用于在手術系統中適應性前饋控制的方法

專利名稱：用于在手術系統中適應性前饋控制的方法
技術領域：
本發明一般地涉及控制算法。更具體地，但非作為限制，本發明涉及動態前饋。
背景技術：
復雜的系統，諸如手術控制臺，可以包括許多不同的部件，這些部件彼此交互并與環境交互。控制這些系統(例如，考慮接收到的用戶輸入或者已編程的響應)可能需要操縱各部件以實現期望性能的控制系統。這些控制系統通常可以控制許多不同的部件，并且使用來自數個不同源的輸入(例如，用戶輸入、傳感器輸入等)。

發明內容
在各實施例中，一種使用前饋來控制系統部件的方法可以包括將系統部件的操作范圍細分為兩個或更多個操作設定點或設定點區域，創建前饋表用于將前饋項映射至操作設定點，接收操作設定點，并且確定是否存在針對該操作設定點的前饋項。如果不存在針對該操作設定點的前饋項，那么可以根據需要使用控制器輸出來遞增系統部件，以將系統移動至期望設定點的第一可接受容限內。在一些實施例中，可以確定針對該系統的穩態錯誤的測量值，并將其與第二可接受容限相比較。如果針對該系統的穩態錯誤的測量值位于所述可接受容限內，就可以在前饋表中記錄針對當前設定點的相應前饋項。如果針對該系統的穩態錯誤的測量值不在所述第二可接受容限內，則可以不改變前饋表內的相應前饋項。在一些實施例中，如果存在針對該操作設定點的前饋項，那么可以使用控制器輸出來控制系統部件，所述控制器輸出對應于與前饋表中的期望設定值相關聯的前饋項，以朝向期望設定點移動所述系統。當檢測到與前饋值的可能改變相關聯的系統改變時(例如，系統溫度的改變)，可以生成針對所述前饋表的新的前饋值。


為了更完整地理解本發明，現在結合附圖參考如下描述，在附圖中圖la-b例示了根據一個實施例的前饋方法的流程圖；圖2a_c例示了前饋表的實施例；圖3例示了根據一個實施例的系統實施前饋的示意圖；以及圖4例示了根據一個實施例的手術控制臺。應當理解，前述一般性描述和下文的詳細描述均僅為示意性和說明性的，并且旨在提供對所要求保護的本發明的進一步解釋。
具體實施例方式手術控制臺可以包括用于支持各種手術設備(例如，玻璃體切除探針、超聲乳化白 內障吸除機頭等)的功能的一定范圍的系統(例如，氣動系統、流體系統等)。手術控制臺可以使用一個或多個控制系統(例如，其包括一個或多個控制器)，以控制和監視這些系統的不同方面。例如，控制系統可以收集關于系統的數據(例如，通過用戶輸入，通過一個或多個傳感器等)，并且發送系統內的控制信號(例如，閥位置)，以實現設置點附近的期望性能參數(例如，用戶要求的或者系統期望的性能參數，諸如用于儲存槽的期望壓力)。在一些實施例中，設定點可以從用戶處接收(例如，由腳踏開關設置的期望壓力)，或者可以是預編程/默認系統設定點(設定點的其他來源也是可能的)。在一些實施例中，控制系統可以控制該系統，例如通過輸出信號以移動致動器、移動閥、增加功率輸出等。
在一些實施例中，控制系統(例如，通過反饋控制器301，如圖3中所示)能夠以增量改變所述系統(例如，移動閥一定的增量百分比，諸如1%打開，或者位置增量，諸如I度旋轉)。其他增量類型也是可能的。在一些實施例中，用戶可以設置增量大小，或者增量大小可以是預定的默認值(相比于較小的增量，較大的增量分辨率可以導致更快的改變，但也會導致更高的目標過沖/下沖的可能性)。在一些實施例中，增量是可變的(例如，系統越接近目標設定點，系統可使用更小的增量)。在增量系統部件之后，控制系統可以獲取新數據(例如，獲取來自壓力傳感器的壓力測量結果)。所述系統可以確定是否需要附加調整，并且可以輸出相應的控制信號(例如，使閥移動附加的增量百分比(或者取消前次增量移動))。在一些實施例中，當系統處于目標設定點的容限內時，系統可以停止增量。所述容限可以從用戶處接收或者可被預編程到所述系統內。這種類型的控制可被表征為閉合控制回路。增量的大小以及改變的頻率可以導致更快或更慢的系統響應時間，具有相應更高或更低的過沖/下沖(這會影響系統穩態錯誤)。在一些實施例中，控制系統可以持續監視各種系統參數，并且根據需要進行調整，以將一個或多個性能參數維持在期望的性能參數范圍內。在一些實施例中，控制系統(例如，通過前饋控制器303，如圖3中可見)還可以使用其控制算法中的前饋來改善各種性能參數，并且產生遵循期望軌跡的系統輸出。例如，控制系統可以在給定設定點存儲各種系統部件的值，從而控制系統可在一設定點被請求時將系統部件快速引導至預定值。例如，如果X psi的壓力被請求，并且對定量閥的數個增量改變之后，控制系統確定已經達到X psi的壓力，控制系統可以存儲對應于X psi的閥位置，由此如果今后再次請求X psi，控制系統可以立即將閥引導至所存儲的位置。雖然控制系統仍會測量壓力并確定在將閥置于所存儲的位置之后是否需要增量改變，但與系統已經開始使閥從其原始位置遞增而非首先跳至所存儲的位置相比，總系統響應時間仍會更快。作為一個實例，如果控制系統確定當入口閥處于50%打開狀態時實現50psi的壓力(每平方英寸的磅數)，那么下一次請求50psi的設定點時，控制系統可將閥引導至50%打開(這可以節省數次增量改變和重新測量的迭代)。在一些實施例中，系統可以存儲針對一定范圍的設定點(例如，存儲50%打開對應于45-55psi之間的設定點)的控制器輸出(諸如閥位置)，從而在請求一個設定點時，系統可以查找對應于該設定點所位于的范圍內的控制器輸出。根據已存儲的值引導系統部件可以導致對所請求設定點的更快系統響應時間。在一些實施例中，可將針對多個設定點的已存儲閥位置(或者其他控制器輸出)連同它們相應的設定點一起存儲為一個或多個前饋表中的前饋項。在一些實施例中，前饋表可以動態且持續地更新，以補償隨時間對系統的改變(例如，環境改變/系統參數或性態的改變等)。例如，隨著系統加熱或針對延長時間段的使用，閥的50%打開位置可能不再對應于50psi的壓力(例如，增加的系統熱可能導致更高的總壓力，從而在5分鐘的持續操作之后，40%的打開位置可以對應于50psi)。因而可以根據需要使用新的前饋項更新前饋表，以使系統適應改變。圖la-b例示了根據一個實施例的前饋方法的流程圖。在該流程圖中提供的各元素僅是示意性的。可以省略各種提供的元素，可以增加附加元素，和/或可以以與下文所提供的不同順序執行各種元素。在101處，可以將系統的操作范圍細分成對應于系統操作的若干潛在的設定點或者設定點區域。在一些實施例中，可以將用于系統的性能參數(例如，壓力、位置、速度等)的操作范圍分成用戶提供的或系統確定數量的點或區域。例如，如果系統壓力在0 psi至100psi的范圍上操作，并且用戶或系統要求10個區域，那么經細分的區域可以包括0-10psi、
ll-20psi、21-30psi、31-40psi、41-50psi、51-60psi、61-70psi、71-80psi、81-90psi 以及91-100psi。這僅是一個實例，還可以預期其他變化方式和其他分辨率。例如，可以將0至5伏特(V)的操作范圍細分成100個區域(0-0. 05V，0.06-0. 10V,……)。在一些實施例中，可以使用特定值作為區域的代替或附加。例如，Opsi至IOOpsi的操作壓力可以包括10psi、20psi、30psi、40psi、50psi、60psi、70psi、80psi、90psi 和 lOOpsi。在一些實施例中，點 /區域可以不均勻地細分。例如，與其他區域相比，操作范圍的特定區域可以用更大的分辨率細分。作為實例，Opsi至IOOpsi的操作壓力的10個區域可以包括0-15psi、16-30psi、31-45psi、45-47psi、48-50psi、51-52psi、53-55psi、56-70psi、71-85psi 以及 86-100psi。范圍的不同部分中的不同分辨率可以允許更精細地控制更頻繁操作的范圍部分。在103處，經細分的設定點或設定點區域可經由查找表被映射至前饋項(控制器輸出)。圖2a例示了查找表201a的實例，其中經細分的操作范圍(在該情況下為壓力)被映射至相應的前饋項(在該情況下，呈百分比打開狀態的閥位置)。在一些實施例中，經細分的設定點或設定點區域可被映射至多個前饋項。圖2b例示了查找表201b的實例，其中經細分的操作范圍被映射至相應的多個前饋項(在該情況下，呈百分比打開狀態的輸入閥位置和出射閥位置)。例如，當要求45psi的設定點時，系統可以使用40%的輸入閥位置和60%的出射閥位置的初始控制器輸出。在一些實施例中，經細分的設定點或設定點區域可被映射至多個查找表(例如，各自具有不同的變量，并且各自與特定系統操作模式/狀態相關)。圖2c例示了兩個查找表的實例，一個查找表201c的細分操作范圍被映射至前饋項以在壓力增加時使用，而第二查找表201d在壓力下降時使用。在一些實施例中，可以預先填充前饋項(例如，根據出廠缺省值、先前的系統運行等)。例如，可以將所有前饋項設為O。在一些實施例中，可以隨著系統操作來填充/更新查找表中的前饋項(參見下文)。在105處，可以接收操作設定點。例如，可以從手術控制臺、腳踏開關、鍵盤等接收 操作參數(例如，壓力、位置、速度等)。設定點可以接收作為用戶輸入，或者可以接收作為程序的一部分(例如，執行手術程序可以在手術過程的不同部分期間引導不同的設定點)。在一些實施例中，控制系統可以訪問相應的前饋表以確定是否存在針對所要求的設定點的前饋項。在107處，如果前饋項尚未存在，控制系統可以遞增相應的部件(例如，移動閥)以將系統朝向期望設定點移動。控制系統可以繼續以接收相關測量值(例如，壓力、溫度等)并且繼續以重新評估是再遞增所述部件、撤消前次增量或者不遞增所述部件。在一些實施例中，遞增過程(例如，相對于測得的系統參數而增量大小和方向)可被預編程在控制系統中。例如，控制系統的控制器可被編程為遞增地關閉閥門以減少系統壓力。在109處，控制系統可以確定是否已經到達設定點。例如，可以將相關系統測量值(例如，由系統傳感器獲取的)與設定點相比(例如，與期望設定點壓力相比的腔內壓力)，以確定相關的系統測量值是否位于期望設定點的容限內(例如，期望設定點壓力的+/_1%、+/-Ipsi等內的測得壓力)。還可以預期其他范圍(例如，+/-5%、+/_10psi等)。容限可以是用戶提供的、預定的、系統默認值等。在111處，當系統處于設定點的可接受容限內時，可以確定系統穩態錯誤。在一個實施例中，即使在初始設定點在容限內實現之后，控制器也可以繼續以接收系統測量值(例如，傳感器值)，并且可以繼續以向相關系統部件提供控制器輸出。例如，控制器可以周期性地提供輸出(例如，每0.1秒)。還可以預期其他周期性時間段。在一些實施例中，在控制器維持期望設定點的同時，控制器輸出可以基本上相同。然而，在一些情況下，控制器可以改變控制器輸出以補償系統波動。在一些實施例中，確定系統穩態錯誤可以包括將該控制器輸出(例如，閥位置)的多個樣本的平均與控制器輸出的標準差相比較。可以預先確定用于比較的樣本數量(例如，100)或者用于比較的樣本可以繼續增加，直至下一次設定點改變 (例如，當用戶輸入新設定點時)。在113處，如果對穩態錯誤的測量值(例如，標準差與控制器輸出的應計樣本的平均之比)在可接受范圍內，可以使用控制器輸出的平均值(或者另一相關系統值)來更新前饋表。例如，如果采樣的控制器輸出的標準差除以采樣的控制器輸出的平均小于預定值(例如，0. 1、0. 4等)，則可使用控制器輸出的平均值來更新前饋表。穩態錯誤的其他測量值也是可能的(例如，基于變量與平均值的比較)。還可以預期用于存儲前饋項的其他標準。例如，如果仍不存在針對該設定點的前饋項，則可自動輸入針對該設定點的控制器輸出的平均，而無需確定穩態錯誤的測量值。作為另一實例，系統可以基于傳感器測量值的標準差和/或平均(例如，基于在控制器輸出期間對系統壓力穩定程度的確定)確定是否保持控制器輸出。在115處，如果存在針對期望設定點的前饋項，可以使用該前饋項作為用于期望設定點的初始系統控制器輸出。控制器可以接收數據(諸如，傳感器數據)以確定是否需要進行附加調整以達到所述期望設定點(或者進入該設定點的可接受容限內)。在一些實施例中，如果需要附加調整和/或系統穩態錯誤處于可接受容限內，則可更新前饋表。在117處，當檢測到對系統的改變會使得表中的前饋項處于穩態錯誤中時(例如，如果所檢測到的系統溫度改變)，可以在表中確定針對該設定點的新的前饋項(例如，前進)。例如，如果系統溫度改變大于X度(例如，其中X可能是用戶輸入或系統默認值)，那么前饋項可以被標記地設置成默認值等。可以基于其他系統特征(例如，操作時間、系統模式、所使用的工具類型等)來確定更換前饋項的時間。在一些實施例中，當決定更換前饋項時，可以繼續使用先前的前饋項作為初始控制器輸出，但當能夠確定新的前饋值時則可對更換進行標記(例如，基于針對相應設定點的后續控制器輸出的平均)。于是前饋項的動態和持續更新可以補償系統或環境條件(例如，溫度和壓力)中的改變，由此得到更快的響應時間和更好的追蹤。在一些實施例中，可以在每次輸入設定點時計算新的前饋項(例如，每次系統到達設定點值，并且穩態錯誤的測量值位于可接受容限內時，可以使用相應的控制器輸出(或者控制器輸出的平均)來更新前饋表中針對該設定點的相應前饋項。
在一些實施例中，通過控制供應儲存槽的定量閥，圖la-b中所描述的前饋方法可以用于控制儲存槽(或者其他容器)的壓力。在一些實施例中，一個或多個前饋查找表(例如，如圖2中可見)可被創建(例如，用于增加輸出的表201和用于減少輸出的表203)。在一些實施例中，所述閥可能具有作為閥上壓降的函數(輸入壓力——設定點)的非線性性態，從而導致針對不同輸入壓力的不同前饋值。在一些實施例中，可以使用兩個表來補償閥輸出中增加的滯后(例如，閥可以經歷作為溫度隨著時間的函數的動態性態改變，從而當輸入壓力增加時使用一個表，而當輸入壓力降低時使用另一個表)。在一些實施例中，可以取決于期望分辨率將一定范圍的設定點分成多個段(例如，在該實例中，可以使用20個段以實現近似5%的分辨率)。其他數量的段和其他分辨率也是可能的(例如，1%)。當系統利用新的設定點時，總控制器輸出可以在輸出達到期望設定點時(或者，例如，在設定點的錯誤容限內)在多個樣本上平均Sk=最接近表項目K的設定點(其中K可以提供作為表中提供的選定點或者點范圍)
權利要求
1.ー種方法，包括 將系統部件的操作范圍細分成兩個或更多個操作設定點或設定點區域； 創建前饋表，用于將前饋項映射至所述兩個或更多個操作設定點或設定點區域； 接收ー操作設定點； 確定是否存在針對該操作設定點的前饋項； 如果不存在針對該操作設定點的前饋項， 根據需要使用控制器輸出來遞增系統部件，以將系統移動至期望設定點的第一可接收容限內； 確定針對該系統的穩態錯誤的測量值是否位于第二可接受容限內； 如果針對該系統的穩態錯誤的測量值位于第二可接受容限內，則在前饋表中記錄針對當前設定點的相應前饋項； 如果針對該系統的穩態錯誤的測量值不位于第二可接受容限內，則不在前饋表中記錄針對當前設定點的相應前饋項； 如果存在針對該操作設定點的前饋項，則使用對應于與期望設定點相關聯的前饋項的控制器輸出來控制部件，以將系統朝向期望設定點移動；以及 當檢測到與前饋值的可能改變相關聯的系統改變時，為該前饋表生成一個或多個新的前饋值。
2.根據權利要求I所述的方法，其中與前饋值的可能改變相關聯的系統改變包括溫度改變。
3.根據權利要求I所述的方法，其中當檢測到系統改變時生成新的前饋值包括 在系統隨后位于期望設定點的第一可接受容限內的情況下，如果針對系統的穩態錯誤的測量值位于第二可接受容限內，則記錄新的前饋值。
4.根據權利要求I所述的方法，其中確定針對系統的穩態錯誤的測量值包括 計算在系統位于期望設定點的第一可接受容限內的時間期間控制器輸出的多個樣本的標準差和平均，其中所確定的針對系統的穩態錯誤的測量值是標準差除以平均。
5.根據權利要求I所述的方法，其中第一可接受容限約在0.I至0. 4的范圍內。
6.根據權利要求I所述的方法，其中操作設定點是貯存器壓力，并且控制器輸出和前饋項包括耦合至貯存器的閥的閥位置。
7.根據權利要求I所述的方法，其中設定點操作范圍是貯存器壓カ的范圍。
8.根據權利要求I所述的方法，其中所述系統是手術系統，并且設定點通過手術控制臺的觸摸屏或腳踏開關而被接收。
9.根據權利要求I所述的方法，其中操作范圍根據系統用戶提供的分辨率而被細分。
10.根據權利要求I所述的方法，其中前饋表在操作系統部件之前不被填充，并且前饋項在隨后系統部件操作期間被確定并用于填充前饋表。
11.根據權利要求I所述的方法，其中前饋表在操作系統部件之前由算出的或默認的前饋項填充，并且更新的前饋項在隨后系統部件操作期間被確定并用于蓋寫表中現有的前饋項。
12.ー種使用前饋表控制手術系統部件的方法，包括 接收操作設定點；確定前饋表中是否存在針對該操作設定點的前饋項，其中前饋表包括多個設定點； 如果不存在針對該操作設定點的前饋項， 根據需要使用控制器輸出來遞增系統部件，以將系統移動至期望設定點的第一可接收容限內； 確定針對該系統的穩態錯誤的測量值是否位于第二可接受容限內； 如果針對該系統的穩態錯誤的測量值位于第二可接受容限內，則在前饋表中記錄針對當前設定點的相應前饋項； 如果針對該系統的穩態錯誤的測量值不位于第二可接受容限內，則不在前饋表中記錄針對當前設定點的相應前饋項； 如果存在針對該操作設定點的前饋項，則使用對應于與期望設定點相關聯的前饋項的控制器輸出來控制部件，以將系統朝向期望設定點移動；以及 當檢測到與前饋值的可能改變相關聯的系統改變時，為該前饋表生成一個或多個新的前饋值。
13.根據權利要求12所述的方法，其中與前饋值的可能改變相關聯的系統改變包括溫度改變。
14.根據權利要求12所述的方法，其中當檢測到系統改變時生成新的前饋值包括 在系統隨后位于期望設定點的第一可接受容限內的情況下，如果針對系統的穩態錯誤的測量值位于第二可接受容限內，則記錄新的前饋值。
15.根據權利要求12所述的方法，其中確定針對系統的穩態錯誤的測量值包括 計算在系統位于期望設定點的第一可接受容限內的時間期間控制器輸出的多個樣本的標準差和平均，其中所確定的針對系統的穩態錯誤的測量值是標準差除以平均。
16.根據權利要求12所述的方法，其中操作設定點是貯存器壓カ，并且控制器輸出和前饋項包括耦合至貯存器的閥的閥位置。
17.根據權利要求12所述的方法，其中所述系統是手術系統，并且設定點通過手術控制臺的觸摸屏或腳踏開關而被接收。
18.根據權利要求12所述的方法，其中前饋表在操作系統部件之前不被填充，并且前饋項在隨后系統部件操作期間被確定并用于填充前饋表。
19.根據權利要求12所述的方法，其中前饋表在操作系統部件之前由算出的或默認的前饋項填充，并且更新的前饋項在隨后系統部件操作期間被確定并用于蓋寫表中現有的前饋項。
全文摘要
在一些實施例中，一種使用前饋以控制系統部件的方法，包括確定在前饋表中是否存在針對接收到的操作設置點的前饋項。如果不存在前饋項，系統部件可被遞增直至系統處于期望設定點的第一可接受容限內。在一些實施例中，穩態錯誤的測量值可被確定并與第二可接受容限相比較。如果在可接受容限內，相應的前饋項可被記錄在前饋表中。在一些實施例中，如果存在針對操作設定點的前饋項，則可使用對應于該前饋項的控制器輸出來控制系統部件。當檢測到與前饋值的可能改變相關聯的系統改變時，可以為前饋表生成新的前饋值。
文檔編號G05B13/02GK102652290SQ201080055615
公開日2012年8月29日 申請日期2010年11月2日 優先權日2009年12月10日
發明者D·阿加希 申請人:愛爾康研究有限公司