17、基于先进干扰观测器的手术设备力传感器故障检测

基于先进干扰观测器的手术设备力传感器故障检测

1. 引言

在办公型手术设备领域，为了在不使用力传感器的情况下进行力和接触估计，并检测传感器故障，开发了一种利用干扰观测器的方法。基于此方法，能够构建冗余力传感系统，在保持相同硬件设置的同时，增强设备的安全性和可靠性。

2. 系统回顾与问题提出

在医疗设备中，力传感系统有着重要的应用。例如耳部手术设备和硬膜外麻醉针插入设备，它们都配备了力传感系统。在耳部手术设备中，力传感系统的作用是提供手术过程中工具组与耳膜之间的接触力信息。该系统选用了灵敏度为 0.12 mV/g 的高灵敏度低成本力传感器，它能在紧凑的商业级封装中提供精确的力传感性能。

在“触摸检测”这一操作步骤中，力传感信息至关重要。在这个步骤里，超声波电机（USM）阶段只有在接触力达到设计阈值时才会停止。一旦力传感系统在这个步骤中出现故障，患者可能会面临危险，比如工具组可能穿透耳膜甚至损伤内耳，导致听力损失。因此，为了确保耳部手术设备的安全性，需要构建一个冗余传感系统。

3. 控制器和观测器设计

为了实现冗余传感系统的功能，提出了一种基于先进干扰观测器（DOB）的力估计方法。该手术设备的控制方案主要由位置控制器、干扰观测器、接触估计器和故障检测器组成。以下是详细的设计过程：

3.1 电机阶段建模

USM 阶段的运动是由定子中安装的压电陶瓷板与动子上的摩擦杆之间产生的摩擦力导致的。因此，USM 阶段的模型可以用以下公式描述：
[m \ddot{x}(t) = F_{linear}(t) + F_{nonlinear}(t)]
其中，(x(t)) 是