用于神经外科的基于力矩前馈的机械臂拖动混合控制方法技术

本申请涉及一种用于神经外科的基于力矩前馈的机械臂拖动混合控制方法、装置、计算机设备以及存储介质。涉及柔顺控制技术领域，该方法在检测到机械臂受到外部作用力的情况下，基于机械臂的动力学模型以及机械臂的第一关节转角对机械臂进行一次补偿；基于一次补偿后机械臂的第二关节转角对机械臂进行重力补偿；基于重力补偿后的结果和第二关节转角对机械臂进行二次补偿。其中，一次补偿是基于动力学模型进行的，因此该补偿过程充分考虑到了机械臂的动力学特性，然后在此基础上，基于一次补偿后机械臂的第二关节转角进行重力补偿以及二次补偿，以实现高柔顺的拖动控制。以实现高柔顺的拖动控制。以实现高柔顺的拖动控制。

【技术实现步骤摘要】
用于神经外科的基于力矩前馈的机械臂拖动混合控制方法


[0001]本申请涉及柔顺控制
，特别是涉及一种用于神经外科的基于力矩前馈的机械臂拖动混合控制方法、装置、计算机设备以及存储介质。

技术介绍

[0002]柔顺控制就是基于传感器取得的控制信号控制机械臂，使之响应环境力(外部作用力)的变化而运动。机械臂的柔顺控制在诸如神经、腹腔、骨科等领域的手术机器人系统是非常重要的，直接关系到医生操作手术机器人的主观感受，更好的柔顺性会更加真实地模拟医生手臂的真实操作，使机械臂操作更加接近医生操作，进而提升手术效果。
[0003]现有技术中，一般是基于导纳控制来实现柔顺控制的目的，其中，导纳控制是指：在机械臂的末端安装传感器，传感器检测外部作用力，然后机械臂对传感器检测到的外部作用力进行重力补偿，最后，机械臂基于重力补偿后的接触力与期望力累加后得到力偏差信号，将力偏差信号输入给机械臂的运动控制器，位置控制器控制机械臂运动。
[0004]然而，基于导纳控制的柔顺控制，忽略了机械臂自身的动力学特性，而机械臂的动力学特性，例如惯性特性、摩擦特性等也会对机械臂的动态特性产生影响。因此，现有的柔顺控制效果欠佳。

技术实现思路

[0005]基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够提高柔顺控制效果的用于神经外科的基于力矩前馈的机械臂拖动混合控制方法、装置、计算机设备以及存储介质。
[0006]一种用于神经外科的基于力矩前馈的机械臂拖动混合控制方法，该方法包括：
[0007]在检测到机械臂受到外部作用力的情况下，基于机械臂的动力学模型以及机械臂的第一关节转角对机械臂进行一次补偿；
[0008]基于一次补偿后机械臂的第二关节转角对机械臂进行重力补偿；
[0009]基于重力补偿后的结果和第二关节转角对机械臂进行二次补偿。
[0010]在其中一个实施例中，基于机械臂的动力学模型以及机械臂的第一关节转角对机械臂进行一次补偿，包括：将第一关节转角输入至动力学模型中，得到第一关节力矩；基于第一关节力矩确定第一补偿电流，第一补偿电流用于对机械臂进行一次补偿。
[0011]在其中一个实施例中，基于一次补偿后机械臂的第二关节转角对机械臂进行重力补偿，包括：根据第二关节转角以及预先设置的关节转角与重力补偿值的对应关系确定目标重力补偿值；根据目标重力补偿值对外部作用力进行重力补偿。
[0012]在其中一个实施例中，基于重力补偿后的结果和第二关节转角对机械臂进行二次补偿，包括：根据第二关节转角进行速度映射得到机械臂的末端速度；根据重力补偿后的结果和末端速度确定机械臂的末端加速度；基于末端加速度对机械臂进行二次补偿。
[0013]在其中一个实施例中，重力补偿后的结果为补偿后的外部作用力，根据重力补偿后的结果和末端速度确定机械臂的末端加速度，包括：将补偿后的外部作用力和末端速度
输入至预先设置好的导纳控制模型，得到导纳控制模型输出的机械臂的末端加速度；其中，导纳控制模型为：其中，F为外部作用力矩阵，M为机械臂的惯性矩阵，B为阻尼矩阵，为速度矩阵，为加速度矩阵。
[0014]在其中一个实施例中，基于末端加速度对机械臂进行二次补偿，包括：对末端加速度进行两次积分得到机械臂的末端位姿；对末端位姿进行运动学逆解得到第三关节转角；将第三关节转角输入至动力学模型中，得到第二关节力矩；基于第二关节力矩确定第二补偿电流，第二补偿电流用于对机械臂进行二次补偿。
[0015]在其中一个实施例中，基于末端加速度对机械臂进行二次补偿，包括：对末端加速度进行积分得到机械臂在下一时刻的末端速度；根据机械臂在下一时刻的末端速度确定机械臂在下一时刻的第四关节转角；将第四关节转角输入至动力学模型中，得到第三关节力矩；基于第三关节力矩确定第三补偿电流，第三补偿电流用于对机械臂进行二次补偿。
[0016]一种用于神经外科的基于力矩前馈的机械臂拖动混合控制装置，该装置包括：
[0017]一次补偿模块，用于在检测到机械臂受到外部作用力的情况下，基于机械臂的动力学模型以及机械臂的第一关节转角对机械臂进行一次补偿；
[0018]重力补偿模块，用于基于一次补偿后机械臂的第二关节转角对机械臂进行重力补偿；
[0019]二次补偿模块，用于基于重力补偿后的结果和第二关节转角对机械臂进行二次补偿。
[0020]一种计算机设备，包括存储器和处理器，存储器存储有计算机程序，处理器执行计算机程序时实现以下步骤：
[0021]在检测到机械臂受到外部作用力的情况下，基于机械臂的动力学模型以及机械臂的第一关节转角对机械臂进行一次补偿；
[0022]基于一次补偿后机械臂的第二关节转角对机械臂进行重力补偿；
[0023]基于重力补偿后的结果和第二关节转角对机械臂进行二次补偿。
[0024]一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现以下步骤：
[0025]在检测到机械臂受到外部作用力的情况下，基于机械臂的动力学模型以及机械臂的第一关节转角对机械臂进行一次补偿；
[0026]基于一次补偿后机械臂的第二关节转角对机械臂进行重力补偿；
[0027]基于重力补偿后的结果和第二关节转角对机械臂进行二次补偿。
[0028]上述用于神经外科的基于力矩前馈的机械臂拖动混合控制方法、装置、计算机设备以及存储介质，能够提高柔顺控制效果。该机械臂柔顺控制方法在检测到机械臂受到外部作用力的情况下，基于机械臂的动力学模型以及机械臂的第一关节转角对机械臂进行一次补偿；基于一次补偿后机械臂的第二关节转角对机械臂进行重力补偿；基于重力补偿后的结果和第二关节转角对机械臂进行二次补偿。其中，一次补偿是基于动力学模型进行的，因此该补偿过程充分考虑到了机械臂的动力学特性，然后在此基础上，基于一次补偿后机械臂的第二关节转角进行重力补偿以及二次补偿，以实现高柔顺的拖动控制。
附图说明
[0029]图1为一个实施例中一种机械臂的结构示意图；
[0030]图2为一个实施例中用于神经外科的基于力矩前馈的机械臂拖动混合控制方法的流程示意图；
[0031]图3为另一个实施例中用于神经外科的基于力矩前馈的机械臂拖动混合控制方法的流程示意图；
[0032]图4为一个实施例中进行重力补偿的方法的流程示意图；
[0033]图5为一个实施例中进行二次补偿的方法的流程示意图；
[0034]图6为一种基于位置环的柔顺控制方法的控制流程图；
[0035]图7为一种基于速度环的柔顺控制方法的控制流程图；
[0036]图8为一个实施例中用于神经外科的基于力矩前馈的机械臂拖动混合控制装置的结构框图；
[0037]图9为一个实施例中计算机设备的内部结构图。
具体实施方式
[0038]为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于神经外科的基于力矩前馈的机械臂拖动混合控制方法，其特征在于，所述方法包括：在检测到机械臂受到外部作用力的情况下，基于所述机械臂的动力学模型以及所述机械臂的第一关节转角对所述机械臂进行一次补偿；基于所述一次补偿后所述机械臂的第二关节转角对所述机械臂进行重力补偿；基于重力补偿后的结果和所述第二关节转角对所述机械臂进行二次补偿。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于所述机械臂的动力学模型以及所述机械臂的第一关节转角对所述机械臂进行一次补偿，包括：将所述第一关节转角输入至所述动力学模型中，得到第一关节力矩；基于所述第一关节力矩确定第一补偿电流，所述第一补偿电流用于对所述机械臂进行一次补偿。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于所述一次补偿后所述机械臂的第二关节转角对所述机械臂进行重力补偿，包括：根据所述第二关节转角以及预先设置的关节转角与重力补偿值的对应关系确定目标重力补偿值；根据所述目标重力补偿值对所述外部作用力进行重力补偿。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于重力补偿后的结果和所述第二关节转角对所述机械臂进行二次补偿，包括：根据所述第二关节转角进行速度映射得到所述机械臂的末端速度；根据所述重力补偿后的结果和所述末端速度确定所述机械臂的末端加速度；基于所述末端加速度对所述机械臂进行二次补偿。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述重力补偿后的结果为补偿后的外部作用力，所述根据所述重力补偿后的结果和所述末端速度确定所述机械臂的末端加速度，包括：将所述补偿后的外部作用力和所述末端速度输入至预先设置好的导纳控制模型，得到所述导纳控制模型输出的所述机械臂的...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨坤，黄浩，
申请(专利权)人：武汉联影智融医疗科技有限公司，
类型：发明
国别省市：