【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术总体上涉及远程控制的机器人系统，且特别是用于实现机器人器械对被动控制器的跟踪的一种装置、相关联的方法和计算机程序。
技术介绍
1、远程控制的机器人系统可用于多种应用，特别是人体进入、安全或两者都受限制的应用。例如，远程控制的机器人系统可用于微创手术，其中进入待手术部位的通道被限制于自然腔道和/或小切口。人手太大而无法进入这样的区域，因此可以改为使用由外科医生远程控制的小型机器人。远程控制的机器人系统还用于可以从安全距离远程操作机器人的军事应用中，诸如炸弹处置。
2、自此，本专利技术主要关于手术机器人系统来描述。然而这仅仅为了示范性目的，并不排除本专利技术在其它领域中的应用。
3、已知的远程控制手术机器人系统包括控制器和机器人器械，其中用户可以通过操纵控制器来向机器人器械发出命令。已知的控制器包括基座、耦合到基座并包括多个关节(例如可旋转关节或棱柱关节)的可铰接臂、以及耦合到可铰接臂并可通过关节运动相对于基座移动的手柄。已知的机器人器械包括基座、耦合到基座并包括多个关节的可促动臂、以及耦合到可促动臂并可通过关节运动相对于基座促动的末端执行器。
4、控制器和机器人器械(特别是手柄和末端执行器)均具有在相应的控制工作空间和器械工作空间内的移动自由度。而且，手柄和末端执行器可各自具有在其相应工作空间中的六个移动自由度，包括沿着三个轴线的平移移动和围绕三个轴线的旋转移动。手柄和末端执行器可以被认为具有取决于平移移动的在相应工作空间中的位置，以及取决于旋转移动的相对于相应工作空间的取向。而且，手
5、用户可以操纵手柄在控制器工作空间内的位置和取向，并且可以经由测量可铰接臂中每个关节的运动来跟踪该操纵。这些操纵可以转换成用于机器人器械(特别是可促动臂的关节)的命令以进行促动，使得末端执行器的位置和取向与控制器工作空间中手柄的操纵对应地在器械工作空间中移动。
6、已知的控制器是主动控制器，这意味着当正在使用机器人系统时，旋转控制器中的每个关节所要求的扭矩取决于来自用户的输入而主动地变化。例如，如果用户要松开控制器，则每个关节中的扭矩可能变化，使得手柄被保持在用户将其操纵到的最后位置和取向。换言之，除非用户提供进一步的输入，否则控制器会冻结。推而广之，机器人器械也会冻结。
7、而且，在机器人器械的移动受其可用工作空间限制的实例中，可以通过例如限制关节超过某点的旋转来对控制器实施对应的限制。这防止控制器变得与机器人器械错位。
8、然而，主动地改变控制器中每个关节的扭矩，要求控制器包括昂贵且庞大的构件，诸如伺服马达。因此，已知的主动控制器制造昂贵且缺乏便携性。而且，控制器的关节中扭矩的主动变化可能促使用户朝向不希望和/或不自然的位置，其可能使用户感到沮丧或导致错误产生。
9、在本说明书中列出或讨论先前发表的文献或任何背景，不应当被必然视为承认该文献或背景是现有技术的一部分或是公知常识。本公开的一个或多个方面/实施例可以解决或不解决背景问题中的一个或多个。
技术实现思路
1、根据本专利技术的第一方面，提供了一种装置，该装置包括：至少一个处理器；以及包括计算机程序代码的至少一个存储器，至少一个存储器和计算机程序代码配置成利用至少一个处理器来导致该装置：从被动控制器接收控制命令，被动控制器配置成远程控制具有多个关节和末端执行器的机器人器械，控制命令定义末端执行器的期望姿态；基于控制命令而使用逆向运动学(ik)算法来确定多个关节中每个的关节参数，以使末端执行器能够在受约束环境内尽可能接近地模拟期望姿态，其中ik算法配置成：使用第一关节参数集作为初始条件来运算末端执行器的姿态；将运算出的姿态与期望姿态比较以确定跟踪误差；针对一个或多个不同的关节参数集而重新迭代运算步骤和比较步骤；以及仅在该跟踪误差小于与末端执行器的当前姿态相关联的跟踪误差的情况下，才将具有最小跟踪误差的运算出的姿态识别为全局解，否则将当前姿态识别为全局解；并且其中，该装置进一步配置成：如果具有最小跟踪误差的运算出的姿态被识别为全局解，则生成马达命令，以根据与全局解相关联的关节参数集而重新配置多个关节。
2、被动控制器是包括可自由移动的关节的控制器，旋转关节所需的扭矩不会像主动控制器中那样发生主动变化。由于不要求诸如伺服马达的昂贵、笨重和/或庞大的构件，被动控制器可以比主动控制器制造更便宜、更小且更轻。而且，由于不存在关节扭矩的主动变化，因此不会使用户的移动偏向不舒服或不自然的姿态，其可能导致向关联的机器人器械传输次优或意外的命令。
3、然而，由于被动控制器的用户自由地操纵被动控制器而不受人为限制，因而有可能将被动控制器移动到相关联的机器人器械不能精确地模拟的姿态(位置和取向)。例如，基于机器人器械的形状和关节构型，机器人器械可以被限制于在受约束环境内移动，并且被动控制器可以被移动到机器人器械不能在受约束环境的限制内复制的姿态。这可能起因于例如被动控制器与机器人器械之间的形状和构型的差异。而且，例如出于安全原因，机器人器械能够移动的速度可能是有限的，并且被动控制器的用户可能太快地移动被动控制器而使机器人器械不能镜像。
4、在使用中，装置的用户可以移动被动控制器，以导致发出控制命令，从而设定机器人器械的末端执行器的期望姿态。然后，装置使用ik算法来确定机器人器械的关节参数以模拟期望姿态。特别地，ik算法运算末端执行器的一个或多个姿态，其中每个运算出的姿态基于作为初始条件的相应的关节参数集，并且与期望姿态比较，以确定运算出的姿态的跟踪误差，即运算出的姿态模拟期望姿态的准确程度。然后，ik算法将具有最小跟踪误差的运算出的姿态识别为全局解，除非最小跟踪误差大于与末端执行器的当前姿态相关联的跟踪误差，在此情况下，当前姿态被识别为全局解。换言之，如果运算出的姿态比当前姿态更准确，则选择最准确地模拟期望姿态的运算出的姿态作为全局解。如果具有最小跟踪误差的运算出的姿态被识别为全局解，而非当前姿态，则该装置将生成马达命令，以根据全局解而移动机器人器械。
5、借助于本专利技术，机器人器械可以被控制以尽可能接近地跟踪被动控制器，即，具有可用于通过ik算法运算的姿态的最低可能的跟踪误差。而且，由于具有最小跟踪误差的运算出的姿态总是与实现之前的当前姿态比较，因而该装置绝不会将末端执行器移动到比当前姿态更差的姿态。
6、在本专利技术的实施例中，可以随机地选择不同的关节参数集。
7、在本专利技术的这种实施例中，ik算法在初始条件下实现随机射击法。这使得全局解能够使用局部算法而找到。
8、在本专利技术的实施例中，逆向运动学算法可以配置成重新迭代运算步骤和比较步骤，直到预定时间限制已到期或直到已满足预定终端约束。
9、在本专利技术的这种实施例中，终端约束指示ik算法的预期准确度，即将被认为精确的解的期望姿态与运算出的姿态之间的最大跟踪误差。这被要求来说明数字计算的数值准确度、器械的实本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种装置，包括：
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述不同的关节参数集被随机地选择。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其中，所述逆向运动学算法配置成重新迭代所述运算步骤和比较步骤，直到预定时间限制已到期或直到已满足预定终端约束。
4.根据任一前述权利要求所述的装置，其中，所述逆向运动学算法包括预定位置限制，以能够运算满足所述机器人器械的位置约束的所述末端执行器的部分受约束姿态。
5.根据权利要求4所述的装置，其中，所述逆向运动学算法还包括预定速度限制，以能够运算满足所述机器人器械的位置约束和速度约束两者的所述末端执行器的受约束姿态。
6.根据权利要求5所述的装置，其中，所述逆向运动学算法配置成分开地应用所述预定位置限制和预定速度限制，以能够运算所述末端执行器的受约束姿态和部分受约束姿态两者。
7.根据任一前述权利要求所述的装置，其中，所述被动控制器和机器人器械具有在相应的控制工作空间和器械工作空间内的移动自由度，且其中所述控制工作空间被映射到所述器械工作空间，以允许当所述被动控制器在所述控制工作空间
8.根据从属于权利要求6时的权利要求7所述的装置，其中，所述被动控制器包括解锁机构，所述解锁机构配置成继跟踪中断后，重启启动所述机器人器械姿态到所述被动控制器姿态的跟踪，且其中所述解锁机构的激活导致所述装置：
9.根据权利要求8所述的装置，其中，如果所述部分受约束姿态不满足所述机器人器械的所述速度约束，则所述装置配置成：
10.根据权利要求9所述的装置，其中，所述装置配置成当所述被动控制器的所述姿态改变时，重新确定所述移动轨迹。
11.根据权利要求9或10所述的装置，其中，所述轨迹算法包括全局缩放因子，所述全局缩放因子被计算以确保所述机器人器械的移动不超过所述预定速度限制。
12.根据权利要求9至11中任一项所述的装置，其中，所述轨迹算法包括用户定义的缩放因子，以将所述机器人器械的移动减速到低于所述预定速度限制。
13.根据任一前述权利要求所述的装置，其中，所述逆向运动学算法包括运动学和动力学库解算器、改进的运动学和动力学库解算器、以及顺序二次规划解算器中的一个或多个。
14.根据任一前述权利要求所述的装置，其中，所述逆向运动学算法包括两个或更多个解算器，所述两个或更多个解算器并行地运行，使得首先识别所述全局解的所述解算器终止其它解算器的运行。
15.根据任一前述权利要求所述的装置，其中，所述多个关节中每个的所述关节参数包括所述关节的位置、角度、取向、构型以及速度中的一个或多个。
16.根据任一前述权利要求所述的装置，其中，所述逆向运动学算法具有如下的形式：
17.根据从属于权利要求6时的权利要求16所述的装置，其中，所述逆向运动学算法具有如下的形式：
18.根据从属于权利要求11时的权利要求12所述的装置，其中，所述轨迹算法具有如下的形式：
19.根据任一前述权利要求所述的装置，其中，所述机器人器械是手术机器人。
20.根据任一前述权利要求所述的装置，其中，所述装置包括所述被动控制器和/或机器人器械。
21.一种计算机实现的方法，包括：
22.一种计算机程序，包括配置成执行根据权利要求21所述的方法的计算机代码。
...【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】
1.一种装置，包括：
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述不同的关节参数集被随机地选择。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其中，所述逆向运动学算法配置成重新迭代所述运算步骤和比较步骤，直到预定时间限制已到期或直到已满足预定终端约束。
4.根据任一前述权利要求所述的装置，其中，所述逆向运动学算法包括预定位置限制，以能够运算满足所述机器人器械的位置约束的所述末端执行器的部分受约束姿态。
5.根据权利要求4所述的装置，其中，所述逆向运动学算法还包括预定速度限制，以能够运算满足所述机器人器械的位置约束和速度约束两者的所述末端执行器的受约束姿态。
6.根据权利要求5所述的装置，其中，所述逆向运动学算法配置成分开地应用所述预定位置限制和预定速度限制，以能够运算所述末端执行器的受约束姿态和部分受约束姿态两者。
7.根据任一前述权利要求所述的装置，其中，所述被动控制器和机器人器械具有在相应的控制工作空间和器械工作空间内的移动自由度，且其中所述控制工作空间被映射到所述器械工作空间，以允许当所述被动控制器在所述控制工作空间内移动时，所述机器人器械的姿态跟踪所述被动控制器的姿态。
8.根据从属于权利要求6时的权利要求7所述的装置，其中，所述被动控制器包括解锁机构，所述解锁机构配置成继跟踪中断后，重启启动所述机器人器械姿态到所述被动控制器姿态的跟踪，且其中所述解锁机构的激活导致所述装置：
9.根据权利要求8所述的装置，其中，如果所述部分受约束姿态不满足所述机器人器械的所述速度约束，则所述装置配置成：
10.根据权利要求9所述的装置，其中，所述装置配置成当所述被动控制器的所述姿...
【专利技术属性】
技术研发人员：马尔戈札塔·卡梅杜拉，张林，刘晋东，
申请(专利权)人：普锐医疗有限公司，
类型：发明
国别省市：
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