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機器人手術(shù)系統(tǒng)的電源設(shè)計

作者: 時間:2014-01-19 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

想像一下,利用微創(chuàng)切口來進行重大外科手術(shù),就能大大減輕疼痛,縮短住院時間,讓病人更快恢復(fù)日?;顒?,并可獲得更佳的臨床效果。但直到最近,可用的外科手術(shù)方式還是非常有限的,只能采用大型切口的傳統(tǒng)開放式手術(shù)或是腹腔鏡手術(shù),這也就是一種利用光源導(dǎo)管通過小型切口進行的手術(shù)。然而,盡管腹腔鏡手術(shù)是一種侵入性極低的手術(shù),但由于儀器因素,通常只能用來進行非常簡單的步驟。受益于技術(shù)的突破,如今出現(xiàn)了另一種利用輔助的微創(chuàng)手術(shù)。

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/226783.htm

這些結(jié)合了電腦和技術(shù),能用來實現(xiàn)輔助腹腔鏡、胸腔鏡或內(nèi)視鏡手術(shù)。通過向外科醫(yī)生提供這些加強的功能,微創(chuàng)手術(shù)將能夠以比傳統(tǒng)外科方法更佳的視覺化效果、精密度、靈敏度和控制來處理更多的情況。

微創(chuàng)機器人輔助手術(shù)的應(yīng)用廣泛,從心臟手術(shù)到癌癥手術(shù)都能適用,可以治療多種病癥,例如前列腺癌、子宮內(nèi)膜癌、病態(tài)型肥胖和二尖瓣回流等。這些系統(tǒng)以創(chuàng)新方式將機器人與外科技術(shù)結(jié)合在一起,讓外科醫(yī)生能為各種復(fù)雜病癥的病人提供最有效、侵入性最低的治療方式。

該設(shè)備的典型設(shè)置包括手術(shù)臺以及病人推車,推車上安裝了互動式機器人手臂和一臺可觀看身體內(nèi)部的高倍數(shù)3D影像監(jiān)視器。造影和影像引導(dǎo)技術(shù)可為外科醫(yī)生提供有關(guān)重要身體內(nèi)部結(jié)構(gòu)和儀器位置的準(zhǔn)確三維信息。

進行手術(shù)時,外科醫(yī)生會利用像鉗子一樣的主控設(shè)備來操作。當(dāng)外科醫(yī)生操作控制臺時,系統(tǒng)會對輸入產(chǎn)生實時反應(yīng),并將醫(yī)生的手部、腕部和手指動作轉(zhuǎn)換成微型設(shè)備的精密動作。圖1所示為機器人的照片。

機器人手術(shù)系統(tǒng)的電源設(shè)計

圖1:典型的機器人輔助手術(shù)機器

這類系統(tǒng)通常采用分散式電源架構(gòu)設(shè)計。因此,它是以AC電源線供電,可能是110VAC或220VAC,然后轉(zhuǎn)換到能為48V電池組充電的隔離式48V DC電壓。48V總線電壓會流過整個系統(tǒng),以對所有子系統(tǒng)的負載穩(wěn)壓器的下行點供電,包括機器人手臂、系統(tǒng)電子、儀器和高清顯示。當(dāng)AC主電源斷電時,電池組可用來維持系統(tǒng)的運行。然而,根據(jù)電池充電的狀態(tài),電池組電壓可能會高于、低于或等于48V輸入,因而,要為此應(yīng)用設(shè)計電源已成為一個挑戰(zhàn)。幸運的是,凌力爾特公司最近推出LT8705,這是80V同步降壓-升壓型控制器,可解決這樣的電源需求問題。

新的設(shè)計方法

LT8705是效率非常高(高達98%)的同步降壓-升壓型DC/DC控制器,輸入電壓能夠以高于、低于或等于穩(wěn)壓的輸出電壓運行。該器件有四個可調(diào)節(jié)輸入電流/電壓以及輸出電流/電壓的反饋環(huán)路。輸出電流環(huán)路可為電池充電器提供已調(diào)輸出電流,或作為電流源。通過使用具備4開關(guān)同步整流的單一電感器,LT8705能在2.8V至80V的寬廣輸入電壓范圍內(nèi)運行,并產(chǎn)生一個1.3V至80V的輸出。單一器件最高可提供250W的輸出功率。若將多個電路并聯(lián),還能實現(xiàn)更高的輸出功率。

其他的特性還包括:能夠顯示哪個反饋環(huán)路在啟用的伺服引腳、為外部器件供電的3.3V/12mA LDO、可調(diào)整的軟啟動、內(nèi)置的芯片溫度監(jiān)測器,以及-40℃至125℃的工作結(jié)溫范圍。LT8705有38引腳、5mm x 7mm QNF,以及38引線TSSOP兩種封裝形式。同時,也可提供LT8705的LTspice電路模型,能容易地評估各種創(chuàng)新應(yīng)用。

LT8705包含四個誤差放大器,能用來調(diào)節(jié)或限制輸出電流、輸入電流、輸入電壓和輸出電壓。在典型的應(yīng)用中,通常會調(diào)節(jié)輸出電壓,其余的誤差放大器則是用來監(jiān)控過高的輸入或輸出電流,或是輸入欠壓的情況。在電池充電器等其他應(yīng)用中,輸出電流調(diào)節(jié)器能促進恒定的電流充電,直到達到預(yù)先設(shè)定的電壓值為止,這時輸出電壓控制便會接管任務(wù)。在圖2顯示的電路圖中,此LT8705電路是用來為一個48V電池充電,并能在從36V至72V之間變化的輸入電壓范圍運行。把多個電路并聯(lián)在一起,便能用于更高功率的應(yīng)用。電路中有4個外部MOSFET,能使此電路作為同步降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器,并通過配置成為給4個串聯(lián)12V鉛酸電池充電的電流源。

機器人手術(shù)系統(tǒng)的電源設(shè)計

圖2:LT8705電池充電器電路圖

電源開關(guān)控制

圖3為簡化的示意圖,其說明了怎樣將4個電源開關(guān)連接至電感器、VIN, VOUT和地。

機器人手術(shù)系統(tǒng)的電源設(shè)計

圖3:由LT8705驅(qū)動4個MOSFET開關(guān)的簡化示意圖

當(dāng)VININ明顯高于VOUT時,該器件將運行在降壓模式。在此區(qū)域中,M3始終關(guān)斷而M4始終導(dǎo)通,除非在突發(fā)模式(Burst Mode)操作或不連續(xù)模式中檢測到反向電流。在每個周期的起點,同步開關(guān)M2首先接通,而電感器電流由一個內(nèi)部放大器來檢測。一個斜率補償斜坡信號被加至檢測電壓,接著與一個基準(zhǔn)電壓進行比較。在檢測到的電感器電流降至基準(zhǔn)以下之后,開關(guān)M2關(guān)斷,而M1(同步整流器)則在此周期的剩余時間里接通。開關(guān)M1和M2將


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