17、基于先进干扰观测器的力传感器故障检测技术解析

基于先进干扰观测器的力传感器故障检测技术解析

在医疗手术设备的应用中，力传感系统对于保障手术安全和精准操作至关重要。然而，力传感器可能会出现故障，这可能对患者造成严重危害。因此，开发一种无需力传感器即可进行力和接触估计，并能检测传感器故障的方法具有重要意义。本文将详细介绍一种基于干扰观测器的方法，该方法可构建冗余力传感系统，在不改变硬件设置的情况下提高设备的安全性和可靠性。

1. 系统概述与问题提出

医疗设备中力传感系统的应用十分广泛，例如耳部手术设备和硬膜外麻醉针插入设备。在耳部手术设备中，力传感系统用于提供手术过程中工具组与耳膜之间的接触力信息。为了实现这一功能，选择了灵敏度为 0.12 mV/g 的高灵敏度低成本力传感器集成到设备中。

在“触摸检测”这一操作步骤中，力传感信息尤为关键。只有当接触力达到设计阈值时，超声波电机（USM）阶段才会停止。若力传感系统在此步骤中出现故障，工具组可能会穿透耳膜甚至损伤内耳，导致患者听力损失。因此，为了确保医疗设备的安全性，该耳部手术设备需要一个冗余传感系统。

2. 控制器与观测器设计

为了构建冗余传感系统，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。以下是具体设计步骤：

2.1 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引起的。其模型可以描述为包含线性项和非线性项的方程：
[m \ddot{x}(t) = F_{linear}(t) + F_{nonlinear}(t)]
其中，(x(t)) 是 US