一种柔性机械臂的控制方法及机器人系统与流程

本发明属于医疗器械技术领域，具体涉及一种柔性机械臂的控制方法及机器人系统。

背景技术：

柔性机械臂以其小巧的执行机构、高精度、低能耗的特点获得了广泛的应用。与刚性机械臂相比，柔性机械臂的灵活性更强、安全性更高、损伤率更低。但是柔性机械臂也因其自身的柔性存在一系列的问题，包括：(1)在被电机驱使运动的过程中，柔性机械臂的末端位移与期望的末端位移之间会存在偏差；(2)在希望柔性机械臂的输出端末端保持位姿不变时，由于柔性机械臂的关节输出端的负载发生变动而导致位姿变化。

针对以上问题，尽管现有技术中提出了一些解决方案，但是依然无法精确控制柔性机械臂的位姿，尤其在该柔性机械臂的关节输出端所受到外力或者负载发生变化时，而又期望该柔性机械臂的输出端末端保持位姿不变。。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种柔性机械臂的控制方法及机器人系统，该控制方法可在柔性机械臂的关节输出端的负载发生变动时保持关节输出端的位姿，以在关节保持状态下维持关节输出端的位姿精度，或者在柔性机械臂保持状态下维持柔性机械臂的末端的位姿精度。

为实现上述目的，本发明提供了一种柔性机械臂的控制方法，包括如下步骤：

获取所述柔性机械臂的关节输出端在所述关节输出端的负载发生变动时沿第一方向运动的角位移总量；

根据所述角位移总量驱使所述关节输出端沿第二方向运动，以使所述关节输出端恢复至负载发生变动前的位姿；所述第二方向与所述第一方向相反。

可选地，所述关节输出端上设有输出接口，所述输出接口上设有第一角度传感器；

通过所述第一角度传感器监测所述输出接口的第一角位移，以作为所述关节输出端的角位移总量。

可选地，所述关节输出端设有输出接口，所述输出接口上设有第一角度传感器，且所述第一角度传感器的输出端设有力矩传感器；

获取所述角位移总量的方法包括：

通过所述第一角度传感器监测所述输出接口的第一角位移；

通过所述力矩传感器监测关节的转矩；

计算所述关节的转矩与所述力矩传感器的弹性常数的乘积，以作为所述力矩传感器的第二角位移；

计算所述第一角位移和所述第二角位移之和，以作为所述角位移总量。

可选地，所述力矩传感器的弹性常数通过如下方法获得：

向所述力矩传感器施加预定转矩；

利用一标定角度传感器监测所述力矩传感器在受到所述预定转矩时的角位移；

根据所述预定转矩和所述力矩传感器在受到所述预定转矩时的角位移计算所述弹性常数。

可选地，所述关节输出端设有输出接口，所述输出接口上设有力矩传感器，所述力矩传感器的输出端设有第一角度传感器；

获取所述角位移总量的方法包括：

在负载发生变动前建立所述力矩传感器的读数变化量与所述角位移总量的转换关系；

在负载发生变动时获取所述力矩传感器的读数变化量；

根据所述力矩传感器的读数变化量和所述转换关系得到所述角位移总量。

可选地，建立所述力矩传感器的读数变化量与所述角位移总量的转换关系的方法包括：

使所述关节输出端的负载发生预定变动；

获取所述力矩传感器在负载发生所述预定变动时的读数变化量，以及通过机器人正向运动学方法获取所述关节输出端在负载发生所述预定变动时的角位移总量，以建立所述转换关系。

可选地，所述关节输出端设有输出接口，所述输出接口上设有力矩传感器，且所述力矩传感器的输出端设有第一角度传感器；所述控制方法包括：

通过所述第一角度传感器监测所述角位移总量。

可选地，所述关节输出端上设有输出接口，所述输出接口上设有力矩传感器；

获取所述角位移总量的方法包括：

在负载发生变动前建立所述力矩传感器与所述角位移总量的转换关系；

在负载发生变动时获取所述力矩传感器的读数变化量；

根据所述力矩传感器的读数变化量和所述转换关系得到所述角位移总量。

可选地，建立所述力矩传感器与所述角位移总量的转换关系的方法包括：

使所述关节输出端的负载发生预定变动；

获取所述力矩传感器在负载发生所述预定变动时的读数变化量，通过机器人运动学方法获取所述关节输出端在负载发生所述预定变动时的角位移总量，以建立所述转换关系。

可选地，通过驱动机构驱使所述关节输出端沿所述第二方向运动，且在所述关节输出端沿所述第二方向运动的过程中，还利用第二角度传感器监控所述驱动机构的转速信息，并根据所述转速信息对所述驱动机构进行伺服控制。

为实现上述目的，本发明还提供了一种机器人系统，包括：

柔性机械臂，包括关节，所述关节包括关节输出端和设置在所述关节输出端的输出接口；

监测装置，设置在所述关节输出端上；

驱动机构，与所述关节连接；以及，

控制单元，与所述监测装置和所述驱动机构通信连接；

所述控制单元被配置为，获取所述监测装置监测的所述关节输出端的负载发生变动时所述关节输出端沿第一方向的角位移总量；根据所述角位移总量控制所述驱动机构以驱使所述关节输出端沿第二方向运动至所述关节输出端恢复至负载发生变动前的位姿；所述第二方向与所述第一方向相反。

可选地，所述监测机构包括第一角度传感器或力矩传感器。

可选地，所述关节输出端上设有输出接口；所述监测机构包括第一角度传感器和所述力矩传感器，所述第一角度传感器的输入端与所述输出接口连接，所述第一角度传感器的输出端与所述力矩传感器的输入端连接；或，

所述力矩传感器的输入端与所述输出接口连接，所述力矩传感器的输出端与所述第一角度传感器的输出端连接。

可选地，所述第一角度传感器包括绝对值角度编码器。

可选地，包括第二角度传感器，所述第二角度传感器设置在所述驱动机构上，并与所述控制单元通信连接；

所述控制单元还被配置为当所述驱动机构驱使所述关节输出端沿所述第二方向运动时，根据所述第二角度传感器监测的所述驱动机构的转速信息对所述驱动机构进行伺服控制。

可选地，所述第二角度传感器包括增量式角度编码器或多圈式绝对值角度编码器。

可选地，所述驱动机构包括相互连接的伺服电机和减速机，所述减速机的输出端与所述关节连接；所述第二角度传感器设置在所述伺服电机上并监测所述伺服电机的转速。

与现有技术相比，本发明的柔性机械臂的控制方法及机器人系统具有如下优点：

前述的柔性机械臂的控制方法包括如下步骤：获取所述柔性机械臂的关节输出端在所述关节输出端的负载发生变动时沿第一方向运动的角位移总量；根据所述角位移总量驱使所述关节输出端沿第二方向运动，以使所述关节输出端恢复至负载发生变动前的位姿；所述第二方向与所述第一方向相反。通过根据角位移总量控制所述关节输出端反向运动，以补偿因关节输出端的负载发生变动而造成的关节输出端位姿变化，使得关节输出端保持在期望位姿。

附图说明

附图用于更好地理解本发明，不构成对本发明的不当限定。其中：

图1是本发明根据一实施例所提供的柔性机械臂的控制方法的整体流程图；

图2是本发明根据一实施例所提供的机器人系统的柔性机械臂的结构示意图；

图3是将所述机器人系统应用于膝关节置换术时的示意图；

图4是本发明根据实施例一所提供的机器人系统的结构简图；

图5是本发明根据实施例二所提供的机器人系统的结构简图；

图6是本发明根据实施例二所提供的柔性机械臂的控制方法中获取所述角位移总量的流程图；

图7是本发明根据实施例二所提供的柔性机械臂的控制方法中获取力矩传感器的弹性常数的流程图；

图8是本发明根据实施例三所提供的柔性机械臂的控制方法中获取所述角位移总量的流程图。

[附图标记说明如下]：

100-手术台车；

110-柔性机械臂；

111-输出端接口；

200-导航台车；

210-ndi导航设备；

300-股骨靶标；

400-胫骨靶标；

500-基座靶标；

600-截骨导向工具；

700-工具靶标；

800-摆锯；

20-驱动机构；

21-伺服电机，22-减速机；

31-第一角度传感器，32-力矩传感器；

40-第二角度传感器。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

另外，以下说明内容的各个实施例分别具有一或多个技术特征，然此并不意味着使用本发明者必需同时实施任一实施例中的所有技术特征，或仅能分开实施不同实施例中的一部或全部技术特征。换句话说，在实施为可能的前提下，本领域技术人员可依据本发明的公开内容，并视设计规范或实作需求，选择性地实施任一实施例中部分或全部的技术特征，或者选择性地实施多个实施例中部分或全部的技术特征的组合，借此增加本发明实施时的弹性。

如在本说明书中所使用的，单数形式“一”、“一个”以及“该”包括复数对象，复数形式“多个”包括两个以上的对象，除非内容另外明确指出外。如在本说明书中所使用的，术语“或”通常是以包括“和/或”的含义而进行使用的，除非内容另外明确指出外，以及术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接。可以是机械连接，也可以是电连接。可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图对本发明作进一步详细说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。附图中相同或相似的附图标记代表相同或相似的部件。

本发明的目的在于提供一种柔性机械臂的控制方法，用于在柔性机械臂的关节输出端的负载发生变化时，使关节输出端保持在负载发生变动前的位姿，进而使得机械臂的末端位姿得以保持。本领域技术人员应知晓，所谓“柔性机械臂”是指在驱动机械臂运动的电机处于保持状态，且机械臂的关节输出端的负载发生变化时，关节输出端随之产生角位移的机械臂；反之，若关节输出端不随负载的变化而产生角位移，则该机械臂为传统的刚性机械臂(实际上，刚性机械臂也有一定的柔性，但是对于刚性机械臂而言，其采用rv减速器或齿轮箱，导致其柔性极小，可忽略不计)。另外，所述“关节输出端的负载发生变化”包括两种情况，其一是直接作用于关节输出端的负载发生变化，其二是作用于机械臂其他部位的负载发生变化，并且该变化传递至关节输出端，引起关节输出端的负载随之发生变化。

如图1所示，该控制方法包括如下步骤：

步骤s100：获取所述柔性机械臂的关节输出端在所述关节输出端的负载发生变动时沿第一方向运动的角位移总量。

步骤s200：根据所述角位移总量驱使所述关节输出端沿第二方向运动，以使所述关节输出端恢复至负载发生变动前的位姿，所述第二方向与所述第一方向相反，例如在一些实施例中，所述第一方向是顺时针方向，则所述第二方向为逆时针方向，或者所述第一方向是逆时针方向，而所述第二方向为顺时针方向。

即，所述柔性机械臂的控制方法在柔性机械臂的关节输出端的负载发生变动时，先获取所述柔性机械臂的关节输出端因负载变动而产生的角位移总量，然后驱使所述关节输出端反向运动，且反向运动的角位移与所述角位移总量相当，以抵消所述关节输出端因负载变动而产生的位姿偏移。另外，本领域技术人员可理解，所述关节输出端的负载发生变化时，导致所述关节输出端产生角位移，但对于整个柔性机械臂的末端而言，其会有位移和/或姿态的变化。

本发明实施例还提供了一种机器人系统，如图2及图4所示，所述机器人系统包括柔性机械臂110、监测装置、驱动机构20和控制单元(图中未示出)。其中，所述柔性机械臂110包括多个关节，例如六个关节，每个所述关节包括关节输入端和关节输出端，所述监测装置可设置在所述关节输出端上。进一步地，，所述关节输出端上还设置有输出接口111，所述监测装置具体设置在所述输出接口111上。所述驱动机构20与所述关节连接。所述控制单元与所述监测装置和所述驱动机构20通信连接。如此，所述监测装置用于监测所述关节输出端的负载发生变动时所述关节输出端沿所述第一方向的角位移总量。所述控制单元用于根据所述角位移总量控制所述驱动机构20工作，以驱使所述关节输出端沿所述第二方向运动至所述关节输出端恢复至负载发生变动前的位姿。所述监测装置包括第一角度传感器31和力矩传感器32(如图5所示)中的至少一个，根据所述监测装置的不同配置，其获取所述角位移总量的方法有所不同，下文中将详细介绍。

进一步地，如图4所示，所述机器人系统包括第二角度传感器40，所述第二角度传感器40设置在所述驱动机构20上，并与所述控制单元通信连接。当所述关节输出端沿所述第二方向运动时，所述第二角度传感器40监测所述驱动机构20的转速信息，所述控制单元根据所述转速信息对所述驱动机构20进行伺服控制，从而准确地控制所述关节输出端沿所述第二方向运动的角位移。

通常，所述驱动机构20包括伺服电机21和减速机22，所述减速机22的输出端与所述关节连接。所述第二角度传感器40设置在所述伺服电机21上以监测所述伺服电机21的转速。所述第二角度传感器40包括但不限于增量式角度编码器或多圈式绝对值角度编码器。

在所述机器人系统应用时，利用所述柔性机械臂的控制方法来对所述柔性机械臂进行控制，可保持所述柔性机械臂的关节输出端的位姿，进而保持与该关节输出端相连接的其他器械的位姿，例如机械臂末端的位姿。例如膝关节置换术中保持截骨导向工具的位姿、各类使用持镜机器人握持内窥镜进行的手术中医生对创口进行缝合处理时保持内窥镜的位姿、或其他需要柔性机械臂的关节输出端保持固定位姿的情形等。下面以膝关节置换术为例介绍所述柔性机械臂的控制方法的应用情形。

请参考图2及图3，应用于膝关节置换术的手术设备包括手术台车100、导航台车200、股骨靶标300、胫骨靶标400、基座靶标500、无菌袋(图中未示出)、截骨导向工具600和工具靶标700等。其中，所述手术台车100上设置有所述柔性机械臂110，所述导航台车200上设有导航设备210，例如ndi导航设备。在手术前，将手术台车100和所述导航台车200放置在承载有患者的病床旁的合适位置，然后安装所述股骨靶标300、胫骨靶标400、基座靶标500、工具靶标700，并通过无菌袋将截骨导向工具600安装到所述柔性机械臂110末端上。本领域技术人员熟知所述手术设备的具体安装方式以及操作方式，此处不再赘述。

所述柔性机械臂110包括多个关节，其中所述截骨导向工具600和所述工具靶标700设置在所述柔性机械臂110的末端，更具体的，所述工具靶标700可设置在所述截骨导向工具600上。每个所述关节包括依次连接关节输入端、关节输出端和输出接口，所述柔性机械臂110的末端的关节的所述输出接口即为器械接口。所述器械接口与所述截骨导向工具600连接，所述关节输入端与驱动机构连接，以用于将驱动机构产生的驱动力传递至关节输出端、器械接口及所述截骨导向工具600。

手术开始前需进行术前规划，具体地，医生将患者的骨头的ct扫描模型导入计算机系统进行术前规划，例如规划截骨平面坐标，选择合适型号的假体，以及规划假体的安装方位。应知晓，所述计算机系统包括主显示屏、键盘及位于所述导航台车200内的控制器。

接着，医生使用靶标笔点病人的股骨及胫骨的特征点，所述导航台车200中安装的ndi导航设备210以所述基座靶标500为基准，记录所述特征点的位置，并将所述特征点的位置信息发送给所述计算机系统。然后所述计算机系统通过特征匹配计算得到股骨和胫骨的实际方位，并与ct扫描模型中的股骨、胫骨的方位对应。随后，所述ndi导航设备210对股骨的实际方位与安装在股骨上的所述股骨靶标300建立映射关系，以及对胫骨的实际方位和安装在胫骨上的所述胫骨靶标400建立映射关系，从而可根据所述股骨靶标300和所述胫骨靶标400跟踪到骨头的实际位置。本领域技术人员应知晓，在手术过程中，只要股骨靶标300与股骨的映射关系固定，以及胫骨靶标400与胫骨的映射关系固定，骨头即使发生移动也不会影响手术效果。

所述ndi导航设备210将术前规划的截骨平面坐标发送给所述柔性机械臂110，所述柔性机械臂110通过所述工具靶标700定位截骨平面并运动到预定位置。之后，所述柔性机械臂110的关节输出端需要保持固定位姿/期望位姿，以保持所述截骨导向工具600的在固定位姿/期望位姿，从而医生可利用摆锯800通过所述截骨导向工具600上的导向槽进行截骨，以及利用电钻通过所述截骨导向工具600上的导向孔进行钻孔操作。

截骨及钻孔操作后，医生可安装假体，并进行其他手术操作。

在膝关节置换手术中，执行截骨操作或钻孔操作时医生会对截骨导向工具施加一定的作用力，且所述作用力的大小根据需要改变。所述关节输出端的负载包括所述截骨导向工具600、医生施加于所述截骨导向工具上的第一作用力。此外，医生施加于所述柔性机械臂110的其他部位的第二作用力在传递至所述关节输出端后，也构成所述关节输出端的负载的一部分。在所述第一作用力或所述第二作用力发生改变时，所述柔性机械臂110的关节受力并会产生一定的角位移而影响所述关节输出端的位姿，进而影响所述柔性机械臂110的末端位姿或所述截骨导向工具600的位姿。此时，利用所述柔性机械臂的控制方法来控制所述柔性机械臂，以抵消因所述关节输出端的负载变化而引起的角位移造成的柔性机械臂的末端或所述截骨导向工具位姿的变化，使得所述关节输出端可保持在所述的固定位姿，进而确保所述柔性机械臂的末端或所述截骨导向工具保持所述固定位姿/期望位姿。

下面，本文将通过具体的实施例来说明所述机器人系统具有不同配置的所述监测装置时，所述柔性机械臂的控制方法中获取所述关节输出端的角位移总量的具体实现方式。

实施例一

请参考图4，所述监测装置包括第一角度传感器31，所述第一角度传感器31与所述关节的所述输出接口111连接。所述第一角度传感器31包括但不限于绝对值角度编码器。

当所述关节输出端的负载发生变化时，所述柔性机械臂上的刚性部件例如驱动机构20的旋转轴等结构会产生沿第一方向的角位移，并且这些角位移会传递至所述输出接口111而被所述第一角度传感器31监测。也即，所述第一角度传感器31所监测的所述输出接口111的第一角位移即为所述关节输出端的角位移总量，且所述第一角位移直接由所述第一角度传感器31监测。

实施例二

请参考图5，本实施例中，所述监测装置包括第一角度传感器31和力矩传感器32。所述第一角度传感器31的输入端与所述输出接口111连接，所述第一角度传感器31的输出端与所述力矩传感器32的输入端连接。所述力矩传感器32主要用于监测所述柔性机械臂的关节的转矩，从而可通过所述关节的转矩对所述柔性机械臂进行控制，避免所述柔性机械臂在运动过程中与其他结构碰撞。但在本实施例中，所述力矩传感器32在监测所述柔性机械臂的关节的转矩时，其自身发生变形产生第二角位移，并将该第二角位移传递至所述关节输出端。通过所述力矩传感器32可监测其自身的所述第二角位移。

同时，类似于实施例一，当所述关节输出端的负载发生变动时，所述柔性机械臂上的刚性部件例如驱动机构20的旋转轴等结构会产生沿第一方向的角位移，并且这些角位移会传递至所述输出接口111而被所述第一角度传感器30监测。

故而，如图6所示，本实施例中所述柔性机械臂的控制方法中获取角位移总量的方法包括：

步骤s110：所述第一角度传感器监测所述输出接口的第一角位移，所述第一角位移的数值由所述第一角度传感器的读数变化量得到。

步骤s120：所述力矩传感器监测所述关节的转矩，所述转矩由所述力矩传感器的读数变化量得到。

步骤s130：根据所述转矩和所述力矩传感器的弹性常数计算所述力矩传感器的第二角位移。

步骤s140：计算所述第一角位移和所述第二角位移之和，以作为所述角位移总量。

其中，所述步骤s110和所述步骤s120可同步执行。

以及，所述步骤s130中，所述弹性常数的获取方法如图7所示：

步骤s131：向所述力矩传感器施加预定转矩；

步骤s132：利用一标定角度传感器监测所述力矩传感器受到所述预定转矩时的角位移；

步骤s133：计算所述力矩传感器在受到所述预定转矩时的角位移与所述预定转矩的比值，以作为所述弹性常数。

如此，在所述关节输出端的负载发生变化时，所述力矩传感器32的所述第二角位移为所述力矩传感器32所测得的关节的转矩与所述弹性常数的乘积。

本领域技术人员可理解，所述标定角度传感器安装于所述力矩传感器32上，且仅用于获取弹性常数，在计算得到所述弹性常数之后，所述标定角度传感器可被拆除。另外，可在机器人系统之外测量所述弹性常数(即将所述力矩传感器从所述柔性机械臂上拆卸下来以进行弹性常数的测量)，也可直接在所述柔性机械臂上进行弹性常数的测量。

实施例三

本实施例中，如图5所示，所述柔性机械臂上设置有第一角度传感器31和力矩传感器32，所述力矩传感器32的输入端与所述关节的所述输出接口111连接，所述力矩传感器32的输出端与所述第一角度传感器31的输入端连接。本实施例中仅利用所述力矩传感器32获取所述角位移总量。具体方法如图8所示，包括如下步骤：

步骤s110’：在负载发生变动前建立所述力矩传感器与所述关节输出端的角位移总量之间的转换关系。

步骤s120’：在负载发生变动时获取所述力矩传感器的读数变化量。

步骤s130’：根据所述力矩传感器的读数变化量和所述转换关系得到所述角位移总量。

其中，所述步骤s110’包括如下步骤：

步骤s111’：使所述关节输出端的负载发生预定变动。

步骤s112’：获取所述力矩传感器在负载发生所述预定变动时的读数变化量，以及获取所述关节输出端在负载发生所述预定变动时的角位移总量，以建立所述转换关系。

所述步骤s112’中，在所述预定变动发生前，通过所述机器人运动学方法得到所述关节输出端的第一位姿，然后在所述预定变动发生时通过所述机器人运动学方法得到所述关节输出端的第二位姿，根据所述第一位姿和所述第二位姿的差值即可获得所述关节输出端在负载发生所述预定变动时的角位移总量。

实施例四

本实施例中，所述柔性机械臂上仅设置有力矩传感器32而未设置第一角度传感器31，且本实施例获取所述关节输出端的角位移总量的方法与实施例四相同，即在负载发生变动前先建立所力矩传感器32的读数变化量与所述关节输出端的角位移总量之间的转换关系，然后再在负载发生变动时根据力矩传感器32的读数变化量与所述转换关系得到所述角位移总量。

实施例五

本实例中，所述柔性机械臂上设置有所述力矩传感器32和所述第一角度传感器31，并且所述力矩传感器32的输入端与所述关节的所述输出接口111连接，所述力矩传感器32的输出端与所述第一角度传感器31的输入端连接。这样一来，所述第一角度传感器31所测得的所述角位移包括了所述输出接口的所述第一角位移和所述力矩传感器的所述第二角位移，即根据所述第一角度传感器的读数变化量即可直接获取所述角位移总量。

虽然本发明披露如上，但并不局限于此。本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

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