[发明专利]一种应用于手术机器人的主动摆位方法及系统

说明书

本发明涉及手术机器人技术领域，提供了一种应用于手术机器人的主动摆位方法，包括：S1：在机械臂运行过程中采集机械臂轴关节的关节角度，以及计算关节角速度；S2：依据关节角度计算重力辨识项，依据关节角速度计算库伦摩擦力辨识项，依据关节角速度计算粘滞摩擦力辨识项；S3：基于重力辨识项、库伦摩擦力辨识项以及粘滞摩擦力辨识项，计算为机械臂轴关节的电机进行补偿的电流，以减少机械臂摆位过程中使用者施加的力。上述技术方案，采用基于电流的方式进行拖动助力补偿，不需要额外的力矩传感器，只需要辨识拖动过程中产生的重力、库伦摩擦力以及粘滞摩擦力，就可以准确地获得外力与角度和角速度的关系，实现主动摆位助力功能。

技术领域

本发明涉及手术机器人的技术领域，尤其涉及一种应用于手术机器人的主动摆位方法及系统。

背景技术

手术机器人是一种可以协助医生进行手术的机器人系统。它们通常由多个机器人机械臂组成，每个机械臂上都有一个小型工具，例如激光、剪刀、钳子等，可以通过小切口进入患者体内进行手术。手术机器人具有高度精确性和稳定性，可以减少手术期间的误差和颤动，从而减少手术风险和并发症的发生率。此外，手术机器人还可以提供更好的可视化和放大效果，让医生更好地观察手术区域，进行更加精细的手术操作。

手术机器人的远心机构通常是指手术机器人系统中的机械臂，也称为“手术臂”或“工具臂”，负责将手术工具送入患者体内进行手术操作。远心机构的设计通常采用了一些先进的技术，例如电机驱动、传感器反馈和计算机控制等。这些技术可以确保机械臂具有高度精准的运动和定位能力，可以准确地将手术工具送入患者体内并进行精细的手术操作。此外，手术机器人的远心机构还具有一些特殊的设计，例如可弯曲的末端部分，可以在狭小的手术空间内灵活操作；还有一些机械臂具有一定的自主运动能力，可以根据医生的指令进行自动调整和协作操作。总的来说，手术机器人的远心机构是其核心部件之一，其高度精准的运动和定位能力为手术操作提供了重要的支持和保障。

手术进行前，需要医生或者助手将手术机器人的远心机构摆位到相应的位置。出于机械臂大而笨重且需要反复摆动对齐的考虑，需要对手术机器人的远心机构进行主动摆位。

现有的主动摆位方案有：

基于双编码器：两个编码器分别安装在电机端和负载端，中间通过减速机相连。当关节负载端受力后，由于减速机产生弹性形变，电机端编码器和负载端编码器产生位置偏差，将该偏差值进行闭环控制可以减少摆位过程中用户需要施加的力。

基于关节力矩传感器：力矩传感器安装在机器人关节处，可以直接测量出关节力矩。将该力矩进行闭环控制可以补偿摆位过程中需要的力。

但是上述现有技术中的主动摆位方案存在以下缺陷：

基于双编码器：减速机动力学建模复杂，与柔轮弹性形变，波发生器变形量以及输入侧齿隙都有关系。其模型为非线性模型，不能准确的估算受到的外力，因此将其闭环控制也会产生控制的偏差，造成摆位助力效果较差。

基于关节力矩传感器：关节力矩传感器能够准确地测量电机输出力矩并进行力矩补偿。但是关节力传感器价格较贵，从经济的角度来看并不理想。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种应用于手术机器人的主动摆位方法及系统，采用基于电流的方式进行拖动助力补偿，不需要额外的力矩传感器，只需要辨识拖动过程中产生的重力、库伦摩擦力以及粘滞摩擦力，就可以准确地获得外力与角度和角速度的关系，实现主动摆位助力功能。

本发明的上述发明目的是通过以下技术方案得以实现的：

一种应用于手术机器人的主动摆位方法，包括以下步骤：

S1：在机械臂运行过程中采集机械臂轴关节的关节角度，以及计算所述机械臂轴关节的关节角速度；