CN112773507A - 骨科手术机器人系统 - Google Patents

骨科手术机器人系统 Download PDF

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CN112773507A CN202110125751.6A CN202110125751A CN112773507A CN 112773507 A CN112773507 A CN 112773507A CN 202110125751 A CN202110125751 A CN 202110125751A CN 112773507 A CN112773507 A CN 112773507A
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吴琼
张岳
芦颖僖
高强
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Abstract

本申请公开了一种骨科手术机器人系统，所述骨科手术机器人系统包括：机械臂，所述机械臂的远端用于为所述骨科手术机器人系统提供锁定的工作点；二连杆机构，所述二连杆机构包括：第一连杆，所述第一连杆与所述机械臂的远端耦接；以及第二连杆，所述第二连杆的近端与所述第一连杆活动连接，使得所述第二连杆相对于所述第一连杆的运动为所述骨科手术机器人系统提供相对于所述锁定的工作点的锁定的工作平面；骨锯，所述骨锯与所述第二连杆的远端耦接并能够在所述锁定的工作平面内进行作业；以及控制系统，所述控制系统与所述机械臂耦接，并基于所述机械臂的基础控制量和对所述机械臂的远端的实际工作点位置控制所述机械臂的远端稳定在所述锁定的工作点。

Description

骨科手术机器人系统
技术领域
本申请涉及医疗器械技术领域，更具体地，涉及一种骨科手术机器人系统。
背景技术
在骨科临床中，手术机器人已大量应用于截骨、磨削等过程中。通常地，在机器人的末端安装骨锯形成用于骨科的手术机器人，并通过机器人末端带动骨锯进行截骨等操作。但是，由于骨锯需要机器人提供动力以进行操作，导致机器人必须具备较高的输出扭矩和输出功率。然而，高输出扭矩和高输出功率的机器人的体积较大，不利于复杂环境以及应急场景下的部署。
因此，需要一种便携、易部署的骨科手术机器人系统。
发明内容
本申请的一个目的在于提供一种便携、易部署的骨科手术机器人系统。
根据本申请的一些方面，提供了一种骨科手术机器人系统。所述骨科手术机器人系统包括：机械臂，所述机械臂的远端用于为所述骨科手术机器人系统提供锁定的工作点；多连杆机构，所述多连杆机构包括：第一连杆，所述第一连杆与所述机械臂的远端耦接；以及第二连杆，所述第二连杆的近端与所述第一连杆活动连接，使得所述第二连杆相对于所述第一连杆的运动为所述骨科手术机器人系统提供相对于所述锁定的工作点的锁定的工作平面；骨锯，所述骨锯与所述第二连杆的远端耦接并能够在所述锁定的工作平面内进行作业；以及控制系统，所述控制系统与所述机械臂耦接，并基于所述机械臂的基础控制量和对所述机械臂的远端的实际工作点位置控制所述机械臂的远端稳定在所述锁定的工作点。
根据本申请的另一些方面，提供了一种用于控制前述骨科手术机器人系统的方法。所述方法包括：基于基础控制量控制所述机械臂的远端位于预期工作点位置；监测所述机械臂的远端的实际工作点位置；基于所述机械臂的远端的所述预期工作点位置和所述实际工作点位置的差异产生所述调节控制量；以及基于所述基础控制量和所述调节控制量控制所述机械臂的远端稳定在所述预期工作点位置。
以上为本申请的概述，可能有简化、概括和省略细节的情况，因此本领域的技术人员应该认识到，该部分仅是示例说明性的，而不旨在以任何方式限定本申请范围。本概述部分既非旨在确定所要求保护主题的关键特征或必要特征，也非旨在用作为确定所要求保护主题的范围的辅助手段。
附图说明
通过下面说明书和所附的权利要求书并与附图结合，将会更加充分地清楚理解本申请内容的上述和其他特征。可以理解，这些附图仅描绘了本申请内容的若干实施方式，因此不应认为是对本申请内容范围的限定。通过采用附图，本申请内容将会得到更加明确和详细地说明。
图1出了根据本申请实施例的骨科手术机器人系统的框图；
图2示出了根据本申请实施例的六轴机械臂的示意图；
图3示出了根据本申请实施例的耦接到机械臂的二连杆结构的示意图；
图4示出了根据本申请另一实施例的耦接到机械臂的二连杆结构的示意图；
图5示出了一种二阶自抗扰控制器50的框图；
图6示出了根据本申请一些实施例的自抗扰控制器60的框图；
图7示出了根据本申请一些实施例的自抗扰控制器70的框图；以及
图8(a)、图8(b)、图8(c)和图8(d)分别示出机械臂的腰关节、肘关节、肩关节和腕关节的实际扰动值与扰动估计值的比较图。
具体实施方式
在下面的详细描述中，参考了构成其一部分的附图。在附图中，类似的符号通常表示类似的组成部分，除非上下文另有说明。详细描述、附图和权利要求书中描述的说明性实施方式并非旨在限定。在不偏离本申请的主题的精神或范围的情况下，可以采用其他实施方式，并且可以做出其他变化。可以理解，可以对本申请中一般性描述的、在附图中图解说明的本申请内容的各个方面进行多种不同构成的配置、替换、组合，设计，而所有这些都明确地构成本申请内容的一部分。
本申请提供了一种骨科手术机器人系统，其可以具有较小的体积，因此满足了便携式应用的需求。本申请的骨科手术机器人系统包括机械臂、安装于机械臂的远端的多连杆机构和安装在多连杆机构上的骨锯。在一些实施例中，多连杆机构可以是二连杆机构，但是可以理解，具有更多个连杆的多连杆机构也可以用于本申请的骨科手术机器人系统。在一些实施例中，通过在机械臂的远端安装多连杆机构，可以将机械臂远端提供的锁定的工作点转换为多连杆机构提供的锁定的工作平面，从而骨锯可以在锁定的工作平面内作业。此外，本申请的骨科手术机器人系统中的骨锯可以被手动操作来对操作对象进行处理，或者利用单独的动力源来对操作对象进行处理，因此机械臂仅需为骨科手术机器人系统提供锁定的工作点，而无需为骨锯提供输出扭矩和输出功率，从而机械臂的输出扭矩和输出功率被大大降低，使得机械臂能够被小型化。因此，本申请的骨科手术机器人系统能够提高骨科手术机器人系统的便携性，有利于骨科手术机器人系统在复杂环境以及应急场景下的部署。
参考图1，其示出了根据本申请实施例的骨科手术机器人系统的框图。如图1所示，骨科手术机器人系统包括机械臂10、二连杆机构20、骨锯30和控制系统40。在图1所示的实施例中，多连杆机构被示意性地表示为二连杆机构20，但是本领域技术人员可以理解，本申请不限于二连杆机构作为多连杆机构。
参考图2，其示出了本申请一实施例中使用的六轴机械臂10。该机械臂10具有六个依次耦接的关节，包括用于实现本体回旋的机座部110、用于实现大臂运动的肩部120、用于实现小臂运动的肘部130、用于实现手腕旋转运动的第一腕部140、用于实现手腕上下摆动的第二腕部150和用于实现手腕圆周运动的第三腕部160。六轴机械臂10通过运动轨迹控制，可以为末端关节(即第三腕部160)的远端170提供空间固定点的定位，该固定点为所述骨科手术机器人系统提供了锁定的工作点。需要说明的是，本说明书中使用的术语“远端”或“近端”，用于描述一个部件与另一个部件的位置关系，其中，“远端”一般用于描述沿系统运动的运动链更远离机械臂的机座部或更靠近操作部位(例如，骨科手术机器人系统用于手术的部位)的方向。类似地，“近端”一般用于描述沿系统运动的运动链更靠近机械臂的机座部或更远离操作部位的方向。
在一示例中，图2中的六轴机械臂10在控制系统40的控制下，对锁定的工作点能够提供±0.03mm的重复定位精度以及±0.1mm保持定位精度。可以理解，在其他示例中，该重复定位精度和保持定位精度可以根据骨科手术机器人系统的应用需求而变化，本申请对此不作限制。
在一示例中，六轴机械臂10还包括六个电机(未示出)，该六个电机分别与六个关节分别对应并为各自的关节提供输出力矩。控制系统40通过控制六个电机的输出力矩来控制机械臂10的远端170位于锁定的工作点。在另外一些示例中，机械臂10还包括与每个电机耦接的减速器和/或同步带轮，用于平滑、调整和稳定向对应关节输出的该电机的输出力矩。
需要说明的是，电机的输出力矩通常与电机的体积和重量正相关，由于本申请的骨科手术机器人系统优选地应用于便携式场景，机械臂10无需为骨锯提供输出扭矩和输出功率，因此，六个电机的输出扭矩和/或输出功率可以较低。例如，机座部110和肩部120对应电机的输出扭矩为56Nm，肘部130对应电机的输出扭矩为28Nm，而第一腕部140、第二腕部150和第三腕部160各自对应电机的输出扭矩均为12Nm。
在其他实施例中，骨科手术机器人系统也可以采用其它轴数的机器臂。虽然随着轴数的增加，机器人的灵活性也随之增长，但是在便携式的应用中，并不需要很高的灵活性，综合考虑成本效益和操作速度，本申请一些实施例中也可以采用三轴、四轴或五轴机械臂。当然，在其他一些实施例中，骨科手术机器人系统也可以采用七轴或更多轴的机械臂，以提供更多的操作自由度。
参考图3，其示出了本申请一实施例中的骨科手术机器人系统的耦接到机械臂10的二连杆结构20的示意图。
如图3所示，二连杆机构20包括第一连杆210和第二连杆220。第一连杆210与机械臂10的远端170(参见图2)耦接，而机械臂10的远端170用于为骨科手术机器人系统提供能够被锁定的工作点O。在一示例中，机械臂10的远端170上设置有法兰，第一连杆210上设置有与该法兰配合的开孔，通过穿过第一连杆210的开孔的螺栓将第一连杆210固定连接到机械臂10上的法兰。第二连杆220的近端与第一连杆210活动连接。可以理解，二连杆机构20可以以其他方式固定地或可动地耦接至机械臂10。
在图3所示的示例中，第一连杆210上设置有滑槽，第二连杆220上设置有与滑槽配对的滑块，通过将第二连杆220上的滑块连接到第一连杆210的滑槽将第二连杆220活动连接到第一连杆210。
当第二连杆220上的滑块被安装到第一连杆210的滑槽中时，第二连杆220相对于第一连杆210的运动为骨科手术机器人系统提供了相对于锁定工作点O的锁定的工作平面(x-y平面)，其中第一连杆210中滑槽的形状决定了第二连杆220在该锁定的工作平面内的运动方式。参考图3，作为示例，第一连杆210上设置两条沿x轴方向的滑槽，从而第二连杆220的滑块相对于第一连杆210的滑槽的滑动可以为安装到第二连杆220的远端170的骨锯30提供在锁定的工作平面(x-y平面)内沿x轴方向的一维运动自由度。在一些示例中，骨锯30可以为人工骨锯，其可以由医生操作沿第一连杆210的滑槽滑动，在锁定的工作平面内进行截骨作业。在另一些示例中，骨锯30也可以为电动骨锯。电动骨锯通常设置有锯条、机械式往复驱动装置和电机。使用时，电机带动机械式往复驱动装置工作，往复驱动装置再带动锯条进行往复运动进行截骨作业。
在图3所示的实施例中，通过在机械臂10的远端安装二连杆机构20，使得机械臂10只需为骨科手术机器人系统提供锁定的工作点O，通过二连杆机构20再将该锁定的工作点O转换为对平面(x-y平面)的锁定，为操作医生提供了一个锁定的截骨的参考平面。由于骨锯可以在该锁定的平面内进行截骨操作，而无需机械臂10为骨锯提供输出扭矩和输出功率，可以使得整个骨科手术机器人系统小型化。
参考图4，其示出了本申请另一实施例中的骨科手术机器人系统的耦接到机械臂10的二连杆机构20的示意图。与图3中的平面滑轨二连杆不同的是，图4中的二连杆机构20为直角滑轨二连杆，其包括具有直角构型的第一连杆230和与第一连杆230活动连接的第二连杆240。类似地，图4中的二连杆机构20也可以将该机械臂10提供的锁定的工作点O转换为锁定的工作平面，使得安装到第二连杆240的远端的骨锯30能够在该锁定的工作平面内运动，其具体连接和工作特征与图3的二连杆机构类似，此处不再赘述。需要说明的是，图3和图4中的骨锯30均未示出安装于其上的锯条。
虽然在图3和图4中以平面滑轨二连杆和直角滑轨二联杆为本申请的骨科手术机器人系统所使用的多连杆机构进行了说明，但是本领域技术人员应当理解其他类型的能够将点锁定转换为平面锁定的多连杆机构同样适用于本申请的骨科手术机器人系统，例如曲柄二连杆或多连杆、转动二连杆或多连杆等，可以根据具体应用场景和需求进行选用。
返回图1，本申请的骨科手术机器人系统还包括控制系统40，该控制系统40与机械臂10耦接，并基于机械臂10的基础控制量和对机械臂10的远端170的实际工作点位置的控制机械臂10的远端170稳定在所述锁定的工作点。
在一示例中，控制系统40包括运动控制子系统410、状态监测子系统420和状态调节子系统430。其中，运动控制子系统410用于基于基础控制量控制机械臂10的远端170位于预期工作点位置。例如，该基础控制量可以为六轴机械臂10的六个电机的输出力矩，通过控制每个电机的输出力矩可以控制对应关节位置，即关节的旋转/偏移量，继而基于所有六个关节的旋转/偏移量控制机械臂10的远端170位于预期工作点位置。在一些示例中，预期工作点位置可以基于操作部位(例如，骨科手术机器人系统用于手术的部位)确定。
状态监测子系统420用于监测机械臂10的远端170的实际工作点位置。需要说明的是，在骨锯30的操作过程中，骨锯30的振动会传导至机械臂10，造成对机械臂10的外部扰动；另外，机械臂10的控制系统也存在内部扰动，该外部扰动和内部扰动会导致机械臂10的震颤，往往会使得机械臂10的远端170的实际工作点位置偏离预期工作点位置。状态调节子系统430即用于消除实际工作点位置的偏离。具体地，状态调节子系统430基于机械臂10的远端170的预期工作点位置和实际工作点位置的差异产生调节控制量，并将该调节控制量传输至运动控制子系统410，使得运动控制子系统410能够基于基础控制量和调节控制量控制机械臂10的远端170稳定在预期工作点位置，从而机械臂10的远端170的锁定的工作点即为前述的预期的工作点。
以上对本申请的骨科手术机器人系统的结构和工作进行了描述。在一些实施例中，为了适用于便携式应用，在该系统中机械臂通常采用较小的输出扭矩和输出功率，这会导致骨科手术机器人系统对于外部负载扰动和干扰较为敏感，鲁棒性下降，并使得定位精度下降。因此，骨科手术机器人系统中控制系统的设计尤为重要，即控制系统需要具有很好的跟随性，使得机械臂的远端的实际工作点位置能够跟随预期工作点位置，并抵抗外部负载的突变的影响，以提供高稳定性的锁定的工作点。
在一些实施例中，控制系统中的状态调节子系统包括自抗扰控制器(ADRC：ActiveDisturbance Rejection Controller)，其被用来对骨科手术机器人系统的机械臂进行振颤滤除与振动抑制。具体地，自抗扰控制器是一种非线性控制器，主要包括跟踪微分器、扩张状态观测器以及非线性状态误差反馈控制律。自抗扰控制器的作用原理是将系统中的模型误差、不确定干扰等作为一个扩张状态，用扩张观测器实现估计并补偿。自抗扰控制的一个最主要的特点就是不依赖对象的模型，它把被控对象中的全部不确定因素全部看作未知扰动或者总扰动，利用扩张状态观测器实时地观测估计并通过状态误差反馈控制律补偿。这样，自抗扰控制器在扰动发生规律或信息都未知的情况下就可以将线性或者非线性的系统变化为积分串联型，完成动态系统的反馈线性化。关于自抗扰控制器的描述可以参考韩京清的著作“非线性PID控制器”(《自动化学报》，1994，20(4)：487-490)、“一种新型控制器——NLPID”(《控制与决策》，1994，9(6)：401-407)、“非线性状态误差反馈控制律——NLSEF”(《控制与决策》，1995，10(3)：221-225)和“从PID技术到‘自抗扰控制'技术”，《控制工程》，2002，9(3)：13—18)；马幼捷等的著作“自抗扰控制器的原理解析”(《天津理工大学学报》，2008，24(4)：27-30)。以上文献的公开内容通过引用以全文方式并入本申请。
参考图5，其示出一种二阶自抗扰控制器50的结构图。如图5所示，二阶自抗扰控制器50包括跟踪微分器(TD：Tracking Differentiator)510、扩张状态观测器(ESO：ExtendedState Observer)520和非线性状态误差反馈控制律(Nonlinear State Error Feedback(NLSEF)Control Law)530，用于对被控对象(PLANT)540进行自抗扰控制。在将该自抗扰控制器50应用于图1中的状态调节子系统430时，被控对象540可以为机械臂10。
图5中v0表示参考输入信号，y表示被控对象540的实际输出信号，自抗扰控制器50在不依赖被控对象540模型的基础上，补偿被控对象540的内部扰动和不确定的外部扰动w(t)，减少被控对象540的实际输出信号y与参考输入信号v0之间的误差。当自抗扰控制器50用于控制机械臂10，则参考输入信号v0可以为机械臂10的远端的预期工作点位置信息，而实际输出信号y可以为机械臂10的远端的实际工作点位置信息。
具体地，跟踪微分器510接收参考输入信号v0，提取两个信号v1和v2，v1跟踪v0，而v2为v0的微分信号。可以理解，若参考输入信号v0表示的是位置信息(例如，机械臂10的远端的预期工作点位置信息)，则v1跟踪该位置信息，而v2表示位置随时间的一阶变化信息(即，速度)。
假设被控对象540为由等式(1)表示的由未知扰动作用的不确定的二阶系统：
Figure BDA0002923958990000081
其中，其中，y、w和u均为关于t的变量，y(t)表示被控对象540的可量测的实际输出信号(例如，机械臂10的远端的实际工作点位置信息)，
Figure BDA0002923958990000082
和
Figure BDA0002923958990000083
分别为y的一阶和二阶微分；
Figure BDA0002923958990000084
为非线性函数，表示广义扰动，其包括了未知的内部扰动和未知函数w(t)表示的外部扰动；u(t)为输入被控对象540的实际控制量；b为常数。
扩张状态观测器520基于被控对象540的实际控制量u(t)和实际输出信号y(t)，对被控对象540的状态变量进行观测，具体表示为以下等式(2)：
Figure BDA0002923958990000085
其中，z1表示被控对象540的实际输出信号y(t)的观测量；z2表示被控对象540的实际输出信号一阶微分
Figure BDA0002923958990000086
的观测量；z3则为扩张观测量，表示对被控对象540的总扰动(包括系统内部扰动和不确定的外部扰动w(t))的估计值；g1、g2和g3为预定义的函数，其直接影响着扩张状态观测器520的性能。
非线性状态误差反馈控制律530用于对误差信号e1和e2进行非线性组合。e1和e2通过下方的等式(3)表示：
Figure BDA0002923958990000087
其中，e1表示参考输入信号v0的跟踪信号v1与实际输出信号y(t)的观测量z1之间的误差值，e2表示参考输入信号v0微分信号v2与实际输出信号一阶微分
Figure BDA0002923958990000089
的观测量z2之间的误差值。在一些示例中，非线性状态误差反馈控制律530对误差信号e1和e2进行非线性组合产生误差补偿量可以采用等式(4)：
u0＝β1fal(e1,α,δ)-β2fal(e2,α,δ) (4)
其中，u0表示误差控制量，β1和β2为可调增益参数，函数fal(e,α,δ)为预定义的函数，e指代e1或e2，α和δ为fal(e,α,δ)的参数。在一些示例中，函数fal(e,α,δ)可以通过等式(5)表示：
Figure BDA0002923958990000088
其中，符号函数sgn(e)通过等式(6)定义：
Figure BDA0002923958990000091
通过调节可调增益参数β1和β2以及函数fal(e,α,δ)的各个参数，能够使得非线性误差反馈控制律530实现“小误差，大增益；大误差，小增益”的调节效果。与传统的比例-积分-微分(PID)控制器对误差信号进行的线性增益相比，能够获得更好的调节效果。
接着，使用总扰动的估计值z3补偿误差控制量u0产生实际控制量u：
Figure BDA0002923958990000092
在z3能够准确估计总扰动
Figure BDA0002923958990000093
时，将等式(7)代入等式(1)可以得到：
Figure BDA0002923958990000094
结合图5，由等式(8)可以看出，从u0到被控对象540的实际输出信号的y的开环传递关系转换为了从
Figure BDA0002923958990000095
到y的积分串联形式。
在上述二阶自抗扰控制器50中，扩张状态观测器520为核心部件。自抗扰控制器仅需要被控对象的实际控制量和输出信号作为信息来源，通过扩张状态观测器520不仅可以得到各个状态变量的估计，而且能够估计出系统总扰动的估计，并在反馈中加以补偿，从而达到调整被控对象540输出的目的。大量的数值和应用仿真实验表明，在适当选择自抗扰控制器中函数g1，g2和g3、增益参数β1和β2等条件时，实际输出信号的y能够很好地跟随参考输入信号v0，从而自抗扰控制器对各种被控对象都有很好的适应能力和很强的鲁棒性。
需要说明的是，在图5的示例中，以扩张状态观测器为二阶扩张状态观测器为例进行了说明，但是，骨科手术机器人系统本身为复杂控制对象，对其所提供的锁定的工作点存在着高阶扰动。在一些实施例中，如果想要对骨科手术机器人系统实现更优的自抗扰控制，那么自抗扰控制器中就应该选择相应的高阶扩张状态观测器。扩张状态观测器的阶数越大，其需要整定的参数就越多，这给实际工程应用带来了诸多不便；并且，在高阶情况下扩张状态观测器的参数需要选择为一个很大的值，这会使扩张状态观测器输出带有高频率噪声的微分信号。具体地，在高阶非线性系统中，参考等式(2)，通过误差(z1-y(t))来调节估计值z1、z2和z3的微分，使得它们分别跟踪其要估计的值。对于扩张状态观测器而言，使z1快速逼近y是第一位的，其次是使z2逼近
Figure BDA0002923958990000104
最后是使z3逼近总扰动。这个次序的错乱会导致系统调节的失效。当然，系统对z1、z2和z3的控制是同时进行的，在该调节机制下，在z1跟踪y到达稳态之前，对z2跟踪
Figure BDA0002923958990000105
的控制和对z3跟踪总扰动的控制意义不大。当完成z1对y的跟踪调节之后，对z2和z3的调节又变得困难了，因为此时的误差(z1-y(t))已经非常小。为了实现对z2和z3的调节，一些扩张状态观测器仅能通过选取较大的参数来实现，例如，对z2选择的参数比对z1选择的参数大一个数量级，而对z3选择的参数又比对z2选择的参数大一个数量级；这些过大的参数就会降低扩张状态观测器的动态性能。因此，这些高阶扩张状态观测器限制了骨科手术机器人系统的跟随性的提高。
因此，在本申请的一些实施例中，自抗扰控制器使用了线性扩张状态观测器(Linear ESO)来替代高阶状态观测器。由于线性扩张状态观测器均采用统一的参数，这不仅克服了上述高阶扩张状态观测器的参数取值过大引起的高阶噪声问题，还减少了扩张状态观测器需整定的参数的数量，降低了参数整定的难度。
参考图6，其示出了本申请一些实施例的自抗扰控制器60的结构示意图，图6中与图5相同的符号具有相同的含义，此处不再赘述。
依然假设被控对象640为由等式(1)表示的未知扰动作用的不确定的二阶系统：
Figure BDA0002923958990000101
Figure BDA0002923958990000102
考虑到自抗扰控制器60用于本申请的骨科手术机器人系统时，机械臂的远端用于骨科手术机器人系统提供锁定的工作点，即工作点的位置不变。将该锁定的工作点的位置信息作为参考输入信号时，其微分信号为0，因此，在图6的系统中不再包括微分器，而是直接将预期工作点位置信息r作为自抗扰控制器的参考输入信号。当然，在一些示例中，自抗扰控制器60也可包括与自抗扰控制器50相同的跟踪微分器510，其基于预期工作点位置信息产生的跟随信号作为r。
线性扩张状态观测器(Linear ESO)620基于被控对象640的实际控制量u(t)和实际输出信号y(t)，对被控对象640的状态变量进行观测，产生被控对象640的实际输出信号y(t)的观测量z1，一阶微分
Figure BDA0002923958990000103
的观测量z2，以及总扰动的估计值z3。
另外，图6所示的自抗扰控制器60也对非线性状态误差反馈控制律进行了简化，与图5的非线性状态误差反馈控制律相比，其并不包括函数fal(e,α,δ)，而仅包括两个增益参数kp和kd，分别作用于误差(r-z1)和估计值z2。即自抗扰控制器60的非线性状态误差反馈控制律可以表示为：
u0＝kp(r-z1)-kdz2 (9)
在图6中，被控对象640的实际控制量表示为：
Figure BDA0002923958990000111
将等式(3)中的实际控制量u代入式(1)中，原系统可以被化简为等式(11)：
Figure BDA0002923958990000112
由于z3是系统总扰动
Figure BDA0002923958990000113
的估计值，当z3能够准确估计总扰动
Figure BDA0002923958990000114
时：
Figure BDA0002923958990000115
其中，
Figure BDA0002923958990000116
表示总扰动
Figure BDA0002923958990000117
的估计值。
进一步地，将式(12)代入式(11)中，则：
Figure BDA0002923958990000118
由此，从u0到被控对象640的实际输出信号的y的开环传递关系转换为了从
Figure BDA00029239589900001115
到y的积分串联形式。
在图6的自抗扰控制器60中，由于使用了线性扩张状态观测器来替代高阶扩张状态观测器，因此能够克服高阶扩张状态观测器中存在的高频噪声且参数整定困难的问题。但是，在上述分析中，假设了z3能够准确估计总扰动
Figure BDA0002923958990000119
但是实际上，使用线性扩张状态观测器并不能准确地估计总扰动
Figure BDA00029239589900001110
存在误差。
因此，在本申请的一些实施例的自抗扰控制器中，使用两个或多个线性扩张状态观测器来替代高阶扩张状态观测器，补偿对总扰动估计的误差。
参考图7，其示出了本申请一些实施例的自抗扰控制器70的结构示意图，图7中与图6相同的符号具有相同的含义，此处不再赘述。与图6所示的自抗扰控制器60相比，自抗扰控制器70包括两个线性扩张状态观测器721和722，并增加了虚拟控制量u01。
依然假设被控对象740为由等式(1)表示的未知扰动作用的不确定的二阶系统：
Figure BDA00029239589900001111
Figure BDA00029239589900001112
第一线性扩张状态观测器721基于被控对象740的实际控制量u(t)和实际输出信号y(t)，观测总扰动
Figure BDA00029239589900001113
以产生估计值z3(即
Figure BDA00029239589900001114
)。如前所述，第一线性扩张状态观测器721并不能准确地估计总扰动
Figure BDA0002923958990000121
存在误差。假设对总扰动的估计误差为ef，由下面的等式(14)定义：
Figure BDA0002923958990000122
将等式(14)代入等式(13)可得：
Figure BDA0002923958990000123
通过公式(15)可以理解，对二阶系统的求解转化为了对总扰动的估计误差ef的求解，而总扰动的估计误差ef可由控制过程中的实际输出信号y和误差控制量u0观测出来。因此，图7的自抗扰控制器70中还包括了第二线性扩张状态观测器722，用来基于实际输出信号y和误差控制量u0来观测总扰动的估计误差ef，产生总扰动的估计误差ef的观测值
Figure BDA0002923958990000124
另外，第二线性扩张状态观测器722还基于实际输出信号y和误差控制量u0输出被控对象740的实际输出信号y的观测量z1，以及一阶微分
Figure BDA0002923958990000125
的观测量z2。
在增加第二线性扩张状态观测器722后产生了虚拟控制量u01，其可以通过以下等式(16)表示：
u01＝kp(r-z1)-kdz2 (16)
误差控制量u0与虚拟控制量u01之间的关系通过等式(17)表示：
Figure BDA0002923958990000126
而实际控制量u与误差控制量u0之间的关系通过等式(18)表示：
Figure BDA0002923958990000127
结合等式(17)和(18)，可以理解实际控制量u可以通过第二线性扩张状态观测器722观测到的
Figure BDA0002923958990000128
对u01进行调整得到。
接着，将等式(17)代入等式(15)，并假设第二线性扩张状态观测器722观测到的
Figure BDA0002923958990000129
准确估计了总扰动的估计误差ef，即
Figure BDA00029239589900001210
则可以得出：
Figure BDA00029239589900001211
从而，自抗扰控制器70从虚拟控制量u01到被控对象740的实际输出信号的y的开环传递关系也被转换为了从
Figure BDA0002923958990000131
到y的积分串联形式。
可以看出，通过在自抗扰控制器70中引入第二线性扩张状态观测器722，对总扰动的估计误差ef进行观测并对该观测进行补偿，能够将高阶扩张状态观测器的功能通过两个线性扩张状态观测器来实现，克服了使用高阶扩张状态观测器时参数取值过大引起的高频噪声问题；另外，由于线性扩张状态观测器的参数规则简单，且两个线性扩张状态观测器721和722可以使用统一的参数，进一步减化了对其进行参数整定的难度。
需要说明的是，图7中的自抗扰控制器以两个线性扩张状态观测器来等效高阶扩张状态观测器对本申请实施例的自抗扰控制器结构进行了描述。但是，可以理解，在其他实施例中，根据具体应用场景，也可以使用多于两个的线性扩张状态观测器来等效更高阶的扩张状态观测器。
上述附图5-7中的自抗扰控制器均可应用于本申请的骨科手术机器人系统，机械臂作为被控对象540、640或740。机械臂的远端的锁定的工作点O的期望位置信息作为自抗扰控制器50和60的参考输入信号v0或者自抗扰控制器70的参考输入信号r。机械臂的远端的锁定的工作点O的实际位置信息作为实际输出量y，其可以通过骨科手术机器人系统的控制系统40的状态监测子系统420对机械臂的远端实际位置的检测来获得。自抗扰控制器产生的实际输入控制量u作为调节控制量传输至运动控制子系统410，使得运动控制子系统410能够基于基础控制量和该调节控制量控制与机械臂的多个关节耦接的多个电机的输出力矩，从而控制机械臂的远端工作点O的实际位置能够锁定在期望位置，减小或消除系统内部扰动或外部负载变化影响远端工作点位置。
参考图8(a)、图8(b)、图8(c)和图8(d)，其分别示出了作用到机座部110、肩部120、肘部130和第一腕部140的总扰动值和使用图7所示的自抗扰控制器70获得各关节的扰动估计值的模拟比较图。如图所示，扰动估计值能够很好地跟随实际的总扰动值，从而能够通过自抗扰控制器70补偿各关节处的总扰动，使得机械臂10的远端稳定在锁定的工作点O。
另外，本申请实施例还提供了一种用于控制前述骨科手术机器人系统的方法。该方法包括：基于参考输入控制量控制所述机械臂的远端位于预期工作点位置；监测所述机械臂的远端的实际工作点位置；基于所述机械臂的远端的所述预期工作点位置和所述实际工作点位置的差异调节所述参考输入控制量以产生实际输入控制量；以及基于所述实际输入控制量控制所述机械臂的远端位于所述锁定的工作点。该方法可以由结合图1描述的骨科手术机器人系统中的控制系统执行，其详细介绍可以参考上文结合对所述控制系统的描述，此处不再赘述。
在一些实施例中，用于控制骨科手术机器人系统的方法可以被实现为一个或多个专用集成电路(ASIC)、数字信号处理器(DSP)、数字信号处理设备(DSPD)、可编程逻辑器件(PLD)、现场可编程门阵列(FPGA)、控制器、微控制器、微处理器或其他电子元件。另外，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
在另一些实施例中，骨科手术机器人系统的控制系统也可以采用软件功能单元的形式实现。所述功能单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中，并可以被计算机装置执行。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可为个人计算机、移动终端、服务器或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。
本申请实施例还提供一种非易失性计算机可读存储介质，该非易失性计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时执行上述实施例中控制骨科手术机器人系统的方法。在一些实施例中，该非易失性计算机可读存储介质可以是闪存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或本技术领域内所公知的任意其它形式非易失性计算机可读存储介质。
本技术领域的一般技术人员可以通过研究说明书、公开的内容及附图和所附的权利要求书，理解和实施对披露的实施方式的其他改变。在权利要求中，措词“包括”不排除其他的元素和步骤，并且措辞“一”、“一个”不排除复数。在本申请的实际应用中，一个零件可能执行权利要求中所引用的多个技术特征的功能。权利要求中的任何附图标记不应理解为对范围的限制。

Claims (11)

1.一种骨科手术机器人系统，其特征在于，所述骨科手术机器人系统包括：
机械臂，所述机械臂的远端用于为所述骨科手术机器人系统提供锁定的工作点；
多连杆机构，所述多连杆机构包括：
第一连杆，所述第一连杆与所述机械臂的远端耦接；以及
第二连杆，所述第二连杆的近端与所述第一连杆活动连接，使得所述第二连杆相对于所述第一连杆的运动为所述骨科手术机器人系统提供相对于所述锁定的工作点的锁定的工作平面；
骨锯，所述骨锯与所述第二连杆的远端耦接并能够在所述锁定的工作平面内进行作业；以及
控制系统，所述控制系统与所述机械臂耦接，并基于所述机械臂的基础控制量和对所述机械臂的远端的实际工作点位置控制所述机械臂的远端稳定在所述锁定的工作点。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述多连杆机构是直角滑轨二连杆或者平面滑轨二连杆。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述控制系统包括：
运动控制子系统，用于基于所述基础控制量控制所述机械臂的远端位于预期工作点位置；
状态监测子系统，用于监测所述机械臂的远端的所述实际工作点位置；以及
状态调节子系统，用于基于所述机械臂的远端的所述预期工作点位置和所述实际工作点位置的差异产生调节控制量，使得所述运动控制子系统能够基于所述基础控制量和所述调节控制量控制所述机械臂的远端稳定在所述预期工作点位置，从而所述预期的工作点作为所述锁定的工作点。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述机械臂包括多个关节，所述状态监测子系统通过对每个关节的位置信息的采集来确定所述机械臂的远端的所述实际工作点位置。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述机械臂还包括多个电机，所述多个电机分别与所述多个关节对应并为所述多个关节提供输出力矩，所述运动控制子系统基于所述实际输入控制量控制所述多个电机的输出力矩来控制所述机械臂的远端位于所述锁定的工作点。
6.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述状态调节子系统包括自抗扰控制器，所述自抗扰控制器包括扩展状态观测器模块，所述扩展状态观测器模块用于产生所述骨科手术机器人系统的总扰动的估计值，所述自抗扰控制器基于所述总扰动的估计值产生所述调节控制量。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述骨科手术机器人系统的总扰动包括所述骨锯作业期间产生的外部扰动和所述机械臂的内部扰动。
8.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述扩展状态观测器模块包括第一线性扩展状态观测器和第二线性扩展状态观测器，其中，所述第一线性扩展状态观测器用于产生所述总扰动的估计值，所述第二线性扩展状态观测器用于产生总扰动的估计值的误差值，所述自抗扰控制器基于所述总扰动的估计值以及所述总扰动的估计值的误差值产生所述调节控制量。
9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述第二线性扩展状态观测器还用于产生所述实际工作点位置的观测信号和所述实际工作点位置的微分的观测信号；
所述扩展状态观测器还包括非线性状态误差反馈控制律，所述非线性状态误差反馈控制律基于所述实际工作点位置的观测信号、所述实际工作点位置的微分的观测信号以及所述预期工作点位置产生虚拟控制量；并且
所述自抗扰控制器基于所述虚拟控制量、所述总扰动的估计值以及所述总扰动的估计值的误差值产生所述调节控制量。
10.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述扩展状态观测器模块还用于产生所述实际工作点位置的观测信号和所述实际工作点位置的微分的观测信号，
所述扩展状态观测器还包括：
跟踪微分器，所述跟踪微分器用于接收所述机械臂的远端的所述预期工作点位置，并产生所述预期工作点位置的跟踪信号和微分信号；和
非线性状态误差反馈控制律，所述非线性状态误差反馈控制律基于所述实际工作点位置的观测信号、所述实际工作点位置的微分的观测信号、所述预期工作点位置的跟踪信号和所述预期工作点位置的微分信号产生误差控制量，以及
所述自抗扰控制器基于所述误差控制量和所述总扰动的估计值产生所述调节控制量。
11.一种用于控制如权利要求1-10中任一项所述的骨科手术机器人系统的方法，其特征在于，所述方法包括：
基于基础控制量控制所述机械臂的远端位于预期工作点位置；
监测所述机械臂的远端的实际工作点位置；
基于所述机械臂的远端的所述预期工作点位置和所述实际工作点位置的差异产生调节控制量；以及
基于所述基础控制量和所述调节控制量控制所述机械臂的远端稳定在所述预期工作点位置。
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