CN114367989B - 缺省的机械臂阻抗控制方法、装置、机械臂及存储介质 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种缺省的机械臂阻抗控制方法、装置、机械臂及存储介质，该方法包括：获取机械臂当前的运动状态和反馈参数；根据所述运动状态和所述反馈参数确定所述机械臂属于哪种缺省类型；根据所属的缺省类型对应的预设规则，基于弹簧‑阻尼‑质量模型所构建生成阻抗控制方程，利用所述阻抗控制方程对所述机械臂进行控制。使得手术机械臂在缺省的状态也可以进行阻抗控制，减轻了计算机负荷，从而得到更多的控制参数，进而增加动力学控制的运动插补频率，使得机械臂运动更加柔顺。
Description
技术领域
本发明涉及机械控制领域，尤其涉及一种缺省的机械臂阻抗控制方法、装置、机械臂及存储介质。
背景技术
在手术机器人的运用场景中，单纯的机械臂直接控制很难满足医生的临床要求，主动模式下的位置控制对于实际手术场景来说太危险，因为临床手术过程中，患者与医务人员与手术机器人三者之间时刻处于一种位置相互移动不确定的状态，所以间接控制也是手术机器人的一大控制方式。该间接控制中包括阻抗以及力位混合控制，阻抗控制指的不是直接控制机器人的运动，也不是直接控制机器人与外界的接触力，而是控制二者之间的动态关系，可以保证机械臂的精度，但是在一些特性机器人位姿或者缺失反馈参数的情况，导致计算和控制反应缓慢，不够及时和柔顺。
发明内容
有鉴于此，本申请提供一种缺省的机械臂阻抗控制方法，包括：
获取机械臂当前的运动状态和反馈参数；
根据所述运动状态和所述反馈参数确定所述机械臂属于哪种缺省类型；
根据所属的缺省类型对应的预设规则，基于弹簧-阻尼-质量模型所构建生成阻抗控制方程，利用所述阻抗控制方程对所述机械臂进行控制。
进一步的，所述根据所述运动状态和所述反馈参数确定所述机械臂属于哪种缺省类型包括：
当所述机械臂的运动状态为正常运动时，若检测到存在力矩反馈参数缺失时，则为第一缺省类型；
当所述机械臂的反馈参数齐全，而所述机械臂的角度处于预设范围，为第二缺省类型；
或机械臂运动速度低于预设速度时，则为第三缺省类型。
进一步的，在处于第一缺省类型时，预设规则为将所述阻抗控制方程中，包含所述反馈参数相关的参数项移除；
所述阻抗控制方程在关节坐标系中为：
式中，τext为外部力矩，Md为设计的惯性矩阵控制系统的质量，Dd为设计的阻尼矩阵系统，Kd为设计的弹簧矩阵系统，q为关节角度测量值，为关节角度差值，/>为关节角速度差值，/>为关节角加速度差值。
进一步的，当处于第二缺省类型时，则将阻抗控制方程中所述机械臂设定的惯性矩阵控制系统的质量与根据关节角度计算得到的惯性矩阵控制系统的质量视为相等，以得到更新后的所述阻抗控制方程；
更新后的所述阻抗控制方程在关节坐标系中为：
式中，τext为外部力矩，M为所述机械臂的惯性矩阵，Dd为阻尼矩阵，Kd为弹簧矩阵，q为关节角度测量值，为所述关节角度的差值，/>为关节角速度差值，/>为关节角加速度差值。
进一步的，当所述机械臂的关节角度处于预设范围时，更新后的所述阻抗控制方程在空间坐标系中为：
式中，J为雅克比矩阵，Fext为所述外部力矩为所述机械臂的位置差值，/>为所述机械臂的速度差值，/>为所述机械臂的加速度差值，M为所述机械臂的惯性矩阵。
进一步的，当处于第三缺省类型时，则将阻抗控制方程中关节角加速度和关节角速度都视为零，并忽略所述机械臂设定的惯性矩阵控制系统的质量与根据关节角度计算得到的惯性矩阵控制系统的质量；
更新后的所述阻抗控制方程在关节坐标系中为：
式中，τext为外部力矩，Dd为设计的阻尼矩阵系统，Kd为设计的弹簧矩阵系统，为所述关节角度的差值，/>为关节角速度的测量值，M为所述机械臂的惯性矩阵，/>为关节角加速度。
进一步的，当处于第三缺省类型时，更新后的所述阻抗控制方程在空间坐标系中为：
式中，J为雅克比矩阵，Fext为所述外部力矩为所述机械臂的位置误差值，/>为所述机械臂的速度差值。
进一步的，本申请的实施例还提供一种缺省条件下的机械臂阻抗控制装置，包括：
检测模块，用于获取机械臂当前的运动状态和反馈参数；
判断模块，用于根据所述运动状态和所述反馈参数确定所述机械臂属于哪种缺省类型；
更新模块，用于根据所属的缺省类型对应的预设规则，基于弹簧-阻尼-质量模型所构建生成阻抗控制方程，利用所述阻抗控制方程对所述机械臂进行控制。
进一步的，本申请的实施例还提供一种机械臂，包括处理器和存储器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序在所述处理器上运行时执行上述实施例总任一所述的缺省的机械臂阻抗控制方法。
进一步的，本申请的实施例还提供一种可读存储介质，其存储有计算机程序，所述计算机程序在处理器上运行时执行上述实施例中任一所述的缺省的机械臂阻抗控制方法。
获取机械臂当前的运动状态和反馈参数；根据所述运动状态和所述反馈参数确定所述机械臂属于哪种缺省类型；根据所述缺省类型和对应的预设规则，对于基于弹簧-阻尼-质量模型所构建的阻抗控制方程进行更新，更新后的所述阻抗控制方程用于所述机械臂的阻抗控制。使得手术机械臂在缺省的状态也可以进行阻抗控制，并且简化了计算公式，减轻了计算机负荷，增加动力学控制的运动插补频率，使得机械臂运动更加柔顺。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对本发明保护范围的限定。在各个附图中，类似的构成部分采用类似的编号。
图1示出了本申请实施例的阻抗控制流程示意图；
图2示出了本申请实施例一种缺省的机械臂阻抗控制方法流程示意图；
图3示出了本申请实施例一种缺省条件下的机械臂阻抗控制装置结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中附图，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。
通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的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。
在下文中，可在本发明的各种实施例中使用的术语“包括”、“具有”及其同源词仅意在表示特定特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合，并且不应被理解为首先排除一个或更多个其它特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的存在或增加一个或更多个特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的可能性。
此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
除非另有限定，否则在这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明的各种实施例所属领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。所述术语(诸如在一般使用的词典中限定的术语)将被解释为具有与在相关技术领域中的语境含义相同的含义并且将不被解释为具有理想化的含义或过于正式的含义，除非在本发明的各种实施例中被清楚地限定。
本申请的技术方案应用于手术机械臂的阻抗控制，如图1所示，由操作人员输入对机械臂的操控数据，阻抗控制器接收外来命令，以及当前机械臂的运动状态来计算机械臂阻抗，所得到的结果进行运动学逆解，得到最终机械臂所需要输出的力道，而输出的力道以及机器人在环境中受到的力都会经过动力学正解进行计算，解析机械臂的运动状态，然后再将这些实际运动数据反馈给阻抗控制器，实现阻抗控制。
例如在机器人辅助医生做牙科种植手术时，机械臂在牙科手术种植机工具坐标下的x,y坐标系做位置控制模式，而在z方向上做阻抗控制模式，这样既保证了打磨杆可以恒定定位在一个特定的位置，保证了精度，由使得机械臂开放了一个维度的自由度，使得机械臂手持牙科手机头打磨牙齿的种植位置，而为了使得机械臂更加柔顺，同时为了在某些缺失数据和特定运动状态的情况下，依旧可以进行，并且减少计算机的计算量，增加运动插补频率。
接下来以具体实施例来解释本申请的技术方案。
实施例1
如图2所示，本申请实施例包括以下步骤：
步骤S100，获取机械臂当前的运动状态和反馈参数。
对于机械臂来讲，大多时候处于正常的运动状态，比如确定机械臂从某个坐标移动到另一个坐标上，则会有平移，上升，下降这些运动状态，而在手术过程中，机械臂可能处于某些特定的姿态，或者运动状态，导致回传的数据并不准确，影响内部计算，或者因为传感器等原因在获取反馈参数时，没有获得到相应的参数，使得机械臂无法获取足够有效的数据进行阻抗控制，进而降低机械臂阻抗控制的效率。
因此需要实时获取机械臂的运动状态和反馈数据，确定当前机械臂是不是处于缺省状态。
步骤S200，根据所述运动状态和所述反馈参数确定所述机械臂属于哪种缺省类型。
如上述步骤所述，机械臂的缺省状态包括反馈参数的缺失和运动状态的异常。
当所述机械臂的运动状态正常，而所述反馈参数缺失，则处于参数缺失状态；
当所述机械臂的反馈参数齐全，而所述机械臂的角度处于预设范围，或机械臂运动速度在预设速度以下时，则为运动状态缺省。
步骤S300，根据所述缺省类型和对应的预设规则，对于基于弹簧-阻尼-质量模型所构建的阻抗控制方程进行更新，更新后的所述阻抗控制方程用于所述机械臂的阻抗控制。
对应于不同的缺省类型，有不同的预设规则来对所应用的阻抗方程进行更新。
具体而言，基于弹簧-阻尼-质量模型所构建的阻抗控制方程为：
其中qd表示关节角度设定值，关节角加速度的设定值，/>关节角速度的设定值，q为关节角度测量值，Md为设计的惯性矩阵控制系统的质量，Dd为设计的阻尼矩阵系统，Kd为设计的弹簧矩阵系统，τext为外部力矩，/>为关节角度差值，/>为关节角速度差值，/>为关节角加速度差值。
已知固定轨迹的动力学方程为：
其中M为本身的惯性矩阵，C为科里奥利力效应矩阵，g为重力效应矩阵，τ为机器人驱动电机所产生的力矩，为关节角速度，/>为关节角加速度。
因此，当机械臂在一条阻抗模式下的自由运动轨迹，已知关节位置，关节角速度，关机角加速度设定值分别为qd，则可确定关节输入满足如下方程：
式中I为单位矩阵，当缺少受到的力矩反馈相关参数时，即上述式子中的(I-M(q)Md -1)τext项未知，则去除该相关项，然后将去除该项的公式带入到动力学方程中，最终得到关节坐标系下的阻抗控制公式为：
相较于式(1)，可见式(4)和式(1)形式接近，也反应了一定的阻抗特性，可以提供在缺失了反馈力矩时的阻抗控制。
当机械臂运动在特定位置时，例如当机械臂的关节角度q处于0至10度的范围，在该范围中，使得阻抗控制方程中所述机械臂设定的惯性矩阵控制系统的质量与根据关节角度计算得到的惯性矩阵控制系统的质量相当，那么在这种姿态角度下，可以视为Md＝M(q)，如此可简化上述式(3)中的公式，将带有M(q)Md -1的项约成1，进而带回动力学公式中，得到更新后的在关节坐标系下的阻抗控制公式为：
显然式(5)和式(1)也是类似的，并且在上述特定的运动状态下，存在Md＝M(q)，因此两者计算得到的结果可以视为相同，可以保证一定的阻抗特性以支持阻抗控制。
而在笛卡尔坐标系，也就是空间坐标系中，如果要实现理想状态的阻抗控制，需要在线求解雅可比矩阵的逆矩阵以及雅可比矩阵的导数矩阵，精准测量机器人末端执行器受到的外力，机器人动力学以及运动学模型，关节位置以及转速以及可以进行关节的转矩控制，因此需要将式(2)和式(3)转换到笛卡尔坐标系中。
上述两个算式中，J为雅克比矩阵，Fext为所述外部力矩，式中，为所述空间坐标系机械臂位置差值，/>为所述空间坐标系机械臂的速度差值，/>为所述空间坐标系机械臂的加速度差值，M为所述机械臂的惯性矩阵。
因此在上述机械臂关节角度在预设范围内时，依旧可以认为Md＝M(q)，在简化了式(7)中的公式后，将其带入式(6)中，从而可以得到在空间坐标系下的阻抗控制公式：
可见，在上述运动状态下，通过设Md＝M(q)，使得计算过程大大简化，可以减轻计算内核负担，提高了实时计算的数据反馈能力。
除此之外，在实际手术时，机械臂还会进入缓慢移动状态，比如开始打磨和钻孔，此时机械臂移动距离小，虽然存在角速度和角加速度的设定值，但是数值微小，因此在这种情况下，完全可以将这两种变量忽略不计，并且这种应用场景下，机械臂几乎固定不动，也不存在惯性，所以可以同时忽略设计的惯性矩阵控制系统的质量以及本身的惯性矩阵，由此在关节坐标系下，式(3)经过简化可以得到下式：
即方程只补偿科里奥利效应以及重力效应，并且当关节加速度较小时，几乎可以看作是一阶系统。因此将式(9)代入式(2)可得在关节坐标系中的阻抗控制公式为：
可见式(10)的形式和式(1)类似，且在缓慢移动的这种运动状态下，可以确保阻抗控制达到预期效果，同时简化了计算过程中所运用到的参数，提高了实时计算的数据反馈能力。
而在空间坐标系下，当机械臂处于缓慢移动状态时，经过上述类似的计算，可以得到空间坐标系中为：
式中，J为雅克比矩阵，Fext为所述外部力矩为机械臂的位置差值，/>为所述机械臂的速度差值。
本申请实施例通过针对机械臂的各个不同的工作状态以及反馈参数，确定了缺省类别，根据缺省类别和对应的处理方法来进行处理，在缺少参数的情况下，也能保证可以进行阻抗控制，同时在某些特定的运动状态下，通过将参数约分和忽略的方法，减少了计算机内核的运算量，使得流程简化，提高了实时计算的数据反馈能力，从而使得机械臂在固定时间内接收到的控制参数更多，进一步的增加了运动插补频率，使得机械臂的运动更为柔顺，方便了医生的控制。
实施例2
进一步的，本申请的实施例还提供一种缺省条件下的机械臂阻抗控制装置，如图3所示，包括：
检测模块10，用于获取机械臂当前的运动状态和反馈参数；
判断模块20，用于根据所述运动状态和所述反馈参数确定所述机械臂属于哪种缺省类型；
更新模块30，用于根据所属的缺省类型对应的预设规则，基于弹簧-阻尼-质量模型所构建生成阻抗控制方程，利用所述阻抗控制方程对所述机械臂进行控制。
进一步的，本申请的实施例还提供一种机械臂，包括处理器和存储器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序在所述处理器上运行时执行上述实施例总任一所述的缺省的机械臂阻抗控制方法。
进一步的，本申请的实施例还提供一种可读存储介质，其存储有计算机程序，所述计算机程序在处理器上运行时执行上述实施例中任一所述的缺省的机械臂阻抗控制方法。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，也可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图和结构图显示了根据本发明的多个实施例的装置、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，结构图和/或流程图中的每个方框、以及结构图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
另外，在本发明各个实施例中的各功能模块或单元可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或更多个模块集成形成一个独立的部分。
所述功能如果以软件功能模块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。基于这样的理解，本发明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部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机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(可以是智能手机、个人计算机、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。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种缺省的机械臂阻抗控制方法，其特征在于，包括：
获取机械臂当前的运动状态和反馈参数；
根据所述运动状态和所述反馈参数确定所述机械臂属于哪种缺省类型；
根据所属的缺省类型对应的预设规则，基于弹簧-阻尼-质量模型所构建生成阻抗控制方程，利用所述阻抗控制方程对所述机械臂进行控制。
2.根据权利要求1所述的缺省的机械臂阻抗控制方法，其特征在于，所述根据所述运动状态和所述反馈参数确定所述机械臂属于哪种缺省类型包括：
当所述机械臂的运动状态为正常运动时，若检测到存在力矩反馈参数缺失时，则为第一缺省类型；
当所述机械臂的反馈参数齐全，而所述机械臂的角度处于预设范围，为第二缺省类型；
或机械臂运动速度低于预设速度时，则为第三缺省类型。
3.根据权利要求2所述的缺省的机械臂阻抗控制方法，其特征在于，在处于第一缺省类型时，预设规则为将所述阻抗控制方程中，包含所述反馈参数相关的参数项移除；
所述阻抗控制方程在关节坐标系中为：
式中，τext为外部力矩，Md为设计的惯性矩阵控制系统的质量，Dd为设计的阻尼矩阵系统，Kd为设计的弹簧矩阵系统，q为关节角度测量值，为关节角度差值，/>为关节角速度差值，/>为关节角加速度差值，M为所述机械臂本身的惯性矩阵。
4.根据权利要求2所述的缺省的机械臂阻抗控制方法，其特征在于，当处于第二缺省类型时，则将阻抗控制方程中所述机械臂设定的惯性矩阵控制系统的质量与根据关节角度计算得到的惯性矩阵控制系统的质量视为相等，以得到更新后的所述阻抗控制方程；
更新后的所述阻抗控制方程在关节坐标系中为：
式中，τext为外部力矩，M为所述机械臂的惯性矩阵，Dd为阻尼矩阵，Kd为弹簧矩阵，q为关节角度测量值，为所述关节角度的差值，/>为关节角速度差值，/>为关节角加速度差值。
5.根据权利要求4所述的缺省的机械臂阻抗控制方法，其特征在于，当所述机械臂的关节角度处于预设范围时，更新后的所述阻抗控制方程在空间坐标系中为：
式中，J为雅克比矩阵，Fext为在所述空间坐标系下外部力矩，为所述空间坐标系下的机械臂位置差值，/>为所述空间坐标系下的机械臂的速度差值，/>为所述空间坐标系下的机械臂的加速度差值，M为所述机械臂的惯性矩阵。
6.根据权利要求2所述的缺省的机械臂阻抗控制方法，其特征在于，当处于第三缺省类型时，则将阻抗控制方程中关节角加速度和关节角速度都视为零，并忽略所述机械臂设定的惯性矩阵控制系统的质量与根据关节角度计算得到的惯性矩阵控制系统的质量；
更新后的所述阻抗控制方程在关节坐标系中为：
式中，τext为外部力矩，Dd为设计的阻尼矩阵系统，Kd为设计的弹簧矩阵系统，为所述关节角度的差值，/>为关节角速度的测量值，M为所述机械臂的惯性矩阵，/>为关节角加速度。
7.根据权利要求6所述的缺省的机械臂阻抗控制方法，其特征在于，当处于第三缺省类型时，更新后的所述阻抗控制方程在空间坐标系中为：
式中，J为雅克比矩阵，Fext为在所述空间坐标系下的外部力矩，为所述机械臂的位置误差值，/>为所述机械臂的速度差值。
8.一种缺省条件下的机械臂阻抗控制装置，其特征在于，包括：
检测模块，用于获取机械臂当前的运动状态和反馈参数；
判断模块，用于根据所述运动状态和所述反馈参数确定所述机械臂属于哪种缺省类型；
更新模块，用于根据所属的缺省类型对应的预设规则，基于弹簧-阻尼-质量模型所构建生成阻抗控制方程，利用所述阻抗控制方程对所述机械臂进行控制。
9.一种机械臂，其特征在于，包括处理器和存储器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序在所述处理器上运行时执行权利要求1至7中任一项所述的缺省的机械臂阻抗控制方法。
10.一种可读存储介质，其特征在于，其存储有计算机程序，所述计算机程序在处理器上运行时执行权利要求1至7中任一项所述的缺省的机械臂阻抗控制方法。
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2022
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