CN116000916B - 一种手术机器人的关节扭矩控制方法、装置及手术机器人 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种手术机器人的关节扭矩控制方法、装置及手术机器人，所属的技术领域为医疗设备领域。所述关节扭矩控制方法包括：获取手术机器人每一关节模组的当前运动状态，并根据所述当前运动状态确定每一所述关节模组对应的预设扭矩值；按照所述预设扭矩值控制所述关节模组工作，并利用扭矩传感器检测所述关节模组输出的实际扭矩值；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关节模组的工作电流，以使调整工作电流后的关节模组输出的实际扭矩值等于所述预设扭矩值。本申请能够提高手术机器人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。

Description

一种手术机器人的关节扭矩控制方法、装置及手术机器人

技术领域

本申请涉及医疗设备领域，特别涉及一种手术机器人的关节扭矩控制方法、装置及手术机器人。

背景技术

手术机器人在临床有大量的应用，医生可以远离手术台操纵手术机器人进行手术。在手术过程中，摆位人员需要将手术机器人的手关节拖动到合适位置；在手术过程中，医生需要拖动手术机器人的主手末端进行远程手术。在以上过程中手术机器人的控制器需要检测摆位人员或医生反向驱动机器人关节的扭矩，从而控制关节正反转进行跟手动作。由于手术机器人受到重力的影响，控制器还需要在关节输出一定扭矩补偿重力，降低拖动阻力。此外，由于手术机器人的关节装有减速器，受到减速器摩擦力的影响，控制器还需要在关节输出一定额外扭矩补偿减速器内部摩擦力造成的损失，从而降低医生拖动阻力，因此需要准确获取关节的实际输出扭矩，并进行准确地调节使得机器人关节实际输出扭矩能够达到期望的预设扭矩。

相关技术中，通常通过检测电机的电流进行扭矩补偿，但是上述方式中关节实际输出扭矩与期望的预设扭矩偏差较大，容易造成手术机器人拖动困难的情况。

因此，如何提高手术机器人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是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。

发明内容

本申请的目的是提供一种手术机器人的关节扭矩控制方法、一种手术机器人的关节扭矩控制装置、一种手术机器人及一种存储介质，能够提高手术机器人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。

为解决上述技术问题，本申请提供一种手术机器人的关节扭矩控制方法，该手术机器人的关节扭矩控制方法包括：

获取手术机器人每一关节模组的当前运动状态，并根据所述当前运动状态确定每一所述关节模组对应的预设扭矩值；

按照所述预设扭矩值控制所述关节模组工作，并利用扭矩传感器检测所述关节模组输出的实际扭矩值；

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关节模组的工作电流，以使调整工作电流后的关节模组输出的实际扭矩值等于所述预设扭矩值。

可选的，所述获取手术机器人每一关节模组的当前运动状态，包括：

利用运动传感器获取所述手术机器人每一所述关节模组的所述当前运动状态；

其中：所述运动传感器设置于所述关节模组的传动轴输入端和/或末端法兰。

可选的，所述运动传感器包括编码器码盘和编码器读头；

相应的，利用运动传感器获取所述手术机器人每一所述关节模组的所述当前运动状态，包括：

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手术机器人每一所述关节模组的所述当前运动状态。

可选的，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。

可选的，根据所述当前运动状态确定每一所述关节模组对应的预设扭矩值，包括：

获取所述手术机器人的动力学模型；

将所述当前运动状态输入所述动力学模型，得到每一所述关节模组对应的预设扭矩值。

可选的，所述扭矩传感器设置于所述关节模组的输出端。

可选的，所述扭矩传感器为所述关节模组中设置有应变片的动力输出法兰；

相应的，利用扭矩传感器检测所述关节模组输出的实际扭矩值，包括：

根据所述应变片的电阻值计算所述关节模组输出的实际扭矩值。

可选的，在按照所述预设扭矩值控制所述关节模组工作之前，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关节模组按照所述预启动电流值工作。

可选的，在按照所述预设扭矩值控制所述关节模组工作之前，还包括：

根据工况与摩擦力的对应关系确定所述关节模组的当前摩擦力；

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关节模组按照所述预启动摩擦力对应的电流值工作。

可选的，根据所述扭矩差值调整所述关节模组的工作电流，包括：

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，以便调整所述关节模组的工作电流。

可选的，按照所述预设扭矩值控制所述关节模组工作，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手术机器人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，以便控制所述关节模组按照所述初始电流值对应的电压波形信号工作。

本申请还提供了一种手术机器人的关节扭矩控制装置，该装置包括：

预设扭矩确定模块，用于获取手术机器人每一关节模组的当前运动状态，并根据所述当前运动状态确定每一所述关节模组对应的预设扭矩值；

实际扭矩确定模块，用于按照所述预设扭矩值控制所述关节模组工作，并利用扭矩传感器检测所述关节模组输出的实际扭矩值；

扭矩调整模块，用于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关节模组的工作电流，以使调整工作电流后的关节模组输出的实际扭矩值等于所述预设扭矩值。

本申请还提供了一种存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序执行时实现上述手术机器人的关节扭矩控制方法执行的步骤。

本申请还提供了一种手术机器人，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器调用所述存储器中的计算机程序时实现上述手术机器人的关节扭矩控制方法执行的步骤。

本申请提供了一种手术机器人的关节扭矩控制方法，包括：获取手术机器人每一关节模组的当前运动状态，并根据所述当前运动状态确定每一所述关节模组对应的预设扭矩值；按照所述预设扭矩值控制所述关节模组工作，并利用扭矩传感器检测所述关节模组输出的实际扭矩值；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关节模组的工作电流，以使调整工作电流后的关节模组输出的实际扭矩值等于所述预设扭矩值。

本申请根据手术机器人的当前运动状态确定每一关节模组对应的预设扭矩值，在按照预设扭矩值控制关节模组工作后确定关节模组输出的实际扭矩值。本申请将实际扭矩值与预设扭矩进行比对得到扭矩差值，进而根据扭矩差值调整关节模组的工作电流，以使调整规则电流后的关节模组输出的实际扭矩值等于预设扭矩值。上述过程中直接采集关节模组输出部位的实际扭矩值，进而对关节模组的工作电流进行调整，能够提高手术机器人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。本申请同时还提供了一种手术机器人的关节扭矩控制装置、一种存储介质和一种手术机器人，具有上述有益效果，在此不再赘述。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例，下面将对实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例所提供的一种手术机器人的关节扭矩控制方法的流程图；

图2为本申请实施例所提供的一种手术机器人的关节模组结构示意图；

图3为本申请实施例所提供的一种电机控制原理示意图；

图4为本申请实施例所提供的一种手术机器人的关节扭矩控制装置的结构示意图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

下面请参见图1，图1为本申请实施例所提供的一种手术机器人的关节扭矩控制方法的流程图。

具体步骤可以包括：

S101：获取手术机器人每一关节模组的当前运动状态，并根据所述当前运动状态确定每一所述关节模组对应的预设扭矩值；

其中，本实施例可以应用于手术机器人，本实施例可以在手术机器人的各个关节模组上设置运动传感器，进而根据运动传感器采集的数据确定每一关节模组的当前运动状态。上述当前运动状态可以包括关节模组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。

在得到关节模组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关节模组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手术机器人关节模组的阻力。进一步的，可以通过以下方式确定关节模组对应的预设扭矩值：获取所述手术机器人的动力学模型；将所述当前运动状态输入所述动力学模型，得到每一所述关节模组对应的预设扭矩值。

S102：按照所述预设扭矩值控制所述关节模组工作，并利用扭矩传感器检测所述关节模组输出的实际扭矩值；

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关节模组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手术机器人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，以便控制所述关节模组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关节模组输出的实际扭矩值，上述传感器可以设置于关节模组的输出端。

S103：计算预设扭矩值和实际扭矩值的扭矩差值，根据扭矩差值调整关节模组的工作电流，以使调整工作电流后的关节模组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关节模组的工作电流(即，关节模组中电机的电流)，以使调整电流后的关节模组输出的实际扭矩值等于所述预设扭矩值。

本实施例根据手术机器人的当前运动状态确定每一关节模组对应的预设扭矩值，在按照预设扭矩值控制关节模组工作后确定关节模组输出的实际扭矩值。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，进而根据扭矩差值关节模组的工作电流，以使调整工作电流后的关节模组输出的实际扭矩值等于预设扭矩值。上述过程中直接采集关节模组输出部位的实际扭矩值，进而对关节模组的工作电流进行调整，能够提高手术机器人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1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手术机器人每一关节模组的当前运动状态：利用运动传感器获取所述手术机器人每一关节模组的所述当前运动状态；其中，所述运动传感器设置于所述关节模组的传动轴输入端和/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手术机器人每一所述关节模组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，本实施例可以在关节模组的传动轴输入端设置第一编码器码盘和第一编码器读头，还可以在关节模组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1对应实施例的进一步介绍，可以利用扭矩传感器检测关节模组输出的实际扭矩值，上述扭矩传感器设置于所述关节模组的输出端。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关节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，还可以直接利用关节模组的动力输出法兰检测上述实际扭矩值，具体的可以在关节模组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关节模组输出的实际扭矩值。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的结构复杂度。

作为对于图1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关节模组的电机工作，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手术机器人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，以便控制所述关节模组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，以便调整关节模组的工作电流。

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关节模组工作之前，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每一所述关节模组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关节模组的当前摩擦力；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关节模组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关节模组的当前摩擦力，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。

请参见图2，图2为本申请实施例所提供的一种手术机器人的关节模组结构示意图，图中1表示传动轴输入端，2表示传动轴输出端，7表示第一支撑轴承，71表示第二支撑轴承，10表示末端法兰，11表示第二编码码盘，12表示扭矩传感器，13表示动力输出法兰，22表示编码器读头，24表示第一编码码盘。手术机器人包括电机和布置于电机内的传动轴，传动轴用于支撑电机转子，传动轴包括传动轴输入端1和传动轴输出端2，传动轴轴向的两端分别设置第一支撑轴承7和第二支撑轴承71；传动轴输出端2设置减速器，减速器靠近动力输出法兰13布置，电机工作，由传动轴传输动力，驱动传动轴的传动轴输出端2输出动力，经减速器将动力传输至动力输出法兰13，动力输出法兰13作为输出接口，通过动力输出法兰13将减速器和连杆连接。连杆通常可为手术机器人的手术臂。上述减速器可为谐波减速器、行星减速器、摆线针轮减速器等。本实施例可以使用大减速比减速器，可以显著降低电机的发热，并且节能，提升关节模组的功率密度。

本实施例可以在关节输出部连接扭矩传感器12，通过测量扭矩传感器12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13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关节模组而具备力感知功能，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。

进一步的，上述方案中传动轴输入端1的右端可设置第一编码器码盘24，编码器码盘24与编码器读头22形成一组传感器，采集输入端的运动信息；关节模组端部为输出端，与扭矩传感器12连接，其尾部连接到末端法兰10；末端法兰10上可固定第二编码器码盘11，第二编码器码盘11与编码器读头22形成一组位置记录和速度采集传感器，获取输出端的运动信息。

在上述手术机器人的基础上，本申请实施例提供了一种减小手术机器人关节模组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关节模组所需输出的扭矩，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机器人；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Recursive Newton Euler Algorithm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各关节模组输出的实际扭矩值，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，将预设扭矩给定到模组的扭矩控制环，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，使关节模组给出对应扭矩；但由于重力和摩擦力等因素的影响，关节模组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，PID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模组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。请参见图3，图3为本申请实施例所提供的一种电机控制原理示意图，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。

由此可见，本实施例提出一种新的获取关节扭矩的方案，能够根据获取的实际关节扭矩进行扭矩反馈调节，减小关节摩擦力对实际输出扭矩的影响。

请参见图4，图4为本申请实施例所提供的一种手术机器人的关节扭矩控制装置的结构示意图，该装置可以包括：

预设扭矩确定模块401，用于获取手术机器人每一关节模组的当前运动状态，并根据所述当前运动状态确定每一所述关节模组对应的预设扭矩值；

实际扭矩确定模块402，用于按照所述预设扭矩值控制所述关节模组工作，并利用扭矩传感器检测所述关节模组输出的实际扭矩值；

扭矩调整模块403，用于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关节模组的工作电流，以使调整工作电流后的关节模组输出的实际扭矩值等于所述预设扭矩值。

本实施例根据手术机器人的当前运动状态确定每一关节模组对应的预设扭矩值，在按照预设扭矩值控制关节模组工作后确定关节模组输出的实际扭矩值。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，进而根据扭矩差值调整关节模组的工作电流，以使调整工作电流后的关节模组输出的实际扭矩值等于预设扭矩值。上述过程中直接采集关节模组输出部位的实际扭矩值，进而对关节模组的工作电流进行调整，能够提高手术机器人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。

进一步的，所述预设扭矩确定模块401获取手术机器人每一关节模组的当前运动状态的过程包括：利用运动传感器获取所述手术机器人每一所述关节模组的所述当前运动状态；其中：所述运动传感器设置于所述关节模组的传动轴输入端和/或末端法兰。

进一步的，所述运动传感器包括编码器码盘和编码器读头；

相应的，所述预设扭矩确定模块401利用运动传感器获取所述手术机器人每一所述关节模组的所述当前运动状态的过程包括：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手术机器人每一所述关节模组的所述当前运动状态。

进一步的，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。

进一步的，预设扭矩确定模块401根据所述当前运动状态确定每一所述关节模组对应的预设扭矩值的过程包括：获取所述手术机器人的动力学模型；将所述当前运动状态输入所述动力学模型，得到每一所述关节模组对应的预设扭矩值。

进一步的，所述扭矩传感器设置于所述关节模组的输出端。

进一步的，所述扭矩传感器为所述关节模组中设置有应变片的动力输出法兰；

相应的，实际扭矩确定模块402利用扭矩传感器检测所述关节模组输出的实际扭矩值的过程包括：根据所述应变片的电阻值计算所述关节模组输出的实际扭矩值。

进一步的，还包括：

第一前馈控制模块，用于在按照所述预设扭矩值控制所述关节模组工作之前，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，所述第一比例系数大于等于0且小于等于1；还用于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关节模组按照所述预启动电流值工作。

进一步的，还包括：

第二前馈控制模块，用于在按照所述预设扭矩值控制所述关节模组工作之前，根据工况与摩擦力的对应关系确定所述关节模组的当前摩擦力；还用于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；还用于通过前馈控制的方式控制所述关节模组按照所述预启动摩擦力对应的电流值工作。

进一步的，扭矩调整模块403根据所述扭矩差值调整所述关节模组的工作电流的过程包括：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，以便调整所述关节模组的工作电流。

进一步的，所述实际扭矩确定模块402按照所述预设扭矩值控制所述关节模组工作的过程包括：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手术机器人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，以便控制所述关节模组按照所述初始电流值对应的电压波形信号工作。

由于装置部分的实施例与方法部分的实施例相互对应，因此装置部分的实施例请参见方法部分的实施例的描述，这里暂不赘述。

本申请还提供了一种存储介质，其上存有计算机程序，该计算机程序被执行时可以实现上述实施例所提供的步骤。该存储介质可以包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

本申请还提供了一种手术机器人，可以包括存储器和处理器，所述存储器中存有计算机程序，所述处理器调用所述存储器中的计算机程序时，可以实现上述实施例所提供的步骤。当然所述手术机器人还可以包括各种网络接口，电源等组件。

说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本申请权利要求的保护范围内。

还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的状况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

Claims (11)

1.一种手术机器人的关节扭矩控制方法，其特征在于，包括：

获取手术机器人每一关节模组的当前运动状态，并根据所述当前运动状态确定每一所述关节模组对应的预设扭矩值；

按照所述预设扭矩值控制所述关节模组工作，并利用扭矩传感器检测所述关节模组输出的实际扭矩值；

计算所述预设扭矩值和所述实际扭矩值的扭矩差值，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所述关节模组的工作电流，以使调整工作电流后的关节模组输出的实际扭矩值等于所述预设扭矩值；

在按照所述预设扭矩值控制所述关节模组工作之前，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关节模组按照所述预启动电流值工作；或，

根据工况与摩擦力的对应关系确定所述关节模组的当前摩擦力；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0且小于1；通过前馈控制的方式控制所述关节模组按照所述预启动摩擦力对应的电流值工作。

2.根据权利要求1所述手术机器人的关节扭矩控制方法，其特征在于，所述获取手术机器人每一关节模组的当前运动状态，包括：

利用运动传感器获取所述手术机器人每一所述关节模组的所述当前运动状态；

其中：所述运动传感器设置于所述关节模组的传动轴输入端和/或末端法兰。

3.根据权利要求2所述手术机器人的关节扭矩控制方法，其特征在于，所述运动传感器包括编码器码盘和编码器读头；

相应的，利用运动传感器获取所述手术机器人每一所述关节模组的所述当前运动状态，包括：

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手术机器人每一所述关节模组的所述当前运动状态。

4.根据权利要求1所述手术机器人的关节扭矩控制方法，其特征在于，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。

5.根据权利要求1所述手术机器人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每一所述关节模组对应的预设扭矩值，包括：

获取所述手术机器人的动力学模型；

将所述当前运动状态输入所述动力学模型，得到每一所述关节模组对应的预设扭矩值。

6.根据权利要求1所述手术机器人的关节扭矩控制方法，其特征在于，所述扭矩传感器设置于所述关节模组的输出端。

7.根据权利要求1所述手术机器人的关节扭矩控制方法，其特征在于，所述扭矩传感器为所述关节模组中设置有应变片的动力输出法兰；

相应的，利用扭矩传感器检测所述关节模组输出的实际扭矩值，包括：

根据所述应变片的电阻值计算所述关节模组输出的实际扭矩值。

8.根据权利要求1所述手术机器人的关节扭矩控制方法，其特征在于，按照所述预设扭矩值控制所述关节模组工作，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手术机器人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，以便控制所述关节模组按照所述初始电流值对应的电压波形信号工作。

9.一种手术机器人的关节扭矩控制装置，其特征在于，包括：

预设扭矩确定模块，用于获取手术机器人每一关节模组的当前运动状态，并根据所述当前运动状态确定每一所述关节模组对应的预设扭矩值；

实际扭矩确定模块，用于按照所述预设扭矩值控制所述关节模组工作，并利用扭矩传感器检测所述关节模组输出的实际扭矩值；

扭矩调整模块，用于计算所述预设扭矩值和所述实际扭矩值的扭矩差值，将所述扭矩差值输入扭矩控制环，得到期望电流值；还用于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所述关节模组的工作电流，以使调整工作电流后的关节模组输出的实际扭矩值等于所述预设扭矩值；

第一前馈控制模块，用于在按照所述预设扭矩值控制所述关节模组工作之前，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，所述第一比例系数大于0且小于1；还用于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关节模组按照所述预启动电流值工作；或，

第二前馈控制模块，用于在按照所述预设扭矩值控制所述关节模组工作之前，根据工况与摩擦力的对应关系确定所述关节模组的当前摩擦力；还用于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0且小于1；还用于通过前馈控制的方式控制所述关节模组按照所述预启动摩擦力对应的电流值工作。

10.一种手术机器人，其特征在于，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器调用所述存储器中的计算机程序时实现如权利要求1至8任一项所述手术机器人的关节扭矩控制方法的步骤。

11.一种存储介质，其特征在于，所述存储介质中存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令被处理器加载并执行时，实现如权利要求1至8任一项所述手术机器人的关节扭矩控制方法的步骤。