CN108430375B - 机器人系统以及反向驱动该系统的方法 - Google Patents

Abstract

提供了一种机器人手术系统以及操作该系统的方法。该系统包括手术工具、具有多个关节且支撑所述手术工具的操纵器、以及控制器。虚拟仿真将所述手术工具表示为具有虚拟质量的虚拟刚体，该虚拟质量包括关于至少一个关节的惯量。所述控制器确定关节的期望关节扭矩。将关节的该期望关节扭矩与实际关节扭矩进行比较以确定关节扭矩差。确定虚拟质量关于关节的惯量。使用关节扭矩差和惯量计算关于关节的角加速度。将角加速度投射到虚拟质量以确定外力。所述控制器响应于所述外力以虚拟仿真模拟所述手术工具的动态。

Description

机器人系统以及反向驱动该系统的方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2015年11月11日提交的美国临时专利申请No.62/253,994和2015年11月16日提交的美国临时专利申请No.62/255,610的优先权，它们的全部内容在这里通过引用并入于此。

技术领域

本发明总体上涉及一种机器人系统以及由该机器人系统使用的反向驱动方法。

背景技术

机器人中的力控制传统上是使用阻抗控制或导纳控制实施的。图1中示出了阻抗控制反馈环的一个示例。在利用阻抗控制的情况下，将机器人的关节的位置输入到控制器中，并且输出和施加用于控制机器人运动的关节扭矩。换言之，阻抗控制器确定位置并施加(或指令)力/扭矩。在图1中，阻抗控制器向关节施加特定的关节扭矩。例如，如果机器人经受了作用在其中一个关节上的外力，则阻抗控制系统不会计算或测量该力。相反，阻抗控制器仅重新确定机器人位置并重新计算要施加的必需力。

传统的阻抗控制可以在接触刚性环境时提供稳定的控制且可以在接合柔性环境时提供轻柔的感觉。然而，阻抗控制会让机器人产生不稳定的松弛感并且在与诸如触觉边界之类的刚性虚拟约束相互作用时可能产生错误，这会限制机器人的运动。

另一方面，导纳控制是阻抗控制的反演。图2中示出了导纳控制反馈环的一个示例。在利用导纳控制的情况下，控制器确定施加的力/扭矩以及指令位置，而不是确定位置以及指令力。使用力-扭矩传感器或关节扭矩测量结果来检测输入到系统的输入力。基于检测到的输入力，并基于测量到的关节角度而知晓关节的当前位置，导纳控制器通过施加确定的关节扭矩来指令关节的新位置，以使关节相应地移动。

传统的导纳控制可以使机器人产生稳定的刚性感觉且在与诸如触觉边界之类的虚拟约束相互作用时可能产生错误。然而，遭受导纳控制的机器人对于用户来说会感觉笨重且在接触刚性环境时可能反应过度。显然，使用单个利用力/扭矩传感器或关节扭矩来测量作用在一个或多个关节上的外力的导纳控制器带来了明显的挑战。主要地，当机器人经受这种外力时，外力施加的位置(例如关节)是未知的，从而可能导致机器人不期望的动态行为。

发明内容

提供了一种机器人手术系统的一个实施方式。该机器人手术系统包括手术工具和支撑手术工具的操纵器。操纵器包括多个关节和多个关节致动器。控制器与操纵器通讯并配置成通过将手术工具表示为具有虚拟质量的虚拟刚体来以虚拟仿真来模拟手术工具的动态。该虚拟质量具有关于至少一个关节的惯量。控制器配置成确定所述至少一个关节的期望关节扭矩。控制器将所述至少一个关节的该期望关节扭矩与实际关节扭矩进行比较来确定关节扭矩差。确定所述虚拟质量关于所述至少一个关节的惯量。控制器使用所述关节扭矩差和惯量来计算关于所述至少一个关节的角加速度。该角加速度被投射到虚拟质量上来确定外力。控制器响应于外力以虚拟仿真来模拟手术工具的动态。根据该虚拟仿真来指令关节致动器的动作。

提供了一种操作机器人手术系统的方法的一个实施方式。该机器人手术系统包括手术工具、支撑手术工具且包括多个关节和多个致动器的操纵器、以及与操纵器通讯的控制器。虚拟仿真将手术工具表示为具有虚拟质量的虚拟刚体。虚拟质量具有关于关节中的至少一个关节的惯量。该方法包括使用控制器确定所述至少一个关节的期望关节扭矩。该控制器将所述至少一个关节的所述期望关节扭矩与实际关节扭矩进行比较以确定关节扭矩差。确定虚拟质量关于所述至少一个关节的惯量。控制器使用所述关节扭矩差和惯量来计算关于所述至少一个关节的角加速度。该角加速度被投射到虚拟质量来确定外力。控制器响应于外力以虚拟仿真来模拟手术工具的动态。根据该虚拟仿真来指令关节致动器的动作。

提供了一种反向驱动机器人系统的方法的一个实施方式。该机器人系统包括工具、支撑该工具且包括多个关节和多个致动器的操纵器、以及与操作器通讯的控制器。虚拟仿真将该工具表示为具有虚拟质量的虚拟刚体。虚拟质量具有关于每个关节的惯量。该方法包括使用控制器单独确定每个关节的期望关节扭矩。该控制器将所述期望关节扭矩与实际关节扭矩进行比较以单独确定每个关节的关节扭矩差。控制器单独确定虚拟质量关于每个关节的惯量。使用所述关节扭矩差和惯量来单独计算关于每个关节的角加速度。结合使用多个关节的角速度来获得虚拟质量在多于一个的自由度上的加速度。控制器在多于一个的自由度上将该角加速度投射到虚拟质量来确定外力。控制器响应于外力以虚拟仿真来模拟所述工具的动态。根据该虚拟仿真来指令关节致动器的动作。

该系统和方法通过确定与控制器相容的外力至少解决了前面提到的问题。即，该系统和方法解决了与单一导纳控制器有关的问题。主要地，当机器人经受了这种外力时，使用关节扭矩确定了外力施加的位置(例如关节)。该系统和方法有利地将关节扭矩转换为可以与同一导纳控制器相容的外力，该导纳控制器与向系统中提供用户输入力的力/扭矩传感器一起使用。因此，该系统和方法实质上与已有的导纳控制方案结合在了一起。此外，通过在虚拟仿真中考虑施加的外力的位置，机器人的动态行为就变得更加可预测，从而增加了机器人的稳健性和控制性。机器人系统的用户可以通过向手术工具施加力以及通过向操纵器施加外力来反向驱动操作器来对操纵器进行控制。这样可以使用户能够非常容易地定位操纵器。替代性地，通过在虚拟仿真中考虑施加的外力，该系统和方法可以对操纵器与操作器附近的物体之间的不期望碰撞做出反应。此外，通过对每个关节单独执行该方法的所述步骤，得到的机器人的运动是自然的且模仿了阻抗控制机器人的运动。同样地，该系统和方法有利地提供了阻抗控制系统和导纳控制系统的有益效果。

附图说明

本发明的优点将会被容易地意识到，因为通过参照下面的结合附图考虑时的详细描述会更好地理解这些优点。

图1是传统的阻抗控制环路的一个示例的流程图。

图2是传统的导纳控制环路的一个示例的流程图。

图3是根据一个实施方式的包括操纵器、控制器和工具的机器人系统的透视图。

图4是根据一个实施方式的机器人系统的操纵器的正视图。

图5是根据一个示例的机器人系统的框图，示出了控制器与操纵器之间的相互作用。

图6是根据本方法的改进的导纳控制环路的示例性流程图。

图7是该方法使用的计算的概念化，其中通过将关节的角加速度投射到与工具对应的虚拟质量以确定虚拟质量的加速度来计算施加到关节的外力。

图8是根据现有技术的示出了响应于外力的一个示例的关节运动的图表。

图9是根据现有技术的示出了响应于外力的另一个示例的关节运动的图表。

图10是由该方式执行的计算的简化流程图。

图11是图4的操纵器的侧视图，其示出了根据该方法的反向驱动技术操纵器在两种姿态之间运动的示例。

图12是示出了根据本方法的响应于图8中施加的外力的相同示例的关节运动的图表。

图13是图4的操纵器的侧视图，其示出了根据该方法的反向驱动技术操纵器在两种姿态之间运动的另一个示例。

图14是示出了根据本方法的响应于图9中施加的外力的相同示例的关节运动的图表。

具体实施方式

I.操纵器综述

参见附图，其中全部视图中相似的数字表示相似或相应的部件，全部视图示出了机器人手术系统(下文中简称“系统”)10和用于操作该系统的方法。

如图3中所示，系统10是在手术治疗期间用于从病人的解剖体(比如骨头或软组织)切掉材料的机器人手术系统。该解剖体可以是股骨、胫骨、盆骨或病人的任何其他解剖部分。手术治疗可以是膝盖骨或髋骨的部分或全部替换手术。系统10还可以设计成将要由诸如髋骨和膝盖骨植入件(包括单髁间植入件、双髁间植入件或整个膝盖骨植入件)之类的手术植入件替换的材料切掉。这里披露的系统10和方法可以替代性地用于实施其他程序(手术程序或非手术程序)，或者可以用在使用机器人系统的工业应用中或其他应用中。

如图3中所示，系统10包括操纵器14。操纵器14具有基部16和臂(联动装置)18。操纵器14可以连接到用于在手术位置附近移动操纵器14的便携式手推车19。臂18可以包括相互连接的多个连结件20。这些连结件20可以串联和/或并联地连接在一起。同样地，操纵器可以具有串联臂或并联臂结构。

操纵器14包括多个关节22。每对相邻的连结件20通过其中一个关节22连接。在每个关节22处存在致动器，比如设置在相邻的连结件20之间的关节电机24。这些关节电机24配置成使连结件20转动。同样地，连结件20的位置由关节电机24设定。

每个关节电机24可以附接到操纵器内的结构框架。在一个示例中，关节电机24是伺服电机，比如永磁无刷电机。然而，关节电机24可以具有其他构造，比如同步电机、电刷式直流电机、步进电机、感应电机等。

每个关节22由其中一个关节电机24主动地驱动。使用本文描述的方法有时可以给出中一些关节22是被动的印象，意思是所述关节22直接由用户施加的力所移动(类似于门关节)。然而，在本文所述的实施方式中的关节22不是被动的。系统10和方法通过主动地驱动关节22来模仿被动的行为，从而响应于施加到操纵器14的确定的力而给操纵器14的控制发出指令。下面详细描述这种行为。

关节电机24位于多个角位置(下文称作关节角)中的其中一个角位置处。关节角是相邻的连结件20之间的关节22的角度。每个关节电机24可以装备有位置传感器26。替代性地，由那个特定关节电机24驱动的每个连结件20可以装备有位置传感器26。位置传感器26的一个示例是测量相应关节22的关节角的编码器。在一些实施方式中，可以使用两个编码器(一个用于关节电机24，一个用于被移动的连结件20)来确定关节角(比如通过算出关节角的平均值)和通过相容的传动机构在电机与关节之间的位移连结件。

每个关节22配置成承受关节扭矩。关节扭矩是关节22的转动或扭转“力”且是在距离关节22的枢转点一段长度处施加的力的函数。扭矩传感器28可以连接到一个或多个关节电机24，用于测量关节22的关节扭矩。替代性地，可以使用表示施加到关节电机24的电流的信号来测量关节扭矩。

如图3中所示，工具30(诸如手术工具)连接到操纵器14且可以相对于基部16移动以与手术环境相互作用，更具体地是与解剖体相互作用。操纵器14支撑工具30。工具30连接到臂18的远端。操纵器14将工具30的位置和取向设置成使得工具30在病人身上实施预期的医疗/手术治疗。工具30由系统10的操作人员抓握住。工具30包括设计成在手术位置接触病人的组织的能量施加器32。能量施加器32可以是钻头、骨钻、矢状锯片、超声振动尖端、探针、刻针等。工具30和操纵器14在物理上相对于坐标系移动。在一个实施方式中，坐标系是包括矢量的关节空间，矢量包括操纵器14的所有关节角。操纵器14和工具30可以根据各种配置布置。

在图4中示出了操纵器14的一个示例。在该示例中，操纵器14具有串联臂结构。更具体地，操纵器14包括五个连结件20a、20b、20c、20d、20e，其中连结件20a最靠近基部16，连结件20e离基部16最远。图4中的操纵器14还包括六个关节22，下文标识为J1、J2、J3、J4、J5、J6。关节J1设置在基部16与连结件20a之间。关节J2设置在连结件20a与连结件20b之间。关节J3设置在连结件20b与连结件20c之间。关节J4设置在连结件20c与连结件20d之间。关节J5设置在连结件20d与连结件20e之间。关节J6设置在连结件20e与工具30之间。因为图4中的操纵器14是串联臂，所以任意一个关节J1-J6的运动会造成下游所有连结件的运动(即从移动的关节到操纵器的远端的所有连结件)。

每个关节J1-J6配置成分别围绕其自身各自的轴线A1、A2、A3、A4、A5、A6转动。通过设置六个关节J1-J6，图4的操纵器14在6自由度(DOF)中自由运动。即，操作器14整体可以沿着三个垂直的轴线前/后、上/下、左/右自由平移。操纵器14还通过围绕三个垂直的轴线的旋转运动来自由改变取向(通常称作俯仰、偏航、侧倾)。本领域技术人员会意识到操纵器14根据工具30是否需要围绕其自身轴线转动而可以仅需要在5DOF中运动。例如，当利用骨钻加工时，操纵器14仅需要在5DOF中操作，因为骨钻是单独转动的。在这些情况下，存在冗余，因为关节的数量大于所需自由度的数量。然而，当进行锯切时，操纵器14在提供一个冗余自由度的5DOF中操作。

位于基部16处的关节J1实现类似于腰部转动的运动。通过围绕轴线A1转动，关节J1使操纵器14从左转动到右。关节J2实现类似于肩部转动的运动。通过围绕轴线A2转动，关节J2使操纵器14能够前后延伸。关节J3实现类似于肘部弯曲的运动。通过围绕轴线A3转动，关节J3使操纵器14能够升起和降下。关节J4实现类似于手腕扭动的运动。通过围绕轴线A4转动，关节J4使操纵器14能够使上连结件20d、20e以圆形运动转动，从而改变工具30的取向。关节J5实现类似于手腕弯曲的运动。通过围绕轴线A5转动，关节J5使连结件20e和手术工具30能够上下倾斜并负责俯仰和偏航运动。与J4类似，关节J6实现类似于手腕扭动的运动。然而，关节J6围绕轴线A6转动以能够实现对工具30更精确的控制。

诸如力-扭矩传感器之类的传感器34可以安装在远端的连结件20e与工具30之间。力-扭矩传感器34配置成根据操作人员抓握住工具30时工具30受到的力和/或扭矩而输出可变信号。通过这样做，力-扭矩传感器34能够对施加到工具30的输入力进行感测。正如下面所述的，利用该输入力来控制操纵器14的运动。在一个实施方式中，力-扭矩传感器34是6DOF传感器，使得力-扭矩传感器34配置成输出表示施加到工具30的三个相互垂直的力和围绕这些垂直的力的轴线转动的三个扭矩的信号。另外或者替代性地，施加到工具26的输入力可以使用关节扭矩来确定，正如下面详细描述的。

II.控制器和模拟综述

参见图3，系统10包括控制器40。控制器40与操纵器14通讯且包括用于控制操纵器14的合适的软件和/或硬件。在一个实施方式，控制器40设置在便携式手推车19内。然而，控制器40包括设置在多于一个位置中的子控制器。控制器40可以控制这里没有具体描述的其他系统(比如导航系统等)且可以与其进行通讯。

如图5中所示，控制器40与关节电机24通讯，用于指令连结件20的运动和位置。控制器40还连接到位置传感器(例如编码器)26且配置成使用从位置传感器26接收到的信号来测量每个相应关节22的实际关节角。控制器40比如通过关节电机子控制器来指令关节电机24，以运动到指令的关节角。控制器40还连接到关节电机24处的扭矩传感器，用于接收表示关节22的测量到的扭矩的信号。控制器40还连接到力-扭矩传感器34，用于接收施加到工具30的输入力。

如图6中所示，控制器40是导纳式控制器。换言之，控制器40确定力并指令位置。在一个示例中，控制器40仅包括单个导纳控制器，使得所有的输入力仅由该单个控制器40来分析以确定力。换言之，在该示例中，不使用用于不同力的各自的导纳控制器。在其他实施方式中，可以使用另外的控制器。

如图5和6中所示，控制器40配置成以虚拟仿真42模拟工具30的动态。虚拟仿真42可以以具有或不具有能量施加器32的工具30为基础。在一个实施方式中，使用物理引擎实施虚拟仿真42，物理引擎是由控制器40执行的模拟刚体动力学的计算机软件。虚拟仿真42可以在具有非暂时性计算机可读存储介质的计算装置上实施，在所述存储介质上存储有可执行程序。虚拟仿真42在物理实施工具30的动态之前模拟工具30的动态。

如图7中所示，控制器40将工具30模拟为属于动态物体的虚拟刚体44。因此，控制器40有效地模拟了工具30的刚体动态。虚拟刚体44根据虚拟仿真42在笛卡尔任务空间中根据6DOF自由地运动。在图7中，虚拟刚体44可以模拟为单个点，其可以在工具30之上、之内或之外。质量/惯性矩阵定义了6DOF中的虚拟质量。如下所述，在涉及反向驱动的计算步骤中使用质量/惯性矩阵。

在一个示例中，虚拟刚体44对应于工具30的质心。这里“质心”应该理解成如果将力施加到工具30的另一个点并且工具30不受其它约束(即不受操纵器14约束)，则工具30将围绕其转动的点。虚拟刚体44的质心可以接近工具30的实际质心，但不需要是工具30的实际质心。虚拟刚体44的质心可以以经验确定。在将工具30连接到操纵器14之后，可以重新设定质心的位置，以适应个别从业者的喜好。在其他实施方式中，虚拟刚体44可以对应于工具30的其他特征，比如重心等。

该虚拟刚体44被认为具有虚拟质量(M)。虚拟质量具有关于关节22中的至少一个关节的惯量(I)。在一些情况下，虚拟质量具有关于每一个关节22(J1-J6)的惯量。所述惯量是对虚拟质量必须在速度上改变时所遭受的阻力的测量。惯量可以理解为是虚拟质量的特性。同样地，虚拟质量可以指虚拟刚体44的质量和惯量两者。虚拟刚体44的虚拟质量一般在与工具30的实际质量相同的量级范围内。然而，虚拟质量可以设计成大于或小于工具30的实际质量。

在一个示例中，虚拟刚体44处于虚拟仿真42的每次迭代开始时的第一姿态中。控制器44从力-扭矩传感器34接收用户施加的输入力和/或模拟为其他约束的其他输入力。当虚拟刚体44处于第一姿态中时，将输入力施加到虚拟仿真42中的虚拟刚体44。这些输入力导致虚拟刚体44沿着虚拟路径推进到在笛卡尔空间内具有不同位置和不同取向的第二姿态。

虚拟仿真42可以通过计算执行而没有虚拟刚体44的视觉或图形表示。虚拟仿真42不必要在视觉上显示虚拟刚体44的动态(比如图7中所示出的)。换言之，虚拟刚体44不需要在处理单元上执行的图形应用内模拟。在一些情况下，追踪到实际工具30的虚拟工具的运动可以在手术位置处显示，以在手术操作过程中提供视觉辅助。然而，在这些情况下，显示的工具不直接是虚拟仿真42的结果。

基于虚拟仿真42而获知了虚拟刚体44的第二姿态，控制器40于是根据虚拟仿真42指令关节22的动作。即，控制器40将笛卡尔空间中的虚拟刚体44的动态进行转换，以指引操纵器14的运动并控制工具30在关节空间中的取向。导致第二姿态的力被施加到雅克比计算器，其计算将笛卡尔空间内的运动与关节空间内的运动联系起来的雅克比矩阵。

在一个实施方式中，如图6中所示，控制器40配置成确定合适的关节角，以基于虚拟仿真42的输出指令关节22。即，控制器40响应于输入力为每个关节22计算指令关节角。

从这里开始，控制器40调节每个关节22的关节角并继续调节每个关节电机24输出的扭矩，以尽可能接近地确保关节电机24将相关联的关节22驱动到指令关节角。为了确定反向驱动扭矩，控制器40使用逆动力学模块确定针对每个关节22的期望关节扭矩“τ_expected”。如果不存在外力和扭矩，则该期望关节扭矩是关节电机24应该输出的扭矩。因此，该期望关节扭矩与计算的每个关节22的关节角、关节速度和关节加速度有关。

控制器40配置成向每个关节电机24施加信号，以使得每个关节电机24将相关联的关节22驱动到指令关节角。控制器40可以使用任何合适的位置控制算法，用于基于指令关节角控制关节22的定位。控制器40可以仅为那些活性关节22(即那些期望基于虚拟仿真42的输出而运动的关节)产生指令关节角。

在一些实施方式中，如图5中所示，控制器40单独为每个关节22(例如每一个活性关节)形成指令关节角。例如，关节22可以被认为是连续的，使得首先为J1形成指令关节角，最后为J6形成指令关节角，反之亦然。

当关节电机24被供电以将关节驱动到指令关节角时，操纵器14经历动态运动，正如由图6中的“机器人动态”框图表示的。控制器40配置成监视至少一个关节22的指令动作和至少一个关节22的实际动作。更具体地，控制器40监视期望关节扭矩并将其与所述至少一个关节22的实际(测量到的)关节扭矩“τ_actual”进行比较。

可以使用关节电机24处的扭矩传感器28来确定实际关节扭矩。替代性地，控制器40配置成在关节22定位过程中测量由至少一个关节电机24消耗的电流。因为扭矩直接与电流消耗相关，所以控制器40可以分析测量到的关节电机24的电流消耗，以确定关节22的实际关节扭矩。可以使用任何合适的感测技术来测量电流消耗。例如，可以在电源与关节电机24之间设置电流传感器。与电流感测相关联的反馈可以直接由控制器40实施或者与控制器40分离。在计算电流消耗时控制器40可以考虑重力的影响。

期望关节扭矩可以不对应于实际关节扭矩。主要地，关节22可能承受外力。这些外力可以由用户向一个或多个连结件20施加力而引起。替代性地，操纵器14与物体或障碍物之间的碰撞可能造成这些外力。本领域技术人员会意识到其他情形也可以造成这些外力。这些外力导致实际关节扭矩与期望关节扭矩存在偏差。操纵器14对施加到臂18的外力做出响应的能力在这里称作“反向驱动能力”。当在基部16与臂的远端之间向臂18施加外力时操纵器14可以被反向驱动。因此，反向驱动控制不同于基于由力-扭矩传感器34感测到的输入力的控制。

应该澄清的是，虽然如这里所述的外力可以源于周围的物体或条件(例如操纵人员相互影响、碰撞等)，但是周围物体(例如操作人员)本身不会在物理上直接使操纵器14运动到预期的位置。相反，在这里描述的许多实施方式中，对外力进行计算和模拟，以获得使操纵器14运动所需的指令和动作，从而从表面上看好像是周围物体本身在物理上直接使操纵器14运动，而实际上不是这样。因此，在利用该系统10和方法的情况下，可以说操作器14的所有动作是期望的，因为操纵器14的所有动作是经过计算的。

如图6中所示，控制器40将至少一个关节22的期望关节扭矩与实际关节扭矩进行比较，以确定关节扭矩差Δτ。在一个实施方式中，任意给定关节“i”的关节扭矩差计算如下：

[1]Δτ_i＝τ_expected-τ_actual

关节扭矩差可以理解为是过剩的关节扭矩。在一些实施方式中，控制器40将每个关节22的期望关节扭矩与实际关节扭矩进行单独比较。例如如上所述，可以一次一个连续地对每个关节22的指令关节扭矩和实际关节扭矩进行比较。一个关节22或多个关节22可以存在关节扭矩差。同样地，该步骤可以在1DOF中执行。

获知了关节扭矩差，控制器40配置成确定施加到至少一个关节22的外力。控制器40将每个关节的关节扭矩差(如果存在的话)转换成施加到虚拟质量的6DOF力/扭矩矢量。换言之，造成关节扭矩差的外力被转换到笛卡尔空间中且在虚拟仿真42中被考虑。虚拟刚体44的动态被模拟，以基于外力做出反应。

控制器40配置成除了输入力之外通过进一步将确定的外力考虑在内而如上所述以虚拟仿真重新模拟工具30的动态。换言之，将过剩的关节扭矩转换成与使用力-扭矩传感器34的导纳控制器相容的力。类似地，控制器40配置成根据考虑了输入力和外力的虚拟仿真42重新指令关节22到达所需姿态的动作。

正如所描述的，控制器40配置成直接从关节扭矩差确定施加到至少一个关节22的外力。上述的技术考虑了外力，但是可能导致未预料到的关节运动。主要地，直接从关节扭矩差确定外力没有完全捕捉到相对于操纵器14施加的外力的位置，因为在关节空间中没有将外力分解。换言之，控制器40没有意识到外力是在哪里施加在操纵器14上的。

图8和9是示出了在仅基于关节扭矩差直接确定外力的情况下关节运动的图表。在图8中，将-1.5Nm的关节扭矩差施加到J2。然而，J3和J5响应于该扭矩差意外地运动。因此，两个其他关节(即：J3和J5)运动，尽管只有J2是经历了来自于外力的扭矩变化的关节。类似地，在图9中，将-0.5Nm的关节扭矩差施加到J2和J3。J2响应于该扭矩差在错误的方向上运动，且J5意外地运动。换言之，另一个关节(即：J5)运动，尽管只有J2和J3是经历了来自于外力的扭矩变化的关节。此外，经历了来自于外力的扭矩变化的其中一个关节(J2)对外力做出相反响应。

III.反向驱动方法综述

该部分中描述的机器人系统10和方法通过提供反向驱动技术对上述技术进行了改进，该反向驱动技术是通过将关节空间内施加的外力进行分解以完全地捕捉相对于操纵器14的外力的位置来导致可预测的关节运动。该系统10和方法在图6中的块48处实施该改进的反向驱动方法。本质上，下面描述的该方法提供了与如何计算外力有关的加强措施。

图10示出了可计算流程图，其示出了下面所述的反向驱动方法的输入和输出。正如在步骤60处示出的，如上所述为每个单独的关节“i”计算关节扭矩差Δτ_i。同样地，关节扭矩差是在1DOF中计算的。

接下来，在块62处，控制器40确定虚拟质量关于至少一个关节22的惯量，更具体地是关于所述至少一个关节22的轴线的惯量。在一个实施方式中，控制器40单独确定虚拟质量针对每一个关节22的惯量。同样地，每个关节的惯量可以在1DOF中计算。为了概念化该步骤，图7示出了单独考虑的虚拟质量针对一个关节(即J1)的惯量之间的关系。然而，虚拟质量关于任意给定的关节的惯量表述如下：

[2]I_i＝I_vm+m_vmR²

在等式[2]中，I是虚拟质量关于关节i的惯量，m_vm、I_vm是虚拟刚体44的质量和关于关节i的轴线的惯量，正如由质量/惯性矩阵定义的，R是关节的轴线A与虚拟质量之间的半径。

虚拟质量关于每个关节的惯量可以替代性地表示为虚拟质量关于关节轴线i的有效惯量，总体表示如下：

[3]I_i＝J^TM_vmJ

更具体地表示如下：

[4]

在等式[4]中，

是将虚拟质量运动中的变化映射到关节角中的变化的雅可比转置矩阵，M_vm是如由质量/惯性矩阵定义的虚拟刚体44的质量，

是将关节角中的变化映射到虚拟质量运动中的变化的雅可比矩阵。在等式[3]和[4]中，M以大写字母表示是一矩阵，不是标量(正如等式[2]中的一样)。等式[3]和[4]用于从6DOF J和6DOF M_vm计算1DOF惯量I_eff。使用雅克比矩阵和6DOF M_vm比在等式[2]中计算关于任意轴线的1DOF I_vm更方便，且等式[2]可以很难。

在步骤64处，控制器40配置成使用关节扭矩差和惯量计算关于至少一个关节22的角加速度

在图7中示出了关于J1的轴线A1的角加速度

在一个实施方式中，控制器40在1DOF中计算关于每个关节i的角加速度

换言之，控制器40使用过剩扭矩确定关节角加速度。将对于给定关节i的关节扭矩差Δτ_i和惯量I_i输入到下面的等式中，使得可以将角加速度

计算如下：

[5]

在步骤66处，控制器40配置成将与每个关节22相关的角加速度投射到虚拟质量中。与在1DOF中执行可计算步骤的先前步骤不同，控制器40优选地使用组合的关节22将角加速度投射到虚拟质量中。主要地，控制器将多个关节22的角加速度结合在多DOF或6DOF中。

通过投射角加速度，控制器40在步骤68处获得虚拟质量在多DOF或6DOF中的加速度

图7在概念上示出了根据一个实施方式的虚拟质量的加速度

控制器40通过将来自于关节空间的关节角信息投射到笛卡尔空间中的虚拟质量运动中来获得虚拟质量的加速度。更具体地，在多DOF或6DOF中的虚拟质量的加速度是从在1DOF中针对每个关节计算的角加速度获得的。

在一个示例中，虚拟质量的加速度计算如下，其中

是虚拟质量的加速度，

是将关节角中的变化映射到虚拟质量运动中的变化的雅可比矩阵，

是关于每个关节i的角加速度：

[6]

以不同的方式来理解，控制器将每个关节22的指令关节角与实际关节角进行比较，以确定1DOF中每个关节22的关节角差。控制器40还将每个关节22的虚拟质量的第一运动与虚拟质量的第二运动进行比较，以确定1DOF中每个关节22的运动差。然后控制器40在雅克比矩阵中将每个关节的关节角差和每个关节的运动差映射在多DOF或6DOF中，以在多DOF或6DOF中获得虚拟质量的加速度

在步骤70处，控制器40将多DOF或6DOF中的虚拟质量的加速度

输入到在多DOF或6DOF中限定虚拟质量的质量/惯性矩阵中。质量/惯性矩阵用于确定在多DOF或6DOF中施加到虚拟质量的力/扭矩，以产生与计算的加速度

对应的外力。6DOF力/扭矩矢量是通过6DOF质量矩阵M_vm与6DOF加速度矢量的乘积计算的，使得

其中F_VM与V_MF相同。

在步骤72处，外力VM_F计算为将多DOF或6DOF中的虚拟质量的加速度

输入到质量/惯性矩阵中的输出。如上所述，控制器40在下文中响应于来自于力-扭矩传感器或关节22的外力和输入力(如果存在)、以虚拟仿真42模拟工具30的动态。控制器40根据考虑了外力和输入力(如果存在的话)的虚拟仿真42重新指令关节22到达期望姿态的动作。

在一个实施方式中，力加法器将外力和输入力相加，然后控制器40可以基于求和后的合力F_total通过解

来得到

来计算工具30的指令位置。在解出了加速度

后，可以将

积分两次以计算下一个指令位置。将笛卡尔空间中的指令位置转换到关节空间中的指令关节角。

系统10和方法可以将这里描述的反向驱动技术用于多个不同的应用或情况。在一个示例中，机器人系统10的用户可以通过向手术工具30施加力和通过向任何给定的关节22或连结件22施加外力来反向驱动操纵器14来控制操纵器14。这可以使用户非常容易地定位操纵器14。这种应用在将操纵器14装配在工作位置上时尤其有用。在其他情况下，用户可以施加外力，同时在精细定位过程中控制操纵器14，以便为了舒适性或空间考虑而重新定位一个或多个连结件22。在任一种情形中，控制器40在向操纵器14发出指令时均考虑了施加的外力，使得操纵器的完全反向驱动控制成为可能。

替代性地，通过在虚拟仿真中考虑施加的外力，系统10和方法可以对操纵器14与操纵器14附近的物体或者与操纵器14的运动路径干涉的物体之间的不期望碰撞做出反应。在这些情况下，可能不期望使操纵器14能够对外力做出反应。因此，在这些情况下，控制器40考虑了施加的外力，但是可以使外力无效或者作为防范完全停止操纵器14。

在其他示例中，可以在手动操作模式中使用反向驱动技术。在手动模式中，操作人员手动指引工具30的运动并且操纵器14控制工具30的运动。操作人员物理接触工具30以使工具30运动。操纵器14使用力-扭矩传感器34监视放置在工具30上的力和扭矩。操作人员可以反向驱动任何给定的关节同时控制器40响应于由力-扭矩传感器34检测到的力和扭矩控制操纵器14。

在另一种应用中，操纵器14在自主操作模式中指引工具30的自主运动。这里，操纵器14能够使工具30在没有操作人员辅助的情况下运动。没有操作人员辅助意味着操作人员没有物理接触工具30以施加力来使工具30运动。相反，操作人员可以使用某种控制形式来远程管理运动的启动和停止。例如，操作人员可以按下远程控制按钮来启动工具30的运动以及松开该按钮来停止工具30的运动。

在一种情况下，工具30的定位可以在自主模式中保持在工作位置上。然而，操作人员可能想要对工具30进行重新定向。在保持位置的同时工具30的重新定向可以进一步需要对下游连结件20进行重新定向。可以使用这里所述的反向驱动技术来考虑施加到连结件20的外力，以在自主模式中对工具30进行重新定向。本领域技术人员将会意识到，各种其他应用或情况可以使用这里所述的反向驱动技术。

该部分中描述的反向驱动技术考虑了外力相对于操纵器14的位置。通过将关节空间中的外力分解到每个单独的关节，该方法在虚拟仿真42中考虑了施加的外力的位置。这样，当控制器40通过考虑外力而对操作器14发出指令时，操作器14的关节22呈现可预测的运动。操纵器14的动态行为变得更可预测，从而增加了操纵器14的稳健性和可控性。使用前面提到的技术，系统10和方法有利地将关节扭矩转换成与同一导纳控制器40相容的外力，所述导纳控制器40与提供输入力的力-扭矩传感器34一起使用。同时，通过为每个关节22单独实施该方法的步骤，得到的操作器14的运动是自然的且模仿了阻抗控制机器人的运动。

为了概念化该改进的行为，图11示出了处于第一姿态(以实线示出)的操作器14的侧视图。外力施加到关节J2。系统10和方法执行前面提到的步骤，以在虚拟仿真42中有效地补偿外力。控制器40指令关节J2到达期望的第二姿态(以虚线示出)的动作。与图11中的操纵器14的运动相关的图12是示出了使用在该部分中描述的步骤确定了外力的情况下的关节运动的图表(与示出了在仅基于关节扭矩差确定外力的情况下的关节运动的图8进行比较)。在图11中，向J2施加-1.5Nm的关节扭矩差。出于比较的目的，这与图8中向J2施加的关节扭矩差相同。作为响应，仅关节J2运动(正如也在图11中示出的)。与图8中的关节不同的是没有其他关节意外地运动。换言之，其他关节(例如J3和J5)没有运动，因为只有J2是经历了来自于外力的扭矩变化的关节。回到图11，操纵器14的运动与图12的结果一致，其中仅关节J2对外力做出响应。

图13使用实线示出了处于第一姿态中的操纵器14的侧视图。在该示例中，将外力施加到J2和J3。系统10和方法执行之前提到的步骤，以在虚拟仿真42中有效地补偿外力。控制器40在施加的扭矩的方向上指令关节J2和J3到达所需第二姿态(以虚线示出)的动作。与图13中操纵器14的运动对应的图14是示出了在使用该部分中所述的步骤确定了外力的情况下关节运动的图表(与示出了在仅基于关节扭矩差确定外力的情况下的关节运动的图9进行比较)。在图13中，向J2和J3施加-0.5Nm的关节扭矩差。出于比较的目的，这与图9中向J2和J3施加的关节扭矩差相同。作为响应，仅关节J2和J3运动。与图9中的关节不同的是没有其他关节意外地运动且没有关节在错误的方向上运动。换言之，其他关节(例如J5)没有运动，因为只有J2和J3是经历了来自于外力的扭矩变化的关节。此外，J2和J3在施加的扭矩的方向上运动(不是在其他方向)。回到图13，操纵器14的运动与图13的结果一致，其中仅关节J2和J3对外力做出响应。

已经在前面的描述中讨论了多个实施方式。然而，这里讨论的这些实施方式并不旨在是排除性的或者将本发明限定到任何特定的形式。已经使用的术语旨在是具有描述的文字的性质而不构成限定。根据上面的教导许多修改和变型是可行的，本发明可以以除了如具体描述的方式之外的其他方式实施。

从详细的说明中本发明的许多特征和优点是显而易见的，因此其旨在由所附的权利要求覆盖所有这些落入本发明真实精神和范围内的本发明的特征和优点。此外，因为对于本领域技术人员来说许多修改和变型是容易的，所以不需要将本发明限定到图示和描述的精确结构和操作，因此，可以采取落入本发明范围内的所有合适的修改和等效方式。

Claims (21)

1.一种机器人系统，包括：

工具；

操纵器，所述操纵器支撑所述工具且包括多个关节和多个关节致动器；以及

控制器，所述控制器与所述操纵器通讯、且配置成通过将所述工具表示为具有虚拟质量的虚拟刚体以虚拟仿真来模拟所述工具的动态，所述虚拟质量具有关于所述多个关节中的至少一个关节的惯量；

所述控制器配置成：(1)确定所述至少一个关节的期望关节扭矩，(2)将所述期望关节扭矩与所述至少一个关节的实际关节扭矩进行比较来确定关节扭矩差，(3)确定所述虚拟质量关于所述至少一个关节的所述惯量，(4)使用所述关节扭矩差和所述惯量来计算关于所述至少一个关节的角加速度，(5)将该角加速度投射到所述虚拟质量来确定外力，(6)响应于所述外力以所述虚拟仿真来模拟所述工具的动态，以及(7)根据所述虚拟仿真来指令所述关节致动器的动作。

2.根据权利要求1所述的机器人系统，其中所述控制器还配置成：(1)确定所述期望关节扭矩，(2)将所述期望关节扭矩与所述实际关节扭矩进行比较，(3)确定所述虚拟质量的所述惯量，以及(4)为每个所述关节单独地计算所述角加速度。

3.根据权利要求1所述的机器人系统，其中所述控制器还配置成：(5)将所述角加速度投射到所述虚拟质量，以及(6)通过结合使用所述多个关节来模拟所述工具的动态。

4.根据权利要求1所述的机器人系统，其中所述控制器还配置成：(5)将所述角加速度投射到所述虚拟质量，以通过结合所述多个关节的所述角加速度来确定所述外力来获得所述虚拟质量在六个自由度中的加速度。

5.根据权利要求4所述的机器人系统，其中所述控制器还配置成通过将每个所述关节的指令关节角与实际关节角进行比较以确定每个所述关节的关节角差来获得所述虚拟质量的所述加速度。

6.根据权利要求5所述的机器人系统，其中所述控制器还配置成通过将每个所述关节的所述虚拟质量的第一运动与所述虚拟质量的第二运动进行比较以确定每个所述关节的运动差来获得所述虚拟质量的所述加速度。

7.根据权利要求6所述的机器人系统，其中所述控制器还配置成通过在雅克比矩阵中映射每个所述关节的所述关节角差以及每个所述关节的所述运动差来获得所述虚拟质量的所述加速度。

8.根据权利要求4-7中任一项所述的机器人系统，其中所述控制器还配置成：(5)通过将六个自由度中的所述虚拟质量的所述加速度输入到限定六个自由度中的所述虚拟质量的质量/惯性矩阵中来确定所述外力而将所述角加速度投射到所述虚拟质量以确定所述外力。

9.根据权利要求1-7中任一项所述的机器人系统，还包括用于感测施加到所述工具的输入力的力-扭矩传感器。

10.根据权利要求9所述的机器人系统，其中所述控制器还配置成响应于所述输入力和所述外力两者以所述虚拟仿真重新模拟所述工具的动态、且根据考虑了所述输入力和所述外力两者的所述虚拟仿真来重新指令所述关节致动器的动作。

11.一种操作机器人系统的方法，所述机器人系统包括工具、支撑所述工具且包括多个关节和多个关节致动器的操纵器、以及与所述操纵器通讯的控制器，虚拟仿真将工具表示为具有虚拟质量的虚拟刚体，所述虚拟质量具有关于至少一个关节的惯量，所述方法用于实施非手术程序并且包括使控制器：

确定所述至少一个关节的期望关节扭矩；

将所述至少一个关节的所述期望关节扭矩与实际关节扭矩进行比较来确定关节扭矩差；

确定虚拟质量关于所述至少一个关节的惯量；

使用关节扭矩差和惯量来计算关于所述至少一个关节的角加速度；

将角加速度投射到虚拟质量以确定外力；

响应于所述外力以虚拟仿真模拟所述工具的动态；以及

根据虚拟仿真指令关节致动器的动作。

12.根据权利要求11所述的方法，其中确定期望关节扭矩、将期望关节扭矩与实际关节扭矩进行比较、确定虚拟质量的惯量、以及计算角加速度的步骤均是针对每个所述关节单独执行的。

13.根据权利要求11所述的方法，其中将角加速度投射到虚拟质量以及模拟工具的动态的步骤均是通过结合使用所述多个关节来执行的。

14.根据权利要求11所述的方法，其中将角加速度投射到虚拟质量以确定外力的步骤还包括结合所述多个关节的角加速度来获得虚拟质量在六个自由度中的加速度。

15.根据权利要求14所述的方法，其中获得虚拟质量的加速度的步骤还包括将每个关节的指令关节角与实际关节角进行比较以确定每个关节的关节角差。

16.根据权利要求15所述的方法，其中获得虚拟质量的加速度的步骤还包括将每个关节的虚拟质量的第一运动与虚拟质量的第二运动进行比较以确定每个关节的运动差。

17.根据权利要求16所述的方法，其中获得虚拟质量的加速度的步骤还包括在雅克比矩阵中映射每个关节的关节角差和每个关节的运动差。

18.根据权利要求14-17中任一项所述的方法，其中将角加速度投射到虚拟质量以确定外力的步骤还包括将六个自由度中的虚拟质量的加速度输入到限定六个自由度中的虚拟质量的质量/惯性矩阵中来确定所述外力。

19.根据权利要求11-17中任一项所述的方法，还包括从力-扭矩传感器感测施加到工具的输入力的步骤。

20.根据权利要求19所述的方法，还包括响应于输入力和外力两者利用控制器以虚拟仿真重新模拟工具的动态的步骤以及根据考虑了输入力和外力两者的虚拟仿真重新指令关节致动器的动作的步骤。

21.一种反向驱动机器人系统的方法，所述机器人系统包括工具、支撑所述工具且包括多个关节和多个关节致动器的操纵器、以及与所述操纵器通讯的控制器，虚拟仿真将所述工具表示为具有虚拟质量的虚拟刚体，所述虚拟质量具有关于每个关节的惯量，所述方法用于实施非手术程序并且包括使控制器：

单独确定每个关节的期望关节扭矩；

将每个关节的所述期望关节扭矩与实际关节扭矩进行比较来单独确定关节扭矩差；

单独确定虚拟质量关于每个关节的惯量；

使用关节扭矩差和惯量单独计算关于每个关节的角加速度；

结合使用所述多个关节的角加速度来获得虚拟质量在多于一个的自由度中的加速度；

在多于一个的自由度中将所述角加速度投射到所述虚拟质量以确定外力；

响应于所述外力以虚拟仿真模拟所述工具的动态；以及

根据虚拟仿真指令关节致动器的动作。

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