CN106073896A - 一种用于手术机器人的电机控制网络及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于手术机器人的电机控制网络及方法，手术机器人包括N条机械臂，电机控制网络包括主控制器、一级CAN总线、分别与每条机械臂对应的二级CAN总线、位于每条机械臂上的多个站点及与每个站点对应连接的电机，每条机械臂上的多个站点中包括一个中继站点。本发明中无论是一级CAN总线还是二级CAN总线，单条CAN总线上的站点数量都大大减少，减小了数据帧冲突的可能性，减小了部分通信数据的传输延时时间，另外，单条CAN总线上的通信量大大减小；当某一机械臂上的站点的端口出现故障时，并不会影响到手术机器人的其他机械臂，稳定性高，整体性能佳。

Description

一种用于手术机器人的电机控制网络及方法

技术领域

本发明涉及电机控制技术领域，特别是涉及一种用于手术机器人的电机控制网络及方法。

背景技术

CAN总线是一种串行通信协议，具有较高的通讯速率，最高通信比特率可达1Mbits，物理层上采用双绞线作为通信介质，因此具有较强的抗干扰能力。现有技术中CAN总线标准的连接方式通常采用单级CAN总线结构，如图1所示，在一根CAN双绞屏蔽线上，主控制器连接到该CAN双绞屏蔽线的一端，该CAN双绞屏蔽线的另一端连接多个CAN站点设备，同一条CAN双绞屏蔽线的站点设备能够相互之间快速通信。

基于单级CAN总线结构的连接方式，如果在一条CAN总线上挂在的站点数量较多，可能会导致CAN总线的通信负担较重，由于CAN通信的冲突检测机制，有可能导致某些站点的数据会一直发生冲突，导致数据丢失。y也即，如果使用单级CAN总线并且总线中一个节点出现异常并且不停地想要占用总线控制权，会使得整个总线中的所有节点不能正常的获得总线控制权，致使整套***瘫痪,而且越庞大的节点数量会增大发生此异常的几率。而一般手术机器人拥有多条机械手臂，且每条手臂拥有多个自由度，导致***整体可能会拥有数十个电机及驱动器，如果使用单级CAN总线可能会导致过多的总线控制权冲突，最终导致***整体性能不佳。

因此，如何解决上述技术问题是本领域技术人员目前需要解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于手术机器人的电机控制网络，减小了数据帧冲突的可能性，减小了部分通信数据的传输延时时间，另外，单条CAN总线上的通信量大大减小；当某一机械臂上的站点的端口出现故障时，并不会影响到手术机器人的其他机械臂，稳定性高，整体性能佳；本发明的另一目的是提供一种用于手术机器人的电机控制方法。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种用于手术机器人的电机控制网络，所述手术机器人包括N条机械臂，N不小于2，所述电机控制网络包括主控制器、一级CAN总线、分别与每条机械臂对应的二级CAN总线、位于每条所述机械臂上的多个站点及与每个所述站点对应连接的电机，每条所述机械臂上的多个所述站点中包括一个中继站点；所述一级CAN总线的一端与所述主控制器连接，另一端分别与N个所述中继站点的第一端连接，每条所述二级CAN总线的一端与对应机械臂上的中继站点的第二端连接，另一端分别与对应机械臂上除中继站点之外的其他站点连接。

优选地，所述手术机器人包括4条机械臂。

优选地，所述电机控制网络包括24个站点及所述站点对应连接的电机。

优选地，4条所述机械臂分别为第一机械臂、第二机械臂、第三机械臂以及第四机械臂，其中：

所述第一机械臂包括第一中继站点以及六个其他站点；

所述第二机械臂包括第二中继站点以及六个其他站点；

所述第三机械臂包括第三中继站点以及六个其他站点；

所述第四机械臂包括第四中继站点以及两个其他站点。

优选地，所述手术机器人包括5条机械臂。

优选地，所述手术机器人包括6条机械臂。

为解决上述技术问题，本发明还提供了一种用于手术机器人的电机控制方法，用于上述任一项所述的电机控制网络，该方法包括：

步骤S101：主控制器将需要控制的电机的控制参数通过一级CAN总线发送至该电机所在的机械臂上的中继站点；

步骤S102：所述中继站点将接收到的所述控制参数通过对应的二级CAN总线分别发送至所在机械臂上的对应站点，以便所述对应各站点依据所述控制参数控制对应电机进行相应动作。

优选地，步骤S102具体包括：

所述中继站点将接收到的所述控制参数保存至自身的缓存装置中，当接收到所述主控制器在发送完所有的所述控制参数后发送的统一触发指令后，所述中继站点将所述控制参数通过对应的二级CAN总线分别发送至所在机械臂上的对应站点，以便所述对应各站点依据所述控制参数控制对应电机进行相应动作。

优选地，所述缓存装置为寄存器。

本发明提供了一种用于手术机器人的电机控制网络及方法，手术机器人包括N条机械臂，与现有技术中的单级CAN总线结构相比，本发明将电机控制网络中的所有站点按照所在机械臂进行划分，每条机械臂上包括一个中继站点，主控制器通过一级CAN总线分别与每条机械臂上的中继站点的第一端连接，每条机械臂上的中继站点的第二端再通过二级CAN总线与该机械臂上的其他站点连接，主控制器无需将控制参数直接发送至各个站点及电机，只需通过一级CAN总线发送至中继站点，再由中继站点通过二级CAN总线发送至所在机械臂上的其他站点，可见，本发明中无论是一级CAN总线还是二级CAN总线，单条CAN总线上的站点数量都大大减少，减小了数据帧冲突的可能性，减小了部分通信数据的传输延时时间，另外，单条CAN总线上的通信量大大减小；当某一机械臂上的站点的端口出现故障时，并不会影响到手术机器人的其他机械臂，稳定性高，整体性能佳。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对现有技术和实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中CAN总线标准的连接示意图；

图2为本发明提供的一种用于手术机器人的电机控制网络的结构示意图；

图3为本发明提供的一种用于腹腔镜手术机器人的电机控制网络的结构示意图；

图4为本发明提供的一种用于手术机器人的电机控制方法的过程的流程图；

图5为本发明提供的一种用于腹腔镜手术机器人的电机控制方法中，控制参数发送的时间流程图。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种用于手术机器人的电机控制网络，减小了数据帧冲突的可能性，减小了部分通信数据的传输延时时间，另外，单条CAN总线上的通信量大大减小；当某一机械臂上的站点的端口出现故障时，并不会影响到手术机器人的其他机械臂，稳定性高，整体性能佳；本发明的另一核心是提供一种用于手术机器人的电机控制方法。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

首先需要说明的是，本申请中提到的站点指的是电机驱动器。

请参照图2，图2为本发明提供的一种用于手术机器人的电机控制网络的结构示意图；

该手术机器人包括N条机械臂，N不小于2，电机控制网络包括主控制器3、一级CAN总线1、分别与每条机械臂对应的二级CAN总线、位于每条机械臂上的多个站点及与每个站点对应连接的电机，每条机械臂上的多个站点中包括一个中继站点；一级CAN总线1的一端与主控制器3连接，另一端分别与N个中继站点的第一端连接，每条二级CAN总线的一端与对应机械臂上的中继站点的第二端连接，另一端分别与对应机械臂上除中继站点之外的其他站点连接。

需要说明的是，电机控制网络中的所有的站点按照机械臂来进行划分，且每条机械臂上的多个站点中均包括一个中继站点，主控制器3分别与每条机械臂上的中继站点的第一端连接，每条机械臂上的中继站点的第二端再通过与该机械臂对应的二级CAN总线与该机械臂上的其他站点连接。则进一步可以理解，这里的“分别与每条机械臂对应的二级CAN总线”中的“对应”指的是机械臂与将该机械臂上的多个站点连接起来的二级CAN总线对应，例如图2中的机械臂1与CAN21对应，电机控制网络一共包括N条二级CAN总线。

本发明提供的电机控制网络采用的是树状CAN总线网络拓扑结构，中继站点的第一端和第二端是相互独立的，中继站点的第二端与对应机械臂上除中继站点之外的其他站点连接在同一个电机控制网络中。可以将这样的CAN总线拓扑结构称为二级CAN总线电机控制网络，一级CAN总线1实现主控制器3与N个机械臂上的中继站点之间的通信，把机械臂作为一个整体；二级CAN总线实现中继站点与该机械臂上的其他站点之间的通信，采用这样的网络拓扑结构可以减少主控制器3所在CAN总线上的站点数量，由于二级CAN总线直接控制电机运动，有利于中继站点实现机械臂电机的同步控制。

具体地，机械臂1上的二级CAN总线21的一端与机械臂1上的中继站点411连接，另一端分别与站点412直至站点41X连接。机械臂2上的二级CAN总线22的一端与机械臂2上的中继站点421连接，另一端分别与站点422直至站点42Y连接。同理，机械臂N上的二级CAN总线2N的一端与机械臂N上的中继站点4N1连接，另一端分别与站点4N2直至站点4NZ连接，其中，X、Y、Z均为正整数。

作为优选地，手术机器人包括4条机械臂。

当然，这里的手术机器人还可以包括5条机械臂或者6条机械臂，具体数量根据实际情况来定。

进一步地，电机控制网络包括24个站点及站点对应连接的电机。

进一步地，4条机械臂分别为第一机械臂、第二机械臂、第三机械臂以及第四机械臂，其中：

第一机械臂包括第一中继站点以及六个其他站点；

第二机械臂包括第二中继站点以及六个其他站点；

第三机械臂包括第三中继站点以及六个其他站点；

第四机械臂包括第四中继站点以及两个其他站点。

需要说明的是，对于每条机械臂上的站点的个数是不做特别的限定的，站点数可能相同，也可能不同，根据实际情况来定。

具体地，请参照图3，图3为本发明提供的一种用于腹腔镜手术机器人的电机控制网络的结构示意图。

具体地，机械臂1上的二级CAN总线21的一端与机械臂1上的中继站点411连接，另一端分别与站点412直至站点417连接。机械臂2上的二级CAN总线22的一端与机械臂2上的中继站点421连接，另一端分别与站点422直至站点427连接。同理，机械臂3上的二级CAN总线23的一端与机械臂3上的中继站点431连接，另一端分别与站点432直至站点437连接。机械臂4上的二级CAN总线24的一端与机械臂4上的中继站点441连接，另一端分别与站点442以及站点443连接。

可以理解的是，图3只是本发明提供的一种具体的实例，具体手术机器人包括多少条机械臂，每条机械臂上包括多少个站点，这些都是很据实际情况来定的，本发明在此不作特别的限定。

当然，本发明提供的电机控制网络还可以用于其他类型的手术机器人，本发明在此不做特别的限定。

图3所提供的电机控制网络具有以下优点：

1)该电机控制网络为由24个电机驱动器和主控制器组成25个节点的庞大CAN总线网络，通过采用本发明提供的二级CAN总线网络，4条机械臂组成了1条一级CAN总线1和4条二级CAN总线，共5条CAN总线，而每条CAN总线上最多只有7个节点。节点数量较少，减少了CAN数据帧冲突的可能性，减小了部分通信数据的传输延时时间。

2)二级CAN总线网络中，由于中继站点的PLC对第二级CAN总线站点所有数据的封装与合并，二级CAN总线的通讯数据帧最多只有七个驱动器数据帧，一级CAN总线上只有五个节点之间的通讯数据。因此，任何一个CAN总线上的数据量都大大减少。

3)当某个机械臂的电机驱动器的CAN端口出现故障时，并不会影响到整个手术机器人，稳定性高。

4)主控制器只需要发送给4个CAN中继站点，这样发送完24个电机的控制数据时间将会缩短。每个机械臂的中继站点收到所在机械臂的7个电机的控制参数后，再进行转发。

综上所述，本发明提供了一种用于手术机器人的电机控制网络，手术机器人包括N条机械臂，与现有技术中的单级CAN总线结构相比，本发明将电机控制网络中的所有站点按照所在机械臂进行划分，每条机械臂上包括一个中继站点，主控制器通过一级CAN总线分别与每条机械臂上的中继站点的第一端连接，每条机械臂上的中继站点的第二端再通过二级CAN总线与该机械臂上的其他站点连接，主控制器无需将控制参数直接发送至各个站点及电机，只需通过一级CAN总线发送至中继站点，再由中继站点通过二级CAN总线发送至所在机械臂上的其他站点，可见，本发明中无论是一级CAN总线还是二级CAN总线，单条CAN总线上的站点数量都大大减少，减小了数据帧冲突的可能性，减小了部分通信数据的传输延时时间，另外，单条CAN总线上的通信量大大减小；当某一机械臂上的站点的端口出现故障时，并不会影响到手术机器人的其他机械臂，稳定性高，整体性能佳。

与上述电机控制网络相对应的，本发明还提供了一种用于手术机器人的电机控制方法，请参照图4，图4为本发明提供的一种用于手术机器人的电机控制方法的过程的流程图，用于上述装置实施例中的电机控制网络，该方法包括：

步骤S101：主控制器将需要控制的电机的控制参数通过一级CAN总线发送至该电机所在的机械臂上的中继站点；

可以理解的是，主控制器会将需要控制的各电机的控制参数发送至各电机所在的一个或多个机械臂(由电机决定)的中继站点的PLC(Programmable Logic Controller，可编程逻辑控制器)中。

结合图3，如果机械臂1、机械臂2以及机械臂4中有电机需要控制的话，则主控制器会将各电机的控制参数分别依次对应发送至机械臂1、机械臂2以及机械臂4。

步骤S102：中继站点将接收到的控制参数通过对应的二级CAN总线分别发送至所在机械臂上的对应站点，以便对应各站点依据控制参数控制对应电机进行相应动作。

为了实现对多个机械臂的同步控制：

作为优选地，步骤S102具体包括：

中继站点将接收到的控制参数保存至自身的缓存装置中，当接收到主控制器在发送完所有的控制参数后发送的统一触发指令后，中继站点将控制参数通过对应的二级CAN总线分别发送至所在机械臂上的对应站点，以便对应各站点依据控制参数控制对应电机进行相应动作。

PLC在接收到控制参数后，会将控制参数保存至自身的缓存装置中。

具体地，请参照图5，图5为本发明提供的一种用于腹腔镜手术机器人的电机控制方法中，控制参数发送的时间流程图。

可以理解的是，主控制器将每一个机械臂上的各电机对应的控制参数压缩成一个数据包，再将各数据包发送至各机械臂的中继站点，主控制器在发送完所有的控制参数后，会立即向接收到控制参数的中继站点发送统一触发指令(对应图5中的同步指令)，各中继站点的PLC在接收到统一触发指令后会立即将解压后的控制参数通过二级CAN总线发送至对应的站点，站点再依据该控制参数实现对电机的控制。

作为优选地，缓存装置为寄存器。

本发明提供了一种用于手术机器人的电机控制方法，该方法包括主控制器将需要控制的电机的控制参数通过一级CAN总线发送至该电机所在的机械臂上的中继站点；中继站点将接收到的控制参数通过对应的二级CAN总线分别发送至所在机械臂上的对应站点，以便对应各站点依据控制参数控制对应电机进行相应动作。可见，与现有技术中的单级CAN总线结构相比，本发明将电机控制网络中的所有站点按照所在机械臂进行划分，主控制器无需将控制参数直接发送至各个站点及电机，只需通过一级CAN总线发送至中继站点，再由中继站点通过二级CAN总线发送至所在机械臂上的其他站点，本发明中无论是一级CAN总线还是二级CAN总线，单条CAN总线上的站点数量都大大减少，减小了数据帧冲突的可能性，减小了部分通信数据的传输延时时间，另外，单条CAN总线上的通信量大大减小；当某一机械臂上的站点的端口出现故障时，并不会影响到手术机器人的其他机械臂，稳定性高，整体性能佳。

需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种用于手术机器人的电机控制网络，所述手术机器人包括N条机械臂，N不小于2，其特征在于，所述电机控制网络包括主控制器、一级CAN总线、分别与每条机械臂对应的二级CAN总线、位于每条所述机械臂上的多个站点及与每个所述站点对应连接的电机，每条所述机械臂上的多个所述站点中包括一个中继站点；所述一级CAN总线的一端与所述主控制器连接，另一端分别与N个所述中继站点的第一端连接，每条所述二级CAN总线的一端与对应机械臂上的中继站点的第二端连接，另一端分别与对应机械臂上除中继站点之外的其他站点连接。

2.如权利要求1所述的电机控制网络，其特征在于，所述手术机器人包括4条机械臂。

3.如权利要求2所述的电机控制网络，其特征在于，所述电机控制网络包括24个站点及所述站点对应连接的电机。

4.如权利要求3所述的电机控制网络，其特征在于，4条所述机械臂分别为第一机械臂、第二机械臂、第三机械臂以及第四机械臂，其中：

所述第一机械臂包括第一中继站点以及六个其他站点；

所述第二机械臂包括第二中继站点以及六个其他站点；

所述第三机械臂包括第三中继站点以及六个其他站点；

所述第四机械臂包括第四中继站点以及两个其他站点。

5.如权利要求1所述的电机控制网络，其特征在于，所述手术机器人包括5条机械臂。

6.如权利要求1所述的电机控制网络，其特征在于，所述手术机器人包括6条机械臂。

7.一种用于手术机器人的电机控制方法，用于如权利要求1-6任一项所述的电机控制网络，其特征在于，该方法包括：

步骤S101：主控制器将需要控制的电机的控制参数通过一级CAN总线发送至该电机所在的机械臂上的中继站点；

步骤S102：所述中继站点将接收到的所述控制参数通过对应的二级CAN总线分别发送至所在机械臂上的对应站点，以便所述对应各站点依据所述控制参数控制对应电机进行相应动作。

8.如权利要求7所述的电机控制方法，其特征在于，步骤S102具体包括：

所述中继站点将接收到的所述控制参数保存至自身的缓存装置中，当接收到所述主控制器在发送完所有的所述控制参数后发送的统一触发指令后，所述中继站点将所述控制参数通过对应的二级CAN总线分别发送至所在机械臂上的对应站点，以便所述对应各站点依据所述控制参数控制对应电机进行相应动作。

9.如权利要求8所述的电机控制方法，其特征在于，所述缓存装置为寄存器。