CN111655185A - 机器人臂的主动反向驱动 - Google Patents

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Abstract

一种机器人外科系统包括：至少一个机器人臂，该至少一个机器人臂包括至少一个活动关节和被配置为驱动该至少一个活动关节的致动器；和控制器，该控制器被配置为生成第一信号，该第一信号包括具有第一频率的第一振荡波形并且由具有第二频率的第二振荡波形调制，其中第二频率高于第一频率。该致动器被配置为基于第一信号驱动至少一个活动关节，以至少部分地补偿该至少一个活动关节中的摩擦。

Description

机器人臂的主动反向驱动
技术领域
本发明整体涉及机器人外科手术的领域，并且更具体地，涉及用于协助机器人臂的反向驱动的新的和有用的系统和方法。
背景技术
微创外科手术(MIS)诸如腹腔镜式外科手术涉及旨在外科规程期间减少组织损伤的技术。例如，腹腔镜式手术通常涉及在患者体内(例如，在腹腔中)形成多个小切口，并且通过切口将一个或多个外科手术器械(例如，端部执行器、至少一个摄像机等)引入到患者体内。然后可使用引入的外科手术器械执行外科手术规程，其中可视化辅助由摄像机提供。
一般来讲，MIS提供多种有益效果，诸如减少患者瘢痕、减轻患者疼痛、缩短患者恢复期并且降低与患者恢复相关联的医疗费用。在一些实施方案中，MIS可用机器人系统来执行，该机器人系统包括用于基于来自操作者的命令操纵外科手术器械的一个或多个机器人臂。例如，机器人臂可在其远侧端部处支撑各种装置，诸如外科手术端部执行器、成像装置、用于提供进入患者的体腔和器官的插管等。机器人臂和外科手术器械可控制用于执行微创外科手术。
通常，机器人外科系统中的机器人臂包括使机器人臂能够运动的一个或多个关节。例如，至少一个关节可由包括马达、齿轮系、一个或多个传感器等的致动器组件驱动。此外，致动器组件可以被反向驱动，诸如由于用户对机器人臂施加手动推力以重新定位机器人臂的关节和/或其他关节。然而，由于因素诸如齿轮系中的高齿轮比和/或交接机械部件之间的高摩擦，机器人臂中的一个或多个关节可在被反向驱动时经历高摩擦，从而需要较大力来克服高摩擦并反向驱动致动器组件。例如，这可使用户难以手动重新定位臂。因此，期望具有用于协助机器人臂的反向驱动的系统和方法。
发明内容
一般来讲，在一些变型形式中，一种用于协助具有至少一个活动关节的机器人外科臂的运动的方法可包括：生成调制信号，该调制信号包括具有第一频率的第一振荡波形并且由具有第二频率的第二振荡波形调制；以及基于调制信号驱动至少一个活动关节中的致动器，以至少部分地补偿至少一个活动关节中的摩擦。第二频率可高于第一频率。此外，该方法可包括：检测至少一个活动关节的运动；生成不同于调制信号的第二信号；以及基于第二信号驱动至少一个活动关节中的致动器，以至少部分地补偿关节中的摩擦。
此外，一般来讲，在一些变型形式中，机器人外科系统可包括：至少一个机器人臂，该至少一个机器人臂包括至少一个活动关节和被配置为驱动至少一个活动关节的致动器；和控制器，该控制器被配置为生成调制信号，其中该致动器被配置为基于调制信号驱动至少一个活动关节，以至少部分地补偿至少一个活动关节中的摩擦。调制信号可包括具有第一频率的第一振荡波形并且由具有第二频率的第二振荡波形调制，其中第二频率高于第一频率。在一些变型形式中，该系统可包括至少一个传感器，该至少一个传感器被配置为检测至少一个活动关节的运动。在检测到关节运动时，控制系统可被配置为生成不同于调制信号的第二信号，并且致动器可被配置为基于第二信号驱动至少一个活动关节，以至少部分地补偿关节中的摩擦。
调制信号的第一振荡波形和/或第二振荡波形可以是例如正弦波。在一些变型形式中，第一振荡波形的第一频率可介于约1Hz和约5Hz之间(例如，约2Hz)。第二振荡波形的第二频率可小于或等于约200Hz(例如，约100Hz)。第一信号和/或第二信号可为基于动态摩擦模型(例如，库仑摩擦模型、粘性摩擦模型)的，使得例如第二信号可与至少一个活动关节的速度大致成比例，以继续至少部分地补偿关节中的摩擦。
在一些变型形式中，还可驱动致动器以至少部分地补偿作用在至少一个活动关节上的重力。在这些变型形式中，可以并发执行摩擦补偿和重力补偿以协助用户容易地操纵臂(例如，用户期望手动操纵机器人臂，暂时离开机器人臂，并且继续手动操纵机器人臂)，而没有由重力和/或机器人臂内的摩擦引起的复杂性。
附图说明
图1A示出具有机器人外科系统和外科医生控制台的操作室布置的示例。图1B是在机器人臂上的器械驱动器的一个示例性变型形式的示意图。
图2A是在联接到患者台的机器人臂上的器械驱动器的另一个示例性变型形式的示意图。图2B是用于控制机器人臂的示例性变型形式的关节模块的致动的示例性控制系统设置的概要示意图。
图3是用于协助机器人臂的运动(例如，反向驱动)的控制系统的示例性变型形式的示意图。
图4示出将摩擦力F描述为与另一个物体接触的运动物体的相对速度V的函数的示例性摩擦模型。
图5是一种用于用摩擦补偿协助机器人臂的运动的方法的示例性变型形式的流程图。
图6A和图6B示出在摩擦补偿模式的一个变型形式中的示例性调制信号，该示例性调制信号可在关节基本上不移动时用于控制机器人臂中的活动关节中的致动器。
图7示出第二信号的示例性变型形式，该第二信号可在确定活动关节正在移动之后用于控制机器人臂中的活动关节中的致动器。
具体实施方式
本发明的各方面和变型形式的示例在本文中进行描述并示出于附图。以下描述不旨在将本发明限制于这些实施方案，而是允许本领域的技术人员来制作和使用本发明。
机器人外科系统概述
一般来讲，如图1A所示，机器人系统150可包括位于外科平台(例如，台、床、手推车等)处的一个或多个机器人臂160，其中端部执行器或外科工具附接到机器人臂160的远侧端部以用于执行外科手术规程。例如，如图1B的示例性示意图所示，机器人系统150可包括联接到外科平台的至少一个机器人臂160、以及通常附接到机器人臂160的远侧端部的器械驱动器170。联接到器械驱动器170的端部的插管180可接收并引导外科手术器械190(例如，端部执行器、摄像机等)。此外，机器人臂160可包括多个连杆，这些连杆被致动以便对器械驱动器170进行定位和取向，该器械驱动器致动外科手术器械190。无菌盖布152或其他无菌屏障可插置在非无菌部件(例如，机器人臂160和器械驱动器170)和无菌部件(例如，插管180)之间，以帮助为患者保持无菌区(例如，免受非无菌部件的污染)。
用户(诸如外科医生或其他操作者)可使用用户控制台100来远程操纵机器人臂160和/或外科手术器械(例如，远程操作)。用户控制台100可与机器人系统150位于相同的操作室中，如图1A所示。在其他实施方案中，用户控制台100可位于相邻的或附近的房间中，或者从不同的建筑物、城市或国家等的远程位置进行远程操作。
在一个示例中，用户控制台100包括座位110、用脚操作的控件120、一个或多个手持用户界面装置122和至少一个用户显示器130，该用户显示器被配置为显示例如在患者内的外科手术部位的视图。例如，位于座位110中并且观看用户显示器130的用户可操纵用脚操作的控件120和/或手持用户界面装置122来远程地控制机器人臂160和/或外科手术器械。
在示例性规程或外科手术期间，患者准备就绪并且以无菌方式被覆盖，并且实现麻醉。可执行对手术部位的初始进入(例如，利用患者体内的切口)。一旦完成进入，可执行机器人系统的初始定位和/或准备。在外科手术规程期间，用户控制台100中的外科医生或其它用户可利用用脚操作的控件120和/或用户界面装置122来操纵各种端部执行器和/或成像系统以执行规程。还可由着无菌手术服的人员在操作台处提供手动协助，这些人员可执行的任务包括但不限于使器官回缩，或者执行涉及一个或多个机器人臂160的手动重新定位或工具更换。还可以存在非无菌人员以在用户控制台100处协助外科医生。当规程或外科手术完成时，机器人系统150和/或用户控制台100可以被配置或设置为处于某状态以便于一个或多个操作后规程，包括但不限于机器人系统150清洁和/或灭菌、和/或诸如经由用户控制台100来进行的保健记录输入或打印输出(无论是电子的还是硬拷贝的)。
在图1A中，机器人臂160被示出为具有桌上安装系统，但在其它实施方案中，机器人臂可被安装在手推车、天花板或侧壁、或其它合适的支撑表面中。在机器人系统150、用户控制台100与任何其它显示器之间的通信可经由有线和/或无线连接。任何有线连接可任选地内置于地板和/或墙壁或天花板中。在用户控制台100与机器人系统150之间的通信可以是有线和/或无线的，并且可以是专有的和/或使用各种数据通信协议中的任何一种来执行的。在另外的其它变型形式中，用户控制台100不包括集成显示器130，但是可提供可以连接到一个或多个通用显示器的输出的视频输出，包括可经由互连网或网络访问的远程显示器。视频输出或馈送还可以被加密以确保隐私，并且全部或部分视频输出可以被保存到服务器或电子保健记录系统。
在其它示例中，可提供附加用户控制台100，例如以控制附加外科手术器械，和/或控制在主用户控制台处的一个或多个外科手术器械。例如，这将允许外科医生在外科手术规程期间与医学生和培训医师接管或说明技术，或者在需要多个外科医生同时或以协调方式进行的复杂手术期间进行协助。
机器人臂
一般来讲，如上所述，机器人外科系统中的一个或多个机器人臂可以位于外科平台(诸如台、床、手推车等)处。例如，如图2A所示，机器人臂200的一个示例性变型形式可以经由联接装置260联接到台250。联接装置260可以使机器人臂200能够相对于台250的表面侧向地枢转或移动(页面中和页面外，如图2A的取向所示)。例如，联接装置260可包括联接到台250的销252、以及可旋转地联接到销252以便形成枢转关节或销关节的联接连杆L0。联接装置260还可包括致动器(例如，马达和齿轮系)，该致动器被配置为使机器人臂200能够相对于台250经由围绕销252的可致动关节进行动力运动。联接装置260可包括至少一个位置传感器，诸如联接到联接装置260中的致动器的编码器、或另一个合适的角度传感器，该至少一个位置传感器被配置为测量机器人臂200相对于台250的位置或取向。此外，在一些变型形式中，一个或多个制动器可以包括在联接装置260中，以便选择性地止动机器人臂200相对于台250的相对运动。
虽然本文主要将机器人臂200描述为经由可枢转的联接装置联接到台250，但是应当理解，在其他变型形式中，附加地或另选地，机器人臂200可以用其他类型的机构联接到患者台，该机构包括但不限于促进纵向或侧向运动的机构，诸如轨道、销槽对或其他合适的机构。此外，本文所述的方法可用于协助反向驱动机器人臂的其他变型形式(例如，不同结构、到表面的不同联接装置等)。
机器人臂200可包括多个连杆(臂节段)和驱动或调节相邻连杆之间的相对运动的多个致动关节模块。每个关节模块可包括致动器、齿轮系(例如，谐波驱动器)、编码器、扭矩传感器、力传感器、和/或用于移动臂连杆的其他合适的致动器、传动装置等，和/或用于检测位置反馈和/或扭矩反馈的合适的传感器。例如，此类反馈可用于向操作机器人臂的控制方案中提供输入。一个或多个关节模块可包括一个或多个制动器(例如，鼓式制动器)，该一个或多个制动器可以止动相邻连杆的相对运动和/或保持或锁定相邻连杆的相对位置，诸如用于将机器人臂保持在特定姿势或构型。
如图2A所示，机器人臂200的一个示例性变型形式可包括机器人臂200中的至少七个关节模块致动关节J1至J7，其中J1至J7包括枢转关节和/或滚轧关节。J1可实现第一连杆L1和第二连杆L2之间的相对枢转运动。J2可实现第二连杆L2和第三连杆L3之间的相对滚轧运动。J3可实现第三连杆L3和第四连杆L4之间的相对枢转运动。J4可实现第四连杆L4和第五连杆L5之间的相对滚轧运动。J5可实现第五连杆L5和第六连杆L6之间的相对枢转运动。J6可实现第六连杆L6和第七连杆L7之间的相对滚轧运动。J7可实现第七连杆L7和第八连杆L8之间的相对枢转运动。例如，在一些变型形式中，枢转关节J1、J3、J5和J7与滚轧关节J2、J4和J6的组合可以使机器人臂能够具有至少七个自由度并且能够移动成包括本文所述的那些的各种构型。然而，应当理解，图2所示的机器人臂仅是示例性的，并且本文所述的方法可用于控制任何合适类型的机器人臂。机器人臂的其他示例性变型形式在2017年9月15日提交的名称为“ROBOTICARMS”的美国专利申请序列号15/706,536中有所描述，该申请全文以引用方式并入本文。
控制系统
在一些变型形式中，机器人臂通常可由支配机器人臂的动作的控制系统控制。如果机器人辅助的外科系统包括多于一个机器人臂，则控制系统可控制多个机器人臂。例如，如图2B所示，该控制系统可包括一个或多个处理器220(例如，微处理器、微控制器、专用集成电路、现场可编程门阵列和/或其他逻辑电路)。处理器220(该处理器可以位于机器人臂自身上、位于车载单元或其他合适的结构中)可以通信地链接到控制台210(例如，用户界面)。处理器220可被配置为执行用于执行本文所述的方法的各方面的任何组合和/或方法的组合的指令。控制系统还可包括一组一个或多个马达控制器(例如，230a-230g)，每个马达控制器通信地耦接到处理器220并且专用于控制和操作机器人臂中的相应关节模块中的至少一个致动器(例如，240a-240g)。
在一些变型形式中，控制系统可被配置为生成至少一个调制信号以用于控制机器人臂中的关节模块的运动。例如，机器人臂中的至少一个致动器可被配置为根据调制信号驱动相应活动关节(例如，在该相应活动关节上施加第一负载)，以至少部分地补偿活动关节中的摩擦。调制信号可包括具有第一频率的第一振荡波形并且由具有第二频率的第二振荡波形调制，其中第二频率高于第一频率。在一些变型形式中，第一振荡波形的第一频率可为至少部分地基于响应于检测到机器人臂中的活动关节上的外力(例如，用户施加的力)的期望提示的。第二振荡波形(该第二振荡波形可具有用于将调制信号的量值增加到合适的水平(例如，以用于帮助外力克服摩擦)的振幅)可具有至少部分地被选择以避免生成可听见的哼唱的第二频率。例如，第一振荡波形可具有介于约1Hz和约5Hz之间的频率，并且第二振荡波形可具有小于或等于约200Hz的频率。在其中例如第一振荡波形的频率为约2Hz的变型形式中，当调制信号处于其最大量值并且在用户正在推动关节的相同方向上驱动关节模块致动器时，每秒存在约两次。因此，当调制信号最有可能成功地协助用户移动关节时，通常每秒存在约两次。此外，如本文进一步所述，附加地或另选地，控制系统可生成信号，利用该信号，至少一个致动器被配置为驱动相应活动关节(例如，在该相应活动关节上施加第二负载)以至少部分地补偿作用在活动关节上的重力。
例如，图3是针对机器人臂310的控制系统300的另一个变型形式的示意图。控制系统300可包括至少一个处理器320，该至少一个处理器被配置为执行用于经由一个或多个信号发生器350生成马达命令信号的指令，其中马达命令信号可由一个或多个马达控制器330用于驱动机器人臂310中的一个或多个相应关节。例如，处理器320和一个或多个信号发生器350可被配置为基于存储在存储器340中(并且从该存储器接收)的重力补偿模型342和/或摩擦补偿模型344来生成马达命令信号，如下文进一步所述。例如，存储器340可为本地或远程存储介质(例如，RAM、ROM、闪存存储器、EEPROM、光学装置诸如CD或DVD、硬盘驱动器、软盘驱动器等)。此外，针对重力补偿模型342和/或摩擦补偿模型344的控制系统输入可由机器人臂中的一个或多个传感器312(例如，编码器、扭矩传感器、力传感器、加速度计等，在机器人臂310的至少一个关节模块或其他合适的部分中)提供，如下文进一步详细描述。
重力补偿
在重力补偿控制模式下，控制系统命令机器人臂中的一个或多个致动器，使得机器人臂将自身保持在特定姿势，而不会由于重力而向下漂移。在重力补偿模式下，控制系统(例如，基于重力补偿模型342)确定作用在机器人臂中的连杆的至少一部分上的重力。作为响应，控制系统致动至少一个关节模块以抵消所确定的重力，使得机器人臂可以保持当前姿势。例如，为了确定重力，控制系统可以基于相邻连杆之间的测量的关节角度、机器人臂和器械驱动器的已知运动学性质和/或动力学性质、和/或致动器的已知特性(例如齿轮比、马达扭矩常数)、关节上的一个或多个检测到的力等执行计算。此外，机器人臂可包括至少一个加速度计或被配置为确定施加在臂上的重力的方向的一个或多个其他合适的传感器。
基于这些计算，控制系统可以在算法上确定在每个关节模块处需要什么力才能补偿作用在该关节模块上的重力。例如，控制器可以利用正向运动学算法、逆向动力学算法或任何合适的算法(例如，根据重力补偿模型342)。然后，控制系统可以生成一组命令以为关节模块中的致动器提供将机器人臂保持在相同姿势的适当水平的电流。重力补偿模式可单独使用或与其他控制模式(例如，下文所述的摩擦补偿模式)组合使用。
摩擦补偿
图4示出将摩擦力F描述为与另一个物体接触的运动物体的相对速度V的函数的示例性摩擦模型。更具体地讲，图4示出了具有Stribeck效应的包括库仑摩擦和线性粘性摩擦的摩擦模型。在一些情况下，当速度为零时，起始静态摩擦力Fm高于在相对运动开始之后立即出现的摩擦力。在滑动开始之后并且在速度V在某个速度范围内的同时，摩擦随着速度的增加而降低，这被称为Stribeck效应。对应于描述Stribeck效应的曲线的最小值的库仑摩擦力Fc来源于两个物体的接触部分之间的剪切阻力。随着运动物体的相对速度从Stribeck曲线的最小值增加，粘性摩擦力相对于速度V为大致线性的。摩擦模型的正区域(对应于第一方向上的速度)和负区域(对应于与第一方向相反的第二方向上的速度)两者在图4的示意图中示出。为了使一个部件相对于与运动部件接触的另一个部件移动，必须将外力施加到运动部件，使得外力通常超过摩擦力，如图4的示意图中所总结的。
在本文所述的系统和方法的上下文中，在一些变型形式中，机器人臂可以在摩擦补偿模式或主动反向驱动模式下操作，该模式帮助生成足够的力以克服抵抗机器人臂的运动的摩擦力。例如，在一些情况下，用户可能希望直接或手动操纵(例如，拉动或推动)一个或多个臂连杆以将机器人臂布置成特定姿势。这些动作反向驱动机器人臂的致动器。然而，由于机械方面的摩擦，诸如关节模块中的高齿轮比，在一些变型形式中，用户必须施加显著量的力以便克服摩擦并成功地移动机器人臂。为了解决这个问题，摩擦补偿模式使机器人臂能够协助用户移动机器人臂的至少一部分，这通过确定作用在至少一个关节模块上的用户施加的力的存在和方向(直接地或间接地作为一个或多个臂连杆上的力的结果)来反向驱动该关节模块中的致动器，然后在实现用户期望的姿势所需的方向上主动驱动适当的关节模块。换句话讲，针对机器人臂的控制系统可以在与用户施加的力相同的方向上致动一个或多个关节模块，以帮助用户克服静态摩擦或动态摩擦。因此，用户可以用较少感知的摩擦来手动操纵机器人臂。在一些变型形式中，摩擦补偿模式可单独使用或与其他模式(例如，重力补偿模式)组合使用。
例如，在一些变型形式中，如图5所示，一种用于协助机器人臂的运动的方法可包括：生成调制信号510；以及基于调制信号驱动机器人臂中的至少一个活动关节中的致动器520，以至少部分地补偿至少一个活动关节中的摩擦；以及检测至少一个活动关节的运动530。在一些变型形式中，该方法还可包括：生成与至少一个活动关节的速度大致成比例的第二信号540；(例如，在关节的运动开始之后)基于第二信号驱动至少一个活动关节中的致动器550。例如，调制信号和/或第二信号可以与用于驱动活动关节中的致动器的命令电流相关联，使得调制信号和/或第二信号帮助补偿抵抗机器人臂的运动的摩擦力。例如，该方法可由上文参考图3所述的控制系统300来实现。控制系统300可以在重力补偿模式和/或其他合适的控制模式下同时操作机器人臂。
在一些变型形式中，(例如，经由处理器和信号发生器)生成调制信号510以及基于调制信号驱动致动器520可帮助为静态摩擦提供补偿，因为调制信号可用于在活动关节为静止的(不移动)的同时驱动活动关节的致动器。例如，图6A示出了可用于控制机器人臂中的活动关节中的致动器的示例性调制信号610。调制信号610可为多分量抖动命令信号，因为其可由至少两个波形分量来描述。例如，如图6B的示意图所提出，调制信号610可包括具有第一频率的第一振荡波形612或由其限定，并且由具有第二频率的第二振荡波形614调制，其中第二频率高于第一频率。例如，第一振荡波形612和/或第二振荡波形614可为正弦波，但在其他变型形式中，第一振荡波形612和/或第二振荡波形614可为方波或其他合适的振荡波形。
一般来讲，包括低频波形分量和高频波形分量的调制信号610可以提供不由任一波形分量单独地以其他方式提供的优点或有益效果。例如，在至少一些情况下，当使用仅包括低频波形(例如，类似于图6B所示的波形612)的信号在摩擦补偿模式下驱动活动关节的致动器时，可能仍然难以成功地克服关节中的静态摩擦。单独的较低频率波形可在检测到机器人臂中的活动关节上的外力(例如，用户施加的力)时降低摩擦补偿的响应性。例如，基于较低频率波形驱动关节的致动器将每秒具有较少机会来成功地协助用户移动关节(与基于较高频率波形驱动关节的致动器相比)。因此，用低频信号驱动活动关节的致动器可能不适用于摩擦补偿，因为可能存在与克服静态摩擦的任何尝试相关联的延迟或迟滞。
作为另一个示例，当使用仅包括较高频率波形(例如，类似于图6B所示的波形614)的信号来在摩擦补偿模式下驱动活动关节的致动器时，可能难以克服静态摩擦和/或以其他方式反向驱动所关注的任何一个特定关节中的致动器。这至少部分地是因为在该示例中，相邻的或附近的关节(其也将以与所关注的关节类似的方式抖动)正在经历高加速度，使得相邻的或附近的关节正在生成施加到所关注的关节的动态扭矩，反之亦然。因此，仅用高频信号驱动机器人臂中的活动关节的致动器可能不适用于摩擦补偿，因为克服摩擦或反向驱动关节的任何尝试都可能被臂结构中的动态扭矩抵消。
然而，如本文所述，用包括低频分量和高频分量两者的调制信号610驱动至少一个活动关节的一个或多个致动器可能是有利的。例如，此类调制信号可提供对摩擦补偿的响应性，而不生成难以克服的动态扭矩。例如，高频分量的量值可为低的(因为高频分量在低频分量之上被调制，该低频分量可具有适于提供大多数摩擦补偿的量值)，并且导致低加速度并因此导致臂关节之间的更可控或可管理(并且更容易克服)的动态效应减小。
一般来讲，可针对机器人臂的每个关节模块中的一个或多个致动器单独地调整调制信号的频率(或周期)、量值、偏移和/或其他参数或特性。在一些变型形式中，调制信号的此类特性可基于例如关节内的静态摩擦和/或动态摩擦(例如，由于致动器中的运动部件之间的摩擦、联接到致动器的输出的齿轮系中的摩擦、臂连杆之间的摩擦等)来确定。多种因素诸如重量(例如，基于机器人臂部件的尺寸和/或材料选择)、运动部件之间的机械配合的紧密度、润滑度和/或关节的取向(例如，相对于重力)等可影响在任何特定时间处关节内的摩擦的量。
例如，调制信号的较慢(较低频率)波形分量的频率通常可以对应于对检测到机器人臂中的活动关节上的力(例如，用户施加的力)的响应性。如上所述，在其中调制信号的较慢分量具有较低频率的变型形式中，针对以与用户在关节上施加的力相同的方向上定向的摩擦补偿力，每秒存在较少机会，因此摩擦补偿力可能花费较长时间来帮助用户在反向驱动关节时克服静态摩擦。相反地，在其中调制信号的较慢分量具有较高频率的变型形式中，针对以与用户在关节上施加的力相同的方向上定向的摩擦补偿力，每秒存在较多机会，因此摩擦补偿力可能花费较少时间来帮助用户在反向驱动关节时克服静态摩擦。例如，如果用户正在尝试在第一方向上手动旋转特定活动关节并且调制信号610的频率为约2Hz，则当调制信号处于其最大量值并且对应于在第一方向上驱动关节中的致动器时，每秒存在约两次。因此，针对致动器(基于调制信号610驱动的该致动器)，在该活动关节中每秒存在约两个机会以协助用户克服静态摩擦。例如，低频波形分量的特定频率值可根据可用性和用户研究来确定。在一些变型形式中，调制信号的较慢波形分量的频率可以介于约0.5Hz和约5Hz之间，介于约1Hz和约3Hz之间，或为约2Hz。例如，具有小于约2Hz的频率的低频波形(例如，正弦波)可足以避免引起用户不便。
作为另一个示例，调制信号的较快(较高频率)波形分量的频率通常可对应于能够克服静态摩擦而不移动关节。例如，用高频信号驱动的致动器产生高频扭矩，这然后可克服静态摩擦而不移动关节。另外，可选择较快波形分量的频率以避免生成可听见的噪声(例如，哼唱)和/或避免激励机器人臂中的一个或多个谐振频率。例如，在一些变型形式中，较快波形分量的频率可小于或等于约200Hz，小于或等于约150Hz，小于或等于约125Hz，或为约100Hz。作为另一个示例，在一些变型形式中，较快波形分量的频率可介于约50Hz和约100Hz之间，以减少或避免可听见的噪声。
作为另一个示例，可至少部分地基于关节的静态摩擦来选择或确定调制信号的量值或振幅(例如，较慢波形分量和/或较快波形分量的量值)。例如，调制信号610可具有最大量值，该最大量值通常为较慢波形分量和较快波形分量的峰值振幅之和，其中两个波形分量的峰值重合。因此，(通过增加较慢波形分量的量值和/或增加较快波形分量的量值)增加调制信号的量值增加了可用于帮助克服活动关节的静态摩擦的致动力的量值。例如，调制信号的量值可以使得调制信号被配置为利用在两个方向上的静态摩擦带内的力(例如，-Fm<由信号引起的驱动力<Fm)来驱动活动关节中的致动器。因此，当活动关节正由摩擦补偿模式下的调制命令电流信号控制时，关节可被引动以几乎但不完全克服任一致动器方向上的摩擦。因此，调制信号可提供部分摩擦补偿。与基于调制信号提供的主动驱动力组合的外力(诸如由用户手动施加的外力)可足以克服静态摩擦。
在一些变型形式中，相对于较慢波形分量的量值，较快波形分量的量值可能为低的。例如，较快波形分量可具有为较慢波形分量的量值的一部分的量值。一般来讲，调制信号的分量的量值可取决于硬件的特定特性及其应用，诸如马达能力和臂关节动力学。例如，这些量值可以实验方法来调整。
在一些变型形式中，除了调制信号的至少一个分量的频率的调制之外或另选地，可以调制调制信号的量值或振幅。例如，较慢的低频波形分量的量值或振幅和/或较快的高频波形分量的量值或振幅可随时间推移而变化(例如，响应于变化的静态摩擦阈值等)。
在一些变型形式中，可基于静态摩擦力Fm的测量结果来确定调制信号的较慢波形分量和/或较快波形分量的量值。静态摩擦力可以一种或多种各种合适的方式来测量。例如，静态摩擦力可在设计和开发过程和/或制造期间测量。作为另一个示例，静态摩擦力可在校准检查期间(例如，在将机器人系统安装在手术室中时，周期性地在将机器人系统安装在手术室中之后，在使用机器人臂进行预定数量的所执行的外科手术规程之后，和/或在每次外科手术规程中使用机器人臂之前等)测量。例如，可通过使用经校准的扭矩测量装置(例如，测力计等)反向驱动关节来确定关节的静态摩擦，其中经验确定的静态摩擦力可从使关节开始移动所需的扭矩(如通过扭矩测量装置所测量的扭矩)导出。
作为又一个示例，静态摩擦力可在外科手术规程期间测量，这可允许在规程期间调节调制信号的振幅(和/或其他合适的方面)。例如，静态摩擦的量可通过将臂置于重力补偿模式来测量(例如，如上所述)并缓慢增加或降低到关节驱动致动器的电流，直到检测到关节运动。然后，可将移动关节所需的电流的量与已知或预定反向驱动参数(例如，在先前检查期间确定等)进行比较，以评估静态摩擦的量是否已改变。可响应于检测到关节中的静态摩擦量改变而自动或手动(例如，基于用户输入)调节一个或多个振幅参数。应当理解，在具有多个活动关节的机器人臂内，可在不同时间测量不同活动关节的静态摩擦力，并因此，可在不同时间调节用于在不同活动关节中执行摩擦补偿的信号。此外，在包括多个机器人臂的机器人外科系统中，可在不同时间调节用于在不同机器人臂中执行摩擦补偿的信号。
此外，在一些变型形式中，调制信号的偏移可用于考虑特定关节所需的不平衡反向驱动力。例如，如果关节中的静态摩擦在第一方向上比在不同于第一方向的第二方向(例如，相反)上大，则可能需要更大量值信号来帮助克服或补偿用于在第一方向上而不是在第二方向上运动的静态摩擦。因此，调制信号可包括偏移，使得该偏移驱动致动器在第一方向上比在第二方向上具有大的扭矩/力。例如，调制信号中的此类偏移可能是由于调制信号的较慢的低频波形分量的偏移引起的。然而，应当理解，附加地或另选地，偏移可能是由于调制信号的较快的高频波形分量的偏移引起的。
如图5所示，该方法还可包括检测机器人臂中的至少一个活动关节的运动530。在一些变型形式中，可以通过关节的致动器中的一个或多个传感器检测机器人臂中的关节的运动。例如，可通过编码器检测关节的运动，该编码器被配置为测量关节中致动器的旋转位置和/或速度，诸如当用户开始在特定方向上反向驱动活动关节时的致动器的旋转位置或速度改变。作为另一个示例，在其中关节模块包括齿轮传动装置(例如，包括联接到马达轴的输入部和联接到关节的运动部分的输出部)的变型形式中，在传动装置中测量的斜率，或者传动装置的输入部和输出部之间测量的旋转差异或相对旋转改变(例如，经由一个或多个编码器)可用于确定关节的运动。作为又一个示例(诸如对于包括具有高刚度的齿轮传动装置的关节模块)，超过预定阈值的任何过大的马达电流或测量的马达电流可指示关节的运动。
在一些变型形式中，附加地或另选地，关节中的其他传感器(诸如关节模块或臂结构自身中的合适角度传感器或接近传感器)可用于确定关节何时开始移动(例如，由于由调制信号命令电流提供的用户施加的力和摩擦补偿力的组合)。一般来讲，关节的运动可例如在旋转位置改变超过预定阈值(例如，大于零、或大于预定度数或弧度数)时和/或在速度改变超过预定阈值(例如，大于零、或大于预定度数或弧度数/秒)时被识别。作为另一个示例，可通过关节中或关节附近的一个或多个力传感器、扭矩传感器、加速度计和/或其他合适的传感器来检测关节的运动。作为又一个示例，可基于用户与一个或多个臂连杆的接触(诸如与位于臂连杆的外表面上的触摸传感器或接近传感器(例如，电容传感器)的接触)来检测关节的运动(或用户移动关节的期望)，其中当操纵臂时，用户通常将抓握机器人臂。
附加地或另选地，控制系统可(例如，利用力传感器或扭矩传感器、加速度计等)监测关节模块或臂连杆的速度和/或位置，以便确定在一个或多个关节模块或臂连杆上的用户施加的力的存在、量值和方向。
在一些变型形式中，控制系统可结合一个或多个预定义的参数，以帮助区分为意外的运动(例如，机器人臂的短暂碰撞)和臂位置的突然预期偏移。如果识别到意外运动，则在一些变型形式中，控制系统可以校正或重新建立臂位置以补偿意外运动(例如，使臂返回到恰好在发生意外运动之前假设的姿势)。例如，如果关节上的外力(例如，如通过关节模块中的力传感器或扭矩传感器测量的外力)的持续时间为短暂的并且小于预定阈值，则控制系统可确定关节运动为意外的。在此类情况下，控制系统可继续将调制信号引导到关节模块中的致动器，就好像此类意外运动从不发生一样。相反地，如果关节上的外力的持续时间延长并且超过预定阈值(例如，至少0.25秒、至少0.5秒或至少1秒等)，则控制系统可确定关节运动为有意的。在此类情况下，控制系统可继续生成第二信号并且基于第二信号来驱动致动器，如下所述。
在检测到至少一个活动关节的运动530之后，该方法还可包括(例如，利用信号发生器)生成第二信号540以及基于第二信号驱动活动关节中的致动器550。在一些变型形式中，一旦关节开始移动，上述多分量调制抖动信号就可停止并被第二信号替代。第二信号可不同于调制抖动信号。在一些变型形式中，第二信号可以与在机器人臂中的关节开始移动之后的摩擦的至少部分补偿相关联。因此，第二信号可用于驱动活动关节中的致动器，并且随着用户继续移动和操纵机器人臂中的关节而继续协助用户。
第二信号的不同变型形式可基于不同摩擦模型(例如，库仑模型、库仑和粘性模型、如图4所示的具有Stribeck效应的库仑和粘性模型、任何前述模型的简化型式、或任何合适的摩擦模型)，因为第二信号可生成通常跟踪(但小于)与关节的运动相反的建模摩擦力的力。例如，在一些变型形式中，第二信号可与活动关节的角速度或旋转速度大致成比例。例如，在这些变型形式中，关节的致动器通常可以用较大水平的电流驱动，以补偿在用户较快速地移动关节的地方的摩擦(或在用户较缓慢地移动关节的地方的较少电流)。此外，电流的方向(正或负)可在用户改变关节的旋转方向的地方改变。
图7示出第二信号的示例性变型形式，该第二信号可在确定活动关节正在移动之后用于控制机器人臂中的活动关节中的致动器。例如，第二信号710可基于与关节的速度大致成线性比例的简化摩擦模型。作为另一个示例，如图7所示，第二信号720可基于适度详细的摩擦模型，该摩擦模型大致为线性的并且近似于具有Stribeck效应的库仑摩擦和粘性摩擦模型的模型。作为又一个示例，如图7所示，第二信号730可基于甚至更详细的摩擦模型，该摩擦模型为曲线的并且更紧密地近似于具有Stribeck效应的库仑摩擦和粘性摩擦的模型。在这些和其他合适的变型形式中，第二信号相对于速度(例如，如图7所示的信号710的斜率)的量值可例如基于动态摩擦力的测量结果而调整(例如，在设计和开发过程期间、在制造期间、在校准检查期间、实时地或接近实时地等)，类似于上文针对静态摩擦力的测量结果所述的测量结果。
在一些变型形式中，通过以上述重力补偿模式和摩擦补偿模式两者操作机器人臂，可以驱动一个或多个活动关节中的致动器以同时补偿重力和摩擦两者。例如，在一些变型形式中，除了帮助补偿动态摩擦或粘性摩擦之外，还可生成第二信号以帮助补偿不完美的重力补偿。例如，如果(例如，利用检测由于重力引起的附加反向驱动的一个或多个传感器等)确定用于重力补偿的所计算的力不足以进行重力补偿，则可以人为地调整(例如，在量值上)第二信号所基于的摩擦模型以增加关节上的总施加负载。相反地，如果确定用于重力补偿的所计算的力过大而不能进行重力补偿，则可人为地调整摩擦模型以降低关节上的总施加负载。此外，在一些变型形式中，本文所述的调制信号的偏移可用于帮助克服静态摩擦(例如，调制信号的低频波形分量的偏移)，附加地或另选地，可以施加该偏移以帮助补偿不完美的重力补偿。
在一些变型形式中，如图5所示，该方法还可包括检测机器人臂的至少一个活动关节的运动改变560。响应于检测到关节的运动改变，该方法可恢复到生成用于驱动该关节的致动器的不同类型的信号。例如，在检测到关节的非运动时(例如，当用户已经停止操纵机器人臂的关节时)，该方法可以返回到生成调制信号510以及基于调制信号驱动关节中的致动器520，这可以再次准备由用户在任何方向上容易地操纵的活动关节。类似于上文所述，当控制系统返回到基于调制信号驱动致动器时，控制系统可同时驱动致动器以帮助补偿重力。因此，在一些变型形式中，重力补偿和摩擦补偿的组合可以协助用户希望手动操纵机器人臂，暂时离开机器人臂，并且容易地继续手动操纵机器人臂(并且没有由重力和/或机器人臂内的摩擦引起的复杂性)。
为了便于解释，上文的描述使用了特定的命名法来提供对本发明的透彻理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，为了实施本发明，不需要具体细节。因此，对本发明的特定实施方案的以上描述是出于举例说明和描述的目的而提供。它们并非旨在穷举或将本发明限于所公开的精确形式；显然，鉴于上述教导内容，许多修改和变型形式都是可能的。选择和描述实施方案以便最好地解释本发明的原理及其实际应用，从而使本领域的其他技术人员能够最好地利用本发明以及具有适合于预期的特定用途的各种修改的各种实施方案。预期的是，以下权利要求及其等同物限定本发明的范围。

Claims (18)

1.一种用于协助具有至少一个活动关节的机器人外科臂的运动的方法，所述方法包括：
生成第一信号，所述第一信号包括具有第一频率的第一振荡波形并且由具有第二频率的第二振荡波形调制，其中所述第二频率高于所述第一频率；以及
基于所述第一信号驱动所述至少一个活动关节中的致动器，以至少部分地补偿所述至少一个活动关节中的摩擦。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一振荡波形为正弦波。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述第一频率介于约1Hz和约5Hz之间。
4.根据权利要求2所述的方法，其中所述第二振荡波形为正弦波。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述第二频率小于或等于约200Hz。
6.根据权利要求1所述的方法，还包括：检测所述至少一个活动关节的运动，以及响应于检测到所述至少一个活动关节的运动，基于不同于所述第一信号的第二信号驱动所述至少一个活动关节中的所述致动器。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述第二信号为基于动态摩擦模型的。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述第二信号的振幅与所述至少一个活动关节的速度大致成线性比例。
9.根据权利要求1所述的方法，还包括驱动所述至少一个活动关节中的所述致动器，以至少部分地补偿作用在所述至少一个活动关节上的重力。
10.一种机器人外科系统，包括：
至少一个机器人臂，所述至少一个机器人臂包括至少一个活动关节和被配置为驱动所述至少一个活动关节的致动器；
控制器，所述控制器被配置为生成第一信号，所述第一信号包括具有第一频率的第一振荡波形并且由具有第二频率的第二振荡波形调制，其中所述第二频率高于所述第一频率；
其中所述致动器被配置为基于调制信号驱动所述至少一个活动关节，以至少部分地补偿所述至少一个活动关节中的摩擦。
11.根据权利要求10所述的系统，其中所述第一振荡波形和所述第二振荡波形中的至少一者为正弦波。
12.根据权利要求11所述的系统，其中所述第一频率介于约1Hz和约5Hz之间。
13.根据权利要求11所述的系统，其中所述第二频率小于或等于约200Hz。
14.根据权利要求10所述的系统，其中所述至少一个机器人臂包括至少一个传感器，所述至少一个传感器被配置为检测所述至少一个活动关节的运动。
15.根据权利要求14所述的系统，其中所述致动器被配置为响应于检测到所述至少一个活动关节的运动，基于不同于所述第一信号的第二信号驱动所述至少一个活动关节。
16.根据权利要求10所述的系统，其中所述第二信号为基于动态摩擦模型的。
17.根据权利要求16所述的系统，其中所述第二信号的振幅与所述至少一个活动关节的速度大致成线性比例。
18.根据权利要求10所述的系统，其中所述致动器被配置为驱动所述至少一个活动关节，以至少部分地补偿作用在所述至少一个活动关节上的重力。
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