[发明专利]适用于机器人的局部轨迹调整与人机共享控制方法和系统

说明书

本发明提供了一种适用于机器人的局部轨迹调整与人机共享控制方法和系统，以提升手术机器人的自主性，将人与机器人的关系从主从式转变为协同式。当人的指令与机器人参考轨迹相差较大时，机器人会结合人的虚拟交互力对自身参考轨迹进行局部主动调整；当人与机器人意图相差较小时，将综合考虑人机双方指令，并基于系统安全性评估指标动态调节人机混合成本函数，计算最优控制量，实现人机共享控制。本发明还提供相应的计算机程序存储介质与机器人。

技术领域

本发明涉及遥操作手术机器人技术领域，具体地，涉及适用于机器人的局部轨迹调整与人机共享控制方法和系统。尤其是一种适用于遥操作适用于机器人的局部轨迹调整与人机共享控制方法和系统及其手术机器人。

背景技术

微创手术机器人将先进的智能机器人技术融合于临床外科手术中，充分发挥机器人在手术任务中高稳定性、灵活操作性、运动精确性等优势，大大降低外科医生手术强度，避免因持续高强度工作导致的误操作几率提高的风险。

微创手术机器人一直以来都是世界各国的重点投入方向,相关研究成果不断推陈出新：最著名的是da Vinci手术机器人系统，并经过不间断的优化更新，其在机械臂操作灵巧性、安全交互性等方面的性能更加凸显。中国的手术机器人发展集中于近十年：如上海交通大学研发的“神刀华佗”微创手术机器人；天津大学研发的“妙手”系列机器人；哈尔滨工业大学研发的“华鹊－II”型微创手术机器人等。

在手术机器人的控制方面，目前手术机器人系统多为主从式控制模式，即医生通过操作遥操作杆远程控制从端机械臂的运动，自动化程度相对较低，医生的工作负担仍相对较高，且仍对医生的技术水平有较高的要求。另一方面，由于手术任务的复杂性与多样性，使用完全自动控制的机器人执行手术任务是在短期内是不可能实现的，因此人机共享的理念是更适用于当前手术机器人系统的，这将人与机器人的关系从主从式转变为协同式，机器人的运动由人与机器人共同决定。

现有的人机共享的思想大量被应用于控制方面，即共享控制。但当前系统的一个局限性是，人类不能通过遥操作设备影响机器人原本设定的未来期望轨迹，这也表明了机器人对人的意图的预测不足。此外，现有技术仍不能很好地根据实际情况动态调节人与机器人的控制比例，人机控制尚未以较高的自动化程度进行融合。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种适用于机器人的局部轨迹调整与人机共享控制方法和系统。

根据本发明提供的一种适用于机器人的局部轨迹调整与人机共享控制方法，包括如下任一个或任多个步骤：

步骤S0，基于一次轨迹规划确定初始参考轨迹的步骤：基于期望末端位置和传感器数据中获取的周围环境信息，生成可行轨迹集；从当前可行轨迹集中筛选出一条最优轨迹作为一次规划的参考轨迹；

步骤S1，考虑人的意图的局部轨迹重规划的步骤：人类通过遥操作设备传输给机器人运动指令，通过虚拟交互力判断人意图是否强烈，当人意图强烈时，机器人进行局部参考轨迹调整；

步骤S2，基于系统安全性评估指标的人机控制权重调整的步骤：通过传感器数据评估当前机器人构型的安全性，构建表征系统安全性的评估指标，并基于此评估指标动态调节人机控制权重；

步骤S3，基于人机混合成本函数的模型预测控制步骤：构建基于机器人与人的控制成本的混合成本函数；通过混合成本函数的模型预测控制器，计算得到最优控制指令，实现人机共享控制。

优选地，所述步骤S1包括：

步骤S1.1：建立表征人类交互力的虚拟力模型；

步骤S1.2：通过虚拟交互力判断人意图是否强烈；若是，则机器人不调整参考轨迹；；如否，则机器人进行局部参考轨迹调整；

所述步骤S2包括：