[发明专利]一种基于动力学模型的骨科手术机器人控制方法

说明书

本发明公开了一种基于动力学模型的骨科手术机器人控制方法，涉及机器人领域，包括：通过坐标变化关系和重力矢量确定待校准关节受到的总重力矩；将stribeck模型中与摩擦力相关的系数作为待辨识参数、构建得到待辨识矩阵；通过LM算法迭代求解得到待辨识矩阵的初始解并作为遗传算法的初始化种群；基于遗传算法得到待辨识矩阵的迭代结果；将迭代结果代入stribeck模型中得到待校准关节的总摩擦力矩；得到待校准关节的力矩合；通过力矩合得到待校准关节的对应电机的位置信号值，根据位置信号值驱动待校准关节。通过计算力矩合避免外力对骨科手术机器人的定位准确性的影响，有效提高了稳定性和安全性。

技术领域

本发明涉及机器人领域，尤其是一种基于动力学模型的骨科手术机器人控制方法。

背景技术

随着科学技术的不断提高，越来越多的机器人进入到医疗领域中，而骨科手术机器人通过其微创和快捷等特点正成为医生的得力助手。

骨科手术机器人主要目标是在骨科手术中辅助医生完成特定的精细操作，例如，骨科手术机器人能够完成截骨切削、磨削钻孔和夹持固定等动作，这些操作由机器人完成具有很大的优势，一方面是由于这些小手术动作较为简单，骨科手术机器人能够胜任，同时这些操作需要一定的稳定性，通过骨科手术机器人能够大大减少医生的作业强度，节约手术时间，避免医生在长时间的手术过程中保持相同姿势而带来的肌肉劳损，从而提高手术的安全性。

目前的骨科手术机器人的基本工作方式有手动模式和自动模式，手动模式需要在手术过程中配备一名操作员，操作员通过医生的口述指令完成相关的动作操作，过程较为繁琐，实际使用中也不如人工来的简便；而自动模式相比于手动模式优势明显，骨科手术机器人能够接受手术前就设置好的移动指令来进行操作，但现有的骨科手术机器人在移动过程中不能主动对自身进行位置校准，存在一定的误差，从而无法确保手术的标准化和安全性。

发明内容

本发明人针对上述问题及技术需求，提出了一种基于动力学模型的骨科手术机器人控制方法，本发明的技术方案如下：

一种基于动力学模型的骨科手术机器人控制方法，所述骨科手术机器人包括底座和多个关节，每个所述关节通过对应设置的电机驱动，其特征在于，所述方法包括：

确定待校准关节的待校准关节坐标系和其他关节的关节坐标系在底座的基准坐标系中的坐标变化关系，并确定待校准关节在所述待校准关节坐标系中的重力矢量；

通过所述坐标变化关系和所述重力矢量确定每个关节对所述待校准关节的重力矩并累加得到所述待校准关节受到的总重力矩；

将所述骨科手术机器人的关于摩擦力与摩擦力矩的stribeck模型中与摩擦力相关的系数作为待辨识参数、构建得到待辨识矩阵；

通过LM算法迭代求解得到所述待辨识矩阵的初始解并作为遗传算法的初始化种群；

基于遗传算法得到所述待辨识矩阵的迭代结果；

将所述迭代结果代入所述stribeck模型中得到所述待校准关节的总摩擦力矩；

基于动力学模型根据所述总重力矩和所述总摩擦力矩得到所述待校准关节的力矩合；

通过所述力矩合得到所述待校准关节的对应电机的位置信号值，根据所述位置信号值驱动所述待校准关节。

其进一步的技术方案为，所述重力矢量g_i的计算公式为：

其中，g₀为待校准关节在基座坐标系的重力矢量，g₀＝[0,0,-9.81]^T，表示所述基座坐标系变换至所述待校准关节坐标系中的旋转矩阵。

其进一步的技术方案为，所述确定每个关节对所述待校准关节的重力矩，包括对于任意第j个关节：