CN115972209A - 一种主手机械臂和主手机械臂的关节扭矩控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种主手机械臂和主手机械臂的关节扭矩控制方法，所述的主手机械臂具体包括：固定座以及一至三轴连杆；一轴连杆与固定座绕第一旋转轴转动连接；二轴连杆与一轴连杆绕第二旋转轴转动连接；三轴连杆与二轴连杆绕第三旋转轴转动连接；设置在一轴连杆上的二轴驱动模组直接驱动二轴连杆绕第二旋转轴转动；设置在一轴连杆或二轴连杆上的三轴驱动模组通过驱动连接组件将转动传递到三轴连杆，驱动三轴连杆绕第三旋转轴转动。本发明实施例提供的结构能够减轻末端负载，提升操作手感，保证稳定运行；本发明实施例提供的控制方法，能够补偿驱动模组的摩擦力，提升对主手机械臂的关节扭矩控制精度。

Description

一种主手机械臂和主手机械臂的关节扭矩控制方法

技术领域

本发明涉及手术机器人技术领域，特别涉及一种主手机械臂和一种主手机械臂的关节扭矩控制方法。

背景技术

主从式微创手术机器人是将机器人技术与传统的微创手术技术相结合的一种机器人系统，主手是主从式微创手术机器人的主控制器，是医生与微创手术机器人交互的关键设备以及进行人机交互的载体，主手一方面作为输入装置将医生手部的操作动作传递给从端控制从手完成手术操作，另一方面作为输出装置能够将从手与手术环境的交互作用力反馈给医生实现临场力感觉。

主手机械臂包含多个转动自由度，需要在各轴上安装驱动模组，而现有的主手机械臂中驱动模组的布置方式和驱动组件的结构设置，都难以使各轴的体积和重量降低，特别是末端负载的体积和重量，这对提升操作手感造成了一定的阻碍，并且往往无法兼顾操作过程中结构的稳定性。主手机械臂中的驱动模块若采用大减速比的减速器，存在较大的摩擦力，导致关节输出扭矩减小，为了补偿减速器摩擦力，还需要对主手机械臂的关节扭矩进行控制。

发明内容

鉴于上述问题，本发明提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种主手机械臂和主手机械臂的关节扭矩控制方法，技术方案如下所述：

一种主手机械臂，包括：

固定座；

一轴连杆，与所述固定座绕第一旋转轴转动连接；

二轴连杆，与所述一轴连杆绕第二旋转轴转动连接；

三轴连杆，与所述二轴连杆绕第三旋转轴转动连接；

二轴驱动模组，设置在所述一轴连杆上，所述二轴驱动模组的输出端连接所述二轴连杆，所述二轴驱动模组直接驱动所述二轴连杆绕第二旋转轴转动；

三轴驱动模组，设置在所述一轴连杆或所述二轴连杆上；

驱动连接组件，设置在所述三轴驱动模组的输出端和三轴连杆之间，用于将所述三轴驱动模组输出的转动传递到所述三轴连杆，使所述三轴驱动模组通过所述驱动连接组件驱动所述三轴连杆绕第三旋转轴转动。

进一步的，所述二轴驱动模组和三轴驱动模组均包括依次连接的电机和减速器，所述减速器的输出端设置扭矩传感器。

进一步的，所述二轴驱动模组和三轴驱动模组平行设置于所述一轴连杆内，所述二轴驱动模组的输出端提供绕第二旋转轴的转动；所述三轴驱动模组的输出端提供绕第一中间转轴的转动，所述第三旋转轴和所述第一中间转轴平行，所述第一中间转轴的转动通过所述驱动连接组件传递到所述第三旋转轴，从而驱动所述第三旋转轴的转动。

进一步的，所述二轴驱动模组和三轴驱动模组在所述一轴连杆内沿平行于第一旋转轴方向并列排布，且所述二轴驱动模组设置在所述一轴连杆内更靠近所述二轴连杆的一侧。

进一步的，所述驱动连接组件包括第一连接件、第二连接件、第三连接件、第四连接件和第五连接件，

所述第一连接件的一端与所述三轴驱动模组的输出端连接，所述第一连接件的另一端与所述第二连接件的一端转动连接；

所述第三连接件的一端与所述二轴驱动模组的输出端连接，所述第三连接件的另一端与所述第二连接件的另一端和所述第四连接件的一端转动连接；

所述第五连接件的一端与第四连接件的另一端转动连接，所述第五连接件的另一端连与所述三轴连杆固定连接。

进一步的，所述第一连接件、第二连接件、第三连接件与所述一轴连杆构成平行四边形连接，所述第三连接件、第四连接件、第五连接件与所述二轴连杆构成平行四边形连接。

进一步的，所述二轴驱动模组和三轴驱动模组沿垂直于第一旋转轴方向并列排布；所述二轴驱动模组的输出端提供绕第二旋转轴的转动，所述三轴驱动模组的输出端提供绕第一中间转轴的转动，第二旋转轴和第一中间转轴同轴；所述第三旋转轴和所述第一中间转轴平行，所述第一中间转轴的转动通过所述驱动连接组件传递到所述第三旋转轴，从而驱动所述第三旋转轴的转动。

进一步的，所述三轴驱动模组设置在所述二轴连杆上，并跟随所述二轴连杆一同转动。

进一步的，所述三轴驱动模组设置在所述一轴连杆上，且所述二轴驱动模组的输出轴和所述三轴驱动模组的输出轴均通过轴承安装到所述一轴连杆上。

进一步的，所述驱动连接组件包括第六连接件和第七连接件，所述第六连接件的一端与所述三轴驱动模组的输出端连接，另一端连接所述第七连接件的一端，所述第七连接件的另一端连接所述三轴连杆；所述第六连接件、第七连接件、二轴连杆与部分三轴连杆构成平行四边形连接。

进一步的，所述主手机械臂还包括设置在所述固定座内的一轴驱动模组，所述一轴驱动模组的输出端连接所述一轴连杆，所述一轴驱动模组直接驱动所述一轴连杆绕第一旋转轴转动；所述一轴驱动模组包括依次连接的电机和减速器，所述减速器的输出端设置扭矩传感器。

进一步的，所述电机的输出轴设置有抱闸结构。

进一步的，所述主手机械臂还包括四轴连杆、五轴连杆和六轴连杆，所述四轴连杆与所述三轴连杆转动连接，所述五轴连杆与所述四轴连杆转动连接，所述六轴连杆与所述五轴连杆转动连接，所述六轴连杆的自由端设置主手工具。

一种主手机械臂的关节扭矩控制方法，所述主手机械臂采用如上述的主手机械臂；所述主手机械臂的关节扭矩控制方法包括：

确定控制对象，所述控制对象为所述主手机械臂中的一轴驱动模组、二轴驱动模组和三轴驱动模组的至少一个；

获取所述控制对象的当前运动状态，并根据所述当前运动状态确定所述控制对象对应的预设扭矩值；

按照所述预设扭矩值控制所述控制对象工作，并利用扭矩传感器检测所述控制对象输出的实际扭矩值；

计算所述预设扭矩值和所述实际扭矩值的扭矩差值，根据所述扭矩差值调整所述控制对象的工作电流，以使调整工作电流后的控制对象输出的实际扭矩值等于所述预设扭矩值。

进一步的，根据所述当前运动状态确定所述控制对象对应的预设扭矩值，包括：

获取所述主手机械臂的动力学模型；

将所述当前运动状态输入所述动力学模型，得到所述控制对象对应的预设扭矩值。

进一步的，在按照所述预设扭矩值控制所述控制对象工作之前，还包括：

将所述预设扭矩值与第一比例系数的乘积作为预启动扭矩值；其中，所述第一比例系数大于等于0且小于等于1；

确定所述预启动扭矩值对应的预启动电流值，通过前馈控制的方式控制所述控制对象按照所述预启动电流值工作。

进一步的，在按照所述预设扭矩值控制所述控制对象工作之前，还包括：

根据工况与摩擦力的对应关系确定所述控制对象的当前摩擦力；

将所述当前摩擦力与第二比例系数的乘积作为预启动摩擦力，并确定所述预启动摩擦力对应的电流值；其中，所述第二比例系数大于等于0且小于等于1；

通过前馈控制的方式控制所述控制对象按照所述预启动摩擦力对应的电流值工作。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：本发明实施例提供的主手机械臂方案中，将三轴驱动模组前置，三轴驱动模组可设置在一轴连杆或二轴连杆上，并通过驱动连接组件将三轴驱动模组的输出扭矩传递至三轴连杆，减轻了末端负载，提升了操作手感；进一步的提供了将二轴驱动模组和三轴驱动模组的输出轴线平行不同轴设置以及将二轴驱动模组和三轴驱动模组的输出轴线同轴设置的方案，不同轴时能够减小主手结构宽度，使得安装更加方面与灵活，且二轴连杆、三轴连杆的转动互不干涉耦合；实施例中驱动连接组件采用双平行四边形连杆结构，保证了操作过程中结构的稳定性；本发明实施例中在一轴驱动模组、二轴驱动模组和三轴驱动模组中可选包括依次连接的电机和减速器，减速器输出端还可设置扭矩传感器，本发明实施例提供的主手机械臂的关节扭矩控制方法方案中，可通过所设置的扭矩传感器直接采集控制对象如一轴驱动模组、二轴驱动模组和三轴驱动模组中的至少一个的输出部位的实际扭矩值，进而对控制对象的工作电流进行调整，能够提高主手机械臂的关节扭矩控制精度，降低重力和减速器摩擦力对拖动手术机器人主手机械臂的影响。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1为本发明实施例提供的一种主手机械臂的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种主手机械臂的又一结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种主手机械臂的又一结构示意图；

图4为本发明实施例提供的一种主手机械臂的关节扭矩控制方法的方法流程图；

其中，1-固定座；2-一轴连杆；3-二轴连杆；4-三轴连杆；5-一轴驱动模组；6-三轴驱动模组；7-二轴驱动模组；61-三轴驱动模组输出轴；71-二轴驱动模组输出轴；62/72-扭矩传感器；8-第一连接件；9-第二连接件；10-第三连接件；11-第四连接件；12-第五连接件；13-四轴连杆；14-五轴连杆；15-六轴连杆；16-第六连接件；17-第七连接件；18-轴承。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

参考图1示出了，本发明实施例提供的一种主手机械臂的结构示意图，图1示出的结构为本发明实施例提供的一种主手机械臂的一种可行性实现方案，所述的主手机械臂具体包括：

固定座1；一轴连杆2，与所述固定座1绕第一旋转轴转动连接；二轴连杆3，与所述一轴连杆2绕第二旋转轴转动连接；三轴连杆4，与所述二轴连杆3绕第三旋转轴转动连接。

本发明实施例提供的结构中，所述的固定座1可选为横梁，横梁内部可进行硬件布置。本发明实施例提供的结构中，一轴连杆2和固定座1转动连接，可选的，可通过设置在固定座1内的一轴驱动模组5驱动转动，参见图1，一轴驱动模组5固定安装在固定座1内，一轴驱动模组5的输出端连接一轴连杆2，一轴驱动模组5可提供绕第一旋转轴的转动，通过一轴驱动模组5实现了直接驱动一轴连杆2绕第一旋转轴转动。进一步的，一轴连杆2可沿第一旋转轴的延伸方向设置。

本发明实施例提供的结构中，包括二轴驱动模组7，二轴驱动模组7设置在所述一轴连杆2内，所述二轴驱动模组7的输出端连接所述二轴连杆3，所述二轴驱动模组7直接驱动所述二轴连杆3绕第二旋转轴转动。可选的，所述二轴连杆3的一端连接到所述二轴驱动模组7的输出端，二轴驱动模组7提供绕第二旋转轴的旋转，由于二轴连杆3直接与二轴驱动模组7的输出端相连，二轴驱动模组7又是设置在一轴连杆2上的，因此二轴驱动模组7可提供对二轴连杆3的直接驱动，实现二轴连杆3绕第二旋转轴与一轴连杆2转动连接。

本发明实施例提供的结构中，还包括三轴驱动模组6，本发明实施例中将三轴驱动模组6前置，三轴驱动模组6可选设置在所述一轴连杆2上，或三轴驱动模组6可选设置在所述二轴连杆3上且不与三轴连杆4直接连接；三轴驱动模组6是用于驱动三轴连杆4绕第三旋转轴与二轴连杆3转动连接，由于三轴驱动模组6未与三轴连杆4直接连接，要把三轴驱动模组6输出的转矩传递到三轴连杆4上，需要通过额外的组件，本发明实施例提供了驱动连接组件，驱动连接组件设置在所述三轴驱动模组6的输出端和三轴连杆4之间，用于将所述三轴驱动模组6的转动传递到所述三轴连杆4，使得三轴驱动模组6通过驱动连接组件间接驱动三轴连杆4绕第三旋转轴转动。

本发明实施例提供的结构中，可选的，将所述二轴驱动模组7和三轴驱动模组6平行设置，所述二轴驱动模组7的输出端提供绕第二旋转轴的转动，所述三轴驱动模组6的输出端提供绕第一中间转轴的转动，所述第三旋转轴和所述第一中间转轴平行，所述第一中间转轴的转动通过所述驱动连接组件传递到所述第三旋转轴，从而驱动所述第三旋转轴的转动。所述第二旋转轴和所述第一中间转轴平行，可见二轴驱动模组7和三轴驱动模组6各自的旋转控制互不干扰，即二轴驱动模组7通过提供绕第二旋转轴的转动而直接驱动二轴连杆3，以及三轴驱动模组6通过提供绕第一中间转轴的转动而间接驱动三轴连杆4时，由于第二旋转轴和第一中间转轴平行，使得二轴连杆3和三轴连杆4的驱动控制不会相互干扰耦合。

本发明实施例提供的结构中，可选的，二轴驱动模组7和三轴驱动模组6平行设置时，二轴驱动模组7和三轴驱动模组6可上下排布或左右排布，参见图1和图2分别示出了二轴驱动模组7和三轴驱动模组6可上下排布以及左右排布的示例图。

采用上下排布方式时，可选将三轴驱动模组6设置在一轴连杆2上，所述二轴驱动模组7和三轴驱动模组6都在所述一轴连杆2内沿平行于第一旋转轴方向并列排布，二轴驱动模组7和三轴驱动模组6平行但不同轴，同时所述二轴驱动模组7设置在所述一轴连杆2内靠近所述二轴连杆3的一侧，所述三轴驱动模组6设置在所述一轴连杆2内靠近所述固定座1的一侧，参见图1结构。

采用左右排布方式时，可选将所述二轴驱动模组7和三轴驱动模组6沿垂直于第一旋转轴方向并列排布，其中三轴驱动模组6可设置在一轴连杆2上，也可将三轴驱动模组6设置在二轴连杆3上，三轴驱动模组6可设置在一轴连杆2和二轴连杆3的连接处。

进一步的，所述二轴驱动模组7和三轴驱动模组6可同轴设置，参见图2结构。所述二轴驱动模组7的输出端提供绕第二旋转轴的转动，所述三轴驱动模组6的输出端提供绕第一中间转轴的转动，即第二旋转轴和第一中间转轴同轴；同轴设置时也可设置驱动连接组件，使得所述第一中间转轴的转动通过所述驱动连接组件传递到所述第三旋转轴，从而驱动所述第三旋转轴的转动。除图1和图2结构外，还可采用令二轴驱动模组7和三轴驱动模组6平行设置的其他方案。

可选的，三轴驱动模组6设置在一轴连杆2上时，三轴驱动模组6可不与二轴连杆3连接，三轴驱动模组6不跟随二轴连杆3转动；或者三轴驱动模组6可与二轴连杆3末端连接，使得三轴驱动模组6跟随二轴连杆3转动。可选的，三轴驱动模组6设置在二轴连杆3上时，三轴驱动模组6会跟随二轴连杆3转动。将三轴驱动模组6前置，三轴驱动模组6设置在一轴连杆2或二轴连杆3上时，可以在静态工况下准确补偿重力。但动态工况下，如果三轴驱动模组6的输出端突然出力，会有一部分力耦合在二轴驱动模组7的输入端，如果通过在驱动模组中设置扭矩传感器进行力反馈检测，会影响力反馈的精度；反之二轴驱动模组7的出力也会对三轴驱动模组6有耦合影响。为解决该问题，可选的，实施例中将二轴驱动模组7和三轴驱动模组6同轴设置，且二轴驱动模组7和三轴驱动模组6同轴设置时，二轴连杆3的转动由二轴驱动模组7驱动，三轴驱动模组6也设置在二轴连杆3上或与二轴连杆3末端连接，使得二轴连杆3转动时也会带动三轴驱动模组6整体转动，三轴驱动模组6的输出轴再连接驱动连接组件，通过驱动连接组件驱动三轴连杆4转动，从而实现了完全规避非线性的耦合关系和建模的不准确性，提高力反馈精度。

进一步的，参考图3示出了本发明实施例提供的主手机械臂中二轴驱动模组7和三轴驱动模组6在一轴连杆2内设置的具体连接示意图，图3为图2结构中二轴驱动模组7和三轴驱动模组6在一轴连杆2内的剖面连接图，二轴驱动模组的输出轴71连接二轴连杆3的末端，用于驱动二轴连杆3转动；三轴驱动模组6也与二轴连杆3的末端固定连接，使得二轴连杆3转动时带动三轴驱动模组6一同转动，三轴驱动模组的输出轴61连接驱动连接组件，将三轴驱动模组6输出的扭矩通过驱动连接组件传递给三轴连杆4。二轴驱动模组的输出轴71上设置扭矩传感器72，三轴驱动模组的输出轴61上也设置扭矩传感器62，扭矩传感器用于提供力反馈数据，帮助补偿运动过程中的干扰力。可选的，三轴驱动模组的输出轴61可通过轴承18安装到一轴连杆2上，进一步的，二轴驱动模组的输出轴71也可通过轴承安装到一轴连杆2上，轴承能够增加二轴驱动模组的输出轴71和三轴驱动模组的输出轴61的刚性，提升主手机械臂的控制精确度。

本发明实施例提供的结构中，可选的，一轴连杆2可一端连接一轴驱动模组5的输出端，另一端设置二轴驱动模组7，并通过二轴驱动模组7的输出端与二轴连杆3连接。进一步的，二轴驱动模组7和三轴驱动模组6平行不同轴设置时，三轴驱动模组6可设置在二轴驱动模组7和一轴驱动模组5之间，即所述二轴驱动模组7设置在所述一轴连杆2内靠近所述三轴连杆的一侧，所述三轴驱动模组6设置在所述一轴连杆2内靠近所述一轴连杆2的一侧，这样在二轴驱动模组7和三轴驱动模组6上下排布时，不会妨碍二轴驱动模组7直接驱动二轴连杆3。

本发明实施例提供的结构中，可选的，二轴驱动模组7、三轴驱动模组6和一轴驱动模组5可采用相同的模组，如采用结构和输出相同的驱动模组，实现驱动模组的模块化设计；主手各轴集成了驱动模组，可以减轻操作力，控制系统通过各驱动模组感应到操作力，如可通过传感器或者检测电流变化进行感应，然后通过处理主动控制主手沿操作力的方向运动，补偿主手自身的重力和摩擦力，从而减轻操作力。并且本发明实施例提供的结构，可选的，将三轴驱动模组6安装在二轴驱动模组7的前端，并设置驱动连接组件将三轴驱动模组6的输出机械传动至三轴连杆4，驱动三轴连杆4转动，实现了三轴驱动模组6的前置，减轻末端机械臂重量，减轻关节模组的负载，减轻连杆重量及转动惯量，提升操作手感。

进一步的，一轴驱动模组5、二轴驱动模组7和三轴驱动模组6可均包含依次连接的电机和减速器，电机的输出经过减速器后用于驱动对应的连杆，一轴驱动模组5内电机输出经减速器后驱动一轴连杆2转动，二轴驱动模组7内电机输出经减速器后驱动二轴连杆3转动，三轴驱动模组6内电机输出经减速器后再通过驱动连接组件驱动三轴连杆4转动。减速器与对应连接的连杆之间可设置扭矩传感器，可选将扭矩传感器设置在减速器输出端，可用于实时采集一轴驱动模组5、二轴驱动模组7和三轴驱动模组6的输出扭矩。

本发明实施例提供的结构中，驱动连接组件作为传递扭矩的中间结构，一方面与三轴驱动模组6的输出连接，用于接收三轴驱动模组6输出的扭矩；另一方面与三轴连杆4连接，用于将接收到的扭矩再传给三轴连杆4。可选的，本实施例提供驱动连接组件的一种具体结构，但本领域的技术人员应当知晓该结构并不用于限制本发明。参见图1，本发明实施例提供的驱动连接组件结构，包括第一连接件8、第二连接件9、第三连接件10、第四连接件11和第五连接件12，所述第一连接件8的一端与所述三轴驱动模组6的输出端连接，所述第一连接件8的另一端与所述第二连接件9的一端转动连接；所述第三连接件10的一端与所述二轴驱动模组7的输出端连接，所述第三连接件10的另一端与所述第二连接件9的另一端和所述第四连接件11的一端转动连接；所述第五连接件12的一端与第四连接件11的另一端转动连接，所述第五连接件12的另一端连与所述三轴连杆4固定连接。可选的，第五连接件12与三轴连杆4可构成一个整体，或仅设置三轴连杆4，三轴连杆4的两端分别连接第四连接件11和四周连杆13，三轴连杆4中间一点连接二轴连杆3。

进一步的，第二连接件9、第三连接件10和第四连接件11可替换为其他将第一连接件8的转动传递到第五连接件12的扭矩传递结构，如将第二连接件9、第三连接件10和第四连接件11替换为第六连接件，第一连接件8一端连接三轴驱动模组6的输出端，另一端连接第六连接件的一端，第五连接件12一端连接三轴连杆4，另一端连接第六连接件的另一端，该替换结构同样能够实现三轴驱动模组6对三轴连杆4的间接驱动，但稳定性不如本实施例提供的由第一连接件8、第二连接件9、第三连接件10、第四连接件11和第五连接件12构成的驱动连接组件，原因可通过下述对本实施例提供的驱动连接组件结构的工作原理分析明确。

本发明实施例提供的驱动连接组件，所述第一连接件8、第二连接件9、第三连接件10与所述一轴连杆2构成平行四边形连接，所述第三连接件10、第四连接件11、第五连接件12与所述二轴连杆3构成平行四边形连接三轴驱动模组6控制第一连接件8转动，带动第二连接件9和第三连接件10转动，从而带动第四连接件11和第五连接件12转动，第五连接件12与三轴连杆4固定连接或一体设置，因此实现了将三轴驱动模组6的输出扭矩传递到三轴连杆4的目的。而传递过程中，通过两个四边形结构使得扭矩的传递更为稳定，并且设置第三连接件10连接到二轴驱动模组7，使得驱动连接组件在传递扭矩时不会与二轴驱动模组7发生不必要的碰撞。

进一步的，通过将所述第一连接件8、第三连接件10和第五连接件12的长度设置相等，将所述第二连接件9的长度设置为与所述第二旋转轴和所述第一中间转轴的间距相等，将所述第四连接件11的长度设置为与所述第二旋转轴和所述第三旋转轴的间距相等，使得两个四边形结构均为平行四边形结构，驱动连接组件采用双平行四边形结构，在转动时能够保持整个驱动连接组件的稳定性。

本发明实施例提供的结构，三轴驱动模组6和二轴驱动模组7的输出轴线平行设置，避免了三轴驱动模组6和二轴驱动模组7的同轴设置，能够减小主手结构宽度，使得安装更加方面与灵活，并且二轴连杆3和一轴连杆2间的转动、以及三轴连杆4和二轴连杆3间的转动互不干涉耦合；另外将三轴连杆4的驱动模组即三轴驱动模组6前置，并通过双平行四边形连杆结构的驱动连接组件将三轴驱动模组6的输出扭矩传递至三轴连杆4，减轻了末端负载，也减小了末端与患者接触的连接轴的尺寸，提升操作手感的同时也能保证操作过程中的稳定性。

本发明实施例提供的结构中，可选的，所述第一连接件8、第三连接件10和第五连接件12为曲柄。参考图2示出了，本发明实施例提供的一种主手机械臂的又一结构示意图，该实施例中二轴驱动模组7和三轴驱动模组6在一轴连杆2内同轴设置，二轴驱动模组7的输出端直接连接二轴连杆3，用于驱动二轴连杆3绕第二旋转轴相对于一轴连杆2转动；三轴驱动模组6通过驱动连接组件驱动三轴连杆4，参见图2，本实施例中所述驱动连接组件包括第六连接件16和第七连接件17，所述第六连接件16的一端与所述三轴驱动模组的输出轴61连接，另一端连接所述第七连接件17的一端，所述第七连接件17的另一端连接所述三轴连杆4；可选的，第七连接件17的另一端与三轴连杆4上的一点连接，并且设置三轴连杆4上与第七连接件17的连接点和与二轴连杆3的连接点之间的距离等于第六连接件16的长度，第七连接件17的长度等于二轴连杆3的长度，参见图2，使得所述第六连接件16、第七连接件17、二轴连杆3与部分三轴连杆4构成平行四边形连接。

进一步的，主手机械臂还包括后端臂件，所述的后端臂件包括四轴连杆13、五轴连杆14和六轴连杆15，所述四轴连杆13与所述三轴连杆4转动连接，所述五轴连杆14与所述四轴连杆13转动连接，所述六轴连杆15与所述五轴连杆14转动连接，所述六轴连杆15的自由端设置主手工具。

本发明实施例提供的结构中，可选的，各轴连杆的驱动模组，如所述的一轴驱动模组、二轴驱动模组和三轴驱动模组、以及四轴连杆13、五轴连杆14和六轴连杆15各自的驱动模组可包括电机、减速器和编码器等结构，其中编码器可选选用单圈编码器或多圈编码器，单圈编码器体积小且结构中空可穿线，多圈编码器的结构不能实现中空穿线。

本发明实施例提供的结构中，可选的，在电机的输出轴上还可设置抱闸结构，抱闸结构连接在电机上，在电机停止状态下能够防止电机转动，起刹车功能，使主手机械臂位置保持。

本发明实施例提供的结构中，可选的，所述各驱动模组可选采用减速器，减速器可能存在较大的摩擦力，本发明实施例还提出一种主手机械臂的关节扭矩控制方法，用于减小包含减速器的驱动模组的摩擦力，可适用于任意减速比的减速器，通过设置扭矩传感器直接检测关节扭矩，并将检测结果进行反馈后调整电机输出力。进一步的，四轴连杆13、五轴连杆14和六轴连杆15各自的驱动模组也可采用包含减速器的驱动模组，并用本发明实施例提供的关节扭矩控制方法减小驱动模组的摩擦力，但这样四轴连杆13、五轴连杆14和六轴连杆15的体积相较而言不能做得比较小。

参考图4示出了，本发明实施例提供的一种主手机械臂的关节扭矩控制方法的方法流程图，图4示出的方法为本发明实施例提供的一种主手机械臂的关节扭矩控制方法的一种可行性实现方案，所述的主手机械臂的关节扭矩控制方法具体包括：

确定控制对象，所述控制对象为所述主手机械臂中的一轴驱动模组、二轴驱动模组和三轴驱动模组的至少一个；具体来说，只要采用了包含电机和减速器的驱动模组，都可作为控制对象，若四轴连杆13、五轴连杆14和六轴连杆15各自的驱动模组也采用电机和减速器，也可作为控制对象。下述关节扭矩控制方法以其中一个采用了减速器的驱动模组为例进行说明，但若主手机械臂中确定有多个控制对象，对每个控制对象都可采用下述关节扭矩控制方法。

对每个控制对象，采用关节扭矩控制方法以消除摩擦力的方法包括：

获取控制对象的当前运动状态，并根据所述当前运动状态确定控制对象对应的预设扭矩值；

其中，本实施例可以应用于手术机器人，如手术机器人中的主手机械臂，或手术机器人中的其他关节模组。进一步的本实施例可以在控制对象上设置运动传感器，进而根据运动传感器采集的数据确定控制对象的当前运动状态。上述当前运动状态可以包括控制对象在当前时刻的加速度、速度和角速度中的任一项或任几项的组合。

在得到控制对象的当前运动状态之后，可以根据运动状态与扭矩值的对应关系确定控制对象在当前运动状态下对应的预设扭矩值。具体的，上述预设扭矩值可以用于补偿重力和减速器摩擦力对于用户拖动主手机械臂控制对象的阻力。进一步的，可以通过以下方式确定控制对象对应的预设扭矩值：获取所述主手机械臂的动力学模型；将所述当前运动状态输入所述动力学模型，得到所述控制对象对应的预设扭矩值。

按照所述预设扭矩值控制所述控制对象工作，并利用扭矩传感器检测所述控制对象输出的实际扭矩值；

其中，在得到预设扭矩值之后，本实施例可以根据预设扭矩值确定控制对象的电机需要达到的电流，进而控制电机工作。具体的，上述过程具体包括：将所述预设扭矩值输入所述扭矩控制环，得到初始电流值；其中，所述预设扭矩值为利用所述动力学模型确定的运动参数；将所述初始电流值输入所述电流控制环，得到所述初始电流值对应的电压波形信号，以便控制所述控制对象的电机按照所述初始电流值对应的电压波形信号工作。在控制电机工作时可以利用扭矩传感器采集控制对象输出的实际扭矩值，上述传感器可以设置于控制对象的输出端。控制对象为驱动模组，驱动模组包含电机、减速器、编码器等结构。

计算预设扭矩值和实际扭矩值的扭矩差值，根据扭矩差值调整控制对象的工作电流，以使调整工作电流后的控制对象输出的实际扭矩值等于所述预设扭矩值。

其中，在确定预设扭矩值并检测实际扭矩值后，本步骤根据预设扭矩值和实际扭矩值计算扭矩差值，进而根据扭矩差值调整控制对象的工作电流(即，控制对象中电机的电流)，以使调整电流后的控制对象输出的实际扭矩值等于所述预设扭矩值。

本实施例根据主手机械臂的当前运动状态确定控制对象对应的预设扭矩值，在按照预设扭矩值控制控制对象工作后确定控制对象输出的实际扭矩值。本实施例将实际扭矩值与预设扭矩进行比对得到扭矩差值，进而根据扭矩差值控制所述控制对象的工作电流，以使调整工作电流后的控制对象输出的实际扭矩值等于预设扭矩值。上述过程中直接采集控制对象输出部位的实际扭矩值，进而对控制对象的工作电流进行调整，能够提高手术机器人中如主手机械臂的关节扭矩控制精度，降低重力和减速器摩擦力对拖动手术机器人的影响。

作为对于图3对应实施例的进一步介绍，上述实施例可以通过以下方式获取控制对象的当前运动状态：利用运动传感器获取所述控制对象的所述当前运动状态；其中，所述运动传感器设置于所述控制对象中的传动轴输入端和/或末端法兰。运动传感器中可以包括编码器码盘和编码器读头，进而可以根据所述编码器读头对所述编码器码盘的读取值确定所述控制对象的所述当前运动状态。所述当前运动状态包括加速度、速度和角速度中的任一项或任几项的组合。具体的，本实施例可以在控制对象的传动轴输入端设置第一编码器码盘和第一编码器读头，还可以在控制对象的末端法兰设置第二编码器码盘和第二编码器读头。

作为对于图3对应实施例的进一步介绍，可以利用扭矩传感器检测控制对象输出的实际扭矩值，上述扭矩传感器设置于所述控制对象的输出端，即驱动模组的输出端。扭矩传感器为用于检测某一部件的扭矩的传感器，扭矩传感器可以为通过检测控制对象中电机的电流检测实际扭矩值的传感器，扭矩传感器也可以为通过测量形变金属弹簧两端的形变计算实际扭矩值的SEA串联弹性驱动器，扭矩传感器还可以为通过测量谐波减速器两端的扭转形变来计算实际扭矩值的传感器，扭矩传感器还可以为根据应变片的形变确定实际扭矩值的传感器。本实施例可以通过上述任一种方式检测实际扭矩值，上述方式通过扭矩传感器直接检测实际扭矩值，提高了对实际扭矩值的检测精度。

作为另一种可行的实施方式，还可以直接利用控制对象的动力输出法兰检测上述实际扭矩值，具体的可以在控制对象的动力输出法兰上设置应变片，进而可以根据所述应变片的电阻值计算所述控制对象输出的实际扭矩值。上述方式通过扭矩传感器直接检测实际扭矩值，提高了对实际扭矩值的检测精度，也降低了手术机器人主手机械臂的结构复杂度。

作为对于图3对应实施例的进一步介绍，可以基于扭矩控制环和电流控制环控制所述控制对象的电机工作，具体过程如下：将所述预设扭矩值输入所述扭矩控制环，得到初始电流值；其中，所述预设扭矩值为利用所述主手机械臂的动力学模型确定的运动参数；将所述初始电流值输入所述电流控制环，得到所述初始电流值对应的电压波形信号，以便控制所述控制对象中的电机按照所述初始电流值对应的电压波形信号工作。

在此基础上，还可以通过以下方式调整所述电机的电流：将所述扭矩差值输入扭矩控制环，得到期望电流值；将所述期望电流值输入电流控制环，得到所述期望电流值对应的电压波形信号，以便调整控制对象的工作电流。

上述基于扭矩控制环和电流控制环的控制属于反馈调节，反馈调节具有一定的滞后性，上述实施例还可以在按照所述预设扭矩值控制所述控制对象工作之前，通过控制器进行上位动力学前馈或摩擦力前馈控制开降低控制延迟。

动力学前馈控制的具体过程如下：在根据所述当前运动状态确定所述控制对象对应的预设扭矩值之后、在将所述预设扭矩值输入所述扭矩控制环之前，将所述预设扭矩值与第一比例系数的乘积作为预启动扭矩值；其中，所述比例系数大于0且小于1；确定所述预启动扭矩值对应的预启动电流值，通过前馈控制的方式控制所述电机按照所述预启动电流值工作。具体的，本实施例可以按照预设公式计算预启动扭矩值，上述预设公式为T’＝α×T，T’为预启动扭矩值，T为预设扭矩值，α为第一比例系数，0＜α＜1。作为一种可行的实施方式，第一比例系数的值可以为0.8。上述过程通过动力学模型计算当前获取的不同重力、惯性力、科氏力对应的扭矩，再将扭矩转换成电流反馈到扭矩环的输出、电流环的输入处直接加到扭矩环输出，可以减小初始差值，后续反馈调整时不需要进行100％的调整，只需进行如20％的调整，因为其中80％的调整已经由前馈完成，提高响应速度。

摩擦力前馈控制的过程如下：在将所述预设扭矩值输入所述扭矩控制环之前，根据工况与摩擦力的对应关系确定所述控制对象的当前摩擦力；将所述当前摩擦力与第二比例系数的乘积作为预启动摩擦力，并确定所述预启动摩擦力对应的电流值；其中，所述第二比例系数大于等于0且小于等于1；通过前馈控制的方式控制所述控制对象按照所述预启动摩擦力对应的电流值工作。作为一种可行的实施方式，第二比例系数的值可以为0.8。根据工况与摩擦力的对应关系确定所述控制对象的当前摩擦力，确定所述当前摩擦力对应的电流值；通过前馈控制的方式控制所述电机按照所述当前摩擦力对应的电流值工作。上述过程通过获取在不同转速、温度等工况下的摩擦力，再获取摩擦力对应的电流，将电流反馈到扭矩环的输出、电流环的输入处。

下面通过在实际应用中的实施例说明上述实施例描述的流程。

本实施例可以在关节输出部连接扭矩传感器，可选通过测量扭矩传感器里应变片的微小形变造成的电压变化来计算实际扭矩值。作为另一种实施方式，输出法兰作为驱动模组的动力输出接口可为连接扭矩传感器外侧的金属法兰，也可为扭矩传感器本身，扭矩传感器上安装有应变片，应变片的微小形变造成其电阻变化，通过扭矩传感器获取应变片电阻的差分电压来计算力的大小，从而获得实际扭矩。扭矩传感器在输出端的布置使得控制对象而具备力感知功能，在传动过程检测输出的扭矩大小。相比于利用弹簧检测实际扭矩值的方案，本实施例中测量实际扭矩值的方式能够获得更大的刚度。常规技术中，通常根据电机电流来计算实际扭矩值，由于电机还要经过减速器会增大计算出的扭矩的误差，而本实施例的扭矩传感器采集数据是真实的实际扭矩值，检测误差较小。进一步的，本实施例采用应变式扭矩传感器，适用于大减速比的检测场景，不受减速器温漂、零漂影响，且检测精度和成本适中。

在上述手术机器人主手机械臂的基础上，本申请实施例提供了一种减小控制对象中关节摩擦力的方案，本实施例可以由手术机器人上位机中的处理器向控制器发送相应指令来实现，具体过程如下：

控制器实时获取机器人各关节当前时刻的加速度、速度、角度等当前运动状态，并将当前运动状态作为预先建立的动力学模型的输入数据。预先建立的动力学模型对输入数据进行计算得到当前时刻各控制对象所需输出的扭矩，该扭矩用于补偿各连杆的重力、科氏力等，从而使医生可以轻易拖动手术机器人的各部件如主手机械臂；该计算得到的扭矩是希望各关节能够实际输出的扭矩，记为预设扭矩。具体的，上述预先建立的动力学模型可采用逆动力学算法来反向计算力矩，如Recurs i ve Newton Eu l er A l gor ithm牛顿欧拉迭代法。

在得到预设扭矩值后，可以利用扭矩传感器检测控制对象即各驱动模块输出的实际扭矩值，将实际扭矩值与预设扭矩值进行比较，并根据比较结果通过闭环控制算法(如PID)对电机电流进行反馈调节，如实际扭矩值低于预设扭矩值则增大电机电流，使控制对象中的电机输出更大的力，上述闭环控制的目的是为了使得关节实际输出扭矩值能够达到预设扭矩。

在上位机计算出预设扭矩后，将预设扭矩给定到控制对象的扭矩控制环，作为扭矩控制环的初始输入扭矩，扭矩控制环根据初始输入扭矩控制电机电流，使控制对象给出对应扭矩；但由于重力和摩擦力等因素的影响，控制对象实际输出的扭矩值达不到预设扭矩值，因此引入扭矩反馈和电流反馈。本实施例中，PI D闭环控制包括扭矩控制环和电流控制环，扭矩控制环中利用上述扭矩传感器采集设置控制对象的对应关节输出端处的实际扭矩值，电流控制环中可利用电流检测电路检测电机绕组实际电流，并根据检测结果进行PID闭环控制调节电机电流。其中扭矩控制环的输出电流作为电流控制环的输入电流，经过电流环控制环计算后，输出相应占空比的电压波形去到电机，最终使得扭矩传感器检测到的关节实际输出扭矩值达到预设扭矩值。进一步的，由于反馈调节有一定滞后性，在闭环控制算法进行反馈调节的同时，还可以通过控制器进行上位动力学前馈和摩擦力前馈的给定来降低控制延迟，具体方式为在上位机计算出预设扭矩后直接对电机电流进行预控制，如可预先令电机电流按对应预设扭矩的一定比例(如70％、80％)进行预设置。由于前馈控制是直接作用到电机电流，不需要经过扭矩环和电流环的控制，因此可以忽略扭矩环和电流环的检测延迟与计算延迟，实现关节扭矩的提前预输出，从而减少闭环控制算法的反馈调节的时间。上位机按照预设规则(上位控制律)进行n个轴的上位扭矩给定，扭矩控制环和电流控制环分别根据扭矩反馈和电流反馈进行控制输出电机电压，上位机还可以直接向电流控制环输入n个轴上位动力学前馈和摩擦力前馈。通过本申请的方法能够消除减速器摩擦力建模误差和电机转矩常数标定误差，且该反馈控制环路可以只有扭矩控制环和电流控制环，控制延迟短，控制频率和控制带宽较高。上述闭环控制回路使用前馈来降低控制延迟，提升了控制带宽和控制频率，提升了医生操作手感。以上仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (17)

1.一种主手机械臂，其特征在于，包括：

固定座；

一轴连杆，与所述固定座绕第一旋转轴转动连接；

二轴连杆，与所述一轴连杆绕第二旋转轴转动连接；

三轴连杆，与所述二轴连杆绕第三旋转轴转动连接；

二轴驱动模组，设置在所述一轴连杆上，所述二轴驱动模组的输出端连接所述二轴连杆，所述二轴驱动模组直接驱动所述二轴连杆绕第二旋转轴转动；

三轴驱动模组，设置在所述一轴连杆或所述二轴连杆上；

驱动连接组件，设置在所述三轴驱动模组的输出端和三轴连杆之间，用于将所述三轴驱动模组输出的转动传递到所述三轴连杆，使所述三轴驱动模组通过所述驱动连接组件驱动所述三轴连杆绕第三旋转轴转动。

2.根据权利要求1所述的主手机械臂，其特征在于，所述二轴驱动模组和三轴驱动模组均包括依次连接的电机和减速器，所述减速器的输出端设置扭矩传感器。

3.根据权利要求1或2所述的主手机械臂，其特征在于，所述二轴驱动模组和三轴驱动模组平行设置于所述一轴连杆上，所述二轴驱动模组的输出端提供绕第二旋转轴的转动；所述三轴驱动模组的输出端提供绕第一中间转轴的转动，所述第三旋转轴和所述第一中间转轴平行，所述第一中间转轴的转动通过所述驱动连接组件传递到所述第三旋转轴，从而驱动所述第三旋转轴的转动。

4.根据权利要求3所述的主手机械臂，其特征在于，所述二轴驱动模组和三轴驱动模组在所述一轴连杆上沿平行于第一旋转轴方向并列排布，且所述二轴驱动模组设置在所述一轴连杆内更靠近所述二轴连杆的一侧。

5.根据权利要求4所述的主手机械臂，其特征在于，所述驱动连接组件包括第一连接件、第二连接件、第三连接件、第四连接件和第五连接件，

所述第一连接件的一端与所述三轴驱动模组的输出端连接，所述第一连接件的另一端与所述第二连接件的一端转动连接；

所述第三连接件的一端与所述二轴驱动模组的输出端连接，所述第三连接件的另一端与所述第二连接件的另一端和所述第四连接件的一端转动连接；

所述第五连接件的一端与第四连接件的另一端转动连接，所述第五连接件的另一端连与所述三轴连杆固定连接。

6.根据权利要求5所述的主手机械臂，其特征在于，所述第一连接件、第二连接件、第三连接件与所述一轴连杆构成平行四边形连接，所述第三连接件、第四连接件、第五连接件与所述二轴连杆构成平行四边形连接。

7.根据权利要求1或2所述的主手机械臂，其特征在于，所述二轴驱动模组和三轴驱动模组沿垂直于第一旋转轴方向并列排布；所述二轴驱动模组的输出端提供绕第二旋转轴的转动，所述三轴驱动模组的输出端提供绕第一中间转轴的转动，第二旋转轴和第一中间转轴同轴；所述第三旋转轴和所述第一中间转轴平行，所述第一中间转轴的转动通过所述驱动连接组件传递到所述第三旋转轴，从而驱动所述第三旋转轴的转动。

8.根据权利要求7所述的主手机械臂，其特征在于，所述三轴驱动模组设置在所述一轴连杆上，且所述二轴驱动模组的输出轴和所述三轴驱动模组的输出轴均通过轴承安装到所述一轴连杆上。

9.根据权利要求7所述的主手机械臂，其特征在于，所述三轴驱动模组设置在所述二轴连杆上，并跟随所述二轴连杆一同转动。

10.根据权利要求8或9所述的主手机械臂，其特征在于，所述驱动连接组件包括第六连接件和第七连接件，所述第六连接件的一端与所述三轴驱动模组的输出端连接，另一端连接所述第七连接件的一端，所述第七连接件的另一端连接所述三轴连杆；所述第六连接件、第七连接件、二轴连杆与部分三轴连杆构成平行四边形连接。

11.根据权利要求2所述的主手机械臂，其特征在于，所述主手机械臂还包括设置在所述固定座内的一轴驱动模组，所述一轴驱动模组的输出端连接所述一轴连杆，所述一轴驱动模组直接驱动所述一轴连杆绕第一旋转轴转动；所述一轴驱动模组包括依次连接的电机和减速器，所述减速器的输出端设置扭矩传感器。

12.根据权利要求2或11所述的主手机械臂，其特征在于，所述电机的输出轴设置有抱闸结构。

13.根据权利要求1所述的主手机械臂，其特征在于，所述主手机械臂还包括四轴连杆、五轴连杆和六轴连杆，所述四轴连杆与所述三轴连杆转动连接，所述五轴连杆与所述四轴连杆转动连接，所述六轴连杆与所述五轴连杆转动连接，所述六轴连杆的自由端设置主手工具。

14.一种主手机械臂的关节扭矩控制方法，其特征在于，所述主手机械臂采用如权利要求1-13任一项所述的主手机械臂；所述主手机械臂的关节扭矩控制方法包括：

确定控制对象，所述控制对象为所述主手机械臂中的一轴驱动模组、二轴驱动模组和三轴驱动模组的至少一个；

获取所述控制对象的当前运动状态，并根据所述当前运动状态确定所述控制对象对应的预设扭矩值；

按照所述预设扭矩值控制所述控制对象工作，并利用扭矩传感器检测所述控制对象输出的实际扭矩值；

计算所述预设扭矩值和所述实际扭矩值的扭矩差值，根据所述扭矩差值调整所述控制对象的工作电流，以使调整工作电流后的控制对象输出的实际扭矩值等于所述预设扭矩值。

15.根据权利要求14所述主手机械臂的关节扭矩控制方法，其特征在于，根据所述当前运动状态确定所述控制对象对应的预设扭矩值，包括：

获取所述主手机械臂的动力学模型；

将所述当前运动状态输入所述动力学模型，得到所述控制对象对应的预设扭矩值。

16.根据权利要求14所述主手机械臂的关节扭矩控制方法，其特征在于，在按照所述预设扭矩值控制所述控制对象工作之前，还包括：

将所述预设扭矩值与第一比例系数的乘积作为预启动扭矩值；其中，所述第一比例系数大于等于0且小于等于1；

确定所述预启动扭矩值对应的预启动电流值，通过前馈控制的方式控制所述控制对象按照所述预启动电流值工作。

17.根据权利要求14所述主手机械臂的关节扭矩控制方法，其特征在于，在按照所述预设扭矩值控制所述控制对象工作之前，还包括：

根据工况与摩擦力的对应关系确定所述控制对象的当前摩擦力；

将所述当前摩擦力与第二比例系数的乘积作为预启动摩擦力，并确定所述预启动摩擦力对应的电流值；其中，所述第二比例系数大于等于0且小于等于1；

通过前馈控制的方式控制所述控制对象按照所述预启动摩擦力对应的电流值工作。

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