CN116175584A - 超声机器人扫描控制方法、装置、设备及存储介质 - Google Patents

超声机器人扫描控制方法、装置、设备及存储介质 Download PDF

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CN116175584A CN202310251080.7A CN202310251080A CN116175584A CN 116175584 A CN116175584 A CN 116175584A CN 202310251080 A CN202310251080 A CN 202310251080A CN 116175584 A CN116175584 A CN 116175584A
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ultrasonic
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李涛
周寿军
曾泉
钱程
曾伟斌
蒲尧
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Abstract

本发明公开了一种超声机器人扫描控制方法、装置、设备及存储介质，其中方法包括：在低阻尼模式下，控制机械臂向人体的待扫描区域移动以接触人体，且当接触力达到目标接触力时，进入高精度模式；在高精度模式下，实时获取机械臂末端的交互力和空间位置，并结合目标接触力计算得到目标关节力矩，再根据第一预设阻尼值和目标关节力矩控制机械臂进行超声扫描，低阻尼模式下的阻尼值低于第一预设阻尼值。本发明通过在控制超声机器人进行扫描之前，机械臂自适应调整至低阻尼模式，机械臂的阻尼值降低，柔顺性好，方便操作者移动，在进行扫描时，机械臂自适应调整至高精度模式，机械臂的阻尼值升高，维持超声稳定成像。

Description

超声机器人扫描控制方法、装置、设备及存储介质
技术领域
本申请涉及超声机器人技术领域，特别是涉及一种超声机器人扫描控制方法、装置、设备及存储介质。
背景技术
目前，机器人普遍使用在工业生产、医疗、家庭教育、物流、娱乐等场景，人机协作随之成为机器人发展的关键性研究方向之一。而医学超声检查作为一种没有辐射，成本低廉的医学影像诊断技术，被普遍用于机器人辅助手术中，在手术过程中人机交互的稳定性，安全性至关重要。该发明方案提出一种自适应阻抗算法，能自适应的根据环境实时调整阻尼，并能实现恒定接触力的扫查行为，实时跟随人体的呼吸等起伏动作，还能在误触情况下降低阻尼，保护操作者和患者，减少安全隐患。
在机器人超声扫查的过程中，存在超声探头和人体的物理接触，需要实现机器人的交互控制。而在机器人交互控制领域，可以分为直接力控和间接力控，而间接力控包括柔顺控制和阻抗控制，柔顺控制方式有被动柔顺和主动柔顺，阻抗控制细分可分为阻抗控制和导纳控制。
其中阻抗控制是通过控制机器人的运动实现间接力控的一种方法，其最终的目标，既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，
目前常见的阻纳控制方案，多数为固定参数，不能根据环境自适应调整参数进而改变刚度和阻尼，故在人机交互过程中，柔顺性和智能化程度低。
发明内容
有鉴于此，本申请提供一种超声机器人扫描控制方法、装置、设备及存储介质，以解决现有的超声机器人扫描时不能自适应改变刚度和阻尼的问题。
为解决上述技术问题，本申请采用的一个技术方案是：提供一种超声机器人扫描控制方法，其包括：在低阻尼模式下，控制机械臂向人体的待扫描区域移动以接触人体，且当接触力达到目标接触力时，进入高精度模式；在高精度模式下，实时获取机械臂末端的交互力和空间位置，并结合目标接触力计算得到目标关节力矩，再根据第一预设阻尼值和目标关节力矩控制机械臂进行超声扫描，低阻尼模式下的阻尼值低于第一预设阻尼值。
作为本申请的进一步改进，实时获取机械臂末端的交互力和空间位置，并结合目标接触力计算得到目标关节力矩，再根据第一预设阻尼值和目标关节力矩控制机械臂进行超声扫描，包括：实时获取机械臂末端的交互力、速度和空间位置，并结合目标接触力计算得到目标关节力矩，再根据第一预设阻尼值和目标关节力矩控制机械臂在指定轨迹下进行超声扫描。
作为本申请的进一步改进，目标关节力矩的计算公式表示为：
Figure BDA0004127885580000021
/>
Figure BDA0004127885580000022
xe＝xd-xa；
Ffroce＝KPSF(Fa-Fd)+KI∫SF(Fa-Fd)dt；
Figure BDA0004127885580000023
Figure BDA0004127885580000024
其中，τ表示目标关节力矩，Fext为六维力传感器在工具坐标系下的环境应力在基础坐标系或者工件坐标系下的描述，xe是实际位姿xa与期望位姿xd的差值，
Figure BDA0004127885580000031
是xe的二阶导数，/>
Figure BDA0004127885580000032
是xe的一阶导数，K为刚度系数对角矩阵,B为阻尼系数对角矩阵，Ffroce表示需要力控方向的分量，Fa为实际接触力，Fd为目标接触力，KP和KI分别为PI控制器的误差项参数和积分项参数，SF表示对角矩阵，，M(q)表示机器人惯性矩阵，/>
Figure BDA0004127885580000033
表示科氏力和离心力，g(q)表示重力矩，JT(q)表示机器人雅各比矩阵的转置，/>
Figure BDA0004127885580000034
表示关节空间加速度，/>
Figure BDA0004127885580000035
表示关节空间速度，q表示关节空间坐标矢量，/>
Figure BDA0004127885580000036
表示笛卡尔空间期望速度，/>
Figure BDA0004127885580000037
表示笛卡尔空间期望加速度，J(q)表示机器人雅各比矩阵，/>
Figure BDA0004127885580000038
表示机器人雅各比矩阵的倒数。
作为本申请的进一步改进，根据第一预设阻尼值和目标关节力矩控制机械臂在指定轨迹下进行超声扫描之后，还包括：判断机械臂末端的速度是否超过预设速度临界值；当速度超过预设速度临界值时，触发低阻尼模式，控制机械臂的阻尼值降低；当速度未超过预设速度临界值时，维持高精度模式。
作为本申请的进一步改进，在低阻尼模式下，机械臂的阻尼值根据初始阻抗系数、机械臂末端的速度和阻抗系数下降幅度计算得到，且机械臂的阻尼值介于第一预设阻尼值和第二预设阻尼值之间，第一预设阻尼值大于第二预设阻尼值；在高精度模式下，机械臂的阻尼值为第一预设阻尼值。
作为本申请的进一步改进，机械臂的阻尼值的计算公式表示为：
Figure BDA0004127885580000039
其中，
Figure BDA00041278855800000310
表示机械臂的阻尼值，/>
Figure BDA00041278855800000311
表示笛卡尔空间速度，/>
Figure BDA00041278855800000312
表示机械臂末端的速度，a表示初始阻抗系数，b表示阻抗系数下降幅度，c表示第二预设阻尼值，Bmax表示第一预设阻尼值，其中a+c>Bmax>c>0，且/>
Figure BDA0004127885580000041
Figure BDA0004127885580000042
表示预设速度临界值。
作为本申请的进一步改进，根据第一预设阻尼值和目标关节力矩控制机械臂进行超声扫描之后，还包括：当机械臂完成超声扫描任务后，控制机械臂向远离人体的方向运动至目标位置，并维持机械臂处于高精度模式。
为解决上述技术问题，本申请采用的又一个技术方案是：提供一种超声机器人扫描控制装置，其包括：准备模块，用于在低阻尼模式下，控制机械臂向人体的待扫描区域移动以接触人体，且当接触力达到目标接触力时，进入高精度模式；扫描模块，用于在高精度模式下，实时获取机械臂末端的交互力和空间位置，并结合目标接触力计算得到目标关节力矩，再根据第一预设阻尼值和目标关节力矩控制机械臂进行超声扫描，低阻尼模式下的阻尼值低于第一预设阻尼值。
为解决上述技术问题，本申请采用的再一个技术方案是：提供一种计算机设备，所述计算机设备包括处理器、与所述处理器耦接的存储器，所述存储器中存储有程序指令，所述程序指令被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如上述任一项的超声机器人扫描控制方法的步骤。
为解决上述技术问题，本申请采用的再一个技术方案是：提供一种存储介质，存储有能够实现上述任一项的超声机器人扫描控制方法的程序指令。
本申请的有益效果是：本申请的超声机器人扫描控制方法通过在控制超声机器人进行扫描之前，将超声机器人的机械臂切换至低阻尼模式下，以降低机械臂的阻尼值，使得机械臂的柔顺性更高，操作者可将机械臂进行低阻尼拖动，方便操作者将机械臂放置在人体的待扫描区域的正上方，再控制机械臂向人体的待扫描区域移动以接触人体，且当接触力达到目标接触力时，进入高精度模式，且在高精度模式下，机械臂的阻尼值升高，维持超声稳定成像，并且，根据机械臂末端的交互力和空间位置实时控制机械臂末端执行扫查任务，保证机械臂末端与人体之间有充分接触，并将机械臂末端与人体的接触力维持在指定的交互力范围，并可以根据人体呼吸幅度，自适应跟随人体表面的起伏动作，以保证超声成像效果好。
附图说明
图1是本发明实施例的超声机器人扫描控制方法的一流程示意图；
图2是本发明实施例的超声机器人扫描控制方法的自适应阻抗阻尼变化曲线图；
图3是本发明实施例的超声机器人扫描控制装置的功能模块示意图；
图4是本发明实施例的计算机设备的结构示意图；
图5是本发明实施例的存储介质的结构示意图。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅是本申请的一部分实施例，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。
本申请中的术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。本申请实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
图1是本发明实施例的超声机器人扫描控制方法的流程示意图。需注意的是，若有实质上相同的结果，本发明的方法并不以图1所示的流程顺序为限。如图1所示，该超声机器人扫描控制方法包括步骤：
步骤S101：在低阻尼模式下，控制机械臂向人体的待扫描区域移动以接触人体，且当接触力达到目标接触力时，进入高精度模式。
需要说明的是，本实施例中的超声机器人包括低阻尼模式和高精度模式两种工作状态，其中，低阻尼模式下，超声机器人的机械臂的阻尼值较低，机械臂的柔顺性高，操作者可将机械臂进行低阻尼拖动，将机械臂放置在人体的待扫描区域正上方，在该情况下操作者以较低的阻尼和较快的执行速度完成；在高精度模式下，超声机器人的机械臂的阻尼值较高，机械臂稳定性好，使得超声扫查成像时，维持超声稳定成像。
具体地，当需要执行扫查任务时，将机械臂切换至低阻尼模式后，方便操作者再将机械臂放置在人体的待扫描区域正上方，再控制机械臂向人体的待扫描区移动，直至接触到人体后，机械臂末端和人体之间接触后产生挤压，通过获取机械臂末端与人体之间的接触力，当接触力达到目标接触力后，控制机械臂切换至高精度模式。
步骤S102：在高精度模式下，实时获取机械臂末端的交互力和空间位置，并结合目标接触力计算得到目标关节力矩，再根据第一预设阻尼值和目标关节力矩控制机械臂进行超声扫描，低阻尼模式下的阻尼值低于第一预设阻尼值。
具体地，为了辅助超声扫查过程，保证机械臂和人体之间有充分接触，并将机械臂末端和人体的接触力维持在指定的交互力范围，本实施例在高精度模式下，实时获取机械臂末端与人体之间产生的交互力以及机械臂末端的空间位置，再结合预先设定的目标接触力计算得到目标关节力矩，再根据第一预设阻尼值和目标关节力矩控制机械臂进行超声扫描，通过实时调整关节力矩，从而达到实时控制机械臂末端与人体之间接触力的目的。
其中，该第一预设阻尼值较高，当机械臂的阻尼值为达到第一预设阻尼值时，机械臂的柔顺性较低，不易移动，能够维持超声稳定成像。低阻尼模式下的阻尼值需要保证机械臂具有较好的柔顺性，因此，低阻尼模式下的阻尼值低于第一预设阻尼值。
进一步的，在一些实施例中，还可为机械臂指定轨迹，再控制机械臂按指定轨迹移动，以对范围较大的一片目标区域进行扫描。因此，实时获取机械臂末端的交互力和空间位置，并结合目标接触力计算得到目标关节力矩，再根据第一预设阻尼值和目标关节力矩控制机械臂进行超声扫描的步骤，包括：
实时获取机械臂末端的交互力、速度和空间位置，并结合目标接触力计算得到目标关节力矩，再根据第一预设阻尼值和目标关节力矩控制机械臂在指定轨迹下进行超声扫描。
具体地，通过实时获取机械臂末端的交互力、速度和空间位置，再结合目标接触力计算得到目标关节力矩，最后根据第一预设阻尼值和目标关节力矩控制机械臂在指定轨迹下进行超声扫描。
进一步的，目标关节力矩的计算公式表示为：
Figure BDA0004127885580000081
Figure BDA0004127885580000082
xe＝xd-xa；
Ffroce＝KPSF(Fa-Fd)+KI∫SF(Fa-Fd)dt；
Figure BDA0004127885580000083
Figure BDA0004127885580000084
其中，τ表示目标关节力矩，Fext为六维力传感器在工具坐标系下的环境应力在基础坐标系或者工件坐标系下的描述，xe是实际位姿xa与期望位姿xd的差值，
Figure BDA0004127885580000085
是xe的一阶导数，K为刚度系数对角矩阵,B为阻尼系数对角矩阵，K和B为正定矩阵，Ffroce表示需要力控方向的分量，Fa为实际接触力，Fd为目标接触力，KP和KI分别为PI控制器的误差项参数和积分项参数，SF表示对角矩阵，，M(q)表示机器人惯性矩阵，/>
Figure BDA0004127885580000086
表示科氏力和离心力，g(q)表示重力矩，JT(q)表示机器人雅各比矩阵的转置，/>
Figure BDA0004127885580000087
表示关节空间加速度，/>
Figure BDA0004127885580000088
表示关节空间速度，q表示关节空间坐标矢量，/>
Figure BDA0004127885580000089
表示笛卡尔空间期望速度，/>
Figure BDA00041278855800000810
表示笛卡尔空间期望加速度，J(q)表示机器人雅各比矩阵，/>
Figure BDA00041278855800000811
表示机器人雅各比矩阵的倒数。
具体地，本实施例上述计算公式基于原始的阻抗模型、PI控制算法和机器人动力学模型构建。原始的阻抗模型为：
Figure BDA00041278855800000812
其中，
Figure BDA00041278855800000813
是xe的二阶导数，M为惯性系数对角矩阵，M为正定矩阵。
在扫查任务中，为了让机械臂表现出足够的柔顺性，本实施例定义期望的作用力Fext为：
Figure BDA0004127885580000091
其中，Fforce代表的是力控方向的分量，以确保超声探头和人体之间的接触，并维持接触力在设定的目标接触力水平上。为了实现这一功能，本实施例采用了PI控制算法，具体计算公式如下：
Ffroce＝KPSF(Fa-Fd)+KI∫SF(Fa-Fd)dt；
其中，Fa为实际接触力，Fd为目标接触力，KP和KI分别为PI控制器的误差项参数和积分项参数，由于水平方向不需要做力控，所以需要使用一个SF对角矩阵，在Z轴相关的对角元素上的值设置为1，在水平方向相关的参数，设置为0。
而机器人动力学模型为：
Figure BDA0004127885580000092
将以上数据代入机器人动力学模型，可求出关节力距τ的表达式：
Figure BDA0004127885580000093
在指定轨迹情况下，机械臂末端的速度和加速度表示为：
Figure BDA0004127885580000094
Figure BDA0004127885580000095
变形可得：
Figure BDA0004127885580000096
Figure BDA0004127885580000097
因此，在机械臂末端扫描一个固定区域而不需要移动时，
Figure BDA0004127885580000098
和/>
Figure BDA0004127885580000099
取值为0。
通过上述方式，本实施例能够在垂直方向上控制机械臂与人体之间的接触情况，对于超声扫查过程中的人体呼吸运动有一定补偿作用，可以根据人体呼吸幅度，自适应更随人体表面的起伏动作，维持恒定的接触力。
进一步的，为了提高使用设备时的安全性，防止机械臂在执行扫查任务时误伤人体，在一些实施例中，根据第一预设阻尼值和目标关节力矩控制机械臂在指定轨迹下进行超声扫描的步骤之后，还包括：
1、判断机械臂末端的速度是否超过预设速度临界值。
具体地，该机械臂末端的速度实时获取，该预设速度临界值预先设置。
2、当速度超过预设速度临界值时，触发低阻尼模式，控制机械臂的阻尼值降低。
具体地，当机械臂末端的速度超过预设速度临界值时，此时的机械臂可能被触碰，例如，当患者被机械臂异常挤压时，操作者或患者用力推开机械臂，此时机械臂的速度值就会超过预设速度临界值，而为了方便移动机械臂，则需要提高机械臂的柔顺性，因此，需要降低机械臂的阻尼值，使得操作者或患者更为顺畅的移开机械臂，避免损伤患者。
3、当速度未超过预设速度临界值时，维持高精度模式。
进一步的，在低阻尼模式下，机械臂的阻尼值根据初始阻抗系数、机械臂末端的速度和阻抗系数下降幅度计算得到，且机械臂的阻尼值介于第一预设阻尼值和第二预设阻尼值之间，第一预设阻尼值大于第二预设阻尼值；在高精度模式下，机械臂的阻尼值为第一预设阻尼值。
具体地，机械臂的阻尼值的计算公式表示为：
Figure BDA0004127885580000101
其中，
Figure BDA0004127885580000102
表示机械臂的阻尼值，/>
Figure BDA0004127885580000103
表示关节空间速度，/>
Figure BDA0004127885580000104
表示机械臂末端的速度，a表示初始阻抗系数，b表示阻抗系数下降幅度，c表示第二预设阻尼值，Bmax表示第一预设阻尼值，其中a+c>Bmax>c>0，且/>
Figure BDA0004127885580000111
Figure BDA0004127885580000112
表示预设速度临界值。
具体地，为了实现水平方向的阻尼可变，以满足更多的使用场景，本实施例根据机械臂末端笛卡尔速度的绝对值来改变阻尼，以便在动作执行时间方面和在精度上都能改进性能。当速度高时，需要阻尼力减小，使得操作者可以用最小的力量拖动机械臂末端，并且可以减少很多执行时间，而在低速扫描时，阻尼增加可以提高超声成像精度。而且为了能让变化的参数保持能够保持在稳定区域中，本实施例设计了以下函数用来实现自适应扫查的功能：
Figure BDA0004127885580000113
将上述公式代入τ值计算公式，即可求解出机械臂关节力矩。其中，a代表初始阻抗系数，b代表阻抗系数下降幅度，b值越大则下降速度越快，b值越小下降速度越慢，c代表阻抗系数降低到的最小值(防止阻抗系数过低，出现抖动)，Bmax代表阻抗系数的最大值。由上式可知，将阻尼
Figure BDA0004127885580000114
等效为一个跟机械臂末端速度相关的负指数函数，请参阅图2，当速度在/>
Figure BDA0004127885580000115
时开启高精度模式，在该模式下阻尼维持在Bmax,在该模式下可以进行超声扫查：当/>
Figure BDA0004127885580000116
时，降低阻抗，进入低阻尼模式，降低阻尼在c<B<Bmax之间，在该模式下，阻尼较小，可以进行拖动示教任务，将机械臂拖动到目标位置，或者在扫查过程中，触碰到机械臂，也会触发该模式，防止发生安全隐患。
进一步的，根据第一预设阻尼值和目标关节力矩控制机械臂进行超声扫描之后，还包括：
当机械臂完成超声扫描任务后，控制机械臂向远离人体的方向运动至目标位置，并维持机械臂处于高精度模式。
具体地，当机械臂处于高精度模式时，机械臂的阻尼值高，其柔顺性下降，使机械臂可以维持在恒定位置，不发生偏移。
本实施例的超声机器人扫描控制方法通过在控制超声机器人进行扫描之前，将超声机器人的机械臂切换至低阻尼模式下，以降低机械臂的阻尼值，使得机械臂的柔顺性更高，操作者可将机械臂进行低阻尼拖动，方便操作者将机械臂放置在人体的待扫描区域的正上方，再控制机械臂向人体的待扫描区域移动以接触人体，且当接触力达到目标接触力时，进入高精度模式，且在高精度模式下，机械臂的阻尼值升高，维持超声稳定成像，并且，根据机械臂末端的交互力和空间位置实时控制机械臂末端执行扫查任务，保证机械臂末端与人体之间有充分接触，并将机械臂末端与人体的接触力维持在指定的交互力范围，并可以根据人体呼吸幅度，自适应跟随人体表面的起伏动作，以保证超声成像效果好。
图3是本发明实施例的超声机器人扫描控制装置的功能模块示意图。如图3所示，该超声机器人扫描控制装置20包括准备模块21和扫描模块22。
准备模块21，用于在低阻尼模式下，控制机械臂向人体的待扫描区域移动以接触人体，且当接触力达到目标接触力时，进入高精度模式；
扫描模块22，用于在高精度模式下，实时获取机械臂末端的交互力和空间位置，并结合目标接触力计算得到目标关节力矩，再根据第一预设阻尼值和目标关节力矩控制机械臂进行超声扫描，低阻尼模式下的阻尼值低于第一预设阻尼值。
可选地，扫描模块22执行实时获取机械臂末端的交互力和空间位置，并结合目标接触力计算得到目标关节力矩，再根据第一预设阻尼值和目标关节力矩控制机械臂进行超声扫描的操作，具体包括：实时获取机械臂末端的交互力、速度和空间位置，并结合目标接触力计算得到目标关节力矩，再根据第一预设阻尼值和目标关节力矩控制机械臂在指定轨迹下进行超声扫描。
可选地，目标关节力矩的计算公式表示为：
Figure BDA0004127885580000131
Figure BDA0004127885580000132
xe＝xd-xa；
Ffroce＝KPSF(Fa-Fd)+KI∫SF(Fa-Fd)dt；
Figure BDA0004127885580000133
Figure BDA0004127885580000134
其中，τ表示目标关节力矩，Fext为六维力传感器在工具坐标系下的环境应力在基础坐标系或者工件坐标系下的描述，xe是实际位姿xa与期望位姿xd的差值，
Figure BDA0004127885580000135
是xe的二阶导数，/>
Figure BDA0004127885580000136
是xe的一阶导数，K为刚度系数对角矩阵,B为阻尼系数对角矩阵，Ffroce表示需要力控方向的分量，Fa为实际接触力，Fd为目标接触力，KP和KI分别为PI控制器的误差项参数和积分项参数，SF表示对角矩阵，M(q)表示机器人惯性矩阵，/>
Figure BDA0004127885580000137
表示科氏力和离心力，g(q)表示重力矩，JT(q)表示机器人雅各比矩阵的转置，/>
Figure BDA0004127885580000138
表示关节空间加速度，/>
Figure BDA0004127885580000139
表示关节空间速度，q表示关节空间坐标矢量，/>
Figure BDA00041278855800001310
表示笛卡尔空间期望速度，/>
Figure BDA00041278855800001311
表示笛卡尔空间期望加速度，J(q)表示机器人雅各比矩阵，/>
Figure BDA00041278855800001312
表示机器人雅各比矩阵的倒数。
可选地，扫描模块22执行根据第一预设阻尼值和目标关节力矩控制机械臂在指定轨迹下进行超声扫描的操作之后，还用于：判断机械臂末端的速度是否超过预设速度临界值；当速度超过预设速度临界值时，触发低阻尼模式，控制机械臂的阻尼值降低；当速度未超过预设速度临界值时，维持高精度模式。
可选地，在低阻尼模式下，机械臂的阻尼值根据初始阻抗系数、机械臂末端的速度和阻抗系数下降幅度计算得到，且机械臂的阻尼值介于第一预设阻尼值和第二预设阻尼值之间，第一预设阻尼值大于第二预设阻尼值；在高精度模式下，机械臂的阻尼值为第一预设阻尼值。
可选地，机械臂的阻尼值的计算公式表示为：
Figure BDA0004127885580000141
其中，
Figure BDA0004127885580000146
表示机械臂的阻尼值，/>
Figure BDA0004127885580000142
表示关节空间速度，/>
Figure BDA0004127885580000143
表示机械臂末端的速度，a表示初始阻抗系数，b表示阻抗系数下降幅度，c表示第二预设阻尼值，Bmax表示第一预设阻尼值，其中a+c>Bmax>c>0，且/>
Figure BDA0004127885580000144
Figure BDA0004127885580000145
表示预设速度临界值。
可选地，扫描模块22执行根据第一预设阻尼值和目标关节力矩控制机械臂进行超声扫描的操作之后，还用于：当机械臂完成超声扫描任务后，控制机械臂向远离人体的方向运动至目标位置，并维持机械臂处于高精度模式。
关于上述实施例超声机器人扫描控制装置中各模块实现技术方案的其他细节，可参见上述实施例中的超声机器人扫描控制方法中的描述，此处不再赘述。
需要说明的是，本说明书中的各个实施例均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的部分互相参见即可。对于装置类实施例而言，由于其与方法实施例基本相似，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
请参阅图4，图4为本发明实施例的计算机设备的结构示意图。如图4所示，该计算机设备30包括处理器31及和处理器31耦接的存储器32，存储器32中存储有程序指令，程序指令被处理器31执行时，使得处理器31执行上述任一实施例所述的超声机器人扫描控制方法步骤。
其中，处理器31还可以称为CPU(Central Processing Unit，中央处理单元)。处理器31可能是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。处理器31还可以是通用处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。
参阅图5，图5为本发明实施例的存储介质的结构示意图。本发明实施例的存储介质存储有能够实现上述超声机器人扫描控制方法的程序指令41，其中，该程序指令41可以以软件产品的形式存储在上述存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)或处理器(processor)执行本申请各个实施方式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，或者是计算机、服务器、手机、平板等计算机设备设备。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的计算机设备，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，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，机械或其它的形式。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。以上仅为本申请的实施方式，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种超声机器人扫描控制方法，其特征在于，其包括：
在低阻尼模式下，控制机械臂向人体的待扫描区域移动以接触人体，且当接触力达到目标接触力时，进入高精度模式；
在所述高精度模式下，实时获取机械臂末端的交互力和空间位置，并结合所述目标接触力计算得到目标关节力矩，再根据第一预设阻尼值和所述目标关节力矩控制所述机械臂进行超声扫描，所述低阻尼模式下的阻尼值低于所述第一预设阻尼值。
2.根据权利要求1所述的超声机器人扫描控制方法，其特征在于，所述实时获取机械臂末端的交互力和空间位置，并结合所述目标接触力计算得到目标关节力矩，再根据第一预设阻尼值和所述目标关节力矩控制所述机械臂进行超声扫描，包括：
实时获取所述机械臂末端的交互力、速度和空间位置，并结合所述目标接触力计算得到所述目标关节力矩，再根据所述第一预设阻尼值和所述目标关节力矩控制所述机械臂在指定轨迹下进行超声扫描。
3.根据权利要求2所述的超声机器人扫描控制方法，其特征在于，所述目标关节力矩的计算公式表示为：
Figure FDA0004127885570000011
Figure FDA0004127885570000012
xe＝xd-xa；
Ffroce＝KPSF(Fa-Fd)+KI∫SF(Fa-Fd)dt；
Figure FDA0004127885570000013
Figure FDA0004127885570000014
其中，τ表示所述目标关节力矩，ext为六维力传感器在工具坐标系下的环境应力在基础坐标系或者工件坐标系下的描述，xe是实际位姿xa与期望位姿xd的差值，
Figure FDA0004127885570000021
是xe的二阶导数，/>
Figure FDA0004127885570000022
是xe的一阶导数，K为刚度系数对角矩阵,为阻尼系数对角矩阵，Ffroce表示需要力控方向的分量，Fa为实际接触力，Fd为目标接触力，KP和KI分别为PI控制器的误差项参数和积分项参数，SF表示对角矩阵，M(q)表示机器人惯性矩阵，/>
Figure FDA0004127885570000023
表示科氏力和离心力，g(q)表示重力矩，JT(q)表示机器人雅各比矩阵的转置，/>
Figure FDA0004127885570000024
表示关节空间加速度，/>
Figure FDA0004127885570000025
表示关节空间速度，q表示关节空间坐标矢量，/>
Figure FDA0004127885570000026
表示笛卡尔空间期望速度，/>
Figure FDA0004127885570000027
表示笛卡尔空间期望加速度，J(q)表示机器人雅各比矩阵，/>
Figure FDA0004127885570000028
表示机器人雅各比矩阵的倒数。
4.根据权利要求2所述的超声机器人扫描控制方法，其特征在于，所述根据所述第一预设阻尼值和所述目标关节力矩控制所述机械臂在指定轨迹下进行超声扫描之后，还包括：
判断所述机械臂末端的速度是否超过预设速度临界值；
当所述速度超过预设速度临界值时，触发所述低阻尼模式，控制所述机械臂的阻尼值降低；
当所述速度未超过预设速度临界值时，维持所述高精度模式。
5.根据权利要求1所述的超声机器人扫描控制方法，其特征在于，在所述低阻尼模式下，所述机械臂的阻尼值根据初始阻抗系数、机械臂末端的速度和阻抗系数下降幅度计算得到，且所述机械臂的阻尼值介于所述第一预设阻尼值和第二预设阻尼值之间，所述第一预设阻尼值大于所述第二预设阻尼值；
在所述高精度模式下，所述机械臂的阻尼值为所述第一预设阻尼值。
6.根据权利要求5所述的超声机器人扫描控制方法，其特征在于，所述机械臂的阻尼值的计算公式表示为：
Figure FDA0004127885570000031
其中，
Figure FDA0004127885570000036
表示所述机械臂的阻尼值，/>
Figure FDA0004127885570000032
笛卡尔空间速度，/>
Figure FDA0004127885570000033
表示所述机械臂末端的速度，a表示所述初始阻抗系数，b表示所述阻抗系数下降幅度，c表示所述第二预设阻尼值，Bmax表示所述第一预设阻尼值，其中a+c>Bmax>c>0，且/>
Figure FDA0004127885570000034
Figure FDA0004127885570000035
表示预设速度临界值。
7.根据权利要求1所述的超声机器人扫描控制方法，其特征在于，所述根据第一预设阻尼值和所述目标关节力矩控制所述机械臂进行超声扫描之后，还包括：
当所述机械臂完成超声扫描任务后，控制所述机械臂向远离人体的方向运动至目标位置，并维持所述机械臂处于高精度模式。
8.一种超声机器人扫描控制装置，其特征在于，其包括：
准备模块，用于在低阻尼模式下，控制机械臂向人体的待扫描区域移动以接触人体，且当接触力达到目标接触力时，进入高精度模式；
扫描模块，用于在所述高精度模式下，实时获取机械臂末端的交互力和空间位置，并结合所述目标接触力计算得到目标关节力矩，再根据第一预设阻尼值和所述目标关节力矩控制所述机械臂进行超声扫描，所述低阻尼模式下的阻尼值低于所述第一预设阻尼值。
9.一种计算机设备，其特征在于，所述计算机设备包括处理器、与所述处理器耦接的存储器，所述存储器中存储有程序指令，所述程序指令被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如权利要求1-7中任一项权利要求所述的超声机器人扫描控制方法的步骤。
10.一种存储介质，其特征在于，存储有能够实现如权利要求1-7中任一项所述的超声机器人扫描控制方法的程序指令。
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