CN116901087B - 一种穿刺手术机器人末端力和力矩的确定方法及设备 - Google Patents
一种穿刺手术机器人末端力和力矩的确定方法及设备 Download PDFInfo
- Publication number
- CN116901087B CN116901087B CN202311179777.4A CN202311179777A CN116901087B CN 116901087 B CN116901087 B CN 116901087B CN 202311179777 A CN202311179777 A CN 202311179777A CN 116901087 B CN116901087 B CN 116901087B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- coordinate system
- force sensor
- tool
- mass
- center
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 33
- 230000005484 gravity Effects 0.000 claims abstract description 40
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims description 33
- 239000013598 vector Substances 0.000 claims description 14
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims description 13
- 230000000149 penetrating effect Effects 0.000 claims description 2
- 230000035515 penetration Effects 0.000 claims description 2
- 230000004044 response Effects 0.000 claims description 2
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 9
- 238000004590 computer program Methods 0.000 description 7
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 6
- 230000006870 function Effects 0.000 description 5
- 239000012636 effector Substances 0.000 description 3
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 3
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 3
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 2
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 2
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 2
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 238000003491 array Methods 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 238000000605 extraction Methods 0.000 description 1
- 230000008713 feedback mechanism Effects 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 238000003908 quality control method Methods 0.000 description 1
- 238000005303 weighing Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
- B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
- B25J9/00—Programme-controlled manipulators
- B25J9/16—Programme controls
- B25J9/1628—Programme controls characterised by the control loop
- B25J9/1633—Programme controls characterised by the control loop compliant, force, torque control, e.g. combined with position control
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Robotics (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Force Measurement Appropriate To Specific Purposes (AREA)
Abstract
本发明涉及手术机器人技术领域，具体涉及一种穿刺手术机器人末端力和力矩的确定方法，该方法包括计算法兰坐标系相对于机械臂末端坐标系的相对位姿；计算力传感器和穿刺工具总质心在法兰坐标系下的坐标；计算力传感器质心坐标系相对于法兰坐标系的相对位姿；计算穿刺工具质心在力传感器质心坐标系下的坐标；计算穿刺工具末端在力传感器质心坐标系下的坐标；根据坐标、坐标、重力、重力矩计算穿刺工具末端的力和力矩。本发明通过对采集数据进行计算得到目标坐标，进而计算出末端点的真实受力和力矩，去除了穿刺工具的重力和重力矩的影响，提高了穿刺工具末端点受力情况的准确性。
Description
技术领域
本发明涉及手术机器人技术领域，具体涉及一种穿刺手术机器人末端力和力矩的确定方法及设备。
背景技术
机器人末端力和力矩测量被广泛用于工业自动化、机器人控制和装配质量控制等应用。机器人末端力和力矩测量的目的是获取机器人末端执行器施加在工件上的力和力矩信息用于机器人在工艺过程中的控制和调整。机器人末端力和力矩传感器通常通过力敏电阻、电容式传感器和应变片等技术来实现，这些传感器可以测量机器人末端执行器在各个方向上的力和力矩，并将这些测量值转换为数字或模拟信号，然后，这些信号可以通过机器人控制系统进行处理和解析，以计算出机器人末端执行器的力和力矩信息，并引导机器人进行调整和反馈机制。
但机器人上的传感器测量的数据包含其他工具的力和力矩，并不能代表工具末端点的真实受力情况，其测量精度和可靠性太差，且对于穿刺手术机器人，传感器的测量数据将造成机器人的安全性降低。
发明内容
有鉴于此，本发明一方面提供了一种穿刺手术机器人末端力和力矩的确定方法，穿刺手术机器人的机械臂末端安装力传感器，所述力传感器通过法兰安装于穿刺手术机器人的机械臂末端，所述力传感器末端安装有穿刺工具，所述穿刺工具末端的力和力矩的确定方法包括：
获取法兰厚度、力传感器质量、穿刺工具质量/>；
根据所述法兰厚度计算法兰坐标系相对于机械臂末端坐标系/>的相对位姿；
获取力传感器和穿刺工具的总质心处的坐标系在机械臂末端坐标系/>下的力传感器和穿刺工具总质心的坐标/>；
根据所述相对位姿、力传感器和穿刺工具总质心的坐标/>计算所述力传感器和穿刺工具总质心在法兰坐标系/>下的坐标/>；
获取力传感器质心在法兰坐标系下的坐标/>，并根据该坐标计算力传感器质心坐标系/>相对于法兰坐标系/>的相对位姿/>；
根据穿刺工具质心在法兰坐标系下的坐标/>、相对位姿/>计算穿刺工具质心在力传感器质心坐标系/>下的坐标/>；
根据所述穿刺工具质心在力传感器质心坐标系下的坐标/>计算穿刺工具末端在力传感器质心坐标系/>下的坐标/>；
获取所述力传感器测量的重力和重力矩/>；
根据所述穿刺工具质心在力传感器质心坐标系下的坐标/>、穿刺工具末端在力传感器质心坐标系/>下的坐标/>、重力/>、重力矩/>计算穿刺工具末端的力/>和力矩/>。
可选地，根据所述相对位姿、力传感器和穿刺工具总质心的坐标计算所述力传感器和穿刺工具总质心在法兰坐标系/>下的坐标，包括：
根据所述相对位姿、力传感器和穿刺工具总质心的坐标/>推算力传感器和穿刺工具总质心坐标系/>相对于法兰坐标系/>的相对位姿/>的计算矩阵公式；
根据所述计算矩阵公式计算所述力传感器和穿刺工具总质心在法兰坐标系下的坐标/>。
可选地，根据穿刺工具质心在法兰坐标系下的坐标/>、相对位姿/>计算穿刺工具质心在力传感器质心坐标系/>下的坐标/>前还包括：
根据所述力传感器质量和穿刺工具质量/>计算力传感器和穿刺工具的总质量/>；
根据所述力传感器和穿刺工具的总质量、力传感器质心在法兰坐标系/>下的坐标/>计算穿刺工具质心在法兰坐标系/>下的坐标/>。
可选地，根据所述穿刺工具质心在力传感器质心坐标系下的坐标、穿刺工具末端在力传感器质心坐标系/>下的坐标/>、重力/>、重力矩/>计算穿刺工具末端的力/>和力矩/>，包括：
根据穿刺工具质心产生的重力和重力矩/>、穿刺工具质心在力传感器质心坐标系/>下的坐标/>、穿刺工具末端在力传感器质心坐标系/>下的坐标/>计算力传感器测量的重力/>和重力矩/>；
根据所述力传感器测量的重力和重力矩/>计算穿刺工具末端的力/>和力矩/>。
可选地，根据穿刺工具质心产生的重力和重力矩/>、穿刺工具质心在力传感器质心坐标系/>下的坐标/>、穿刺工具末端在力传感器质心坐标系/>下的坐标/>计算力传感器测量的重力/>和重力矩/>，包括：
根据所述穿刺工具质心产生的重力计算力传感器测量的重力/>；
根据所述穿刺工具质心产生的重力矩、穿刺工具质心在力传感器质心坐标系/>下的坐标/>、穿刺工具末端在力传感器质心坐标系/>下的坐标计算力传感器测量的重力矩/>。
可选地，根据所述穿刺工具质心产生的重力矩、穿刺工具质心在力传感器质心坐标系/>下的坐标/>、穿刺工具末端在力传感器质心坐标系/>下的坐标/>计算力传感器测量的重力矩/>，包括：
根据所述穿刺工具质心在力传感器质心坐标系下的坐标/>计算在力传感器质心坐标系下的力传感器质心到穿刺工具质心的向量/>；
根据所述穿刺工具末端在力传感器质心坐标系下的坐标/>计算在力传感器质心坐标系下的力传感器质心到穿刺工具末端的向量/>；
根据所述穿刺工具质心产生的重力矩、力传感器质心坐标系下的力传感器质心到穿刺工具质心的向量/>、在力传感器质心坐标系下的力传感器质心到穿刺工具末端的向量/>计算力传感器测量的重力矩/>。
可选地，利用如下方式计算所述穿刺工具质心产生的重力和所述穿刺工具质心产生的重力矩/>：
，
，
其中，表示穿刺工具末端所受重力在穿刺工具末端坐标系/>中的表示，/>表示力，/>表示重力在基坐标系/>中的表示，/>表示重力在基坐标系/>中/>方向的分量，表示穿刺工具末端所受重力矩在穿刺工具末端坐标系/>中的表示，/>表示力矩。
可选地，利用如下方式计算所述穿刺工具末端的力：
，
其中，表示穿刺工具末端坐标系/>到法兰坐标系/>的旋转矩阵，/>表示力传感器质心坐标系/>到法兰坐标系/>的旋转矩阵，/>表示法兰坐标系/>到力传感器质心坐标系/>的旋转矩阵，/>表示基坐标系/>到法兰坐标系/>的旋转矩阵。
可选地，利用如下方式计算所述穿刺工具末端的力矩：
，
其中，表示基坐标系/>到力传感器质心坐标系/>的旋转矩阵，/>表示力传感器质心坐标系/>到法兰坐标系/>的旋转矩阵，/>表示穿刺工具末端坐标系/>到法兰坐标系/>的旋转矩阵。
本发明另一方面还提供了一种穿刺手术机器人末端力和力矩的确定设备，包括：处理器以及与所述处理器连接的存储器；其中，所述存储器存储有可被所述处理器执行的指令，所述指令被所述处理器执行，以使所述处理器执行所述的穿刺手术机器人末端力和力矩的确定方法。
本发明通过在穿刺手术机器人末端加装六维力传感器，对其数据进行采集，再通过多次坐标变换与一些简单的标定算法得到目标坐标，进而通过公式计算出末端点的受力和力矩的真实情况，去除了力传感器测量值中包含的穿刺工具的重力和重力矩的影响，提高了穿刺工具末端点受力情况的准确性，有利于医生对于穿刺点受力情况的实时、高精度的把控，进而提高穿刺手术机器人的安全性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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为本发明实施例提供的一种穿刺手术机器人的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种穿刺手术机器人末端力和力矩的确定方法流程示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明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。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
如图1所示，本发明实施例提供的一种穿刺手术机器人，机器人的机械臂11末端安装有力传感器13，力传感器通过法兰12安装于穿刺手术机器人的机械臂末端，力传感器末端安装有穿刺工具14。
本发明的一个实施例，提供了一种穿刺手术机器人末端力和力矩的确定方法：
在执行本方法前，如图1所示，先建立基坐标系，并为机械臂末端、法兰、力传感器质心、穿刺工具质心和穿刺工具末端建立坐标系，分别为机械臂末端坐标系/>、法兰坐标系/>、力传感器质心坐标系/>与穿刺工具末端坐标系/>的姿态相同，穿刺工具质心坐标系/>与基坐标系/>的姿态相同，基坐标系/>的/>轴与重力方向相反。
如图2所示，本发明实施例提供的一种穿刺手术机器人末端力和力矩的确定方法为：
S201，获取法兰厚度、力传感器质量、穿刺工具质量/>。
本实施例中，法兰为标准的扁圆柱体，固连于机械臂末端，并保证法兰坐标系与机械臂末端坐标系/>姿态相同，其厚度表示为d；力传感器和穿刺工具的质量可以用称重工具获得。
S202，根据法兰厚度计算法兰坐标系相对于机械臂末端坐标系/>的相对位姿，相对位姿/>表示为：
，
其中，表示齐次变换矩阵，左上标代表基坐标系，左下标代表要表示的子坐标系，齐次变换矩阵是4行4列的矩阵，在这个矩阵中左上角的3X3的矩阵表示姿态矩阵R，第四列的前三个数代表子坐标系的坐标原点在基坐标系中的位置向量，最后一行固定是0 0 0 1。
S203，获取力传感器和穿刺工具的总质心处的坐标系在机械臂末端坐标系下的力传感器和穿刺工具总质心的坐标/>。
在装有力传感器和穿刺工具的情况下，通过目前穿刺机器人大多配备的负载重力辨识功能，得到力传感器和穿刺工具的总质量处的坐标系在机械臂末端坐标系/>中力传感器和穿刺工具总质心的坐标/>，/>表示力传感器和穿刺工具总质心在机械臂末端坐标系/>中的/>方向的坐标，/>表示力传感器和穿刺工具总质心在机械臂末端坐标系/>中的/>方向的坐标，/>表示力传感器和穿刺工具总质心在机械臂末端坐标系/>中的/>方向的坐标。
S204，根据相对位姿、力传感器和穿刺工具总质心的坐标/>计算力传感器和穿刺工具总质心在法兰坐标系/>下的坐标/>。
表示力传感器和穿刺工具总质心在法兰坐标系/>中的/>方向的坐标，/>示力传感器和穿刺工具总质心在法兰坐标系/>中的/>方向的坐标，/>示力传感器和穿刺工具总质心在法兰坐标系/>中的/>方向的坐标，右上标/>代表转置。
S205，获取力传感器质心在法兰坐标系下的坐标/>，并根据该坐标计算力传感器质心坐标系/>相对于法兰坐标系/>的相对位姿/>。
安装的力传感器为六维力传感器，其一般呈扁圆柱体，质量分布呈轴对称，质心处在中轴线上，因此可以将力传感器建立在其自身质心处。质心为测量原点，该测量原点由六维力传感器的结构决定，可以预先测定，并且在安装时会保证传感器坐标系和法兰坐标系的安装方向相同，即坐标系的朝向相同，二者之间只是坐标原点不重合，因此可在测量原点基础上预先根据传感器和法兰的安装方向和之间的安装距离计算力传感器质心到法兰坐标系三个方向的距离，从而得到力传感器质心在法兰坐标系下的坐标/>，则力传感器质心坐标系/>相对于法兰坐标系/>的相对位姿/>为：
，
其中，表示力传感器质心在法兰坐标系/>中的/>方向的坐标，/>表示力传感器质心在法兰坐标系/>中的/>方向的坐标，/>表示力传感器质心在法兰坐标系/>中的/>方向的坐标。
S206，根据穿刺工具质心在法兰坐标系下的坐标/>、相对位姿/>计算穿刺工具质心在力传感器质心坐标系/>下的坐标/>。利用如下公式计算：
，
其中，表示穿刺工具质心在法兰坐标系/>中的/>方向的坐标，/>表示穿刺工具质心在法兰坐标系/>中的/>方向的坐标，/>表示穿刺工具质心在法兰坐标系/>中的方向的坐标。
S207，根据穿刺工具质心在力传感器质心坐标系下的坐标/>计算穿刺工具末端在力传感器质心坐标系/>下的坐标/>。
由于穿刺工具质心在穿刺工具中心位置，则可根据坐标计算出穿刺工具末端的坐标，/>表示穿刺工具末端在力传感器质心坐标系/>中的/>方向的坐标，/>表示穿刺工具末端在力传感器质心坐标系/>中的/>方向的坐标，/>表示穿刺工具末端在力传感器质心坐标系/>中的/>方向的坐标。
S208，获取力传感器测量的重力和重力矩/>。
为六维力传感器显示的测量值的力分量，/>为六维力传感器显示的测量值的力矩分量。
S209，根据穿刺工具质心在力传感器质心坐标系下的坐标/>、穿刺工具末端在力传感器质心坐标系/>下的坐标/>、重力/>、重力矩计算穿刺工具末端的力/>和力矩/>。
由于手术机器人的工作场景多为低速和静态场景，相比于工业中机械臂的高速动态场景，可以忽略惯性力、离心力与科氏力等影响，适用于静力分析，绕过了机器人动力学的大量参数，可运用简洁的公式计算出末端点的受力和力矩。通过在穿刺手术机器人的机械臂末端安装六维力传感器，对其数据进行采集，经过多次坐标变换和标定算法，计算出末端点的受力和力矩的真实情况，而非停留在力传感器的测量值，去除了测量值中包含的穿刺工具的重力和重力矩的影响，提高了末端点受力情况的准确性，有利于医生对于穿刺点受力情况的实时、高精度的把控，进而提高穿刺手术机器人的安全性。
优选实施例中，S104：根据相对位姿、力传感器和穿刺工具总质心的坐标计算力传感器和穿刺工具总质心在法兰坐标系/>下的坐标，包括：
根据相对位姿、力传感器和穿刺工具总质心的坐标/>推算力传感器和穿刺工具总质心坐标系/>相对于法兰坐标系/>的相对位姿/>的计算矩阵公式，具体为，使用位姿矩阵的连乘公式：
，
根据计算矩阵公式计算力传感器和穿刺工具总质心在法兰坐标系下的坐标系下的坐标/>，具体为，将相对位姿/>的计算矩阵公式进行提取：
，
其中，为4X4矩阵/>的第四列，/>为4X4矩阵/>的第四列，最右侧的/>为已知项，右上标/>代表矩阵的逆，因此可以求得/>，/>，/>。
优选实施例中，S106：根据穿刺工具质心在法兰坐标系下的坐标、相对位姿/>计算穿刺工具质心在力传感器质心坐标系/>下的坐标前还包括：
根据力传感器质量和穿刺工具质量/>计算力传感器和穿刺工具的总质量/>，（式3）即/>。
根据力传感器和穿刺工具的总质量、力传感器质心在法兰坐标系/>下的坐标/>计算穿刺工具质心在法兰坐标系/>下的坐标/>，（式7、8）将坐标带入到公式中，具体以/>方向的坐标为例：
，
可得：
，
同理可得与/>的表达式，以求得/>与/>，由此可根据穿刺工具质心在法兰坐标系/>下的坐标/>计算出穿刺工具质心在力传感器质心坐标系/>下的坐标/>。
优选实施例中，S109：根据穿刺工具质心在力传感器质心坐标系下的坐标、穿刺工具末端在力传感器质心坐标系/>下的坐标/>、重力/>、重力矩/>计算穿刺工具末端的力/>和力矩/>，包括：
根据穿刺工具质心产生的重力和重力矩/>、穿刺工具质心在力传感器质心坐标系/>下的坐标/>、穿刺工具末端在力传感器质心坐标系/>下的坐标/>计算力传感器测量的重力/>和重力矩/>；
根据力传感器测量的重力和重力矩/>计算穿刺工具末端的力/>和力矩。
根据重力和重力矩/>计算公式将力/>和力矩/>提取出来进行计算。
在一个实施例中，根据穿刺工具质心产生的重力和重力矩/>、穿刺工具质心在力传感器质心坐标系/>下的坐标/>、穿刺工具末端在力传感器质心坐标系/>下的坐标/>计算力传感器测量的重力/>和重力矩/>，包括：
根据穿刺工具质心产生的重力计算力传感器测量的重力/>，具体计算重力的公式如下：
，
，
，
根据穿刺工具质心产生的重力矩、穿刺工具质心在力传感器质心坐标系/>下的坐标/>、穿刺工具末端在力传感器质心坐标系/>下的坐标计算力传感器测量的重力矩/>，具体计算重力矩/>的公式如下：
，
，
，
重力和重力矩/>的值可以有六维力传感器测得，以上公式中R为3X3的旋转矩阵。
在一个实施例中，根据穿刺工具质心产生的重力矩、穿刺工具质心在力传感器质心坐标系/>下的坐标/>、穿刺工具末端在力传感器质心坐标系/>下的坐标/>计算力传感器测量的重力矩/>，包括：
根据穿刺工具质心在力传感器质心坐标系下的坐标/>计算在力传感器质心坐标系下的力传感器质心到穿刺工具质心的向量/>；
根据穿刺工具末端在力传感器质心坐标系下的坐标/>计算在力传感器质心坐标系下的力传感器质心到穿刺工具末端的向量/>；
根据穿刺工具质心产生的重力矩、力传感器质心坐标系下的力传感器质心到穿刺工具质心的向量/>、在力传感器质心坐标系下的力传感器质心到穿刺工具末端的向量/>计算力传感器测量的重力矩/>。
根据上述计算出的坐标、坐标/>计算上述重力矩/>的计算公式中的涉及的参数进行计算，得到向量/>、向量/>。
在一个实施例中，利用如下方式计算穿刺工具质心产生的重力和穿刺工具质心产生的重力矩/>：
，
，
其中，表示穿刺工具末端所受重力在穿刺工具末端坐标系/>中的表示，/>表示力，/>表示重力在基坐标系/>中的表示，/>表示重力在基坐标系/>中/>方向的分量，一般为-9.81，/>表示穿刺工具末端所受重力矩在穿刺工具末端坐标系/>中的表示，表示力矩。
本实施例计算的、/>为上述重力/>、重力矩/>的计算公式中涉及的参数。
在一个实施例中，利用如下方式计算穿刺工具末端的力：
，
其中，表示穿刺工具末端坐标系/>到法兰坐标系/>的旋转矩阵，/>表示力传感器质心坐标系/>到法兰坐标系/>的旋转矩阵，/>表示法兰坐标系/>到力传感器质心坐标系/>的旋转矩阵，/>表示基坐标系/>到法兰坐标系/>的旋转矩阵。
在一个实施例中，利用如下方式计算穿刺工具末端的力矩：
，
其中，表示基坐标系/>到力传感器质心坐标系/>的旋转矩阵，/>表示力传感器质心坐标系/>到法兰坐标系/>的旋转矩阵，/>表示穿刺工具末端坐标系/>到法兰坐标系/>的旋转矩阵。
力、力矩/>是根据上述重力/>、重力矩/>的计算公式推导而出，、/>、/>、/>、/>均为3行3列的单位阵，/>、/>则需要通过采集穿刺手术机器人的各个关节角进行计算得到，可运用现有的计算方式进行计算，/>、/>为六维力传感器的测量值，/>、/>已经通过坐标计算得出，因此可得到穿刺工具末端的力/>和力矩/>。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备（系统）、和计算机程序产品的流程图和／或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和／或方框图中的每一流程和／或方框、以及流程图和／或方框图中的流程和／或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (10)
1.一种穿刺手术机器人末端力和力矩的确定方法，其特征在于，穿刺手术机器人的机械臂末端安装力传感器，所述力传感器通过法兰安装于穿刺手术机器人的机械臂末端，所述力传感器末端安装有穿刺工具，所述穿刺工具末端的力和力矩的确定方法包括：
获取法兰厚度、力传感器质量、穿刺工具质量/>；
根据所述法兰厚度计算法兰坐标系相对于机械臂末端坐标系/>的相对位姿/>；
获取力传感器和穿刺工具的总质心处的坐标系在机械臂末端坐标系/>下的力传感器和穿刺工具总质心的坐标/>；
根据所述相对位姿、力传感器和穿刺工具总质心的坐标/>计算所述力传感器和穿刺工具总质心在法兰坐标系/>下的坐标/>；
获取力传感器质心在法兰坐标系下的坐标/>，并根据该坐标计算力传感器质心坐标系/>相对于法兰坐标系/>的相对位姿/>；
根据穿刺工具质心在法兰坐标系下的坐标/>、相对位姿/>计算穿刺工具质心在力传感器质心坐标系/>下的坐标/>；
根据所述穿刺工具质心在力传感器质心坐标系下的坐标/>计算穿刺工具末端在力传感器质心坐标系/>下的坐标/>；
获取所述力传感器测量的重力和重力矩/>；
根据所述穿刺工具质心在力传感器质心坐标系下的坐标/>、穿刺工具末端在力传感器质心坐标系/>下的坐标/>、重力/>、重力矩/>计算穿刺工具末端的力/>和力矩/>。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述相对位姿、力传感器和穿刺工具总质心的坐标/>计算所述力传感器和穿刺工具总质心在法兰坐标系下的坐标，包括：
根据所述相对位姿、力传感器和穿刺工具总质心的坐标/>推算力传感器和穿刺工具总质心坐标系/>相对于法兰坐标系/>的相对位姿/>的计算矩阵公式；
根据所述计算矩阵公式计算所述力传感器和穿刺工具总质心在法兰坐标系下的坐标/>。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据穿刺工具质心在法兰坐标系下的坐标/>、相对位姿/>计算穿刺工具质心在力传感器质心坐标系/>下的坐标/>前还包括：
根据所述力传感器质量和穿刺工具质量/>计算力传感器和穿刺工具的总质量/>；
根据所述力传感器和穿刺工具的总质量、力传感器质心在法兰坐标系/>下的坐标/>计算穿刺工具质心在法兰坐标系/>下的坐标/>。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述穿刺工具质心在力传感器质心坐标系下的坐标/>、穿刺工具末端在力传感器质心坐标系/>下的坐标、重力/>、重力矩/>计算穿刺工具末端的力/>和力矩/>，包括：
根据穿刺工具质心产生的重力和重力矩/>、穿刺工具质心在力传感器质心坐标系/>下的坐标/>、穿刺工具末端在力传感器质心坐标系/>下的坐标计算力传感器测量的重力/>和重力矩/>；
根据所述力传感器测量的重力和重力矩/>计算穿刺工具末端的力/>和力矩。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，根据穿刺工具质心产生的重力和重力矩/>、穿刺工具质心在力传感器质心坐标系/>下的坐标/>、穿刺工具末端在力传感器质心坐标系/>下的坐标/>计算力传感器测量的重力和重力矩/>，包括：
根据所述穿刺工具质心产生的重力计算力传感器测量的重力/>；
根据所述穿刺工具质心产生的重力矩、穿刺工具质心在力传感器质心坐标系/>下的坐标/>、穿刺工具末端在力传感器质心坐标系/>下的坐标计算力传感器测量的重力矩/>。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，根据所述穿刺工具质心产生的重力矩、穿刺工具质心在力传感器质心坐标系/>下的坐标/>、穿刺工具末端在力传感器质心坐标系/>下的坐标/>计算力传感器测量的重力矩，包括：
根据所述穿刺工具质心在力传感器质心坐标系下的坐标/>计算在力传感器质心坐标系下的力传感器质心到穿刺工具质心的向量/>；
根据所述穿刺工具末端在力传感器质心坐标系下的坐标/>计算在力传感器质心坐标系下的力传感器质心到穿刺工具末端的向量/>；
根据所述穿刺工具质心产生的重力矩、力传感器质心坐标系下的力传感器质心到穿刺工具质心的向量/>、在力传感器质心坐标系下的力传感器质心到穿刺工具末端的向量/>计算力传感器测量的重力矩/>。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，利用如下方式计算所述穿刺工具质心产生的重力和所述穿刺工具质心产生的重力矩/>：
，
，
其中，表示穿刺工具末端所受重力在穿刺工具末端坐标系/>中的表示，/>表示力，/>表示重力在基坐标系/>中的表示，/>表示重力在基坐标系/>中/>方向的分量，/>表示穿刺工具末端所受重力矩在穿刺工具末端坐标系/>中的表示，/>表示力矩。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，利用如下方式计算所述穿刺工具末端的力：
，
其中，表示穿刺工具末端坐标系/>到法兰坐标系/>的旋转矩阵，/>表示力传感器质心坐标系/>到法兰坐标系/>的旋转矩阵，/>表示法兰坐标系/>到力传感器质心坐标系/>的旋转矩阵，/>表示基坐标系/>到法兰坐标系/>的旋转矩阵。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，利用如下方式计算所述穿刺工具末端的力矩：
，
其中，表示基坐标系/>到力传感器质心坐标系/>的旋转矩阵，/>表示力传感器质心坐标系/>到法兰坐标系/>的旋转矩阵，/>表示穿刺工具末端坐标系/>到法兰坐标系/>的旋转矩阵。
10.一种穿刺手术机器人末端力和力矩的确定设备，其特征在于，包括：处理器以及与所述处理器连接的存储器；其中，所述存储器存储有可被所述处理器执行的指令，所述指令被所述处理器执行，以使所述处理器执行如权利要求1-9中任意一项所述的穿刺手术机器人末端力和力矩的确定方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311179777.4A CN116901087B (zh) | 2023-09-13 | 2023-09-13 | 一种穿刺手术机器人末端力和力矩的确定方法及设备 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311179777.4A CN116901087B (zh) | 2023-09-13 | 2023-09-13 | 一种穿刺手术机器人末端力和力矩的确定方法及设备 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116901087A CN116901087A (zh) | 2023-10-20 |
| CN116901087B true CN116901087B (zh) | 2023-11-17 |
Family
ID=88367289
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202311179777.4A Active CN116901087B (zh) | 2023-09-13 | 2023-09-13 | 一种穿刺手术机器人末端力和力矩的确定方法及设备 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116901087B (zh) |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112140111A (zh) * | 2020-09-24 | 2020-12-29 | 珠海格力智能装备有限公司 | 机器人的末端负载质心的确定方法 |
| CN113679473A (zh) * | 2021-08-23 | 2021-11-23 | 北京航空航天大学 | 一种人机协同力反馈脑室穿刺机器人装置 |
| WO2021238049A1 (zh) * | 2020-05-28 | 2021-12-02 | 杭州键嘉机器人有限公司 | 机械臂的多负载自适应重力补偿方法、装置及控制设备 |
| CN115157260A (zh) * | 2022-07-27 | 2022-10-11 | 北京航空航天大学 | 一种机械臂末端六维力传感器重力和惯性力补偿方法 |
| EP4094903A1 (de) * | 2021-05-26 | 2022-11-30 | Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. | Verfahren zum bestimmen externer interaktionskräfte und/oder interaktionsmomente eines roboters, roboter und computerprogrammprodukt |
| CN116652953A (zh) * | 2023-06-09 | 2023-08-29 | 合肥工业大学 | 一种机器人末端模型动态接触力测量的误差补偿与处理方法 |
-
2023
- 2023-09-13 CN CN202311179777.4A patent/CN116901087B/zh active Active
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2021238049A1 (zh) * | 2020-05-28 | 2021-12-02 | 杭州键嘉机器人有限公司 | 机械臂的多负载自适应重力补偿方法、装置及控制设备 |
| CN112140111A (zh) * | 2020-09-24 | 2020-12-29 | 珠海格力智能装备有限公司 | 机器人的末端负载质心的确定方法 |
| EP4094903A1 (de) * | 2021-05-26 | 2022-11-30 | Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. | Verfahren zum bestimmen externer interaktionskräfte und/oder interaktionsmomente eines roboters, roboter und computerprogrammprodukt |
| CN113679473A (zh) * | 2021-08-23 | 2021-11-23 | 北京航空航天大学 | 一种人机协同力反馈脑室穿刺机器人装置 |
| CN115157260A (zh) * | 2022-07-27 | 2022-10-11 | 北京航空航天大学 | 一种机械臂末端六维力传感器重力和惯性力补偿方法 |
| CN116652953A (zh) * | 2023-06-09 | 2023-08-29 | 合肥工业大学 | 一种机器人末端模型动态接触力测量的误差补偿与处理方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 基于人机协作的幕墙安装机械手末端随动坐标系的解算方法;樊旭;杨冬;章鹏;杨德志;李铁军;;机床与液压(第09期);全文 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN116901087A (zh) | 2023-10-20 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN107433590B (zh) | 一种基于机械臂负载质量和传感器零漂在线辨识的重力补偿方法 | |
| JP5618066B2 (ja) | 力制御ロボットのキャリブレーション装置と方法 | |
| US9427873B2 (en) | Robot controller, simple installation-type robot, and method of controlling simple installation-type robot | |
| US20180021955A1 (en) | Robot zero-point calibration device and method | |
| KR102056664B1 (ko) | 센서를 이용한 작업 방법 및 이를 수행하는 작업 시스템 | |
| JP5215378B2 (ja) | ３軸力センサを用いて力制御をおこなうロボットの制御装置 | |
| US20200398424A1 (en) | Machine learning apparatus, robot system, and machine learning method of learning state of tool | |
| CN113021358B (zh) | 机械臂工具坐标系原点标定方法、装置和电子设备 | |
| JP2015199155A (ja) | 情報処理装置および情報処理方法、プログラム | |
| JP7261984B2 (ja) | 打ち抜き装置 | |
| CN107044837B (zh) | 用于标定检测工具坐标系的方法、装置以及控制设备 | |
| CN110394817B (zh) | 使用机器人推断负载重量和重心位置的装置、方法及程序 | |
| JP5962371B2 (ja) | ロボットシステム並びにセンサ検査装置及び方法 | |
| Li et al. | A dynamic pre-travel error prediction model for the kinematic touch trigger probe | |
| CN111721391B (zh) | 用机器人推定负荷的重量及重心位置的装置、方法及计算机可读记录介质 | |
| CN116901087B (zh) | 一种穿刺手术机器人末端力和力矩的确定方法及设备 | |
| CN109983299A (zh) | 工业机器人的测量系统和方法 | |
| JP6300196B2 (ja) | 運動具挙動解析装置、運動具挙動解析方法および運動具挙動解析プログラム | |
| JP2011255457A (ja) | 外力検出インタフェースの故障検知方法 | |
| JP6551123B2 (ja) | 打点推定装置 | |
| US20180243627A1 (en) | Measuring system and measuring method | |
| US11982583B2 (en) | Detection device and sensor calibration method | |
| JP4988545B2 (ja) | 外力検出方法及び検出装置 | |
| CN112893180A (zh) | 一种考虑摩擦系数异常值剔除的物体触摸分类方法和系统 | |
| KR101064516B1 (ko) | 순외력 측정을 위한 힘 센서 검출 신호 보정 방법 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |