[发明专利]一种基于关节力矩的机械臂拖动引导定位的方法

说明书

本发明涉及机械臂控制技术领域，具体为一种基于关节力矩的机械臂拖动引导定位的方法，所述方法包括：获取机械臂的关节力矩；通过标定的方法获取末端工具工作点的机械参数，建立工具坐标系；运用参数辨识的方法，从耦合的关节力矩数据中分离出基于工具坐标系的外力和外力矩；用低通滤波器对外力和外力矩进行滤波处理；调用速度控制器；将速度转化为运动控制指令。本发明采用的方法适用范围广，操作安全性高，拖动柔顺性好，同时支持有限制条件的拖动运动，非常适合应用于机器人辅助手术领域。

技术领域

本发明涉及机械臂控制技术领域，具体涉及一种基于关节力矩的机械臂拖动引导定位方法。

背景技术

机器人辅助手术在现代手术中正在发挥越来越重要的作用。机器人脱胎于现代计算机技术，具有高精度高稳定性的特点。相比传统手术效果高度依赖医生经验，机器人辅助手术通过视觉提示和机械臂引导，将手术流程数字化，极大的降低了手术效果对医生经验的依赖程度。

机械臂在机器人辅助手术中通常起到引导定位的作用，比如在骨科手术中起引导截骨位置、引导假体安装角度的作用，而在脊柱和神经外科领域常常用来定位穿刺针位置。与机械臂在工业上的应用不同，应用在手术场景的机械臂通常和人会处于同一工作空间，因此对机械臂运行的安全性就提出了比较高的要求。目前常用的技术方案是让机械臂主动运动到定位位置，并监测机械臂本体受到的外力，当外力超过一定阈值就判定为碰撞，机械臂立即进入限制运动的状态。这种方案在手术场景中依然会存在不小的安全风险，并且机械臂和医生配合度不高，使用的方便程度也常常被诟病。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于关节力矩的机械臂拖动引导定位的方法，可以现有技术应用在导航辅助手术中，机械臂难以进行手动引导定位的技术难题。

为了达到上述技术目的，本发明的提供一种基于关节力矩的机械臂拖动引导定位的方法，包括以下步骤：

S1.对于不同类型的机械臂，选用合适的方法获得机械臂关节的力矩数据；

S2.确定末端工具的工作点，通过标定的方法，确定该工作点基于机械臂法兰的位置和姿态，以该工作点为原点建立工具坐标系；

S3.对机械臂建立动力学模型，使用参数辨识的方法对步骤S1中获得的关节力矩数据进行解耦，分离出施加在工具坐标系上外力导致的关节力矩，再根据关节外力矩计算出工具坐标系上的外力和外力矩；

S4.使用低通FIR滤波器对步骤S3中计算得到的外力和外力矩做滤波处理；

S5.运用速度控制器，将步骤S4中得到的滤波后的力和力矩作为控制器的输入，输出基于工具坐标系的期望速度。该控制器可以实现机械臂工作空间内的自由拖动，也可通过设置限制条件，让末端工具可以沿着一定轨迹或在定义的范围内拖动；

S6.将工具坐标系的目标速度，转化为机械臂关节坐标系的控制指令，直接驱动机械臂的运动。

本发明所提出的基于关节力矩的机械臂拖动引导定位的方法，有益效果如下：与机械臂主动运动定位相比，让操作者手动引导机械臂运动，机械臂提供部分运动自由度的限制，这种方案在辅助手术领域安全性更高，也更符合医生操作习惯；这种拖动引导的方式可以完全依赖于机械臂本体已有的传感器，而不需要外装力矩传感器，降低了企业的生产成本；在控制系统的设计上，使用低通FIR滤波器对数据进行预处理降低了机械臂在运行过程中发生严重抖动的风险；使用速度控制策略不仅提高了拖动的柔顺度，并且让机械臂能够在有限制条件的情况下拖动运行；引入误差阈值，可以让机械臂能够在无外力施加的情况下稳定悬停。该方法最后的控制结果直接施加于机械臂的关节驱动器，控制指令直接且明确，确保各类不同开发程度的机械臂都能够应用该方法，体现了该方法的广泛适用性。

附图说明

图1是本发明提供的基于关节力矩的机械臂拖动引导定位方法的流程图。