本发明属于变量的测量技术领域，本发明提供了一种医疗手术机器人角度性能检测装置及方法，包括在医疗手术机器人末端器械上设置有磁铁，磁传感器和角度检测控制器，磁铁包括第一磁铁、第二磁铁和第三磁铁中的至少一个，第一磁铁用于检测末端器械的夹合角度，所述第二磁铁用于检测末端器械的旋转角度，所述第三磁铁用于检测末端器械的牵引角度；磁传感器用于感应第一磁铁、第二磁铁或/和第三磁铁的状态变化；角度检测控制器与磁传感器电连接，用于获取磁传感器的电压值变化值，计算状态变化所对应的角度，本发明的结构简单，测量过程容易执行。
1.一种医疗手术机器人角度性能检测装置，其特征是，包括在医疗手术机器人末端器械上设置有磁铁，磁传感器和角度检测控制器，其中：所述磁铁包括第一磁铁、第二磁铁和第三磁铁，选用轴向磁铁或径向磁铁，所述第一磁铁用于检测末端器械的夹合角度；所述第二磁铁用于检测末端器械的旋转角度；所述第三磁铁用于检测末端器械的牵引角度；
所述磁传感器包括第一磁传感器和第二磁传感器，第一磁传感器用于检测轴向磁铁，输出电压值，用于感应第一磁铁和第三磁铁的状态变化；第二磁传感器用于检测径向磁铁，总线输出角度值，用于感应第二磁铁；
所述角度检测控制器与磁传感器电连接，用于获取第一磁传感器和第二磁传感器的输出数据，第一磁传感器输出的是两路电压值，通过计算两路电压值数据以获得目标磁铁所对应的角度；第二磁铁输出的是总线上的数据，通过数据解析，获取径向磁铁的绝对角度值；
所述角度检测控制器被配置为建立x轴和y轴，将牵引的俯仰运动看作在X轴做往返运动，牵引的偏航运动看作在Y轴做往返运动，末端器械可以到达圆上和圆内的任意一点，根据第三磁铁的位置，确定第一磁传感器的基于X轴的电压和基于Y轴的电压，计算与X轴和Y轴的夹角，进而得到牵引的角度。
2.如权利要求1所述的一种医疗手术机器人角度性能检测装置，其特征是，所述第一磁铁为轴向磁铁，固定在末端器械做开合动作的至少一个开合部上。
3.如权利要求1所述的一种医疗手术机器人角度性能检测装置，其特征是，所述第二磁铁为径向磁铁，圆周设置于所述末端器械上。
4.如权利要求1所述的一种医疗手术机器人角度性能检测装置，其特征是，所述第三磁铁为轴向磁铁，设置于所述末端器械的顶端。
5.如权利要求1所述的一种医疗手术机器人角度性能检测装置，其特征是，所述末端器械为钳。
6.如权利要求1所述的一种医疗手术机器人角度性能检测装置，其特征是，所述角度检测控制器被配置为第一磁传感器根据第一磁铁的位置输出电压值，定义任意位置电压值为（x,y），角度记为α,此时角度的计算方式为 ，（x0,y0）为末端器械在闭合时电压值，当末端器械张开时，第一磁传感器输出电压值变化，张开至最大角度时，磁传感器电压值变化到最大值。
7.如权利要求1所述的一种医疗手术机器人角度性能检测装置，其特征是，所述角度检测控制器被配置为将第二磁传感器基于第二磁铁位置变化产生的绝对角度位置变化，角度位置是二进制数据，转换单位并转换成相应的角度。
8.如权利要求1所述的一种医疗手术机器人角度性能检测装置，其特征是，所述角度检测控制器被配置为按照时间周期记录各角度值，并标注相邻时刻末端器械产生的角度变化超过设定值的值。
9.一种医疗手术机器人角度性能检测方法，基于如权利要求1‑8中任一项所述的医疗手术机器人角度性能检测装置，其特征是，包括以下步骤：利用第一磁铁检测末端器械的夹合角度，利用第二磁铁检测末端器械的旋转角度，利用第三磁铁检测末端器械的牵引角度；
利用磁传感器感应第一磁铁、第二磁铁或/和第三磁铁的状态变化；
角度检测控制器获取磁传感器的电压值变化值，计算状态变化所对应的角度。
一种医疗手术机器人角度性能检测装置及方法
技术领域
[0001] 本发明属于变量的测量技术领域，涉及一种医疗手术机器人角度性能检测装置及方法。
背景技术
[0002] 本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
[0003] 部分手术（如腹腔手术）会用到手术机器人，而且手术机器人的输入设备为拟手化手柄，因为其符合人体力学，可以让医生有良好的体验，是现在的主流技术。
[0004] 为保证手术的精确性，对于手术机器人的检测或测试是必不可少的，而器械动作角度检测为其中一个重要部分。但据发明人了解，拟手化手柄一般包含多种状态输入，如牵引（即俯仰和偏航自由度方向的运动）、夹合和旋转等多种动作，这些动作都包括了角度的转变，均需要检测。而现有的检测设备多只能适用于一种动作角度检测，如果用量尺进行检测，数据很难达到准确。如果选择电传感器测试，但因为器械运动轨迹的不规则，实际测试存在余量，导致测试不准确，且需要测量多种角度，需要设置多套设备，而手术机器人的器械体积较小，无法安装部分设备。
发明内容
[0005] 本发明为了解决上述问题，提出了一种医疗手术机器人角度性能检测装置及方法，本发明只需在器械上设置检测磁铁，利用外部的配合机构，即可实现角度性能检测。
[0006] 根据一些实施例，本发明采用如下技术方案：
[0007] 一种医疗手术机器人角度性能检测装置，包括在医疗手术机器人末端器械上设置有磁铁，磁传感器和角度检测控制器，其中：
[0008] 所述磁铁包括第一磁铁、第二磁铁和第三磁铁中的至少一个，所述第一磁铁用于检测末端器械的夹合角度，选用轴向磁铁；所述第二磁铁用于检测末端器械的旋转角度，选用径向磁铁；所述第三磁铁用于检测末端器械的牵引角度，选用轴向磁铁；
[0009] 所述磁传感器包括第一磁传感器和第二磁传感器，第一磁传感器检测轴向磁铁，输出电压值，用于感应第一磁铁和第三磁铁的状态变化；第二磁传感器检测径向磁铁，总线输出角度值，用于感应第二磁铁。
[0010] 所述角度检测控制器与磁传感器电连接，用于获取第一磁传感器和第二磁传感器的输出数据，第一磁传感器输出的是两路电压值，通过计算两路电压值数据以获得目标磁铁所对应的角度；第二磁铁输出的是总线上的数据，通过数据解析，获取径向磁铁的绝对角度值。
[0011] 作为可选择的实施方式，所述第一磁铁为轴向磁铁，固定在末端器械做开合动作的至少一个开合部上。
[0012] 作为可选择的实施方式，所述第二磁铁为径向磁铁，圆周设置于所述末端器械上。
[0013] 作为可选择的实施方式，所述第三磁铁为轴向磁铁，设置于所述末端器械的顶端。
[0014] 作为可选择的实施方式，所述末端器械为钳。
[0015] 作为可选择的实施方式，所述角度检测控制器被配置为第一磁传感器根据第一磁铁的位置输出电压值，定义任意位置电压值为（x,y），角度记为α,此时角度的计算方式为，（x0,y0）为末端器械在闭合时电压值，当末端器械张开时，第一磁传感器输出电压值变化，张开至最大角度时，磁传感器电压值变化到最大值。
[0016] 作为可选择的实施方式，所述角度检测控制器被配置为将第二磁传感器基于第二磁铁位置变化产生的绝对角度位置变化，角度位置是二进制数据，转换单位并转换成相应的角度。
[0017] 作为可选择的实施方式，所述角度检测控制器被配置为建立x轴和y轴，将牵引的俯仰（即左右）运动看作在X轴做往返运动，牵引的偏航（即上下）运动看作在Y轴做往返运动，末端器械可以到达圆上和圆内的任意一点，根据第三磁铁的位置，确定第一磁传感器的基于X轴的电压和基于Y轴的电压，计算与X轴和Y轴的夹角，进而得到牵引的角度。
[0018] 作为可选择的实施方式，所述角度检测控制器被配置为按照时间周期记录各角度值，并标注相邻时刻末端器械产生的角度变化超过设定值的值。
[0019] 上述装置的工作方法，包括以下步骤：
[0020] 利用第一磁铁检测末端器械的夹合角度，利用第二磁铁检测末端器械的旋转角度，利用第三磁铁检测末端器械的牵引角度；
[0021] 利用磁传感器感应第一磁铁、第二磁铁或/和第三磁铁的状态变化；
[0022] 角度检测控制器获取磁传感器的电压值变化值，计算状态变化所对应的角度。
[0023] 与现有技术相比，本发明的有益效果为：
[0024] 本发明利用磁铁和磁传感器进行检测，只需在末端器械上设置磁铁，在末端器械上的占用区域较小，不影响器械做动作，不需要对器械进行大幅结构改进，测试过程简单，能够有效提高测试工作效率。
附图说明
[0025] 构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
[0026] 图1是器械夹合的检测方式示意图；
[0027] 图2是器械旋转的检测方式示意图；
[0028] 图3是器械牵引中左右偏移的检测方式示意图；
[0029] 图4是器械牵引中上下偏移的检测方式示意图；
[0030] 图5是器械牵引的计算原理图。
[0031] 其中，1、检测磁铁，2、信号接收芯片，3、磁感线，4、磁传感器。
[0032] A、A状态，B、B状态，C、C状态。
具体实施方式
[0033] 下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
[0034] 应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
[0035] 实施例一
[0036] 以腹腔手术机器人为例进行说明，腹腔手术机器人的动作完成过程主要包括输入设备发送信号给控制器，控制器发命令给以电机为代表的传动机构，传动机构牵引输出设备即末端器械，器械执行相应动作，反馈部分的传感器实时采集器械位置信号并传递给控制器，实现闭环控制。
[0037] 输入设备（即手柄），包含的动作有牵引、夹合和旋转三个动作，控制输出设备（即器械）完成牵引、夹合和旋转三个动作。
[0038] 其中，手柄的动作角度测量较为容易，可以直接用测量设备得到或者用现有方法即可。
[0039] 但是末端器械往往体积较小，检测不易。在本实施例中，以手术钳为例进行说明。
[0040] 钳头牵引动作是实现钳头的俯仰和偏航动作，钳头旋转动作是实现钳头的圆周方向旋转；钳头的夹合动作是实现两个钳部的夹合。
[0041] 可以看出，钳头本身体积小，动作多，且动作精细、动作范围较小，不易安装精密检测设备，也不易被检测到准确信息。
[0042] 本实施例为解决上述问题，提供了一种检测装置，包括角度检测控制器、检测磁铁1和磁传感器4。在器械末端部署检测磁铁1，磁传感器4（即霍尔传感器）感应所述检测磁铁1变化，数据通过导线连接到角度检测控制器。角度检测控制器计算分析器械末端的角度，可以通过显示屏将解析效果实时显示。
[0043] 当然，手柄的角度检测可以直接通过角度采集控制器和机器人的调试接口通过串口相连，连接成功后，在机器人处于调试状态运行时，机器人内部控制器在检测到手柄数据变化后，会通过串口发出，这样手柄的数据就可以被角度检测控制器实时采集了。
[0044] 重点在于器械末端的角度变化检测。下面就不同动作分别进行描述。
[0045] 如图1所示，器械夹合的检测方式包括轴向磁铁或径向磁铁、磁传感器4。磁传感器4具有磁检测的信号接收芯片2，信号接收芯片2一般有两类输出，一是直接输出AD信号或PWM信号，二是SPI总线输出或IIC总线输出角度。不管哪种连接方式都可以，不影响实际测试。
[0046] 磁传感器4与角度采集控制器相连，角度采集控制器实时采集角度信号。
[0047] 在本实施例中，在钳头的一个夹片上放置轴向磁铁，钳头在做夹合运动时，带动磁铁做往返运动。钳头在闭合时的角度是0度，磁传感器4输出两路模拟电压值，记为（x0,y0）,定义任意位置电压值为（x,y），角度记为α,此时角度的计算方式为 ，此时x=x0,y=y0，也就是结果为0度；当末端器械张开时，磁传感器4输出电压值（x,y）变化，张开至最大角度时，磁传感器4电压值变化到最大值,则任意角度为 。
[0048] 如图2所示，钳头的旋转检测方式也通过一个磁传感器4进行测试，磁铁采用的是径向磁铁。磁铁固定在钳头的圆周位置。钳头在做旋转运动时，传感器输出绝对角度值。首先获取初始位置的角度，记为a1（0≤a1≤360），当前圈数记为k（k为整数），其中a1为任意数，k=0；再定义磁铁任意角度值为β（0≤a1≤360）；当磁铁位于初始位置时，β=a1；当钳头旋转方向为顺时针时，磁传感器4读取到的磁铁位置α增大，当大于360度的时候，磁铁的角度变为0度，k加1；钳头旋转方向为逆时针时，磁传感器4读取到的磁铁位置α减小，当小于0度的时候，磁铁的角度变为360度，k减1；定义变化的角度值为β，则β=α+k*360‑a1;
[0049] 如图3和图4所示，钳头的牵引检测方式通过一个磁传感器4进行测试，磁铁采用的是轴向磁铁。如图5所示，牵引的左右运动可以看作在钳头在X轴做往返运动，牵引的上下运动可以看作钳头在Y轴做往返运动。钳头可以到达圆上和圆内的任意一点。
[0050] 磁铁部署在钳头，磁铁选轴向磁铁，磁铁跟随钳头做牵引运动。磁传感器4选择两路AD信号输出的磁传感器，磁铁在坐标系中不同位置，磁传感器4会输出一个基于X轴的电压和一个基于Y轴的电压。根据三角函数，可以求出任意一点与X轴和Y轴的夹角。这样就知道牵引的角度了。
[0051] 器械和手柄数据都会实时采集上传到控制器，但并不是每个实施例都需要实时读取。
[0052] 在部分实施例中，以旋转为例，规定当前时刻器械旋转输入的角度是α1，下一时刻是α2，当α2‑α1的差值大于设定值的时候，才采集更新的器械的角度位置。
[0053] 这样得到的检测数据就是离散的，一是可以减少数据的读取，可以直接看到输入和输出的差值；二是把数据离散后方便生成易于观察的曲线图，不需要再依靠控制器定时采集生成持续的曲线。
[0054] 实施例二
[0055] 实施例二提供的装置，包括实施例一中钳头的牵引检测和钳头的旋转检测系统，其中磁传感器4和角度采集控制器为共用的。
[0056] 上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
