一种改善机械臂拖动柔顺性的拖动力误差补偿方法及系统技术方案

本发明专利技术提出了一种改善机械臂拖动柔顺性的拖动力误差补偿方法，分别获取机械臂末端力传感器在多个特定姿态下的输出参数；利用多个特定姿态下的输出参数计算力传感器在理想零重力环境下的输出参数以及机械臂末端器械的重力参数；根据机械臂拖动时末端力传感器输出的参数、力传感器在理想零重力环境下的输出参数以及末端器械的重力参数，计算机械臂拖动力补偿后的参数。本发明专利技术利用机械臂末端力传感器在多个特定姿态下的输出参数，计算力传感器在理想零重力环境下的输出参数以及末端器械的重力参数，从而消除力传感器本身重力参数及末端器械的重力参数对计算机械臂拖动力的影响，极大地降低了机械臂拖动力的计算误差，从而提升了机械臂拖动的柔顺性。升了机械臂拖动的柔顺性。升了机械臂拖动的柔顺性。

【技术实现步骤摘要】
一种改善机械臂拖动柔顺性的拖动力误差补偿方法及系统


[0001]本专利技术涉及机械臂
，尤其涉及一种改善机械臂拖动柔顺性的拖动力误差补偿方法及系统。

技术介绍

[0002]在机器人辅助式手术中，医生需要通过手动拖动将机械臂拖动至患处附近的初始位置，在此过程中良好的拖动手感可以帮助医生更好地将机械臂移动至目标位。
[0003]拖动手感的直观评价指标可以分为以下两项：
[0004]1)拖动的初始力大小：使用者施加多大的力可以使机械臂从静止状态开始移动；
[0005]2)拖动的力颗粒度粗细：随着使用者拖动力变化，机械臂响应应力而产生速度变化的及时性；
[0006]上述两项指标有一个共同的需求，即机械臂能够准确感测使用者施加的拖动力，机械臂的拖动力感测越准确，则机械臂的拖动柔顺性越好。
[0007]六维度力传感器被安装于机械臂末端位置用于侦测，其可以输出传感器坐标系下的三轴受力与三轴力矩，力传感器前端安装有使用者握持手柄与末端执行器。机械臂会设定各方向的力/力矩阈值，使用者从静止开始拖动机械臂，若传感器侦测到超过阈值的拉力/力矩，机械臂才会朝着施力方向开始运动，所以如果传感器收到的拉力/力矩与真实使用者施加的不符，就可能造成使用者实际已经很大力在拉，但是机械臂误以为拉力很小从而不运动，导致使用体验“柔顺性”变差。当机械臂开始被拖动后，其应该顺着使用者拖拉方向移动，若传感器告知机械臂的力/力矩与使用者真实施加的不同，机械臂就会可能偏离真实施力方向移动，从而降低使用体验的“柔顺性”。
[0008]显然，在拖动机械臂运动时，传感器的输出数值包含末端器械重力和使用者的拖动力，故如需借助力传感器获取使用者的拖动力(与拖动力力矩)，需要排除其输出中器械重力(及重力力矩)的部分。
[0009]为了得到末端器械(包含传感器自身)的重力大小以及重心(质心)在传感器坐标系下的坐标值，传统方法为利用SOLIDWORKS等工业制图软件，在末端器械的建模过程中，根据使用的材质密度以及器械形状，直接计算质心所在位置，然后通过电子秤称重的方法得出末端器械的总质量。但是在实际操作过程中，由于设计的末端器械的材质密度不可能与实际的材质密度完全一样，导致设计出来的末端器械的质心与实际末端器械的质心产生误差，从而导致最终计算得到的机械臂拖动力参数存在误差，该误差会直接影响机械臂的拖动柔顺性。

技术实现思路

[0010]本专利技术提出一种改善机械臂拖动柔顺性的拖动力误差补偿方法及系统，解决了现有技术在末端器械的建模过程中，根据使用的材质密度以及器械形状，直接计算质心所在位置，导致设计出来的末端器械的质心与实际末端器械的质心产生误差，从而导致计算得
到的机械臂拖动力参数存在误差，最终直接影响机械臂的拖动柔顺性的问题。
[0011]本专利技术的技术方案是这样实现的：
[0012]根据本专利技术的一个方面，提供了一种改善机械臂拖动柔顺性的拖动力误差补偿方法，包括以下步骤：
[0013]分别获取机械臂末端力传感器在多个特定姿态下的输出参数；
[0014]所述多个特定姿态包括：
[0015]P1：力传感器坐标系的Z轴朝上；
[0016]P2：力传感器坐标系的Z轴朝下；
[0017]P3：力传感器坐标系的X轴朝上；
[0018]P4：力传感器坐标系的X轴朝下；
[0019]P5：力传感器坐标系的Y轴朝上；
[0020]P6：力传感器坐标系的Y轴朝下；
[0021]利用多个特定姿态下的输出参数计算力传感器在理想零重力环境下的输出参数以及机械臂末端器械的重力参数；
[0022]根据机械臂拖动时末端力传感器输出的参数、力传感器在理想零重力环境下的输出参数以及末端器械的重力参数，计算机械臂拖动力补偿后的参数。
[0023]本专利技术利用机械臂末端力传感器在多个特定姿态下的输出参数，计算力传感器在理想零重力环境下的输出参数以及机械臂末端器械的重力参数，从而消除力传感器本身重力参数及末端器械的重力参数对后续计算机械臂拖动力的影响，极大地降低了机械臂拖动力的计算误差，从而提升了机械臂拖动的柔顺性。
[0024]作为本专利技术优选的方案，P2～P6姿态都是由P1姿态经过至少一次旋转得到的，当获取完力传感器在P
i
姿态下的输出参数后，首先将机械臂恢复至P1姿态，再将机械臂旋转至P
i+1
姿态；其中，i＝1,2,
…
,5。
[0025]作为本专利技术优选的方案，计算力传感器在理想零重力环境下的输出参数的公式：
[0026][0027][0028][0029][0030][0031][0032]其中，{F
x0
,F
y0
,F
z0
,T
x0
,T
y0
,T
z0
}表示力传感器在理想零重力环境下输出的力和力矩在X、Y、Z方向上的分量；{F
xi
,F
yi
,F
zi
,T
xi
,T
yi
,T
zi
}表示当机械臂处于P
i
姿态时，力传感器输出的力和力矩在X、Y、Z方向上的分量，i＝1,2,
…
,6。
[0033]作为本专利技术优选的方案，计算机械臂末端器械的重力参数的公式为：
[0034][0035][0036][0037][0038]其中，G为末端器械的重力大小，{L
x
,L
y
,L
z
}为末端器械的质心在力传感器坐标系下的坐标值；{F
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,T
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}表示当机械臂处于P
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…
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[0039]作为本专利技术优选的方案，机械臂拖动力补偿后的参数为：
[0040]{F
xb
,F
yb
,F
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,T
xb
,T
yb
,T
zb
}
[0041]＝{F
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种改善机械臂拖动柔顺性的拖动力误差补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：分别获取机械臂末端力传感器在多个特定姿态下的输出参数；所述多个特定姿态包括：P1：力传感器坐标系的Z轴朝上；P2：力传感器坐标系的Z轴朝下；P3：力传感器坐标系的X轴朝上；P4：力传感器坐标系的X轴朝下；P5：力传感器坐标系的Y轴朝上；P6：力传感器坐标系的Y轴朝下；利用多个特定姿态下的输出参数计算力传感器在理想零重力环境下的输出参数以及机械臂末端器械的重力参数；根据机械臂拖动时末端力传感器输出的参数、力传感器在理想零重力环境下的输出参数以及末端器械的重力参数，计算机械臂拖动力补偿后的参数。2.如权利要求1所述的一种改善机械臂拖动柔顺性的拖动力误差补偿方法，其特征在于，P2～P6姿态都是由P1姿态经过至少一次旋转得到的，当获取完力传感器在P
i
姿态下的输出参数后，首先将机械臂恢复至P1姿态，再将机械臂旋转至P
i+1
姿态；其中，i＝1,2,
…
,5。3.如权利要求1所述的一种改善机械臂拖动柔顺性的拖动力误差补偿方法，其特征在于，计算力传感器在理想零重力环境下的输出参数的公式：于，计算力传感器在理想零重力环境下的输出参数的公式：于，计算力传感器在理想零重力环境下的输出参数的公式：于，计算力传感器在理想零重力环境下的输出参数的公式：于，计算力传感器在理想零重力环境下的输出参数的公式：于，计算力传感器在理想零重力环境下的输出参数的公式：其中，{F
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}表示力传感器在理想零重力环境下输出的力和力矩在X、Y、Z方向上的分量；{F
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}表示当机械臂处于P
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姿态时，力传感器输出的力和力矩在X、Y、Z方向上的分量，i＝1,2,
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,6。4.如权利要求1所述的一种改善机械臂拖动柔顺性的拖动力误差补偿方法，其特征在于，计算机械臂末端器械的重力参数的公式为：于，计算机械臂末端器械的重力参数的公式为：
其中，G为末端器械的重力大小，{L
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}为末端器械的质心在力传感器坐标系下的坐标值；{F
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}表示当机械臂处于P
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,6。5.如权利要求1所述的一种改善机械臂拖动柔顺性的拖动力误差补偿方法，其特征在于，机械臂拖动力补偿后的参数为：{F
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【专利技术属性】
技术研发人员：周再望，黄志俊，刘金勇，钱坤，
申请(专利权)人：杭州柳叶刀机器人有限公司，
类型：发明
国别省市：