機(jī)械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器。本文采用ASLONG公司的JGA25-370B直流減速電機(jī)自帶霍爾編碼器，霍爾碼盤(pán)在一定直徑的圓板上等分地布置有不同磁極。其中，霍爾碼盤(pán)和電動(dòng)機(jī)構(gòu)成同軸，當(dāng)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，霍爾元件可以通過(guò)掃描檢測(cè)輸出若干脈沖信號(hào)作為依據(jù)，一般輸出兩組存在一定相位差的方波信號(hào)以判斷轉(zhuǎn)向（見(jiàn)圖4）。

選擇帶有霍爾編碼器的直流減速電機(jī)，減速比可記為n，霍爾編碼器上有AB相輸出，不僅可以測(cè)速，還可以辨別轉(zhuǎn)向。編碼器自帶上拉電阻，所以無(wú)需外部上拉，可以直接連接到單片機(jī) IO 進(jìn)行讀取。通過(guò)圖4可以觀察編碼器輸出的AB相波形，在計(jì)數(shù)時(shí)，一般方法只測(cè)量A相（或B相）的上升沿或下降沿，可以理解為圖4中對(duì)應(yīng)數(shù)字1、2、3、4中的某一個(gè)，這樣只能計(jì)數(shù) 3次，而不能判別方向。本研究在檢測(cè)A相上升沿的同時(shí)，檢測(cè)B相高低電平，檢測(cè)完成后根據(jù)不同方向進(jìn)行計(jì)數(shù)，從而在計(jì)數(shù)的同時(shí)也進(jìn)行方向判別，見(jiàn)圖4右側(cè)波形圖。

1.4.2 器械運(yùn)動(dòng)距離計(jì)算

1.5 外部傳感器

1.5.1 脈沖數(shù)顯表

YF600脈沖數(shù)顯表（YF600，潤(rùn)豐自動(dòng)化工程有限公司，中國(guó)）具有頻率高、設(shè)置簡(jiǎn)單方便、工作穩(wěn)定、精度高等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)可設(shè)定自動(dòng)延時(shí)復(fù)位時(shí)間，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)延時(shí)復(fù)位功能，可通過(guò)內(nèi)部參數(shù)設(shè)置進(jìn)行計(jì)數(shù)，并設(shè)定倍率，確定輸入脈沖與顯示值之間的比例關(guān)系。實(shí)驗(yàn)時(shí)需要連接霍爾編碼器A相和B相，檢測(cè)電平變化進(jìn)行計(jì)數(shù)，通過(guò)改變參數(shù)，確定輸入脈沖與顯示值的關(guān)系，這里選擇1∶1關(guān)系記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1.5.2 位移傳感器

USB-DAQ-280G位移傳感器（HG-C1200，Panasonic，日本）如圖5所示，左側(cè)為采集傳感器數(shù)據(jù)所需器材，右側(cè)為數(shù)據(jù)記錄界面。該傳感器提供2個(gè)單端模擬輸入通道，AI分辨率達(dá)到24位，可以精確到0.01%。采用DC-DC專用電源穩(wěn)壓芯片，以解決USB供電電壓波動(dòng)問(wèn)題、提高輸出穩(wěn)定度，給系統(tǒng)提供極低紋波電源;選用TI專用參考電壓芯片，其噪聲極低，溫漂典型值僅為 3ppm/℃;選用高精度運(yùn)算放大器，典型輸出失調(diào)電壓僅為正負(fù)10uV;采用位移傳感器進(jìn)行測(cè)距，利用USB數(shù)據(jù)采集卡接收數(shù)據(jù)并輸送到計(jì)算機(jī)，在數(shù)據(jù)記錄界面進(jìn)行顯示。

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 控制系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)設(shè)計(jì)與加工

本文搭建測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行系統(tǒng)的精準(zhǔn)性和穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)，如圖6所示。該平臺(tái)包括數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)測(cè)試以及控制系統(tǒng)3部分。其中數(shù)據(jù)接收通過(guò)USB數(shù)據(jù)采集卡將數(shù)據(jù)輸送到計(jì)算機(jī)，在數(shù)據(jù)記錄界面顯示;數(shù)據(jù)測(cè)試采用位移傳感器進(jìn)行測(cè)距，采用脈沖數(shù)顯表進(jìn)行脈沖計(jì)數(shù)，通過(guò)在滾珠絲桿上安裝位移傳感器激光擋板進(jìn)行測(cè)距，同時(shí)使用夾具穩(wěn)定電機(jī)減小振動(dòng)的影響;控制系統(tǒng)包括單片機(jī)、2路直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、OLED液晶顯示屏以及帶霍爾編碼器的直流電機(jī)。

2.2 軟件實(shí)現(xiàn)方法

該系統(tǒng)采用Arduino單片機(jī)進(jìn)行控制，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)程序?qū)崿F(xiàn)如下：使用者可以通過(guò)按鍵精準(zhǔn)控制所需運(yùn)動(dòng)的距離和速度，并通過(guò)液晶顯示屏實(shí)時(shí)顯示出來(lái);控制程序根據(jù)預(yù)先測(cè)出的所需距離，依照公式（1）計(jì)算出控制霍爾編碼器所需的脈沖數(shù)N;按鍵控制開(kāi)啟，執(zhí)行程序，霍爾編碼器監(jiān)控脈沖數(shù)，當(dāng)檢測(cè)到信號(hào)達(dá)到N后，電機(jī)停止運(yùn)動(dòng)，完成一次運(yùn)動(dòng)。

單片機(jī)寫(xiě)入脈沖數(shù)，利用霍爾編碼器的A相和B相高低電平變化，寫(xiě)入脈沖數(shù)精準(zhǔn)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)，從而控制運(yùn)動(dòng)距離，通過(guò)位移傳感器進(jìn)行激光測(cè)距，可以得到在不同脈沖值下的運(yùn)動(dòng)距離。通過(guò)脈沖數(shù)顯表可以記錄該脈沖數(shù)下檢測(cè)到的實(shí)際脈沖值，記錄不同脈沖數(shù)對(duì)應(yīng)的實(shí)際距離，得出關(guān)系圖。

采集數(shù)據(jù)時(shí)，主要改變兩個(gè)變量：速度和運(yùn)動(dòng)距離。速度通過(guò)調(diào)節(jié)PWM波占空比進(jìn)行控制，通過(guò)改變編碼器脈沖數(shù)可以控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)，從而控制運(yùn)動(dòng)距離，采集數(shù)據(jù)每間隔100個(gè)脈沖數(shù)采集一組，每一組測(cè)試20個(gè)脈沖數(shù)，測(cè)試精度記為脈沖實(shí)測(cè)誤差值與脈沖實(shí)際值的比值。通過(guò)分析不同速度與脈沖數(shù)下20組運(yùn)動(dòng)距離平均值的關(guān)系，確定轉(zhuǎn)動(dòng)速度對(duì)測(cè)試精度的影響;分析電機(jī)正反轉(zhuǎn)在不同脈沖數(shù)下的20組運(yùn)動(dòng)距離平均值的關(guān)系，確定轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)對(duì)測(cè)試精度的影響;分析在不同速度下、不同脈沖數(shù)時(shí)，確定轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)與移動(dòng)距離的關(guān)系;分析在相同速度下、不同脈沖數(shù)時(shí)，14組脈沖數(shù)下每組記錄20個(gè)數(shù)據(jù)，比較各組運(yùn)動(dòng)距離的關(guān)系，以測(cè)試系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性。

3 結(jié)果與分析

3.1 系統(tǒng)精準(zhǔn)性測(cè)試實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，通過(guò)在軟件中設(shè)置程序檢測(cè)霍爾編碼器的A相和B相高低電平變化，寫(xiě)入脈沖數(shù)精準(zhǔn)控制運(yùn)動(dòng)距離。由于電機(jī)負(fù)載的原因，PWM波占空比不能太小，在70%以下將無(wú)法正常驅(qū)動(dòng)電機(jī)，選擇PWM波占空比為80%和100%。脈沖數(shù)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)，由于受到PWM占空比的速度影響，脈沖數(shù)如果過(guò)低，脈沖數(shù)顯表將無(wú)法正常計(jì)數(shù)。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)反復(fù)測(cè)試，設(shè)置脈沖數(shù)最低為200，最高為1 500。選擇14組脈沖理論值分別寫(xiě)入程序，每組測(cè)量30個(gè)數(shù)據(jù)，記錄脈沖和運(yùn)動(dòng)距離實(shí)測(cè)值，取每組實(shí)測(cè)值的平均值，最后結(jié)合理論值進(jìn)行計(jì)算，以驗(yàn)證系統(tǒng)的精準(zhǔn)性。PWM占空比80%與100%的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分別如表1、表2所示。

從表1中可以看出，實(shí)際測(cè)量的脈沖數(shù)平均值基本接近理論值，通過(guò)測(cè)量電機(jī)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)實(shí)際運(yùn)動(dòng)距離（如表1第4列與第6列），可以得知實(shí)際運(yùn)動(dòng)距離比理論運(yùn)動(dòng)距離小。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，需要克服摩擦力問(wèn)題、同軸性問(wèn)題及振動(dòng)問(wèn)題，都會(huì)引起測(cè)量誤差。表2顯示問(wèn)題與表1一致，表1、表2是在不同PWM波占空比下的測(cè)量值，兩組數(shù)據(jù)也表明PWM波占空比不影響控制系統(tǒng)精準(zhǔn)性。

本文通過(guò)改進(jìn)測(cè)試平臺(tái)以克服摩擦力問(wèn)題、同軸性問(wèn)題及振動(dòng)問(wèn)題。為保證阻力滿足電機(jī)扭矩要求，本文采用阻力極小的滾珠絲杠代替普通絲杠，并對(duì)滑塊與水平板之間接觸面進(jìn)行處理以解決摩擦力問(wèn)題;為保證電機(jī)、滾珠絲杠以及夾具的同軸性，本文在一塊定制的水平臺(tái)上進(jìn)行測(cè)試，所有墊片、輔助用具都是經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)加工而成的，可克服同軸性問(wèn)題;電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，導(dǎo)致傳感器讀數(shù)會(huì)發(fā)生很大跳動(dòng)，造成誤差，因此可利用夾具固定電機(jī)，以減少振動(dòng)帶來(lái)的影響。

3.2 轉(zhuǎn)動(dòng)速度對(duì)測(cè)試精度的影響

選擇編碼器脈沖數(shù)為400個(gè)，分別針對(duì)PWM波占空比為80%和100%情況下的運(yùn)動(dòng)距離測(cè)得15組數(shù)據(jù)，按照實(shí)際距離逐漸增大的關(guān)系，得到距離實(shí)測(cè)值與實(shí)際脈沖數(shù)關(guān)系如圖7所示。

由圖7可以發(fā)現(xiàn)，在確定脈沖數(shù)的情況下，調(diào)節(jié)速度對(duì)運(yùn)動(dòng)距離的影響很小，不會(huì)影響精準(zhǔn)計(jì)數(shù)，脈沖數(shù)變化范圍為385～415，20組脈沖數(shù)的測(cè)試精度誤差均小于5%，說(shuō)明轉(zhuǎn)動(dòng)速度對(duì)測(cè)試精度不會(huì)產(chǎn)生影響。同樣進(jìn)行14組不同脈沖數(shù)、不同速度下的控制分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了轉(zhuǎn)動(dòng)速度對(duì)測(cè)試精度不會(huì)產(chǎn)生影響。

3.3 轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)對(duì)測(cè)試精度的影響

在測(cè)速過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)在脈沖數(shù)低于136個(gè)的情況下，脈沖數(shù)顯示器無(wú)法進(jìn)行計(jì)數(shù)。因?yàn)槊}沖數(shù)過(guò)小，無(wú)法準(zhǔn)確進(jìn)行檢測(cè)。為了方便比較，選擇編碼器脈沖數(shù)為200～? ? 1 500個(gè)，共14組數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。

由圖8可知，選擇14組脈沖數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，觀察在相同速度下的測(cè)試精度，發(fā)現(xiàn)在PWM波占空比為80%的情況下，電機(jī)正轉(zhuǎn)測(cè)試精度誤差變化范圍為0.005%～0.498%，電機(jī)反轉(zhuǎn)測(cè)試精度誤差變化范圍為-0.007%～0.567%，測(cè)試精度非常高，轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)對(duì)測(cè)試精度不會(huì)產(chǎn)生影響。

3.4 轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)與移動(dòng)距離關(guān)系

由圖9可知，轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)與移動(dòng)距離成線性關(guān)系，由上文可知轉(zhuǎn)動(dòng)速度和轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)對(duì)測(cè)試精度都不會(huì)產(chǎn)生影響，在不同速度下轉(zhuǎn)動(dòng)不同圈數(shù)時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)與移動(dòng)距離呈線性關(guān)系。

3.5 系統(tǒng)穩(wěn)定性測(cè)試實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，通過(guò)將脈沖值固定在200～1 500之間，觀察PWM波占空比在80%條件下，比較所測(cè)出的實(shí)際運(yùn)動(dòng)值關(guān)系，如圖10所示。圖右邊數(shù)字代表200～1 500個(gè)脈沖，共記錄14組，每100個(gè)脈沖記錄20個(gè)數(shù)據(jù)，最終圖像成線性關(guān)系，證明系統(tǒng)的穩(wěn)定性較高。

其中，運(yùn)動(dòng)距離與脈沖數(shù)成線性關(guān)系，最大運(yùn)動(dòng)距離平均值為4.22mm，最小運(yùn)動(dòng)距離平均值為0.572mm，精度較高，滿足了系統(tǒng)所需的穩(wěn)定性。

4 電動(dòng)內(nèi)鏡縫合器樣機(jī)系統(tǒng)

搭建完成的電動(dòng)內(nèi)鏡縫合器樣機(jī)如圖11所示，機(jī)械模塊包括機(jī)械手柄、操作端和執(zhí)行端?？刂颇K選擇Arduino UNO ATmega328P單片機(jī)，采用L298N2路直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，供電電壓為2V～10V，可同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)直流電機(jī)，實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)與調(diào)速功能，顯示模塊采用0.96寸OLED顯示屏。

5? ? ?結(jié)語(yǔ)

本文提出一種內(nèi)鏡縫合器電動(dòng)控制系統(tǒng)，概述其基本結(jié)構(gòu)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其精準(zhǔn)性和穩(wěn)定性。發(fā)現(xiàn)在一定范圍內(nèi)，速度和脈沖編碼數(shù)具有很高的精準(zhǔn)性和穩(wěn)定性，轉(zhuǎn)動(dòng)速度和轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)對(duì)測(cè)試精度均不會(huì)產(chǎn)生影響，且轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)與移動(dòng)距離呈線性關(guān)系。同時(shí)，通過(guò)系統(tǒng)的穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，在脈沖數(shù)低于136個(gè)時(shí)，無(wú)法正常計(jì)數(shù)顯示，PWM波占空比在80%～100%之間時(shí)，運(yùn)動(dòng)速度合理，電機(jī)測(cè)試精度范圍大約為-0.007%～0.567%，精度較高，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)器械的精準(zhǔn)控制。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本系統(tǒng)存在電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度限制，對(duì)于不同負(fù)載，對(duì)應(yīng)速度需要作相應(yīng)調(diào)整。雖然實(shí)驗(yàn)中速度合理，但在實(shí)際運(yùn)動(dòng)中，速度不能過(guò)低，否則無(wú)法帶動(dòng)負(fù)載。同時(shí)，在較小的運(yùn)動(dòng)距離內(nèi)，因電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)太少，編碼器捕捉完相應(yīng)信號(hào)時(shí)，電機(jī)還沒(méi)有達(dá)到額定轉(zhuǎn)速即停止，未能走完相應(yīng)運(yùn)動(dòng)距離。通過(guò)對(duì)測(cè)試平臺(tái)的改進(jìn)，可極大地克服摩擦力問(wèn)題、同軸性問(wèn)題以及振動(dòng)問(wèn)題，但是同樣不能完全解決上述問(wèn)題。接下來(lái)將對(duì)樣機(jī)作進(jìn)一步測(cè)試，同時(shí)考慮醫(yī)生手術(shù)時(shí)的臨床需求進(jìn)行器械升級(jí)，通過(guò)更好的系統(tǒng)集成，設(shè)計(jì)更便于控制的操作平臺(tái)、更友好的操作界面等。未來(lái)將會(huì)通過(guò)離體實(shí)驗(yàn)測(cè)試縫合效果，從而更有針對(duì)性地對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)，最終實(shí)現(xiàn)更加精準(zhǔn)與穩(wěn)定的控制效果，以更好地滿足臨床需求。

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