基于直流減速電機的內鏡縫合器電控系統研制

楊玉婷 宋成利 呂坤勇

摘 要：旨在設計以直流減速電機為動力元件，利用編碼器精準控制的閉環控制系統。研究霍爾編碼器控制原理，利用霍爾編碼器實現電機轉動圈數控制、調速以及定位功能;研制內鏡縫合器電動控制系統，闡述系統驅動機構組成部分，以及器械運動控制算法，利用參數調節合適的PWM波占空比，以實現對器械運動的精準控制，并通過外部傳感器進行驗證。結果表明，當PWM波占空比在80%～100%之間時，運動速度合理，電機測試精度變化范圍大致為-0.007%～0.567%，精度較高。該研究為內窺鏡器械的電動控制系統開發提供了理論基礎，且具有良好的應用前景。

關鍵詞：內鏡縫合器;直流減速電機;霍爾編碼器;精準控制

0 引言

近年來，消化內鏡手術因具有創傷小、病人恢復快、費用少以及并發癥發生率低等優勢[1]，逐漸取代了傳統開腹手術，同時也促進了經自然腔道內鏡手術（Natural Orifice Transluminal Surgery，NOTES）等技術的發展[2]。內鏡縫合器械是消化內鏡手術的常用器械之一，主要用于治療消化道急性出血、醫源性與非醫源性穿孔，修復缺損組織或輔助其它手術治療等。消化內鏡手術常用的內鏡縫合器械包括內鏡金屬夾和內鏡專用縫合器，手術時醫生將器械固定在內窺鏡外側或通過內鏡鉗道進入人體內，對病灶處進行縫合。目前，內鏡金屬夾逐漸成為治療消化內鏡醫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記物等[4-5]。但現有內鏡金屬夾存在定位不準確、組織固定不牢固等問題[5]。2008年德國推出了Over-the-Scope Clip system（OTSC，Ovesco AG，Germany），OTSC是一種記憶耙狀夾，預置在內鏡外側的施放套管中，該裝置能提供較大夾持力，但對周圍損傷較大，目前臨床應用不多[6-9]。由于器械裝填程序復雜，不僅耗時長，還增加了再定位難度[10-11]，而能否快速、有效地閉合穿孔對減少并發癥發病率及減輕手術創傷至關重要[12-13]。內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、操作復雜，手術抓鉗需要提供安全的夾持力，若夾持力過大會導致組織損傷，過小則會造成組織滑脫[14]，而且市場上現有內鏡縫合器多為手動控制，不便于操作。常用內鏡縫合器包括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，電動智能控制內鏡縫合器有望解決上述問題。

臨床上常見的電動手術器械一般采用步進電機作為驅動[16-17]，但其成本相對較高，且具有控制精度差、開環控制、易產生共振噪聲等缺點，容易造成手術風險。相比于步進電機，自帶霍爾編碼器的直流減速電機可省去驅動器，并且體積小、測量精度高、控制效果好、易于微型化[18-20]。如文獻[18]通過閉環控制系統，利用編碼器提高測速與控制效果，但是需要在速度閉環帶寬不變的情況下，編碼器采樣頻率才不會對控制系統的位置環產生影響;文獻[19]利用帶霍爾的增量式編碼器作為永磁同步伺服系統的位置傳感器，可以完成調速及精準定位功能，但該位置的傳感器是永磁同步伺服電機外加的模塊，一定程度上增加了永磁同步伺服系統成本;文獻[20]介紹一種以直流電機為動力元件的驅動減速齒輪箱，采用單片機與光電傳感器控制電機轉動圈數，實現藥物的微量輸送，但外加光電傳感器增加了設計成本，同時該系統存在電機過沖現象，控制精度不夠高。本研究旨在設計一種基于編碼器精準控制的閉環控制系統[21]，利用霍爾編碼器實現電機轉動圈數控制、調速以及精準定位等功能，可用于電動內鏡縫合器械研制。

1 電動內鏡縫合器結構

電動內鏡縫合器由機械手柄、鞘管和執行端組成，其中機械手柄有兩個自由度，手柄中間的兩個活動板分別與鋼絲連接，通過活動板的移動帶動鋼絲運動，鋼絲與鉗口的金屬夾底座相連，從而帶動鉗口的張合運動及金屬夾的推送運動，兩個活動板分別與螺桿相連，電機帶動螺桿運動，鞘管由外層鋼管和內層鋼絲構成。執行端包括保護管和抓鉗，抓鉗裝置在保護管遠端，用于夾取組織，其中間設有槽溝，前端為向內彎曲的弧形面，其與槽溝共同構成金屬夾通道。保護管內可放置金屬夾，由推座推送，金屬夾頭端是可彎曲的細臂，如圖1所示。電動內鏡縫合器械施夾具體步驟可參考文獻[22]。

1.1 運動系統及縫合器設計

運動系統由控制系統、驅動機構、霍爾編碼器、外部傳感器等機構組成，如圖2所示。

1.2 控制系統

控制系統由中央處理器、控制電路、驅動電路、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，構成人機交互界面。按鍵可以改變編碼器脈沖數與PWM波占空比，以調節運動距離和速度。按鍵控制參數將在液晶顯示屏上顯示。

1.3 驅動機構

驅動機構由直流減速電機、霍爾編碼器、滾珠絲桿等組成。選擇扭矩足夠驅動運動系統的直流電機，將直流減速電機的旋轉運動轉變成直線運動驅動滾珠絲桿。電機由夾具固定住，電機通電后，通過霍爾編碼器可以精準記錄電機轉動圈數，絲桿尾部和電機連接處固定一個夾具，當電機旋轉時，絲桿可以沿軸向進行往復運動。絲桿上固定激光擋板，激光擋板下部是一個絲桿旋轉限制零件，會隨著電機旋轉進行往復運動，便于位移傳感器精準測試運動距離，通過絲桿的導程可以推出電機實際旋轉圈數（見圖3）。

1.4 霍爾編碼器

1.4.1 計數原理

編碼器是一種旋轉式傳感器，其工作原理是將角位移或角速度轉換成一串電數字脈沖。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和霍爾元件組成，其工作原理是利用磁電轉換將輸出的機械幾何位移量轉換成脈沖或數字量的傳感器。本文采用ASLONG公司的JGA25-370B直流減速電機自帶霍爾編碼器，霍爾碼盤在一定直徑的圓板上等分地布置有不同磁極。其中，霍爾碼盤和電動機構成同軸，當電動機旋轉時，霍爾元件可以通過掃描檢測輸出若干脈沖信號作為依據，一般輸出兩組存在一定相位差的方波信號以判斷轉向（見圖4）。

選擇帶有霍爾編碼器的直流減速電機，減速比可記為n，霍爾編碼器上有AB相輸出，不僅可以測速，還可以辨別轉向。編碼器自帶上拉電阻，所以無需外部上拉，可以直接連接到單片機 IO 進行讀取。通過圖4可以觀察編碼器輸出的AB相波形，在計數時，一般方法只測量A相（或B相）的上升沿或下降沿，可以理解為圖4中對應數字1、2、3、4中的某一個，這樣只能計數 3次，而不能判別方向。本研究在檢測A相上升沿的同時，檢測B相高低電平，檢測完成后根據不同方向進行計數，從而在計數的同時也進行方向判別，見圖4右側波形圖。

1.4.2 器械運動距離計算

1.5 外部傳感器

1.5.1 脈沖數顯表

YF600脈沖數顯表（YF600，潤豐自動化工程有限公司，中國）具有頻率高、設置簡單方便、工作穩定、精度高等優點，同時可設定自動延時復位時間，實現自動延時復位功能，可通過內部參數設置進行計數，并設定倍率，確定輸入脈沖與顯示值之間的比例關系。實驗時需要連接霍爾編碼器A相和B相，檢測電平變化進行計數，通過改變參數，確定輸入脈沖與顯示值的關系，這里選擇1∶1關系記錄實驗數據。

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，左側為采集傳感器數據所需器材，右側為數據記錄界面。該傳感器提供2個單端模擬輸入通道，AI分辨率達到24位，可以精確到0.01%。采用DC-DC專用電源穩壓芯片，以解決USB供電電壓波動問題、提高輸出穩定度，給系統提供極低紋波電源;選用TI專用參考電壓芯片，其噪聲極低，溫漂典型值僅為 3ppm/℃;選用高精度運算放大器，典型輸出失調電壓僅為正負10uV;采用位移傳感器進行測距，利用USB數據采集卡接收數據并輸送到計算機，在數據記錄界面進行顯示。

2 實驗方法

2.1 控制系統測試平臺設計與加工

本文搭建測試平臺進行系統的精準性和穩定性實驗，如圖6所示。該平臺包括數據接收、數據測試以及控制系統3部分。其中數據接收通過USB數據采集卡將數據輸送到計算機，在數據記錄界面顯示;數據測試采用位移傳感器進行測距，采用脈沖數顯表進行脈沖計數，通過在滾珠絲桿上安裝位移傳感器激光擋板進行測距，同時使用夾具穩定電機減小振動的影響;控制系統包括單片機、2路直流電機驅動模塊、OLED液晶顯示屏以及帶霍爾編碼器的直流電機。

2.2 軟件實現方法

該系統采用Arduino單片機進行控制，運動控制系統程序實現如下：使用者可以通過按鍵精準控制所需運動的距離和速度，并通過液晶顯示屏實時顯示出來;控制程序根據預先測出的所需距離，依照公式（1）計算出控制霍爾編碼器所需的脈沖數N;按鍵控制開啟，執行程序，霍爾編碼器監控脈沖數，當檢測到信號達到N后，電機停止運動，完成一次運動。

單片機寫入脈沖數，利用霍爾編碼器的A相和B相高低電平變化，寫入脈沖數精準控制電機轉動圈數，從而控制運動距離，通過位移傳感器進行激光測距，可以得到在不同脈沖值下的運動距離。通過脈沖數顯表可以記錄該脈沖數下檢測到的實際脈沖值，記錄不同脈沖數對應的實際距離，得出關系圖。

采集數據時，主要改變兩個變量：速度和運動距離。速度通過調節PWM波占空比進行控制，通過改變編碼器脈沖數可以控制電機轉動圈數，從而控制運動距離，采集數據每間隔100個脈沖數采集一組，每一組測試20個脈沖數，測試精度記為脈沖實測誤差值與脈沖實際值的比值。通過分析不同速度與脈沖數下20組運動距離平均值的關系，確定轉動速度對測試精度的影響;分析電機正反轉在不同脈沖數下的20組運動距離平均值的關系，確定轉動圈數對測試精度的影響;分析在不同速度下、不同脈沖數時，確定轉動圈數與移動距離的關系;分析在相同速度下、不同脈沖數時，14組脈沖數下每組記錄20個數據，比較各組運動距離的關系，以測試系統運動的穩定性。

3 結果與分析

3.1 系統精準性測試實驗

為驗證運動控制系統的準確性，通過在軟件中設置程序檢測霍爾編碼器的A相和B相高低電平變化，寫入脈沖數精準控制運動距離。由于電機負載的原因，PWM波占空比不能太小，在70%以下將無法正常驅動電機，選擇PWM波占空比為80%和100%。脈沖數控制電機轉動圈數，由于受到PWM占空比的速度影響，脈沖數如果過低，脈沖數顯表將無法正常計數。經過實驗反復測試，設置脈沖數最低為200，最高為1 500。選擇14組脈沖理論值分別寫入程序，每組測量30個數據，記錄脈沖和運動距離實測值，取每組實測值的平均值，最后結合理論值進行計算，以驗證系統的精準性。PWM占空比80%與100%的實驗結果分別如表1、表2所示。

從表1中可以看出，實際測量的脈沖數平均值基本接近理論值，通過測量電機正轉和反轉實際運動距離（如表1第4列與第6列），可以得知實際運動距離比理論運動距離小。當電機轉動時，需要克服摩擦力問題、同軸性問題及振動問題，都會引起測量誤差。表2顯示問題與表1一致，表1、表2是在不同PWM波占空比下的測量值，兩組數據也表明PWM波占空比不影響控制系統精準性。

本文通過改進測試平臺以克服摩擦力問題、同軸性問題及振動問題。為保證阻力滿足電機扭矩要求，本文采用阻力極小的滾珠絲杠代替普通絲杠，并對滑塊與水平板之間接觸面進行處理以解決摩擦力問題;為保證電機、滾珠絲杠以及夾具的同軸性，本文在一塊定制的水平臺上進行測試，所有墊片、輔助用具都是經過計算機加工而成的，可克服同軸性問題;電機在運行過程中會產生振動，導致傳感器讀數會發生很大跳動，造成誤差，因此可利用夾具固定電機，以減少振動帶來的影響。

3.2 轉動速度對測試精度的影響

選擇編碼器脈沖數為400個，分別針對PWM波占空比為80%和100%情況下的運動距離測得15組數據，按照實際距離逐漸增大的關系，得到距離實測值與實際脈沖數關系如圖7所示。

由圖7可以發現，在確定脈沖數的情況下，調節速度對運動距離的影響很小，不會影響精準計數，脈沖數變化范圍為385～415，20組脈沖數的測試精度誤差均小于5%，說明轉動速度對測試精度不會產生影響。同樣進行14組不同脈沖數、不同速度下的控制分析，實驗結果驗證了轉動速度對測試精度不會產生影響。

3.3 轉動圈數對測試精度的影響

在測速過程中，發現在脈沖數低于136個的情況下，脈沖數顯示器無法進行計數。因為脈沖數過小，無法準確進行檢測。為了方便比較，選擇編碼器脈沖數為200～? ? 1 500個，共14組數據進行比較。

由圖8可知，選擇14組脈沖數進行實驗，觀察在相同速度下的測試精度，發現在PWM波占空比為80%的情況下，電機正轉測試精度誤差變化范圍為0.005%～0.498%，電機反轉測試精度誤差變化范圍為-0.007%～0.567%，測試精度非常高，轉動圈數對測試精度不會產生影響。

3.4 轉動圈數與移動距離關系

由圖9可知，轉動圈數與移動距離成線性關系，由上文可知轉動速度和轉動圈數對測試精度都不會產生影響，在不同速度下轉動不同圈數時，轉動圈數與移動距離呈線性關系。

3.5 系統穩定性測試實驗

為了驗證系統的穩定性，通過將脈沖值固定在200～1 500之間，觀察PWM波占空比在80%條件下，比較所測出的實際運動值關系，如圖10所示。圖右邊數字代表200～1 500個脈沖，共記錄14組，每100個脈沖記錄20個數據，最終圖像成線性關系，證明系統的穩定性較高。

其中，運動距離與脈沖數成線性關系，最大運動距離平均值為4.22mm，最小運動距離平均值為0.572mm，精度較高，滿足了系統所需的穩定性。

4 電動內鏡縫合器樣機系統

搭建完成的電動內鏡縫合器樣機如圖11所示，機械模塊包括機械手柄、操作端和執行端。控制模塊選擇Arduino UNO ATmega328P單片機，采用L298N2路直流電機驅動模塊，供電電壓為2V～10V，可同時驅動兩個直流電機，實現正反轉與調速功能，顯示模塊采用0.96寸OLED顯示屏。

5? ? ?結語

本文提出一種內鏡縫合器電動控制系統，概述其基本結構，并通過實驗驗證了其精準性和穩定性。發現在一定范圍內，速度和脈沖編碼數具有很高的精準性和穩定性，轉動速度和轉動圈數對測試精度均不會產生影響，且轉動圈數與移動距離呈線性關系。同時，通過系統的穩定性實驗驗證，在脈沖數低于136個時，無法正常計數顯示，PWM波占空比在80%～100%之間時，運動速度合理，電機測試精度范圍大約為-0.007%～0.567%，精度較高，可以實現對器械的精準控制。

實驗結果表明，本系統存在電機轉動速度限制，對于不同負載，對應速度需要作相應調整。雖然實驗中速度合理，但在實際運動中，速度不能過低，否則無法帶動負載。同時，在較小的運動距離內，因電機轉動圈數太少，編碼器捕捉完相應信號時，電機還沒有達到額定轉速即停止，未能走完相應運動距離。通過對測試平臺的改進，可極大地克服摩擦力問題、同軸性問題以及振動問題，但是同樣不能完全解決上述問題。接下來將對樣機作進一步測試，同時考慮醫生手術時的臨床需求進行器械升級，通過更好的系統集成，設計更便于控制的操作平臺、更友好的操作界面等。未來將會通過離體實驗測試縫合效果，從而更有針對性地對其進行改進，最終實現更加精準與穩定的控制效果，以更好地滿足臨床需求。

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（責任編輯：黃 健）