本發(fā)明涉及醫(yī)療器械技術領域，特別涉及一種機械臂關節(jié)的控制系統(tǒng)以及控制方法。

背景技術：

手術機器人的機械臂通常由多個關節(jié)組成，各個關節(jié)的位置精度影響和決定著整個機器人的運動精度和工作性能。尤其在微創(chuàng)傷手術過程中，任何關節(jié)位置的不精確測量都會造成病變組織切除，乃至打結縫合等操作的不準確，由此影響整個手術的成功甚至對病人造成額外的傷害。故而，用于測量、控制關節(jié)位置的位置傳感器的精確性至關重要。

目前，在手術機器人機械臂，經(jīng)常使用的一種位置傳感器是絕對式編碼器。但是，絕對式編碼器價格高、體積大。另有一種廣泛使用的位置傳感器是增量式編碼器。然而，增量式編碼器默認其上電時的位置為零點位置，因此在要求絕對角度位置的場合，設備開機時必須先執(zhí)行參考點歸零操作，以建立機械參考原點，如此操作比較繁瑣。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種機械臂關節(jié)的控制系統(tǒng)及其控制方法，以解決現(xiàn)有技術中手術機器人的機械臂關節(jié)控制系統(tǒng)成本高、體積大以及操作復雜等問題中的一個或多個。

為實現(xiàn)上述目的以及其它相關目的，本發(fā)明提供了一種機械臂關節(jié)的控制系統(tǒng)，所述控制系統(tǒng)包括減速機構、控制器以及與所述控制器連接的增量式編碼器和旋轉(zhuǎn)電位器；

所述減速機構包括輸入端和輸出端，所述減速機構的輸出端與所述關節(jié)相連接，且所述減速機構的輸出端與所述關節(jié)中任一可以被另一個驅(qū)動；

所述增量式編碼器用以根據(jù)所述減速機構的輸入端的轉(zhuǎn)動狀態(tài)輸出第一信號至所述控制器；

所述旋轉(zhuǎn)電位器用以根據(jù)所述減速機構的輸出端的轉(zhuǎn)動狀態(tài)輸出第二信號至所述控制器；

所述控制器根據(jù)所述第一信號和第二信號獲取上電時所述減速機構的輸入端的絕對角度的精確值，并根據(jù)所述第一信號以及上電時所述減速機構的輸入端的絕對角度的精確值，獲得上電后所述關節(jié)的絕對角度的精確值，以控制所述關節(jié)的運動。

優(yōu)選地，在上述的機械臂關節(jié)的控制系統(tǒng)中，所述第一信號包括所述增量式編碼器中A相、B相以及C相的脈沖信號，所述控制器根據(jù)所述脈沖信號得到上電時所述減速機構的輸入端的相對角度的精確值，所述第二信號包括所述旋轉(zhuǎn)電位器的電壓信號，所述控制器根據(jù)所述電壓信號得到上電后所述減速機構的輸出端的絕對角度的粗略值。

優(yōu)選地，在上述的機械臂關節(jié)的控制系統(tǒng)中，所述控制器根據(jù)所述第一信號和第二信號獲取上電時所述減速機構的輸入端的絕對角度的精確值的過程包括：

上電時，所述控制器根據(jù)所述第二信號中所述旋轉(zhuǎn)電位器的電壓信號獲取上電時減速機構的輸出端的絕對角度的粗略值；

上電后，所述減速機構的輸入端轉(zhuǎn)動至所述控制器接收到所述增量式編碼器的第一個C相脈沖信號時，所述控制器根據(jù)此時的增量式編碼器的A相以及B相的脈沖信號以得到上電時增量式編碼器的C相偏轉(zhuǎn)角度；

然后，所述控制器根據(jù)所述上電時減速機構的輸出端的絕對角度的粗略值、所述上電時增量式編碼器的C相偏轉(zhuǎn)角度以及減速機構的減速比，獲取上電時所述減速機構的輸入端的絕對角度的精確值。

優(yōu)選地，在上述的機械臂關節(jié)的控制系統(tǒng)中，上電后所述減速機構的輸入端的絕對角度的精確值的計算如下：

θ_H0＝int(θ_L0*i/360°)*360°+Δθ₀

其中，θ_H0為上電時所述減速機構的輸入端的絕對角度的精確值，以角度制度量；int()為向下取整函數(shù)；i為預設的減速機構的減速比，且i為大于1的正數(shù)；θ_L0為上電時所述減速機構的輸出端的絕對角度的粗略值；Δθ₀為上電時所述增量式編碼器的C相偏轉(zhuǎn)角度。

優(yōu)選地，在上述的機械臂關節(jié)的控制系統(tǒng)中，所述控制器根據(jù)上電時所述減速機構的輸入端的絕對角度的精確值、所述增量式編碼器中A相以及B相的脈沖信號，獲得上電后所述減速機構的輸入端的絕對角度的精確值。

優(yōu)選地，在上述的機械臂關節(jié)的控制系統(tǒng)中，所述減速機構的輸入端為一主動輪，所述減速機構的輸出端為一從動輪，所述主動輪和從動輪通過牽引體傳動連接；所述從動輪與所述關節(jié)同軸轉(zhuǎn)動或通過一傳動機構連接，所述旋轉(zhuǎn)電位器與所述從動輪同軸轉(zhuǎn)動；所述增量式編碼器與所述主動輪同軸轉(zhuǎn)動。

優(yōu)選地，在上述的機械臂關節(jié)的控制系統(tǒng)中，所述控制系統(tǒng)還包括一驅(qū)動電機，所述驅(qū)動電機與減速機構的輸入端機械連接，以驅(qū)動減速機構的輸入端轉(zhuǎn)動，所述控制器與驅(qū)動電機電連接，以控制驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)動。

為實現(xiàn)上述目的以及其它相關目的，本發(fā)明提供了一種機械臂關節(jié)的控制方法，包括：

一增量式編碼器用以根據(jù)所述減速機構的輸入端的轉(zhuǎn)動狀態(tài)輸出第一信號至控制器；

一旋轉(zhuǎn)電位器用以根據(jù)所述減速機構的輸出端的轉(zhuǎn)動狀態(tài)輸出第二信號至所述控制器；

所述控制器根據(jù)所述第一信號和第二信號獲取上電時所述減速機構的輸入端的絕對角度的精確值，并根據(jù)所述第一信號以及上電后所述減速機構的輸入端的絕對角度的精確值，獲得上電后所述關節(jié)的絕對角度的精確值，以控制所述關節(jié)的運動。

優(yōu)選地，在上述機械臂關節(jié)的控制方法中，所述第一信號包括所述增量式編碼器中A相、B相以及C相的脈沖信號，所述控制器根據(jù)所述脈沖信號得到上電時所述減速機構的輸入端的相對角度的精確值，所述第二信號包括所述旋轉(zhuǎn)電位器的電壓信號，所述控制器根據(jù)所述電壓信號得到上電后所述減速機構的輸出端的絕對角度的粗略值。

優(yōu)選地，在上述機械臂關節(jié)的控制方法中，所述控制器根據(jù)所述第一信號和第二信號獲取上電時所述減速機構的輸入端的絕對角度的精確值的過程包括：

上電時，所述控制器根據(jù)所述第二信號中所述旋轉(zhuǎn)電位器的電壓信號獲取上電時所述減速機構的輸出端的絕對角度的粗略值；

上電后，所述減速機構的輸入端轉(zhuǎn)動至所述控制器接收到所述增量式編碼器的第一次C相脈沖信號時，所述控制器根據(jù)此時的增量式編碼器A相以及B相的脈沖信號以得到上電時增量式編碼器的C相偏轉(zhuǎn)角度；

然后，所述控制器根據(jù)所述上電時減速機構的輸出端的絕對角度的粗略值、所述上電時增量式編碼器的C相偏轉(zhuǎn)角度以及預設的減速機構的減速比，獲取上電時所述減速機構的輸入端的絕對角度的精確值。

優(yōu)選地，在上述機械臂關節(jié)的控制方法中，上電時所述減速機構的輸入端的絕對角度的精確值的計算如下：

θ_H0＝int(θ_L0*i/360°)*360°+Δθ₀

其中，θ_H0為上電時所述減速機構的輸入端的絕對角度的精確值，以角度制度量；int()為向下取整函數(shù)；i為預設的減速機構的減速比，且i為大于1的正數(shù)；θ_L0為上電時所述減速機構的輸出端的絕對角度的粗略值；Δθ₀為上電時所述增量式編碼器的C相偏轉(zhuǎn)角度。

優(yōu)選地，在上述機械臂關節(jié)的控制方法中，所述控制器根據(jù)上電時所述減速機構的輸入端的絕對角度的精確值、所述增量式編碼器中A相以及B相的脈沖信號，獲得上電后所述減速機構的輸入端的絕對角度的精確值。

優(yōu)選地，在上述機械臂關節(jié)的控制方法中，所述控制方法還包括上電后校驗增量式編碼器的步驟：

上電后，所述控制器根據(jù)所述第二信號獲取上電后所述減速機構的輸出端的絕對角度的粗略值，并根據(jù)所述第一信號獲取所述增量式編碼器的A相以及B相的脈沖信號，以及上電時所述減速機構的輸入端的絕對角度的精確值以及預設的減速機構的減速比，判斷所述控制系統(tǒng)是否工作正常。

優(yōu)選地，在上述機械臂關節(jié)的控制方法中，判斷公式為|θ_H-θ_L*i|＞360°，

其中，θ_L為上電后所述減速機構的輸出端的絕對角度的粗略值，以角度制度量；θ_H為上電后所述減速機構的輸入端的絕對角度的精確值，以角度制度量；θ_H為根據(jù)增量式編碼器的A相、B相的脈沖信號以及上電時所述減速機構的輸入端的絕對角度的精確值得到；其中，

若滿足公式，則所述控制器判定所述控制系統(tǒng)工作不正常；

若不滿足公式，則所述控制器判定所述控制系統(tǒng)工作正常。

綜上所述，本發(fā)明的控制系統(tǒng)采用體積小、精度高、價格低廉的增量式編碼器獲得精確的相對位置，并同時采用體積小、價格低廉的旋轉(zhuǎn)電位器獲得粗略的絕對位置，在保證可靠性的基礎上，關節(jié)位置測量的精度高，使用成本低，而且控制系統(tǒng)的體積小。

特別的，本發(fā)明的控制系統(tǒng)通過獲取上電時減速機構的輸入端的絕對角度的精確值，即可省去每次開機時參考點歸零的操作，簡化了控制系統(tǒng)上電初始化的過程。

特別的，本發(fā)明的控制系統(tǒng)可通過旋轉(zhuǎn)電位器和增量式編碼器校驗自身控制系統(tǒng)是否因干擾、損壞或者其他原因等工作異常，例如增量式編碼器丟失脈沖導致零點丟失，旋轉(zhuǎn)電位器失去精度，減速機構傳動異常等，這樣，為手術機器人增加了冗余安全功能，確保了手術的安全性和可靠性，而且，與單獨使用增量式編碼器或者單獨使用旋轉(zhuǎn)電位器相比，本發(fā)明的控制系統(tǒng)故障發(fā)生率低，可靠性高。

附圖說明

圖1是本發(fā)明一實施例的手術機器人機械臂的結構示意圖；

圖2是本發(fā)明一實施例的手術機器人關節(jié)的控制系統(tǒng)的結構框圖；

圖3是本發(fā)明一實施例的手術機器人關節(jié)的控制系統(tǒng)于上電時的流程示意圖；

圖4是本發(fā)明一實施例的手術機器人關節(jié)的控制系統(tǒng)于上電后的流程示意圖。

圖中的附圖標記說明如下：

1-第一支架；2-關節(jié)；3-第二支架；5-減速機構；51-主動輪；53-從動輪；7-驅(qū)動電機；9-控制器；11-增量式編碼器；13-旋轉(zhuǎn)電位器。

具體實施方式

本發(fā)明的核心思想在于，提供一種成本低、體積小、位置測量精度高且操作簡單的機械臂關節(jié)的控制系統(tǒng)，以及基于該控制系統(tǒng)的控制方法，以解決現(xiàn)有技術中因采用絕對式或增量式編碼器帶來的問題。

本發(fā)明提供一種機械臂關節(jié)的控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)包括減速機構、控制器以及與所述控制器連接的增量式編碼器和旋轉(zhuǎn)電位器；其中，所述減機構包括輸入端和輸出端，所述減速機構的輸出端與所述關節(jié)相連接，且所述減速機構的輸出端與所述關節(jié)中任一可以被另一個驅(qū)動；所述增量式編碼器，用以根據(jù)所述減速機構的輸入端的轉(zhuǎn)動狀態(tài)輸出第一信號至所述控制器；所述旋轉(zhuǎn)電位器，用以根據(jù)所述減速機構的輸出端的轉(zhuǎn)動狀態(tài)輸出第二信號至所述控制器；所述控制器根據(jù)所述第一信號和第二信號得到上電時所述減速機構的輸入端的絕對角度的精確值，并根據(jù)所述減速機構的輸入端的絕對角度的精確值，獲得上電后所述關節(jié)的絕對角度的精確值，以控制所述關節(jié)的運動。

本發(fā)明中的“上電時”應理解為所述增量式編碼器、旋轉(zhuǎn)電位器通電后，關節(jié)開始轉(zhuǎn)動的瞬間狀態(tài)，相應的，“上電后”應理解為所述增量式編碼器、旋轉(zhuǎn)電位器已經(jīng)通電，關節(jié)開始轉(zhuǎn)動之后持續(xù)狀態(tài)。

為使本發(fā)明的目的、優(yōu)點和特征更加清楚，以下結合附圖1～4對本發(fā)明提出的機械臂關節(jié)的控制系統(tǒng)以及控制方法作進一步詳細說明。需說明的是，附圖均采用非常簡化的形式且均使用非精準的比例，僅用以方便、明晰地輔助說明本發(fā)明實施例的目的。

參閱圖1，其為本發(fā)明一實施例的機械臂的結構示意圖。其中第二支架3與第一支架1通過關節(jié)2連接，使第一支架1可以相對于第二支架3轉(zhuǎn)動。具體而言，該關節(jié)2的外殼安裝于支架3上，該關節(jié)2的轉(zhuǎn)子部分與第一支架1連接。

減速機構5在本實施例中安裝在第二支架3上，其輸入端為主動輪51，輸出端為從動輪53，主動輪51通過絲、繩、帶、鏈條等牽引體與從動輪53傳動連接。本實施例中，減速機構5的輸出端與關節(jié)2相連接的形式具體為關節(jié)2固設在從動輪53的一側(cè)并可隨從動輪53同步轉(zhuǎn)動，優(yōu)選關節(jié)2與從動輪53同軸布置，同軸轉(zhuǎn)動?？蛇x，減速機構5的減速比為2～1000：1。本領域技術人員應理解，減速機構5的輸出端與關節(jié)2相連接還可以有其他形式，例如減速機構5的輸出端與關節(jié)2通過一傳動機構連接。這些都在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。

在一個實施例中，主動輪51連接驅(qū)動電機7，以在驅(qū)動電機7的驅(qū)動下同軸轉(zhuǎn)動。隨著主動輪51轉(zhuǎn)動，經(jīng)減速機構5的牽引體帶動從動輪53轉(zhuǎn)動，并同步驅(qū)動關節(jié)1轉(zhuǎn)動。在此，驅(qū)動電機7相應安裝在支架3上。然而，本發(fā)明并不限定關節(jié)在驅(qū)動電機7的驅(qū)動下運動，也可手動驅(qū)動第一支架1或第二支架3進而驅(qū)動關節(jié)2轉(zhuǎn)動。此時，由關節(jié)2驅(qū)動從動輪53轉(zhuǎn)動，進而驅(qū)動主動輪51轉(zhuǎn)動。

為了簡明起見，在以下描述中假定主動輪51在驅(qū)動電機7的驅(qū)動下運動，本領域技術人員應當能夠修改以下描述，在細節(jié)上作適當修改后將所述描述用于其它類型的驅(qū)動。

對于圖1示出的關節(jié)2，本實施例提供了一種控制系統(tǒng)，如圖2所示，用以對關節(jié)2的運動進行控制。所述控制系統(tǒng)包括減速機構5、控制器9、增量式編碼器11以及旋轉(zhuǎn)電位器13，增量式編碼器11和旋轉(zhuǎn)電位器13均與控制器9相連；其中，增量式編碼器11用以根據(jù)減速機構5的輸入端的轉(zhuǎn)動狀態(tài)輸出第一信號給控制器9，旋轉(zhuǎn)電位器13用以根據(jù)減速機構5的輸出端的轉(zhuǎn)動狀態(tài)輸出第二信號給控制器9。

本領域技術人員應當知曉，本實施例的控制器9通過增量式編碼器11獲取上電后減速機構5的輸入端相對于上電時的轉(zhuǎn)動角度，即為“輸入端的相對角度”；而通過旋轉(zhuǎn)電位器13獲取上電后減速機構5的輸出端相對于輸出端的機械零位的轉(zhuǎn)動角度，即為“輸出端的絕對角度”。該輸出端的機械零位在機械臂初始化時標定。同樣，“所述減速機構的輸入端的絕對角度”是指所述減速機構的輸入端相對于輸入端的機械零位的轉(zhuǎn)動角度；“關節(jié)的絕對角度”是指所述關節(jié)相對于關節(jié)機械零位的轉(zhuǎn)動角度。

在本發(fā)明的一個實施例中，主動輪51連接驅(qū)動電機7的輸出軸，同時增量式編碼器11設置在輸出軸上并隨輸出軸同軸轉(zhuǎn)動，以便增量式編碼器11根據(jù)主動輪51的轉(zhuǎn)動狀態(tài)輸出第一信號，而旋轉(zhuǎn)電位器13與所述減速機構的輸出端同軸轉(zhuǎn)動，進而旋轉(zhuǎn)電位器13根據(jù)所述減速機構的輸出端的轉(zhuǎn)動狀態(tài)輸出第二信號。

進一步，如背景技術中所述，增量式編碼器11只能提供相對于其上電位置的轉(zhuǎn)動角度增量，因此，傳統(tǒng)上每次開機時均需先執(zhí)行參考點歸零的操作，以使增量式編碼器11的上電位置與其初始化位置重合，這樣操作非常麻煩。為此，本實施例的控制器9根據(jù)增量式編碼器11輸出的第一信號以及旋轉(zhuǎn)電位器13輸出的第二信號，獲取上電時減速機構5的輸入端的絕對角度的精確值，從而避免每次開機時執(zhí)行參考點歸零的操作。進而，在確定了上電時減速機構5的輸入端的絕對角度的精確值后，控制器9便可根據(jù)增量式編碼器11輸出的第一信號以及上電時減速機構5的輸入端的絕對角度的精確值，獲得上電后關節(jié)2的絕對角度的精確值，從而以此控制關節(jié)2的運動。

具體地說，增量式編碼器11中第一信號包括A相、B相(計數(shù)相)以及C相(記圈相)的脈沖信號(數(shù)字信號)，控制器9根據(jù)這些脈沖信號得到上電時減速機構5的輸入端的相對角度的精確值，而旋轉(zhuǎn)電位器13中第二信號包括電壓信號(模擬信號)，控制器9根據(jù)該電壓信號得到上電后減速機構5的輸出端的絕對角度的粗略值。上電時減速機構5的輸入端的相對角度的精確值，即是增量式編碼器11相對于其上電位置的轉(zhuǎn)動角度增量；上電后減速機構5的輸出端的絕對角度的粗略值，也就是關節(jié)2相對于其機械零位的旋轉(zhuǎn)角度(關節(jié)2與減速機構5的輸出端同軸轉(zhuǎn)動時，如果關節(jié)2與減速機構5的輸出端之間通過一傳動機構連接，那么關節(jié)2相對于其機械零位的旋轉(zhuǎn)角度為減速機構5的輸出端的絕對角度與所述傳動機構傳動系數(shù)的乘積)。

圖3是本發(fā)明一實施例的控制系統(tǒng)獲取上電時減速機構5的輸入端的絕對角度的精確值的流程示意圖。根據(jù)圖3所揭示的實施例，獲取上電時減速機構5的輸入端的絕對角度的精確值的過程包括：

上電時，控制器9采集旋轉(zhuǎn)電位器13的電壓信號，并根據(jù)該電壓信號獲取上電時減速機構5的輸出端的粗略值；上電時減速機構5的輸出端的絕對角度的粗略值即是關節(jié)2的絕對角度的粗略值(關節(jié)2與減速機構5的輸出端同軸轉(zhuǎn)動時)。

上電后，控制器9采集增量式編碼器11的A相以及B的相脈沖信號得到上電時增量式編碼器11的C相偏轉(zhuǎn)角度；此過程中，減速機構5的輸入端旋轉(zhuǎn)至控制器9接收到增量式編碼器11的第一個C相脈沖信號時，控制器9根據(jù)此時的增量式編碼器11的A相以及B相的脈沖信號得到上電時增量式編碼器11的C相偏轉(zhuǎn)角度；所述“C相偏轉(zhuǎn)角度”是指上電前C相最后一個脈沖發(fā)生后，光電碼盤轉(zhuǎn)動的角度。

然后，控制器9根據(jù)上電時減速機構5的輸出端的絕對角度的粗略值、上電時增量式編碼器11的C相偏轉(zhuǎn)角度的精確值以及預設的減速機構5的減速比，獲取上電時減速機構5的輸入端的絕對角度的精確值。

上述公開的實施例中，所謂“精確值”和“粗略值”，在本文中，指的是數(shù)值精度相對的高低，且精確值的精度高于粗略值的精度。

進一步，在獲取上電時減速機構5的輸入端的絕對角度的精確值后，控制器9便可根據(jù)上電時減速機構5的輸入端的絕對角度的精確值、增量式編碼器11中A相的脈沖信號以及B相的脈沖信號，獲得上電后減速機構5的輸入端的絕對角度的精確值，進一步得到上電后關節(jié)2的絕對角度的精確值，進而控制關節(jié)2的運動。

特別地，上電時減速機構5的輸入端的絕對角度的精確值的計算如下：

θ_H0＝int(θ_L0*i/360°)*360°+Δθ₀ (1)

公式(1)中，θ_H0為上電時減速機構5的輸入端的絕對角度的精確值(單位為°)；int()為向下取整函數(shù)，例如int(12.5)＝12，int(-12.5)＝-13；i為預設的減速機構5的減速比并為大于1的正數(shù)；θ_L0為上電時關節(jié)2的絕對角度的粗略值(單位為°)，也就是上電時減速機構5的輸出端的絕對角度的粗略值；Δθ₀為上電時增量式編碼器11的C相偏轉(zhuǎn)角度(單位為°)。

在上述公開的實施例中，θ_L0通過采集旋轉(zhuǎn)電位器13的電壓信號獲得，Δθ₀通過采集到增量式編碼器11之C相的第一個脈沖信號時獲取的增量式編碼器11的A相以及B相的脈沖信號計算得到的，即Δθ₀等于360°減去上電后A相或B相對應的轉(zhuǎn)動角度增量(減速機構5的輸出端正向旋轉(zhuǎn)時)，或者Δθ₀等于上電后A相或B相對應的轉(zhuǎn)動角度增量(減速機構5的輸出端反向旋轉(zhuǎn)時)。輸出端正向旋轉(zhuǎn)或反響旋轉(zhuǎn)，可以通過判斷A相在前還是B相在前獲知，例如通過讀取A相出現(xiàn)上升沿脈沖時，此時B相為高電平還是低電平來判斷，B相為低電平則為正轉(zhuǎn)，為高電平時為反轉(zhuǎn)。

為了采集到上電時增量式編碼器11之C相的第一個脈沖信號，一個實施例中，使驅(qū)動電機7正轉(zhuǎn)一定角度而獲取C相的第一個脈沖信號。在其他實施例中，通過手動使關節(jié)2轉(zhuǎn)動一定角度，以使增量式編碼器11轉(zhuǎn)動而獲取C相的第一個脈沖信號。

接著，在獲取上電時減速機構5的輸入端的絕對角度的精確值后，在正常運行階段，控制器9可以不需采集旋轉(zhuǎn)電位器13的電壓信號，而是僅根據(jù)上電時減速機構5的輸入端的絕對角度的精確值以及增量式編碼器11的A相與B相的脈沖信號，對關節(jié)2的轉(zhuǎn)動進行調(diào)整控制。例如說當關節(jié)2運轉(zhuǎn)到極限位置時候，控制系統(tǒng)通過報警裝置提醒，或者通過剎車裝置阻止關節(jié)繼續(xù)轉(zhuǎn)動。

具體而言，當需要獲取上電后關節(jié)2的絕對角度的精確值時，通過A相與B相的脈沖信號得到增量式編碼器11的轉(zhuǎn)動角度增量，該轉(zhuǎn)動角度增量增減上電時減速機構5的輸入端的絕對角度的精確值，便是上電后減速機構5的輸入端的絕對角度的精確值。其中：若A相脈沖超前B相脈沖(也就是驅(qū)動電機7正轉(zhuǎn)時)，則上電時減速機構5的輸入端的絕對角度的精確值與增量式編碼器11的轉(zhuǎn)動角度增量之和，即為上電后減速機構5的輸入端的絕對角度的精確值；若A相脈沖落后于B相脈沖，則上電時減速機構5的輸入端的絕對角度的精確值與增量式編碼器11的相對角度的精確值之差，即為上電后減速機構5的輸入端的絕對角度的精確值。之后，依據(jù)預設的減速機構5的減速比，換算得到上電后減速機構5的輸出端的絕對角度的精確值。當關節(jié)2與減速機構5的輸出端同軸轉(zhuǎn)動時，上電后減速機構5的輸出端的絕對角度的精確值為上電后關節(jié)2的絕對角度的精確值；如果關節(jié)2與減速機構5的輸出端之間通過一傳動機構連接，那么上電后關節(jié)2的絕對角度的精確值為上電后減速機構5的輸出端的絕對角度與所述傳動機構傳動系數(shù)的乘積。相比于直接通過旋轉(zhuǎn)電位器13獲取關節(jié)2的絕對角度的粗略值，提升了關節(jié)2絕對角度的測量精度。

對于上述方案，發(fā)明人研究發(fā)現(xiàn)，旋轉(zhuǎn)電位器13的測量精度比增量式編碼器11的測量精度低，但增量式編碼器11的可靠性比旋轉(zhuǎn)電位器13低，因此，本實施例的控制系統(tǒng)通過兩者組合使用對關節(jié)1的位置進行測量，不僅位置測量的精度高，而且測量可靠性也高。并且，增量式編碼器11和旋轉(zhuǎn)電位器13的體積小、價格低廉，故而，控制系統(tǒng)占用空間小，使用成本低。

較佳實施例中，本實施例的控制系統(tǒng)還可通過旋轉(zhuǎn)電位器13和增量式編碼器11校驗控制系統(tǒng)以及機械臂是否工作正常?？刂葡到y(tǒng)會因為各種原因而不能正常工作，例如增量式編碼器11因干擾、損壞或其他原因丟失脈沖而致使零點丟失，或者，校驗旋轉(zhuǎn)電位器13因干擾或損壞等失去精度，再或者，減速機構5因牽引體斷裂而工作異常等，這對機械臂，特別是手術機器人機械臂的工作帶來潛在的風險。本實施例的控制系統(tǒng)能為機械臂，特別是手術機器人的機械臂提供冗余安全功能，有效確保手術的安全性。

圖4是本發(fā)明一實施例的控制系統(tǒng)在正常運行時的流程示意圖。根據(jù)圖4所示出的，上電后，校驗控制系統(tǒng)的步驟包括：

第一步：控制器9通過采集旋轉(zhuǎn)電位器13的電壓信號，獲得上電后所述減速機構的輸出端的絕對角度的粗略值；

第二步：控制器9通過采集增量式編碼器11的脈沖信號(主要是A相與B相的脈沖信號)，得到增量式編碼器11的轉(zhuǎn)動角度增量(即上電后所述減速機構的輸入端相對于上電時所述減速機構的輸入端轉(zhuǎn)動角度的精確值)；

第三步：控制器9根據(jù)上電后所述減速機構的輸出端的絕對角度的粗略值、增量式編碼器11的轉(zhuǎn)動角度增量、上電時所述減速機構的輸入端的絕對角度的精確值以及預設的減速機構5的減速比，判斷控制系統(tǒng)是否工作正常；若否，優(yōu)選進入故障報警模式，以便操作者及時停機檢修；若是，則控制系統(tǒng)允許關節(jié)2繼續(xù)轉(zhuǎn)動至目標位置。

具體地，根據(jù)如下公式判斷控制系統(tǒng)是否工作正常：

|θ_H-θ_L*i|＞360° (2)

公式(2)中，θ_L是上電后所述減速機構的輸出端的絕對角度的粗略值(單位為°)；θ_H為上電后所述減速機構的輸入端的絕對角度的精確值(單位為°)，并且θ_H為根據(jù)增量式編碼器11的A相與B相的脈沖信號以及上電時所述減速機構的輸入端的絕對角度的精確值得到。

上述公式(2)中，若|θ_H-θ_L*i|大于360°，則判斷控制系統(tǒng)工作不正常，控制系統(tǒng)可以通過報警裝置提醒，或者通過剎車裝置阻止關節(jié)2繼續(xù)轉(zhuǎn)動；若|θ_H-θ_L*i|小于或等于360°，則判斷控制系統(tǒng)工作正常。

進一步，本實施例的控制器9例如是一運動控制卡，其可提供多軸的伺服或步進電機控制，可具有RS232、網(wǎng)口、USB2.0通信以及輸入輸出模塊等?？刂破?通過一驅(qū)動器控制驅(qū)動電機7運轉(zhuǎn)。

進一步，第二支架3的一端與旋轉(zhuǎn)電位器13的殼體固定連接，第一支架1的一端與旋轉(zhuǎn)電位器13的旋鈕固定連接，旋轉(zhuǎn)電位器13的輸入端與直流電源(供電電源根據(jù)控制器的AD采集模塊確定)連接，旋轉(zhuǎn)電位器13的輸出端與控制器9連接。增量式編碼器11的殼體與第一支架1的另一端固定連接，增量式編碼器11的旋轉(zhuǎn)軸與減速機構5的輸入端的轉(zhuǎn)軸同軸固連，且增量式編碼器11的輸出端與控制器9連接。

本領域技術人員應知道本發(fā)明中對所述旋轉(zhuǎn)電位器，增量式編碼器的種類沒有特別的限制。例如，所述旋轉(zhuǎn)電位器可以是單圈旋轉(zhuǎn)電位器或者多圈旋轉(zhuǎn)電位器，可以是線性旋轉(zhuǎn)電位器或者是指數(shù)旋轉(zhuǎn)電位器；所述增量式編碼器可以是增量式光電編碼器，也可以是增量式電磁編碼器。

綜上所述，本發(fā)明的控制系統(tǒng)使用體積小、精度高、價格低廉的增量式編碼器進行相對定位，并采用體積小、價格低廉的旋轉(zhuǎn)電位器進行絕對定位，在保證可靠性的基礎上，關節(jié)位置測量的精度高，使用成本低，而且控制系統(tǒng)的體積小。

特別的，本發(fā)明的控制系統(tǒng)通過獲取上電時減速機構的輸入端的絕對角度的精確值，即可省去每次開機時參考點歸零的操作，簡化了控制系統(tǒng)上電初始化的過程。

特別的，本發(fā)明的控制系統(tǒng)可通過旋轉(zhuǎn)電位器和增量式編碼器校驗自身系統(tǒng)是否因干擾、損壞或者其他原因等工作異常，例如增量式編碼器丟失脈沖導致零點丟失，旋轉(zhuǎn)電位器失去精度，減速機構傳動異常等。這樣，為手術機器人增加了冗余安全功能，確保了手術的安全性和可靠性，而且，與單獨使用增量式編碼器或者單獨使用旋轉(zhuǎn)電位器相比，本發(fā)明的控制系統(tǒng)故障發(fā)生率低，可靠性高。

上述描述僅是對本發(fā)明較佳實施例的描述，并非對本發(fā)明范圍的任何限定，本發(fā)明領域的普通技術人員根據(jù)上述揭示內(nèi)容做的任何變更、修飾，均屬于權利要求書的保護范圍。