创建一个内窥镜手术订书机原型使用基于模型的设计

工具,直观的控制和感觉的手是所有外科医生的关键需求。腹腔镜外科医生,他们通过5-to-15-millimeter切口进行手术,这样的工具是至关重要的。

需要许多设计迭代完美的腹腔镜设备的控制和感觉。每个设计修改可以花费几周时间来实现,使得传统设计工作流是不可行的。在Ethicon Endo-Surgery公司,我们采用了快速原型工作流基于基于模型的设计,使我们能够在几分钟内实现和测试新设计改进和降低整体的开发时间。

使用此工作流,我们设计并建造一个原型为下一代内镜外科订书机在仅仅三个月。我们使用MATLAB^®和仿真软万博1manbetx件^®模型和模拟订书机的电动机和控制,然后生成的代码ontarget快速原型使用嵌入式编码器^®。使用这种方法我们能够创建一个原型,外科医生发现舒适、稳定,直观而精炼系统需求,准备进入生产。

从缝合和嵌入式控制主食

大多数手术涉及到三种常见步骤:做一个切口,夹切口周围的组织,并缝合组织。在腹腔镜手术中,这些步骤执行到分钟的切口,通常使用一个内窥镜刀订书机,或endocutter使用斯台普斯代替缝合关闭切口。在1970年代开发的,第一个endocutters要求外科医生施加相当大的手动力,导致疲劳。Ethicon在2011年推出了该行业的第一动力endocutter电动机,按的按钮操作,提高精度和稳定性(图1)。

选择基于模型设计Endocutter电动机控制

发展的初始动力endocutter,机械工程师在设备的力学Ethicon有相当大的专业知识。然而,我们有相对较少的开发嵌入式控制系统的经验。在过去的项目中,需要控制软件,我们通常外包原型开发工作。这种方法是缓慢不仅对初始原型也对后续的设计修改。也很难翻译我们的内部设备应该如何工作的知识和外科医生如何使用它为一组明确定义的需求。更重要的是,我们学会了处理所有的见解关于控制系统的主要功能是由第三方开发者获得。

通过使用新endocutter基于模型的设计,我们能够运用我们的机械和生物医学专业领域直接在电机控制器的开发试制原型。

描述汽车和建筑控制模型

我们的第一个任务是植物模型汽车的发展模型。万博1manbetx我们开始通过连接电机试验板运行一个TI F28335处理器。我们部署的一些简单代码处理器来刺激汽车,并将测量的电机旋转。接下来,我们使用仿真软件优化万博1manbetx设计™进口植物的测量数据和执行参数估计模型。万博1manbetx仿真软件优化设计自动解决电动机转矩常数,动态摩擦,惯性矩和许多其他参数的非线性模型,通常需要很长时间才能准确描述。我们后来增加了改进模型占反弹,并扩大植物模型包括组织环境刀操作。

一旦我们有一个准确的植物模型,我们开始对控制系统建模与仿真软件和Stateflow万博1manbetx^®(图2)。

控制输入包括14个开关,传感器,测量当前利用电动机,电机的电压降,传动系的位置。用仿真软件万博1manbetx建模的传感器,一个我²C接口和脉宽调制器用于控制马达。我们使用Stateflow状态转换模型的控制器。状态设计方法和MATLAB开发一个补偿器。

在闭环运行模拟仿真软件验证和优化控制设计,我们使用嵌入式程序员从模型中生成C代码。万博1manbetx我们编译和部署代码的TI C2000的替代品,并使用实际的电机进行实时测试。

加入反馈从外科医生

我们最初的硬件测试证实了我们在模拟中看到:电动机控制器精确定位设备命令。这一成就,然而,只是前兆更重要的测试,当我们开始在实验室开始使用设备。

endocutter通过实际使用,我们可以感觉到移动太快的时候为别人在某些动作或太慢。我们调整了控制模型在仿真软件,重新生成代码,并迅速更新的嵌入式软件万博1manbetx设计迭代,直到endocutter感觉反应,自然我们的团队。

然后我们邀请医生测试设备和给我们他们的反馈,我们纳入设计使用相同的快速迭代周期。几分钟的外科医生提供一个建议,我们有一个更新的控制系统为测试做好准备。基于模型的设计使它容易做微调。如果我们有外包设计,每个迭代可能需要数周甚至数月。

建立一个Close-to-Production原型

我们的第一个原型设计与一个相对强大的处理器和多分辨率的传感器。准备生产使用更便宜的组件,我们开始设计第二个原型使用硬件与类型,将用于生产,包括更适度Cortex-M4处理器和一个供电,分辨率较低的传感器。在等待董事会这些组件进行组装,我们修改模型控制器模型以反映更改。万博1manbetx例如,我们使用传感器的规格数据表更新我们的传感器子模型。

我们的模拟显示错误在我们的数字信号处理算法。我们设计了过滤器来消除问题,验证了修正前通过simulation-all硬件已经准备好了。我们还假设进行分析来确定传感器分辨率的下限,仍然会使设计达到亚毫米公差定位。

与我们万博1manbetx的目标处理器支持代码生成,我们曾与第三方软件开发团队开发一个软件框架,它执行低级任务初始化板的中断和外围设备。这个框架作为一个接口层之间采用嵌入式编码器生成控制器代码和手工编写处理器的外围设备。算法的分离代码和界面层将提高生成的算法代码的可移植性如果我们选择不同的嵌入式处理器上实现它在未来。

新硬件到达实验室时,模拟和验证,我们用仿真软件得到了回报表现。我们有一个稳定的版本的控制器运行在一个星期内,我们恢复的实验室改进使用反馈从外科医生团队和测试新的原型。万博1manbetx

从原型到生产

使用基于模型的设计,我们在约三个月完成了第一个概念。过去类似项目,外包,花了18个月来完成。更重要的是,我们现在有亲密的微妙但重要的设计细节和知识决定进入控制器。例如,我们知道多少处理器延迟预测和运动速度的感觉最舒适的外科医生。了解这些细节的唯一方法是建立一个原型,并对我们很快这样做的唯一方法是使用基于模型的设计与仿真软件。万博1manbetx

过渡到生产,我们计划开发团队一起工作有直接的医疗设备软件开发经验。我们现在拥有的知识写详细和精确的需求,这将简化的实现过程。

与此同时,我们将继续开发和提高原型。我们计划将更多使用MATLAB软件实现的内部,仿真软件和嵌入式编码。万博1manbetx