基于姿态确定可形变机械臂的外部受力的方法及机器人系统技术方案

本公开涉及机械领域，公开一种用于确定可形变机械臂的外部受力的方法。可形变机械臂包括至少一根结构骨、固定盘以及至少一个间隔盘，至少一根结构骨穿过至少一个间隔盘并且末端与固定盘固定连接。该方法包括：获得可形变机械臂的末端的位姿；获得可形变机械臂的至少一根结构骨的驱动信息；以及基于可形变机械臂的末端的位姿、至少一根结构骨的驱动信息及可形变机械臂的力学模型，确定可形变机械臂的外部受力，其中，力学模型基于可形变机械臂的至少一根结构骨在可形变机械臂的横截面上的分布以及至少一根结构骨的物理特性。布以及至少一根结构骨的物理特性。布以及至少一根结构骨的物理特性。

【技术实现步骤摘要】
基于姿态确定可形变机械臂的外部受力的方法及机器人系统


[0001]本公开涉及机械领域，尤其涉及一种基于姿态确定可形变机械臂的外部受力的方法、计算机设备及机器人系统。

技术介绍

[0002]可形变机械臂可以用于手术机器人辅助微创外科手术任务。在手术中，操作者(例如，医生)需要获取可形变机械臂所受到的外部作用力(例如，可形变机械臂与人体组织作用所产生的外部作用力)，以根据可形变机械臂所受到的外部作用力进行手术操作。
[0003]通常，可以在可形变机械臂的末端安装力传感器，根据力传感器测量可形变机械臂的外部受力，并将可形变机械臂的外部受力反馈给操作者，指引操作者的手术操作。
[0004]然而，在可形变机械臂的末端安装力传感器来测量可形变机械臂的外部受力至少存在以下技术问题：1)集成困难。力传感器占用空间较大，且需要使用线缆传输信号，医用可形变机械臂或手术工具等器械结构复杂、紧凑，在设计的过程中难以留出力传感器的集成空间。2)成本较高。手术工具往往使用若干次之后便丢弃或回收，而力传感器价格较高，因此难以广泛应用于手术工具中。3)布置灵活度较差。力传感器只能测量其所安装位置处的外部作用力，难以或者无法覆盖整个手术工具上的外部作用力，因此需要根据可形变机械臂的受力情况布置传感器。4)兼容性较差。使用力传感器会造成消毒、电磁兼容等问题。
[0005]因此，需要提供一种能够满足实际需求的获取可形变机械臂的外部受力的方法，以辅助操作者的手术操作，提高手术操作的准确性并降低手术操作的成本。

技术实现思路
<br/>[0006]在一些实施例中，本公开提供了一种用于确定可形变机械臂的外部受力的方法。可形变机械臂包括至少一根结构骨、固定盘以及至少一个间隔盘。至少一根结构骨穿过至少一个间隔盘并且末端与固定盘固定连接。该方法可以包括：获得可形变机械臂的末端的位姿；获得可形变机械臂的至少一根结构骨的驱动信息；以及基于可形变机械臂的末端的位姿、至少一根结构骨的驱动信息及可形变机械臂的力学模型，确定可形变机械臂的外部受力，其中力学模型基于可形变机械臂的至少一根结构骨在可形变机械臂的横截面上的分布以及至少一根结构骨的物理特性。
[0007]在一些实施例中，本公开提供了一种计算机设备，计算机设备包括：存储器，用于存储至少一条指令；以及处理器，与存储器耦合并且用于执行至少一条指令以执行上述任一个实施例中提供的用于确定可形变机械臂的外部受力的方法。
[0008]在一些实施例中，本公开提供了一种计算机可读存储介质，用于存储至少一条指令，至少一条指令由计算机执行时致使机器人系统实现本公开任一个实施例的用于确定可形变机械臂的外部受力的方法。
[0009]在一些实施例中，本公开提供了一种机器人系统，包括：至少一个可形变机械臂，包括至少一根结构骨、固定盘以及至少一个间隔盘，至少一根结构骨穿过至少一个间隔盘
并且末端与固定盘固定连接；以及控制装置，被配置为执行本公开的任一个实施例的方法，以确定可形变机械臂的外部受力。
附图说明
[0010]为了更清楚地说明本公开实施例中的技术方案，下面将对本公开实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍。下面描述中的附图仅仅示出本公开的一些实施例，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，还可以根据本公开实施例的内容和这些附图获得其他的实施例。
[0011]图1示出了根据本公开一些实施例的用于确定可形变机械臂的外部受力的方法流程图；
[0012]图2示出了根据本公开一些实施例的机器人系统的结构示意图；
[0013]图3示出了根据本公开一些实施例的可形变机械臂的示意图；
[0014]图4示出了根据本公开一些实施例的测量可形变机械臂末端的位姿的系统的示意图；
[0015]图5示出了根据本公开一些实施例的可形变机械臂在受到驱动时的形变示意图；
[0016]图6示出了根据本公开一些实施例的可形变机械臂在受到驱动以及外部作用力时的形变示意图；
[0017]图7示出了根据本公开一些实施例的可形变机械臂的受力示意图；
[0018]图8示出了根据本公开一些实施例的可形变机械臂坐标系及参考坐标系示意图。
具体实施方式
[0019]为使本公开解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面将结合附图对本公开实施例的技术方案作进一步的详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本公开示例性实施例，而不是全部的实施例。
[0020]在本公开的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本公开和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本公开的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0021]在本专利技术公开的描述中，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”、“耦合”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；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；可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本专利技术公开中的具体含义。在本专利技术公开中，定义靠近操作者(例如医生)的一端为近端、近部或后端、后部，靠近手术患者的一端为远端、末端、远部或前端、前部。本领域技术人员可以理解，本公开的实施例可以用于医疗器械或手术机器人，也可以用于其他非医疗装置。
[0022]在本公开中，术语“位置”指物体或物体的一部分在三维空间中的定位(例如，可使用笛卡尔X、Y和Z坐标方面的变化描述三个平移自由度，例如分别沿笛卡尔X轴、Y轴和Z轴的
三个平移自由度)。在本公开中，术语“姿态”指物体或物体的一部分的旋转设置(例如三个旋转自由度，可使用滚转、俯仰和偏转来描述这三个旋转自由度)。在本公开中，术语“位姿”指物体或物体的一部分的位置和姿态的组合，例如可使用以上提到的六个自由度中的六个参数来描述。
[0023]在本公开中，参考坐标系可以理解为能够描述物体位姿的坐标系。根据实际的定位需求，参考坐标系可以选择以虚拟参照物的原点或实体参照物的原点为坐标系原点。在一些实施例中，参考坐标系可以为世界坐标系或者相机坐标系或者操作人员自身的感知坐标系等。
[0024]在本公开中，物体可以理解为需要被定位的对象或目标，例如可形变机械臂或者可形变机械臂的末端。可形变机械臂或其一部分(例如末端)的位姿可以是指可形变机械臂或其一部分定义的坐标系相对于参考坐标系的位姿。
[0025]图1示出根据本公开一些实施例的用于确定可形变机械臂的外部受力的方法流程图100，图2示出根据本公开一些实施例的机器人系统的结构示意图200。方法100可以由硬件、软件或者固件实现或执行。在一些实施例中，方法10本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于确定可形变机械臂的外部受力的方法，所述可形变机械臂包括至少一根结构骨、固定盘以及至少一个间隔盘，所述至少一根结构骨穿过所述至少一个间隔盘并且末端与所述固定盘固定连接，所述方法包括：获得所述可形变机械臂的末端的位姿；获得所述可形变机械臂的所述至少一根结构骨的驱动信息；以及基于所述可形变机械臂的末端的位姿、所述至少一根结构骨的所述驱动信息及所述可形变机械臂的力学模型，确定所述可形变机械臂的外部受力，其中，所述力学模型基于所述可形变机械臂的所述至少一根结构骨在所述可形变机械臂的横截面上的分布以及所述至少一根结构骨的物理特性。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，获得所述可形变机械臂的末端的位姿包括：从设置在所述可形变机械臂的末端的传感器接收信号；以及基于所接收的信号，计算所述可形变机械臂的末端的位姿。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，获得所述可形变机械臂的末端的位姿包括：获得所述可形变机械臂的图像；以及对所获得的图像进行分析，以确定所述可形变机械臂的末端的位姿。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述力学模型包括与所述至少一根结构骨相关的本构关系及力学平衡关系。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述本构关系包括内部受力本构关系及内部力矩本构关系，所述内部受力本构关系基于所述至少一根结构骨的剪切拉伸刚度矩阵，所述内部力矩本构关系基于所述至少一根结构骨的弯曲扭转刚度矩阵。6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述力学平衡关系包括所述可形变机械臂的受力平衡关系及力矩平衡关系，所述受力平衡关系包括所述至少一根结构骨沿轴向的受力，所述力矩平衡关系包括所述至少一根结构骨沿轴向的力矩。7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述受力平衡关系包括：所述可形变机械臂沿轴向在受力处的外部受力与内部受力处于平衡，并且在末端处内部受力平衡；或者所述可形变机械臂沿轴向在末端处的外部受力与内部受力处于平衡。8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述至少一根结构骨的力矩是基于所述至少一根结构骨在所述可形变机械臂的横截面上的分布以及所述至少一根结构骨的剪切拉伸刚度矩阵来确定的。9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述可形变机械臂的力学模型包括所述至少一根结构骨沿轴向的长度变化量与所述至少一根结构骨在所述可形变机械臂的横截面上的分布之间的关系。10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：应用所述至少一根结构骨的长度边界条件，所述长度边界条件包括所述至少一根结构骨在末端处的长度等于长度驱动量与长度形变量之和，所述至少一根结构骨的驱动信息包括所述长度驱动量。
11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：应用所述可形变机械臂在末端的力矩边界条件，所述力矩边界条件包括所述可形变机械臂在末端处的内力矩之和为零。12.根据权利要求1
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11中任一项所述的方法，其特征在于，还包括：基于解析法对所述可形变机械臂的力学模型求解，以确定所述可形变机械臂的外部受力。13.根据权利要求1
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【专利技术属性】
技术研发人员：徐凯，陈煜阳，
申请(专利权)人：术锐上海科技有限公司，
类型：发明
国别省市：