sca60c

医用高精度四点支撑

及姿态调整系统技术方案

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目录

1概述。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。1

2方案说明。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。1

3技术方案。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。2

3.1设计总则。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。2

3.1.1设计标准和规范。。。。。。。。。。。。。。。。。。。.2

3.1.2设计原则。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。2

3.2系统构架及工作过程。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。5

3.2.1工作过程。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。5

3.3方案设计。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。7

3.3.1支撑腿设计。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。7

3.3.2水平传感器设计。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。8

3.3.3控制系统设计。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。9

3.3.4软件设计。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。9

3.3.5系统性能。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。13

4名词解释。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。13

5附图。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。

1、概述

在医疗技术蓬勃发展的今天，移动式医疗设备（诸如移动手术床、移

动检测设备、移动手术设备等等）已广为使用，这类设备中一大部分需要

有稳定的操作平台，一直以来这些平台需要自动三点刚性支撑或四点手动

刚性支撑。但三点自动刚性支撑抗倾覆力矩比较小，支撑稳固性较差；四

点手动支撑系统支撑费时费力，且支撑效果不好，往往有一点是虚腿（支

撑腿未着地，不能起到支撑作用），不能很好起到支撑作用。

医用高精度四点支撑及姿态调整系统是北京莱孟德自动控制技术有限

公司2010年6月应客户需求为骨科导航定位系统（注：该系统是国家863

计划项目的成果转化）设计开发的支撑产品，于2011年初投入临床使用，

并取得良好的使用效果；已经成为骨科导航定位系统的标配产品。目前，

我公司已与多家移动式医疗设备厂家取得了广泛联系，一些已经有初步合

作意向。

医用高精度四点支撑及姿态调整系统是一套非常可靠的平稳四点支

撑系统。该系统的最大优点是在四点同时以一定姿态稳定支撑，抗倾覆力

矩大，支撑简便迅速，支撑可靠度高，因此，医用高精度四点支撑及姿态

调整系统是未来移动式医用平台平衡支撑的发展趋势。

2、方案说明

该系统包括：支撑腿四条、倾角传感器一只、控制箱一匹等。

我公司在设计本系统方案时，充分考虑了医用手术平台的使用环境和

使用特点，并结合多年来我公司数百套车载平衡支撑系统的设计生产经验

和教训，使该系统具备如下特点：

医用手术平台高精度平衡支撑系统的特点有：

完全自主知识产权，支撑腿、水平传感器、控制系统全部为我公司

独立开发生产，产品具有良好的扩展性和可延续性；

稳定可靠，依靠支撑的二次检测和支撑补偿，可确保支撑的稳定性

和牢固性；

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支持水平支撑和固定支撑，支持倾角姿态的调整和支撑；

支持系统集中控制；

良好的硬件软件兼容性；

可靠实现所需的支撑高度：程序可输入支撑高度参数，并依据对

齿轮齿的脉冲计数可靠实现所需支撑。

3、技术方案

3.1设计总则

3.1.1设计遵循标准和规范

包装储运图示标志GB191-2000

测量、控制和试验室用电气设备的安全要求，通用要求

GB4793.1-1995IEC1010-1：1990GB9706.1

医用电气设备安全通用要求GB9706.1

医用电气设备第一部分：安全通用要求GB9706.1-1995

工业产品使用说明书总则GB10152-1997

医用电气设备环境要求及试验方法GB/T14710-93

医疗器械生物学评价GB/T16886.16-2003

编写和使用医用电气设备教材的导则GB/Z17994-1999

管理、医疗、护理人员安全使用医用电气设备导则GB/Z17995-1999

骨接合植入物金属接骨板YY0017-2002

骨接合植入物金属接骨螺钉YY0018-2002

外科器械金属材料YY/T0294.1-2005

电动手术台YY91106-1999

3.1.2设计原则

先进性：

本系统方案的先进性主要体现在以下几方面：

国内无同类性产品

先进的设计理念：由于电机提供的扭力和电机电流关系受外界

条件影响比较大(如温度)，且电机电流只能大概反映电机扭矩的大

小，所以在最后补偿阶段可能会出现两种情况：A调整支腿的电机

在特定电流下提供的推力较大，造成其他支撑腿的虚腿；B调整支

腿特定电流下，由于受外界干扰和自身阻力的不恒定，该支撑腿未

触地就停车，造成该腿任然是虚腿的问题。该设计创新采用PWM

欠压供电，提高电机的电流/扭矩的比例参数（见图），实现了大电

流提供低力矩的性能，在实际应用中达到了良好的使用效果。

可靠性、稳定性

高可靠性具体体现在：

整个系统采用的技术和器件都是有多年的成功应用经验；

软件高可靠性设计，采用成熟技术和冗余设计

可维护性

可维护性表现在：

故障点易于发现

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故障点易于排除

日常管理操作简便

操作简易性

操作简易性表现在：

面板操作和集中控制

水平支撑（把平台支撑调整到水平状态）、固定支撑（按支撑前的

状态支撑并调整角度）、和支撑收起等3种功能，每个功能只需一

个按键及可完成全部操作

可扩展性

可扩展性表现在

所有知识产权全部自主，可依据不同需求做相应调整

3.2系统构架及工作过程

系统构架图如下

3.2.1工作过程：

水平支撑：

四条腿接近开关B（见附图）均为开启（接近状态），电机正转（顺

时针方向）进入触地过程，支撑腿伸长，接近开关A开始计齿轮齿转动的

脉冲数，并计算总伸长长度防止超行程，同时单片机检测每个电机的电流

值，支撑腿触地电机电流变大，电机停车，四个电机完成停车后，电机再

次启动进入抬升过程，共同抬升工作平台到一定高度（通过计算齿轮齿对

接近开关A的脉冲信号），电机停车进入调平过程；控制箱和水平传感器

通信，根据水平传感器二维倾角信号调整相应的腿的长度以达到要求的水

平度并计算出虚腿（未提供支撑力）位置，为该腿PWM欠压供电并检测

电流值达到一定后停车；再次执行该过程直到水平度满足需求，完成全部

到上位机

水平传感器控制箱

支撑腿四个

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过程。

固定支撑：

四条腿接近开关B（见附图）均为开启（接近状态），且记忆该状态下

的水平传感器值，完成触地过程、支撑过程，并进入调整过程，该调整过

程是以支撑前的水平传感器值为调整基准，直到支撑后的水平传感器值和

支撑前相同，支撑过程结束。

收起过程：

电机反转，支撑腿收起，直到接近开关B开启，电机停车，支撑腿处

于收起状态。

装机图：

支撑状态图：

3.3方案设计

3.3.1支撑腿的设计

如下图：

1齿轮A2接近开关A3丝母4丝杠

5外套筒6接近开关B7支撑腿8齿轮箱9电机

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工作时，电机通过齿轮付带动丝杠做转动，从而带动支撑腿做伸、缩运

动，其中接近开关B检测支撑腿的位置是否为初始位置，接近开关A检测

齿轮旋转的齿数，与接近开关B配合计算支撑腿的伸长量

3.3.2水平传感器的设计

水平传感器采用两块单轴微硅加速度表，分别检测相互垂直的两个轴向

的加速度值，根据测的的值和理论加速度对比计算出每个轴相对水平面的

倾角，两轴的矢量和的方向及水平传感器安装平面的倾角切线方向。我们

选SCA60C作为倾角敏感器件，该器件具有工作温度范围宽，测量范围宽，

性能稳定等特点，在常温下测量精度可达0.2°。同时水平传感器4路高低

电平输出到控制箱，为控制箱提供控制信号。

3.3.3控制系统的设计

控制系统须有一下功能：

A电机正反转：可分别控制四路中任一路电机的正反转

B电流检测功能：可分别检测四路电机的即时电流值并可和预设值做

对比

C可分别对四路电机的任一路做PWM输出，以控制电机的速度和大

电流小力矩的电机特性

D具备倾角传感器信号接口

E具备上位机控制接口

由于系统的控制点和监测点比较多，为节约单片机资源我们采用

CD4067BMS作为模拟量切换开关，CD4067BMS是16路双向模拟量切换

开关，该芯片可作为按键、指示灯、电流检测、水平传感器接口使用，采

用扫描方式检测输入单片机的模拟量和对应的开关为实现所需功能，。

本系统采用MS51系列单片机作为硬件电路，具有成本低廉，性能稳定

易于采购等特点。具体电路件附件。

系统的位置定义（俯视）

其中传感器前为水平

3.3.4软件设计：

软件特点：

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采用C语言为设计语言，具备易读

模块化结构：方便扩展易于修改

软件结构：

包括：水平传感器输出程序

行程判断模块

电流检测模块

着地检测模块

抬升模块

PWM控制模块

虚腿检测模块

及地补偿模块

收起模块等

水平传感器输出程序：

对水平传感器倾角进行采样，并按工作模式以四路开关量为控制系统提

供动作指令，控制四条支撑腿的动作。

行程判断程序：

检测接近开关的脉冲信号，计算相应的伸长长度。该行程通常有两种，

一种是总行程，一种是抬升行程。总行程是从开始支撑动作起到虚腿补

偿结束的整个过程中，脉冲数须小于设定值，以保证实际伸长量小于极

限伸长量，防止撞车事故。抬升行程是从支撑腿触地到姿态调整前的行

程。

电流检测模块：

检测分流器两端的电压，计算电机即时电流值。该模块有两种用途。一、

检测电机电流不能超过电机的额定电流值，保护电机不过热；二、通过

检测电机电流，初略计算电机提供的扭力，在并与设定的电流值进行比

较，为支撑腿触地提供依据。

着地检测模块：

通过检测电机的电流，判断支撑腿的伸长是否触地。

抬升模块：

支撑腿着地后，四条支撑腿需要把平台抬升一定高度，抬升模块以检测

接近开关的脉冲数量，并折算为支撑腿的行程，实现所需的抬升量

PWM控制模块:

PWM控制模块是该系统的关键点。由于电机在不同的环境条件下，相

同的电流输出力矩差别别比较大，为避免支不到位或支撑力过大引起其

他支撑腿的虚腿现象，我们通过为电机提供低压工作的环境，实现电机

大电流低力矩的特性，实现了空载情况下电流增加值比较小，有一定负

载情况下，电流变化比较大的性能，很好地解决了支撑不到位或造成其

他支腿虚腿的状况。

虚腿检测模块：

判断四条支撑腿中虚腿的位置，经过长期的试验我们发现四条支撑腿同

时运动时，最先停止运动的那条支撑腿在支撑动作结束后为虚腿，所以

检测虚腿的位置即检测最先停止运动的支撑腿。

及地补偿模块

补偿虚腿至受力，并承担一定的支撑力，同时实现四条支撑腿均无虚腿

现象

收起模块：

支撑腿收起，平台处于可移动状态

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软件结构示意图如下

大于

四个

电机

全部

停车

四个电机正转

支撑腿支撑

否

该电机停车，直到四个电机全部停

车，并标记第一支停车的支撑腿

检测电机电流

小于设定值

动作结束

按水平支撑（或固定支撑）

按钮

检测四

个位置接近开

关是否

否

电机不动作

检测每个

数齿接近开关脉冲并于设定

值比较

每条支撑腿支

撑到设定脉冲

是

PWM欠压为标定

的支撑腿供电，到

电流达设定值

是

与水平传感器通信，并调整到水平

（或支撑前的姿态）位置

3.3.5系统性能：

精确实现所需的支撑高度，该支撑系统可按用户需求实现支撑高度，

高度精度不大于0.5mm；

支持平台的水平支撑，在四条支撑腿稳定支撑的条件下保证平台在高

水平精度内工作，水平精度小于0.1°。

支持平台的固定支撑在四条支撑腿稳定支撑的条件下保证平台保持支

撑前的水平度，角度误差小于0.1°。

4、名词解释

水平支撑：

指支撑系统将被支撑台体的特定工作面支撑、调整到水平状态，并

实现稳定支撑。

固定支撑：

指支撑系统将被支撑台体的特定工作面支撑、调整到支撑前的姿

态，即台面的二维倾角支撑前后不变，并实现稳定支撑。

PWM供电：

脉冲宽度调制是一种模拟控制方式，其根据相应载荷的变化来调制

晶体管栅极或基极的偏置，来实现开关稳压电源输出晶体管或晶体

管导通时间的改变，这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化

时保持恒定，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的

一种非常有效的技术。PWM控制技术以其控制简单,灵活和动态响

应好的优点而成为电力电子技术最广泛应用的控制方式,也是人们

研究的热点。