基于直流减速电机的内镜缝合器电控系统研制

杨玉婷 宋成利 吕坤勇

摘 要：旨在设计以直流减速电机为动力元件，利用编码器精准控制的闭环控制系统。研究霍尔编码器控制原理，利用霍尔编码器实现电机转动圈数控制、调速以及定位功能;研制内镜缝合器电动控制系统，阐述系统驱动机构组成部分，以及器械运动控制算法，利用参数调节合适的PWM波占空比，以实现对器械运动的精准控制，并通过外部传感器进行验证。结果表明，当PWM波占空比在80%～100%之间时，运动速度合理，电机测试精度变化范围大致为-0.007%～0.567%，精度较高。该研究为内窥镜器械的电动控制系统开发提供了理论基础，且具有良好的应用前景。

关键词：内镜缝合器;直流减速电机;霍尔编码器;精准控制

0 引言

近年来，消化内镜手术因具有创伤小、病人恢复快、费用少以及并发症发生率低等优势[1]，逐渐取代了传统开腹手术，同时也促进了经自然腔道内镜手术（Natural Orifice Transluminal Surgery，NOTES）等技术的发展[2]。内镜缝合器械是消化内镜手术的常用器械之一，主要用于治疗消化道急性出血、医源性与非医源性穿孔，修复缺损组织或辅助其它手术治疗等。消化内镜手术常用的内镜缝合器械包括内镜金属夹和内镜专用缝合器，手术时医生将器械固定在内窥镜外侧或通过内镜钳道进入人体内，对病灶处进行缝合。目前，内镜金属夹逐渐成为治疗消化内镜医源性损伤最有效的方法[3]，可用于消化道止血，穿口、瘘管、吻合口瘘闭合以及作为标记物等[4-5]。但现有内镜金属夹存在定位不准确、组织固定不牢固等问题[5]。2008年德国推出了Over-the-Scope Clip system（OTSC，Ovesco AG，Germany），OTSC是一种记忆耙状夹，预置在内镜外侧的施放套管中，该装置能提供较大夹持力，但对周围损伤较大，目前临床应用不多[6-9]。由于器械装填程序复杂，不仅耗时长，还增加了再定位难度[10-11]，而能否快速、有效地闭合穿孔对减少并发症发病率及减轻手术创伤至关重要[12-13]。内镜专用缝合器组织固定效果较好，常用于全层固定，但器械本身体积大、操作复杂，手术抓钳需要提供安全的夹持力，若夹持力过大会导致组织损伤，过小则会造成组织滑脱[14]，而且市场上现有内镜缝合器多为手动控制，不便于操作。常用内镜缝合器包括Endogastric Solutions公司推出的EsophyX，以及Apollo Endosurgery研制的一种弯针缝合装置OverStitch[15]，但两种器械体积都较大，手持控制难度高。因此，电动智能控制内镜缝合器有望解决上述问题。

临床上常见的电动手术器械一般采用步进电机作为驱动[16-17]，但其成本相对较高，且具有控制精度差、开环控制、易产生共振噪声等缺点，容易造成手术风险。相比于步进电机，自带霍尔编码器的直流减速电机可省去驱动器，并且体积小、测量精度高、控制效果好、易于微型化[18-20]。如文献[18]通过闭环控制系统，利用编码器提高测速与控制效果，但是需要在速度闭环带宽不变的情况下，编码器采样频率才不会对控制系统的位置环产生影响;文献[19]利用带霍尔的增量式编码器作为永磁同步伺服系统的位置传感器，可以完成调速及精准定位功能，但该位置的传感器是永磁同步伺服电机外加的模块，一定程度上增加了永磁同步伺服系统成本;文献[20]介绍一种以直流电机为动力元件的驱动减速齿轮箱，采用单片机与光电传感器控制电机转动圈数，实现药物的微量输送，但外加光电传感器增加了设计成本，同时该系统存在电机过冲现象，控制精度不够高。本研究旨在设计一种基于编码器精准控制的闭环控制系统[21]，利用霍尔编码器实现电机转动圈数控制、调速以及精准定位等功能，可用于电动内镜缝合器械研制。

1 电动内镜缝合器结构

电动内镜缝合器由机械手柄、鞘管和执行端组成，其中机械手柄有两个自由度，手柄中间的两个活动板分别与钢丝连接，通过活动板的移动带动钢丝运动，钢丝与钳口的金属夹底座相连，从而带动钳口的张合运动及金属夹的推送运动，两个活动板分别与螺杆相连，电机带动螺杆运动，鞘管由外层钢管和内层钢丝构成。执行端包括保护管和抓钳，抓钳装置在保护管远端，用于夹取组织，其中间设有槽沟，前端为向内弯曲的弧形面，其与槽沟共同构成金属夹通道。保护管内可放置金属夹，由推座推送，金属夹头端是可弯曲的细臂，如图1所示。电动内镜缝合器械施夹具体步骤可参考文献[22]。

1.1 运动系统及缝合器设计

运动系统由控制系统、驱动机构、霍尔编码器、外部传感器等机构组成，如图2所示。

1.2 控制系统

控制系统由中央处理器、控制电路、驱动电路、按键以及液晶显示屏组成，其中按键作为输入，液晶显示屏作为输出，构成人机交互界面。按键可以改变编码器脉冲数与PWM波占空比，以调节运动距离和速度。按键控制参数将在液晶显示屏上显示。

1.3 驱动机构

驱动机构由直流减速电机、霍尔编码器、滚珠丝杆等组成。选择扭矩足够驱动运动系统的直流电机，将直流减速电机的旋转运动转变成直线运动驱动滚珠丝杆。电机由夹具固定住，电机通电后，通过霍尔编码器可以精准记录电机转动圈数，丝杆尾部和电机连接处固定一个夹具，当电机旋转时，丝杆可以沿轴向进行往复运动。丝杆上固定激光挡板，激光挡板下部是一个丝杆旋转限制零件，会随着电机旋转进行往复运动，便于位移传感器精准测试运动距离，通过丝杆的导程可以推出电机实际旋转圈数（见图3）。

1.4 霍爾编码器

1.4.1 计数原理

编码器是一种旋转式传感器，其工作原理是将角位移或角速度转换成一串电数字脉冲。编码器又分为光电编码器和霍尔编码器，本研究采用增量式输出的霍尔编码器。

霍尔编码器由霍尔码盘和霍尔元件组成，其工作原理是利用磁电转换将输出的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。本文采用ASLONG公司的JGA25-370B直流减速电机自带霍尔编码器，霍尔码盘在一定直径的圆板上等分地布置有不同磁极。其中，霍尔码盘和电动机构成同轴，当电动机旋转时，霍尔元件可以通过扫描检测输出若干脉冲信号作为依据，一般输出两组存在一定相位差的方波信号以判断转向（见图4）。

选择带有霍尔编码器的直流减速电机，减速比可记为n，霍尔编码器上有AB相输出，不仅可以测速，还可以辨别转向。编码器自带上拉电阻，所以无需外部上拉，可以直接连接到单片机 IO 进行读取。通过图4可以观察编码器输出的AB相波形，在计数时，一般方法只测量A相（或B相）的上升沿或下降沿，可以理解为图4中对应数字1、2、3、4中的某一个，这样只能计数 3次，而不能判别方向。本研究在检测A相上升沿的同时，检测B相高低电平，检测完成后根据不同方向进行计数，从而在计数的同时也进行方向判别，见图4右侧波形图。

1.4.2 器械运动距离计算

1.5 外部传感器

1.5.1 脉冲数显表

YF600脉冲数显表（YF600，润丰自动化工程有限公司，中国）具有频率高、设置简单方便、工作稳定、精度高等优点，同时可设定自动延时复位时间，实现自动延时复位功能，可通过内部参数设置进行计数，并设定倍率，确定输入脉冲与显示值之间的比例关系。实验时需要连接霍尔编码器A相和B相，检测电平变化进行计数，通过改变参数，确定输入脉冲与显示值的关系，这里选择1∶1关系记录实验数据。

1.5.2 位移传感器

USB-DAQ-280G位移传感器（HG-C1200，Panasonic，日本）如图5所示，左侧为采集传感器数据所需器材，右侧为数据记录界面。该传感器提供2个单端模拟输入通道，AI分辨率达到24位，可以精确到0.01%。采用DC-DC专用电源稳压芯片，以解决USB供电电压波动问题、提高输出稳定度，给系统提供极低纹波电源;选用TI专用参考电压芯片，其噪声极低，温漂典型值仅为 3ppm/℃;选用高精度运算放大器，典型输出失调电压仅为正负10uV;采用位移传感器进行测距，利用USB数据采集卡接收数据并输送到计算机，在数据记录界面进行显示。

2 实验方法

2.1 控制系统测试平台设计与加工

本文搭建测试平台进行系统的精准性和稳定性实验，如图6所示。该平台包括数据接收、数据测试以及控制系统3部分。其中数据接收通过USB数据采集卡将数据输送到计算机，在数据记录界面显示;数据测试采用位移传感器进行测距，采用脉冲数显表进行脉冲计数，通过在滚珠丝杆上安装位移传感器激光挡板进行测距，同时使用夹具稳定电机减小振动的影响;控制系统包括单片机、2路直流电机驱动模块、OLED液晶显示屏以及带霍尔编码器的直流电机。

2.2 软件实现方法

该系统采用Arduino单片机进行控制，运动控制系统程序实现如下：使用者可以通过按键精准控制所需运动的距离和速度，并通过液晶显示屏实时显示出来;控制程序根据预先测出的所需距离，依照公式（1）计算出控制霍尔编码器所需的脉冲数N;按键控制开启，执行程序，霍尔编码器监控脉冲数，当检测到信号达到N后，电机停止运动，完成一次运动。

单片机写入脉冲数，利用霍尔编码器的A相和B相高低电平变化，写入脉冲数精准控制电机转动圈数，从而控制运动距离，通过位移传感器进行激光测距，可以得到在不同脉冲值下的运动距离。通过脉冲数显表可以记录该脉冲数下检测到的实际脉冲值，记录不同脉冲数对应的实际距离，得出关系图。

采集数据时，主要改变两个变量：速度和运动距离。速度通过调节PWM波占空比进行控制，通过改变编码器脉冲数可以控制电机转动圈数，从而控制运动距离，采集数据每间隔100个脉冲数采集一组，每一组测试20个脉冲数，测试精度记为脉冲实测误差值与脉冲实际值的比值。通过分析不同速度与脉冲数下20组运动距离平均值的关系，确定转动速度对测试精度的影响;分析电机正反转在不同脉冲数下的20组运动距离平均值的关系，确定转动圈数对测试精度的影响;分析在不同速度下、不同脉冲数时，确定转动圈数与移动距离的关系;分析在相同速度下、不同脉冲数时，14组脉冲数下每组记录20个数据，比较各组运动距离的关系，以测试系统运动的稳定性。

3 结果与分析

3.1 系统精准性测试实验

为验证运动控制系统的准确性，通过在软件中设置程序检测霍尔编码器的A相和B相高低电平变化，写入脉冲数精准控制运动距离。由于电机负载的原因，PWM波占空比不能太小，在70%以下将无法正常驱动电机，选择PWM波占空比为80%和100%。脉冲数控制电机转动圈数，由于受到PWM占空比的速度影响，脉冲数如果过低，脉冲数显表将无法正常计数。经过实验反复测试，设置脉冲数最低为200，最高为1 500。选择14组脉冲理论值分别写入程序，每组测量30个数据，记录脉冲和运动距离实测值，取每组实测值的平均值，最后结合理论值进行计算，以验证系统的精准性。PWM占空比80%与100%的实验结果分别如表1、表2所示。

从表1中可以看出，实际测量的脉冲数平均值基本接近理论值，通过测量电机正转和反转实际运动距离（如表1第4列与第6列），可以得知实际运动距离比理论运动距离小。当电机转动时，需要克服摩擦力问题、同轴性问题及振动问题，都会引起测量误差。表2显示问题与表1一致，表1、表2是在不同PWM波占空比下的测量值，两组数据也表明PWM波占空比不影响控制系统精准性。

本文通过改进测试平台以克服摩擦力问题、同轴性問题及振动问题。为保证阻力满足电机扭矩要求，本文采用阻力极小的滚珠丝杠代替普通丝杠，并对滑块与水平板之间接触面进行处理以解决摩擦力问题;为保证电机、滚珠丝杠以及夹具的同轴性，本文在一块定制的水平台上进行测试，所有垫片、辅助用具都是经过计算机加工而成的，可克服同轴性问题;电机在运行过程中会产生振动，导致传感器读数会发生很大跳动，造成误差，因此可利用夹具固定电机，以减少振动带来的影响。

3.2 转动速度对测试精度的影响

选择编码器脉冲数为400个，分别针对PWM波占空比为80%和100%情况下的运动距离测得15组数据，按照实际距离逐渐增大的关系，得到距离实测值与实际脉冲数关系如图7所示。

由图7可以发现，在确定脉冲数的情况下，调节速度对运动距离的影响很小，不会影响精准计数，脉冲数变化范围为385～415，20组脉冲数的测试精度误差均小于5%，说明转动速度对测试精度不会产生影响。同样进行14组不同脉冲数、不同速度下的控制分析，实验结果验证了转动速度对测试精度不会产生影响。

3.3 转动圈数对测试精度的影响

在测速过程中，发现在脉冲数低于136个的情况下，脉冲数显示器无法进行计数。因为脉冲数过小，无法准确进行检测。为了方便比较，选择编码器脉冲数为200～    1 500个，共14组数据进行比较。

由图8可知，选择14组脉冲数进行实验，观察在相同速度下的测试精度，发现在PWM波占空比为80%的情况下，电机正转测试精度误差变化范围为0.005%～0.498%，电机反转测试精度误差变化范围为-0.007%～0.567%，测试精度非常高，转动圈数对测试精度不会产生影响。

3.4 转动圈数与移动距离关系

由图9可知，转动圈数与移动距离成线性关系，由上文可知转动速度和转动圈数对测试精度都不会产生影响，在不同速度下转动不同圈数时，转动圈数与移动距离呈线性关系。

3.5 系统稳定性测试实验

为了验证系统的稳定性，通过将脉冲值固定在200～1 500之间，观察PWM波占空比在80%条件下，比较所测出的实际运动值关系，如图10所示。图右边数字代表200～1 500个脉冲，共记录14组，每100个脉冲记录20个数据，最终图像成线性关系，证明系统的稳定性较高。

其中，运动距离与脉冲数成线性关系，最大运动距离平均值为4.22mm，最小运动距离平均值为0.572mm，精度较高，满足了系统所需的稳定性。

4 电动内镜缝合器样机系统

搭建完成的电动内镜缝合器样机如图11所示，机械模块包括机械手柄、操作端和执行端。控制模块选择Arduino UNO ATmega328P单片机，采用L298N2路直流电机驱动模块，供电电压为2V～10V，可同时驱动两个直流电机，实现正反转与调速功能，显示模块采用0.96寸OLED显示屏。

5     结语

本文提出一种内镜缝合器电动控制系统，概述其基本结构，并通过实验验证了其精准性和稳定性。发现在一定范围内，速度和脉冲编码数具有很高的精准性和稳定性，转动速度和转动圈数对测试精度均不会产生影响，且转动圈数与移动距离呈线性关系。同时，通过系统的稳定性实验验证，在脉冲数低于136个时，无法正常计数显示，PWM波占空比在80%～100%之間时，运动速度合理，电机测试精度范围大约为-0.007%～0.567%，精度较高，可以实现对器械的精准控制。

实验结果表明，本系统存在电机转动速度限制，对于不同负载，对应速度需要作相应调整。虽然实验中速度合理，但在实际运动中，速度不能过低，否则无法带动负载。同时，在较小的运动距离内，因电机转动圈数太少，编码器捕捉完相应信号时，电机还没有达到额定转速即停止，未能走完相应运动距离。通过对测试平台的改进，可极大地克服摩擦力问题、同轴性问题以及振动问题，但是同样不能完全解决上述问题。接下来将对样机作进一步测试，同时考虑医生手术时的临床需求进行器械升级，通过更好的系统集成，设计更便于控制的操作平台、更友好的操作界面等。未来将会通过离体实验测试缝合效果，从而更有针对性地对其进行改进，最终实现更加精准与稳定的控制效果，以更好地满足临床需求。

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（责任编辑：黄 健）