CN114131608A - 一种高强度温敏型柔性驱动器的机械臂控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及柔性驱动器技术领域，公开了一种高强度温敏型柔性驱动器的机械臂控制方法，包括定位、运动补偿和人机交互，所述定位为机器人定位于TMS设备中的导航系统，通过建立雅克比矩阵实现关节坐标和空间位置坐标的对应，并通过控制关节来实现机械臂末端在空间中的定位；所述运动补偿为通过TMS导航系统追踪人体头部的运动并实时更新线圈的理想位置，机械臂通过不断追踪理想位置将线圈保持与头部的相对位置不变，实现头部运动补偿；所述人机交互控制实现精确稳定的人机交互控制。该高强度温敏型柔性驱动器的机械臂控制方法，在人机交互时相比驱动器具有安全、稳定等明显的优势，提供力反馈信号，以实现精确稳定的人机交互控制。

Description

一种高强度温敏型柔性驱动器的机械臂控制方法
技术领域
本发明涉及柔性驱动器技术领域，具体为一种高强度温敏型柔性驱动器的机械臂控制方法。
背景技术
基于双目立体视觉的原理，利用虚拟仿真场景，在经颅磁刺激治疗时，在虚拟仿真场景中选择刺激的目标靶点，然后通过虚拟场景与现实机械臂进行交互，使得机械臂夹持着刺激线圈，借助视觉和机械臂的结合将刺激线圈精准推送到刺激靶点。并且针对机械臂运动过程中可能与外部环境发生碰撞的问题，对机械臂路径规划方法进行了研究。
机器人为采用柔性驱动器的多自由度机械臂系统，与现有的TMS设备集成，完成TMS线圈在头部特定脑区的自动定位、头部运动追踪补偿以及人机交互力控制。
目前，现有的高强度温敏型柔性驱动器的机械臂控制方法存在如下问题：无法保证器械人机交互安全性，刚度过大可能带来交互中的不适感，且在力控制过程中存在稳定性问题，不便提供力反馈信号，难以实现精确稳定的人机交互控制。为此，需要设计相应的技术方案给予解决。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种高强度温敏型柔性驱动器的机械臂控制方法，解决了无法保证器械人机交互安全性，刚度过大可能带来交互中的不适感，且在力控制过程中存在稳定性问题，不便提供力反馈信号，难以实现精确稳定人机交互控制的技术问题。
(二)技术方案
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种高强度温敏型柔性驱动器的机械臂控制方法，包括定位、运动补偿和人机交互，所述定位为机器人定位于TMS设备中的导航系统，机械臂控制器采用PID算法得到各连杆矩阵的一般变换公式：
Figure BDA0003408363430000021
通过建立雅克比矩阵实现关节坐标和空间位置坐标的对应，并通过控制关节来实现机械臂末端在空间中的定位；所述运动补偿为通过TMS导航系统追踪人体头部的运动并实时更新线圈的理想位置，机械臂通过不断追踪理想位置将线圈保持与头部的相对位置不变，实现头部运动补偿；所述人机交互控制为在机械臂将TMS线圈运动至指定位置之后，机械臂会将线圈以垂直于头部的方向以一定大小的力将线圈压紧在头部，人机交互控制器通过静力学模型，根据柔性驱动器上的力反馈信号计算出线圈在头部的压力，并通过阻抗控制控制此压力，实现精确稳定的人机交互控制。
优选的，所述机械臂控制系统包括机械臂可视化输出、机械臂轨迹规划、机械臂控制和人机交互状态显示。
优选的，其具体步骤包括：
S1：脑区分析，人体头部运动分析；
S2：具有柔性驱动器的机械结构设计，建模、仿真、设计和制造；
S3：基于柔性驱动器开发人机交互控制，机械臂定位追踪及轨迹规划；
S4：与TMS设备软硬件集成。
优选的，所述导航系统是在人头部放置多个红外线反射球，并使用摄像头实时追踪头部的位置，再根据需要刺激的脑区计算出线圈在空间中的理想位置。
(三)有益效果
该高强度温敏型柔性驱动器的机械臂控制方法，从根本上保证器械人机交互安全性，实现TMS线圈在工作空间中六自由度的定位，保证了足够的工作空间以覆盖所有大脑区域并且可以足够补偿人体头部的运动，驱动器具有安全、稳定等明显的优势，可以提供力反馈信号，以实现精确稳定的人机交互控制，强度高，机械控制简单。
附图说明
图1为本发明的机械臂系统与TMS设备的软硬件集成示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，本发明实施例提供一种技术方案：一种高强度温敏型柔性驱动器的机械臂控制方法，包括定位、运动补偿和人机交互，所述定位为机器人定位于TMS设备中的导航系统，机械臂控制器采用PID算法得到各连杆矩阵的一般变换公式：
Figure BDA0003408363430000031
通过建立雅克比矩阵实现关节坐标和空间位置坐标的对应，并通过控制关节来实现机械臂末端在空间中的定位；所述运动补偿为通过TMS导航系统追踪人体头部的运动并实时更新线圈的理想位置，机械臂通过不断追踪理想位置将线圈保持与头部的相对位置不变，实现头部运动补偿；所述人机交互控制为在机械臂将TMS线圈运动至指定位置之后，机械臂会将线圈以垂直于头部的方向以一定大小的力将线圈压紧在头部，人机交互控制器通过静力学模型，根据柔性驱动器上的力反馈信号计算出线圈在头部的压力，并通过阻抗控制控制此压力，实现精确稳定的人机交互控制。
进一步改进地，所述机械臂控制系统包括机械臂可视化输出、机械臂轨迹规划、机械臂控制和人机交互状态显示。
进一步改进地，其具体步骤包括：
S1：脑区分析，人体头部运动分析；
S2：具有柔性驱动器的机械结构设计，建模、仿真、设计和制造；
S3：基于柔性驱动器开发人机交互控制，机械臂定位追踪及轨迹规划；
S4：与TMS设备软硬件集成。
具体改进地，所述导航系统是在人头部放置多个红外线反射球，并使用摄像头实时追踪头部的位置，再根据需要刺激的脑区计算出线圈在空间中的理想位置。
导航系统的原理，是在人头部放置多个红外线反射球，并使用摄像头实时追踪头部的位置，再根据需要刺激的脑区计算出线圈在空间中的理想位置。机器人系统会根据这个理想位置，通过运动学反解得到机械臂六个关节的位置，随后控制器控制六个关节达到理想位置，实现线圈在空间中的定位。其中，机械臂的运动学模型通过D-H坐标建立，通过建立雅克比矩阵实现关节坐标和空间位置坐标的对应。机械臂控制器采用PID算法实现精确快速的响应。
从根本上保证器械人机交互安全性，实现TMS线圈在工作空间中六自由度的定位，机械臂采用串联的形式，且所有关节输出旋转运动，每个关节由独立的电机(步进电机和直流无刷电机)通过减速器和传动机构来驱动，机械臂的尺寸经过机器人学理论设计优化，保证了足够的工作空间以覆盖所有大脑区域并且可以足够补偿人体头部的运动，其中的弹性元件可以提供内在的柔性，在人机交互时相比刚性驱动器具有安全、稳定等明显的优势，更重要的是，此柔性驱动器在不需要额外力/力矩传感器的情况下可以提供力反馈信号，以实现精确稳定的人机交互控制。
因此，通过对此柔性关节的控制，机械臂可以实现将TMS线圈以一定大小的力压在头部。
一方面，驱动器中的柔性需保证使用安全；另一方面，驱动器需通过弹性元件提供力反馈信号。
本发明的部件均为通用标准件或本领域技术人员知晓的部件，其结构和原理都为本技术人员均可通过技术手册得知或通过常规实验方法获知，本发明解决的问题是无法保证器械人机交互安全性，刚度过大可能带来交互中的不适感，且在力控制过程中存在稳定性问题，不便提供力反馈信号，难以实现精确稳定的人机交互控制，本发明通过上述部件的互相组合，从根本上保证器械人机交互安全性，实现TMS线圈在工作空间中六自由度的定位，保证了足够的工作空间以覆盖所有大脑区域并且可以足够补偿人体头部的运动，驱动器具有安全、稳定等明显的优势，可以提供力反馈信号，以实现精确稳定的人机交互控制。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点,对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (4)

1.一种高强度温敏型柔性驱动器的机械臂控制方法，包括定位、运动补偿和人机交互，其特征在于：所述定位为机器人定位于TMS设备中的导航系统，机械臂控制器采用PID算法得到各连杆矩阵的一般变换公式：
Figure FDA0003408363420000011
通过建立雅克比矩阵实现关节坐标和空间位置坐标的对应，并通过控制关节来实现机械臂末端在空间中的定位；所述运动补偿为通过TMS导航系统追踪人体头部的运动并实时更新线圈的理想位置，机械臂通过不断追踪理想位置将线圈保持与头部的相对位置不变，实现头部运动补偿；所述人机交互控制为在机械臂将TMS线圈运动至指定位置之后，机械臂会将线圈以垂直于头部的方向以一定大小的力将线圈压紧在头部，人机交互控制器通过静力学模型，根据柔性驱动器上的力反馈信号计算出线圈在头部的压力，并通过阻抗控制控制此压力，实现精确稳定的人机交互控制。
2.根据权利要求1所述的一种高强度温敏型柔性驱动器的机械臂控制方法，其特征在于：所述机械臂控制系统包括机械臂可视化输出、机械臂轨迹规划、机械臂控制和人机交互状态显示。
3.根据权利要求1所述的一种高强度温敏型柔性驱动器的机械臂控制方法，其特征在于，其具体步骤包括：
S1：脑区分析，人体头部运动分析；
S2：具有柔性驱动器的机械结构设计，建模、仿真、设计和制造；
S3：基于柔性驱动器开发人机交互控制，机械臂定位追踪及轨迹规划；
S4：与TMS设备软硬件集成。
4.根据权利要求1所述的一种高强度温敏型柔性驱动器的机械臂控制方法，其特征在于：所述导航系统是在人头部放置多个红外线反射球，并使用摄像头实时追踪头部的位置，再根据需要刺激的脑区计算出线圈在空间中的理想位置。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN114939861A (zh) * 2022-04-12 2022-08-26 大连理工大学 一种基于tms-ppo算法的肌肉骨骼机器人控制方法
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