一种柔性臂补偿控制方法技术

本发明专利技术公开了一种柔性臂补偿控制方法，适用于通过驱动绳带动牵引丝实现柔性臂远端连续体自由度驱动的柔性臂，包括：根据柔性臂远端连续体的目标位姿和当前位姿计算得到其关节位置增量，进而得到柔性臂近端连续体的关节位置增量；根据柔性臂近端连续体的关节位置增量计算得到其中各牵引丝的运动长度及弯曲角度，结合驱动绳拉力与牵引丝弯曲角度之间的关系计算得到对应的驱动绳拉力；根据驱动绳的力

【技术实现步骤摘要】
一种柔性臂补偿控制方法


[0001]本专利技术涉及手术机器人
，尤其涉及一种柔性臂补偿控制方法。

技术介绍

[0002]基于连续体柔性臂的手术机器人以其创口小、运动灵活，在微创手术中正得到越来越广泛的应用。体积和质量作为手术机器人使用便利性的重要影响因素，也成为改进设计的方向。而传统的镍钛合金丝驱动的柔性臂手术机器人，因镍钛合金丝的不可弯折的特性，需布局配套的丝杆驱动近端连续体进行弯曲及伸缩运动，会增大最终的体积和重量
[0003]驱动绳需可弯折、便于布局，通过绳驱动近端连续体进行弯曲及伸缩运动可大大减小体积与重量，会极大减小系统的尺寸和质量，柔性驱动绳在收放绳过程中会让驱动绳变形，使得牵引丝实际需要变化的长度与理论变化长度有出入，不利于近端连续体的弯曲或伸缩运动的准确控制，使得远端连续体的弯曲或伸缩运动的精准度也受到影响。

技术实现思路

[0004]专利技术目的：本专利技术针对上述不足，提出一种基于近端驱动绳传动的连续体柔性臂的补偿控制方法，在选择柔性驱动绳驱动近端连续体的同时，对柔性驱动绳的变形量进行补偿，使得远端连续体的弯曲或伸缩运动的精准度得到了提高。
[0005]技术方案：
[0006]一种柔性臂补偿控制方法，适用于通过驱动绳带动牵引丝实现柔性臂远端连续体自由度驱动的柔性臂，包括：
[0007]根据柔性臂远端连续体的目标位姿和当前位姿计算得到其关节位置增量，进而得到柔性臂近端连续体的关节位置增量；
[0008]根据柔性臂近端连续体的关节位置增量计算得到其中各牵引丝的运动长度及弯曲角度，结合驱动绳拉力与牵引丝弯曲角度之间的关系计算得到对应的驱动绳拉力；
[0009]根据驱动绳的力
‑
变形模型及驱动绳的拉力计算得到各驱动绳补偿量，结合各对应牵引丝的运动长度进行补偿控制。
[0010]计算得到柔性臂远端连续体的关节位置增量具体为：
[0011]根据柔性臂远端连续体的目标位姿和当前位姿之间的位姿误差计算得到远端连续体需达到的工作空间的速度和角速度，从而计算得到远端连续体的关节空间的速度和角速度，进而计算得到远端连续体的关节位置增量。
[0012]根据柔性臂远端连续体的目标位姿和当前位姿计算得到位姿误差，并判断其是否在给定范围内；
[0013]若在，则更新运动后远端连续体的关节空间角度，开始下一个目标位姿的控制；
[0014]若不在，则计算所述远端连续体的关节位置增量，通过等比例映射得到近端连续体的关节位置增量，并据此进行补偿控制。
[0015]所述驱动绳拉力与牵引丝弯曲角度之间的关系通过分段三次多项式插值得到。
[0016]所述分段三次多项式插值具体为：
[0017]将驱动绳与牵引丝连接后，对第i根牵引丝在角度弯曲范围[0，θ
imax
]内均匀插入3n
‑
1个弯曲角度点，则加上两端点得到各点处的弯曲角度：θ1，
…
，θ
j
，
…
，θ
3n+1
，其中θ1＝0，θ
3n+1
＝θ
imax
，对这3n+1个角度点分别测得对应弯曲角度的驱动绳拉力F1，
…
、F
j
，
…
、F
3n+1
，得到的3n+1对数据；
[0018]根据弯曲角度增加顺序以四对数据为一组，每组第四对数据和下一组第一对数据相同，一共分为n组数组；
[0019]对于第m组数组对应的四个角度[θ
3m
‑2，θ
3m
‑1，θ
3m
，θ
3m+1
]和对应测得的驱动绳拉力[F
3m
‑2，F
3m
‑1，F
3m
，F
3m+1
]，通过三次多项插值计算此段牵引丝对应的驱动绳拉力与牵引丝弯曲角度之间的拉力
‑
弯曲角度关系式，如下：
[0020]f
im
(θ)＝aθ3+bθ2+cθ+d，θ∈[θ
3m
‑2，θ
3m
‑1，θ
3m
，θ
3m+1
][0021]其中，f
im
(θ)表示第i根牵引丝第m组数组对应的拉力
‑
弯曲角度关系，i＝1，2，
…
，u，u表示牵引丝数量；a、b、c、d根据以下约束计算得到：
[0022][0023]据此得到前述各组数组及其对应的拉力
‑
弯曲角度关系式，得到第i根牵引丝在其整个角度弯曲范围的拉力
‑
弯曲角度关系：
[0024][0025]所述根据驱动绳的力
‑
变形模型及驱动绳的拉力计算得到驱动绳补偿量具体为：
[0026]求取驱动绳的力
‑
变形模型中的劲度系数，并结合所述驱动绳的拉力计算得到驱动绳补偿量。
[0027]求取驱动绳的力
‑
变形模型中的劲度系数具体为：
[0028]驱动绳的力
‑
变形模型为：
[0029]F＝k(L
‑
L0)
[0030]其中，F为驱动绳承受拉力，L0为驱动绳原始长度，L为驱动绳在拉力作用下变形后的长度，k为劲度系数；
[0031]以驱动绳在拉力F作用下的应变ε作为横坐标，以其应力σ作为纵坐标得到驱动绳的应力
‑
应变曲线，则其应力
‑
应变曲线与横坐标轴的夹角α满足如下条件：
[0032]σ＝tanα*ε
[0033]其中，ε＝(L
‑
L0)/L0，σ＝F/A0，A0为驱动绳的截面积；
[0034]则计算得到劲度系数k：
[0035][0036]所述驱动绳的截面积A0满足如下关系式：其中，σ
P
为驱动绳应力
‑
应变
曲线的线性区域的比例极限，w为比例系数，F
max
为牵引丝最大弯曲角度下驱动绳的拉力。
[0037]w取值为0.7。
[0038]求取驱动绳的力
‑
变形模型中的劲度系数具体为：
[0039]通过测量得到若干组驱动绳的力和对应的变形值，采用最小二乘法拟合确定驱动绳的力
‑
变形模型中劲度系数k的精确值。
[0040]有益效果：本专利技术的系统相应的补偿控制方法考虑到控制系统的框架和驱动绳的特性，对此系统有较好的控制效果，驱动绳在电机正反转作用下进行收绳与放绳，从而使得远端连续体在柔性驱动绳的作用下实现弯曲与伸缩运动的精准控制。
附图说明
[0041]图1为整体控制流程图；
[0042]图2为钨丝绳的应力
‑
应变示意图；
[0043]本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种柔性臂补偿控制方法，适用于通过驱动绳带动牵引丝实现柔性臂远端连续体自由度驱动的柔性臂，其特征在于：包括：根据柔性臂远端连续体的目标位姿和当前位姿计算得到其关节位置增量，进而得到柔性臂近端连续体的关节位置增量；根据柔性臂近端连续体的关节位置增量计算得到其中各牵引丝的运动长度及弯曲角度，结合驱动绳拉力与牵引丝弯曲角度之间的关系计算得到对应的驱动绳拉力；根据驱动绳的力
‑
变形模型及驱动绳的拉力计算得到各驱动绳补偿量，结合各对应牵引丝的运动长度进行补偿控制。2.根据权利要求1所述的柔性臂补偿控制方法，其特征在于：计算得到柔性臂远端连续体的关节位置增量具体为：根据柔性臂远端连续体的目标位姿和当前位姿之间的位姿误差计算得到远端连续体需达到的工作空间的速度和角速度，从而计算得到远端连续体的关节空间的速度和角速度，进而计算得到远端连续体的关节位置增量。3.根据权利要求1或2所述的柔性臂补偿控制方法，其特征在于：根据柔性臂远端连续体的目标位姿和当前位姿计算得到位姿误差，并判断其是否在给定范围内；若在，则更新运动后远端连续体的关节空间角度，开始下一个目标位姿的控制；若不在，则计算所述远端连续体的关节位置增量，通过等比例映射得到近端连续体的关节位置增量，并据此进行补偿控制。4.根据权利要求1所述的柔性臂补偿控制方法，其特征在于：所述驱动绳拉力与牵引丝弯曲角度之间的关系通过分段三次多项式插值得到。5.根据权利要求4所述的柔性臂补偿控制方法，其特征在于：所述分段三次多项式插值具体为：将驱动绳与牵引丝连接后，对第i根牵引丝在角度弯曲范围[0,θ
imax
]内均匀插入3n
‑
1个弯曲角度点，则加上两端点得到各点处的弯曲角度：θ1,
…
,θ
j
,
…
,θ
3n+1
，其中θ1＝0，θ
3n+1
＝θ
imax
，对这3n+1个角度点分别测得对应弯曲角度的驱动绳拉力F1,
…
、F
j
,
…
、F
3n+1
，得到的3n+1对数据；根据弯曲角度增加顺序以四对数据为一组，每组第四对数据和下一组第一对数据相同，一共分为n组数组；对于第m组数组对应的四个角度[θ
3m
‑2,θ
3m
‑1,θ
3m
,θ
3m+1
]和对应测得的驱动绳拉力[F
3m
‑2,F
3m
‑1,F
3m

【专利技术属性】
技术研发人员：代勇，夏宇，苏士程，
申请(专利权)人：佗道医疗科技有限公司，
类型：发明
国别省市：