機械臂的控制方法、機械臂和手術機器人與流程

2024-04-14 13:41:05

1.本公開實施例涉及智慧機器人技術領域，更具體地，涉及機械臂的控制方法、機械臂和手術機器人。


背景技術：

2.假設機器人操作臂關節空間的維數為n,操作空間的維數為m,當n》m時,該機械臂即為冗餘機械臂。冗餘機械臂是指具有運動冗餘自由度的機械臂。與普通機械臂相比，冗餘機械臂具有更加靈活的運動特性，可以在完成上下伸展任務的同時完成機械臂旋轉角度的變換等附加任務。但冗餘機械臂的冗餘關節在複雜多變的環境下執行目標任務時，會與空間中動靜態障礙物進行碰撞，因此，需要提供一種機械臂的控制方法。


技術實現要素：

3.本公開實施例的一個目的是提供一種機械臂控制的新的技術方案。
4.根據本公開的第一方面，提供了一種機械臂的控制方法，包括：
5.採集操作者施加在機械臂操控端的力矩；將採集的力矩輸入至機械臂的雅可比矩陣，以確定映射到機械臂的冗餘關節處的力矩，按照冗餘關節處的力矩進行導納控制，獲得冗餘關節的轉動角度；獲取冗餘關節投影在相鄰關節的表面形成的夾角角度，其中，所述夾角角度為以冗餘關節與相鄰關節的表面的連接點為原點，0刻度線與投影線順時針形成的夾角，所述相鄰關節為與冗餘關節相鄰的關節中最為靠近機械臂操控端的一個；採集操作者施加在機械臂操控端的扭矩，判斷扭矩的方向相較於標誌點位置的位移方向，若位移方向為提升，則生成提升信號；若位移方向為下降，則生成下降信號；根據所述夾角角度並結合接收到的提升信號或下降信號，確定冗餘關節的轉動方向，冗餘關節按照轉動方向和轉動角度進行轉動。
6.可選的，所述方法還包括：判斷夾角角度是否處於0至180度，若處於，且接收到提升信號，則冗餘關節按照轉動角度逆時針轉動；若處於，且接收到下降信號，則冗餘關節按照轉動角度順時針轉動；判斷夾角角度是否處於180至360度，若處於，且接收到提升信號，則冗餘關節按照轉動角度順時針轉動；若處於，且接收到下降信號，則冗餘關節按照轉動角度逆時針轉動；判斷夾角角度是否為0度或360度，若為0度或360度，且接收到提升信號，則冗餘關節達到限位不運動；若為0度或360度，且接收到下降信號，則冗餘關節按照轉動角度順時針或者逆時針轉動；判斷夾角角度是否為180度，若為180度，接收到提升信號，則冗餘關節按照轉動角度順時針或者逆時針轉動；若為180度，且接收到下降信號，則冗餘關節達到限位不運動。
7.可選的，所述夾角角度為0度或360度，且接收到下降信號後，還包括：若機械臂為左臂，則冗餘關節按照轉動角度順時針轉動；若機械臂為右臂，則冗餘關節按照轉動角度逆時針轉動。
8.可選的，所述夾角角度為180度，且接收到提升信號後，還包括：若機械臂為左臂，
則冗餘關節按照轉動角度逆時針轉動；若機械臂為右臂，則冗餘關節按照轉動角度順時針轉動。
9.可選的，所述冗餘關節按照轉動方向和轉動角度進行轉動時，還包括：獲取機械臂末端的位姿和機械臂的結構參數；根據機械臂末端的位姿和機械臂的結構參數，構建關節角度的約束方程，得到關節運動變量；根據機械臂末端的位姿、機械臂的結構參數、冗餘關節轉動方向以及冗餘關節轉動角度，構建關節工作空間適應度函數和臂間距適應度函數，輸入關節運動變量，獲得除冗餘關節外，其他各關節的關節位置；控制其他各關節按照關節位置進行運動。
10.可選的，所述將採集的力矩輸入至機械臂的雅可比矩陣前，還包括：對採集的力矩進行重力補償和/或傳感器零位漂移補償。
11.可選的，所述機械臂操控端獲取冗餘關節投影在相鄰關節表面的夾角角度前，還包括：
12.判別採集到的力矩是否大於預設閾值，若大於預設閾值，則獲取該夾角角度。
13.可選的，所述機械臂操控端獲取冗餘關節投影在相鄰關節表面形成的夾角角度前，還包括：機械臂操控端接收啟停信號，所述啟停信號用於控制開始或停止獲取冗餘關節投影在相鄰關節表面形成的夾角角度。
14.根據本公開的第二方面，還提供了一種機械臂，包括：力傳感器，設置在機械臂的操控端，用於採集操作者施加的力矩；扭矩傳感器，設置在機械臂的操控端，用於採集操作者施加的扭矩；操作器，用於接收力傳感器採集的力矩，將採集的力矩輸入機械臂的雅可比矩陣，映射得到冗餘關節處的力矩，利用導納控制獲得冗餘關節的轉動角度；同時用於接收扭矩傳感器採集的扭矩，生成提升信號或下降信號；還用於獲取冗餘關節投影在相鄰關節的表面形成的夾角角度，其中，所述夾角角度為以冗餘關節與相鄰關節的表面的連接點為原點，0刻度線與投影線順時針形成的夾角，所述相鄰關節為與冗餘關節相鄰的關節中最為靠近機械臂操控端的一個；根據所述夾角角度並結合接收到的提升信號或下降信號，確定冗餘關節的轉動方向，冗餘關節按照轉動方向和轉動角度到達冗餘關節的運動位置。
15.根據本公開的第三方面，還提供了一種機械臂，包括力矩傳感器、扭矩傳感器和控制器；所述力矩傳感器設置在機械臂的操控端，用於採集操作者施加的力矩；所述扭矩傳感器設置在機械臂的操控端，用於採集操作者施加的扭矩；所述控制器包括處理器和存儲器，所述存儲器存儲可在所述處理器上運行的程序，所述程序被所述處理器執行時實現如本公開第一方面所述的方法的步驟。
16.根據本公開的第四方面，還提供了一種手術機器人，包括：根據本發明第二方面或者第三方面所述的機械臂。
17.根據本公開的第五方面，還提供了一種電子設備，包括存儲器和處理器，所述存儲器用於存儲電腦程式；所述處理器用於執行所述電腦程式，以實現根據本公開第一方面所述的方法。
18.根據本公開的第六方面，還提供了一種計算機可讀存儲介質，所述計算機可讀存儲介質上存儲電腦程式，所述電腦程式在被處理器執行時實現根據本公開的第一方面所述的方法。
19.本公開實施例的一個有益效果在於，通過獲取操作者施加在機械臂的力矩和扭
矩，實現根據操作者意圖控制機械臂冗餘關節處電機運動的目的，從而達到調整機械臂冗餘關節運動的目的。
20.本公開實施例的另一個有益效果在於，適用於手術領域，根據操作者意圖控制機械臂冗餘關節處電機運動，避免冗餘關節在複雜多變的環境下執行目標任務時，會與空間中動靜態障礙物進行碰撞。
21.通過以下參照附圖對本公開的示例性實施例的詳細描述，本公開實施例的其它特徵及其優點將會變得清楚。
附圖說明
22.被結合在說明書中並構成說明書的一部分的附圖示出了本公開的實施例，並且連同其說明一起用於解釋本公開實施例的原理。
23.圖1是能夠應用根據一個實施例的機械臂的控制方法的實施環境和能夠實施該方法的系統組成結構的示意圖；
24.圖2是根據一個實施例的機械臂的控制方法的流程示意圖；
25.圖3是根據另一個實施例的確定冗餘關節轉動方向的流程示意圖；
26.圖4是根據一個實施例的冗餘關節夾角角度示意圖；
27.圖5是根據又一個實施例的冗餘關節夾角角度示意圖；
28.圖6是根據一個實施例的扭矩方向示意圖；
29.圖7是根據一個實施例的電子設備結構圖。
具體實施方式
30.現在將參照附圖來詳細描述本公開的各種示例性實施例。應注意到：除非另外具體說明，否則在這些實施例中闡述的部件和步驟的相對布置、數字表達式和數值不限制本發明的範圍。
31.以下對至少一個示例性實施例的描述實際上僅僅是說明性的，決不作為對本發明及其應用或使用的任何限制。
32.對於相關領域普通技術人員已知的技術、方法和設備可能不作詳細討論，但在適當情況下，所述技術、方法和設備應當被視為說明書的一部分。
33.在這裡示出和討論的所有例子中，任何具體值應被解釋為僅僅是示例性的，而不是作為限制。因此，示例性實施例的其它例子可以具有不同的值。
34.應注意到：相似的標號和字母在下面的附圖中表示類似項，因此，一旦某一項在一個附圖中被定義，則在隨後的附圖中不需要對其進行進一步討論。
35.本公開實施例的一個應用場景為調整腔鏡手術機器人機械臂冗餘關節的位置，避免冗餘關節在複雜多變的環境下執行目標任務時，與空間中動靜態障礙物進行碰撞。
36.本公開採用的機械臂為七自由度機械臂，對於機械臂來說，冗餘的概念是相對的，是針對具體的任務來定義的，對於一個平面的任務，常用的6軸(六自由度)機械臂也是冗餘的。但是更多的情況下，我們採用針對所有任務的情況，因為三維空間能用六個自由度進行描述，我們通常將7軸(七自由度)機械臂稱為冗餘機械臂。利用冗餘機械臂多餘的自由度來實現實現本體避障、避奇異、避關節限位、關節力矩優化、增加操作度等附加任務。同時，由
於人的一隻胳膊也是有七個自由度，從仿生學的角度，冗餘機械臂也比較符合實際。本公開採用的七自由度機械臂為兩兩垂直型(srs)，它是在六自由度構型的二三關節之間加入一個橫滾軸得到，形成每相鄰兩軸互相垂直的關係。
37.對於冗餘機械臂，其雅可比矩陣有一個零空間，有效利用零空間能夠實現各種子任務，如提高可操作度、扭矩優化、避障和奇異迴避。冗餘機械臂在運動時，因為冗餘的存在，當末端位姿確定時，其關節仍運動的現象叫做機械臂的「自運動」，也被叫做雅可比矩陣零空間的自運動，在零空間(null space)自運動時並不對末端工具的位姿產生影響。
38.在實現的過程中，發明人發現在腔鏡手術機器人術前準備的情況下，調整機械臂末端的姿態，會有冗餘關節與人體或其它障礙物接觸的問題，為了實現冗餘機械臂的冗餘關節在複雜多變的環境下執行目標任務時，不與障礙物進行碰撞的目的，一種可選的實施方式為：通過獲取操作者施加在機械臂的力矩和扭矩，實現根據操作者意圖控制機械臂冗餘關節處電機運動的目的，從而達到調整機械臂冗餘關節運動的目的。
39.針對以上實施方式存在的技術問題，發明人提出了一種機械臂的控制方法，包括：採集操作者施加在機械臂操控端的力矩；將採集的力矩輸入至機械臂的雅可比矩陣，以確定映射到機械臂的冗餘關節處的力矩，按照冗餘關節處的力矩進行導納控制，獲得冗餘關節的轉動角度；機械臂操控端獲取冗餘關節投影在相鄰關節表面形成的夾角角度，其中，所述夾角角度為以冗餘關節與相鄰關節表面的連接點為原點，0刻度線與投影線順時針形成的夾角，所述0刻度線為從原點處出發向外延伸的線，所述0刻度線的延伸方向在機械臂出廠前預先設定；所述相鄰關節為與冗餘關節相鄰的多個關節中更為靠近機械臂操控端的那一個；採集操作者施加在機械臂操控端的扭矩，判斷扭矩的方向相較於標誌點位置的位移方向，若位移方向為提升，則生成提升信號；若位移方向為下降，則生成下降信號；結合接收到的提升信號或下降信號，確定冗餘關節的轉動方向，冗餘關節按照轉動方向和轉動角度進行轉動。
40.本公開實施例的機械臂的控制方法、機械臂和手術機器人，一方面通過獲取操作者施加在機械臂的力矩和扭矩，實現根據操作者意圖控制機械臂冗餘關節處電機運動的目的，從而達到調整機械臂冗餘關節運動的目的。
41.本公開實施例的機械臂的控制方法、機械臂和手術機器人，另一方面適用於手術領域，根據操作者意圖控制機械臂冗餘關節處電機運動，避免冗餘關節在複雜多變的環境下執行目標任務時，會與空間中動靜態障礙物進行碰撞。
42.《實施環境及硬體配置》
43.圖1是能夠應用根據一個實施例的機械臂的控制系統的組成結構示意圖。如圖1所示，該系統包括力矩傳感器100、扭矩傳感器200和控制器300，其中，力矩傳感器100設置在機械臂的操控端，用於採集操作者施加的力矩；扭矩傳感器200設置在機械臂的操控端，用於採集操作者施加的扭矩；控制器300包括處理器和存儲器，所述存儲器存儲可在所述處理器上運行的程序，所述程序被所述處理器執行時實現如本公開的第一方面所述的方法的步驟。
44.參考圖1，該系統可以應用於腔鏡手術機器人機械臂的場景，通過在腔鏡手術機器人機械臂操控端設置力傳感器100、扭矩傳感器200以及控制器300，從而實現調整腔鏡手術機器人機械臂冗餘關節的位置，避免冗餘關節在複雜多變的環境下執行目標任務時，與空
間中動靜態障礙物進行碰撞的技術效果。在本實施例中，機械臂由多個關節組合形成，形成的機械臂具備頭端與末端，由設置在機械臂頭端的機械臂操控端控制各關節運動，以達到控制機械臂末端與外界的交互的目的。
45.在本實施例中，力傳感器100，是將力的量值轉換為相關電信號的器件。力是引起物質運動變化的直接原因。力傳感器100能檢測張力、拉力、壓力、重量、扭矩、內應力和應變等力學量。具體的器件有金屬應變片、壓力傳感器等，在動力設備、工程機械、各類工作母機和工業自動化系統中，成為不可缺少的核心部件。
46.在一個例子中，力傳感器100主要由三個部分組成：
47.1.力敏元件(即彈性體，常見的材料有鋁合金，合金鋼和不鏽鋼)。
48.2.轉換元件(最為常見的是電阻應變片)。
49.3.電路部分(一般有漆包線，pcb板等)。
50.在本實施例中，扭矩傳感器200分為動態和靜態兩大類，其中動態扭矩傳感器又可叫做轉矩傳感器、轉矩轉速傳感器、非接觸扭矩傳感器、旋轉扭矩傳感器等。扭矩傳感器200是對各種旋轉或非旋轉機械部件上對扭轉力矩感知的檢測。扭矩傳感器200將扭力的物理變化轉換成精確的電信號。扭矩傳感器200可以應用在製造粘度計，電動(氣動，液力)扭力扳手，它具有精度高，頻響快，可靠性好，壽命長等優點。
51.在本實施例中，控制器300分別與力傳感器100、扭矩傳感器200保持信號通訊，控制器300用於接收力傳感器100採集的力矩，將採集的力矩輸入機械臂的雅可比矩陣，得到冗餘關節處的力矩，利用導納控制獲得冗餘關節的轉動角度；同時用於接收扭矩傳感器200採集的扭矩，生成提升信號或下降信號，根據夾角角度並結合接收到的提升信號或下降信號，確定冗餘關節的轉動方向，冗餘關節按照轉動方向和轉動角度到達冗餘關節的運動位置。
52.其中，冗餘關節投影在相鄰關節表面形成的夾角角度是由機械臂的控制器獲取的。
53.其中，扭矩方向的標誌點位置，是通過編碼器進行標零，通過將標零點與採集的扭矩進行比較，獲得相較於標誌點的轉動方向，生成提升信號或者下降信號。
54.其中，機器人是一個多輸入多輸出的運動系統，為了更好地控制機器人的運動，必須精確求解機器人操作空間與關節空間之間的關係。因此在獲取七自由度機械臂的結構數據後，據此建立七自由度機械臂的雅可比矩陣。七自由度機械臂的結構數據包括機械臂的形狀、各關節尺寸和各關節質量。
55.在一個例子中，本系統還包括：與控制器300相連的按鍵400；
56.所述按鍵400用於控制開始或停止獲取當前冗餘關節投影在相鄰關節表面形成的夾角角度，從而實現冗餘關節控制的啟停。
57.應用於本公開實施例中，控制器300的存儲器用於存儲電腦程式，該電腦程式用於控制該控制器300的處理器進行操作以實施根據任意實施例的機械臂的控制方法。技術人員可以根據本公開實施例的方案設計電腦程式。該電腦程式如何控制處理器進行操作，這是本領域公知，故在此不再詳細描述。
58.下面，參照附圖描述根據本發明的各個實施例和例子。
59.《方法實施例》
60.圖2是根據一個實施例的機械臂的控制方法的流程示意圖。本實施例的實施主體為設置在機械臂操控端的力矩傳感器100、扭矩傳感器200和控制器300。
61.如圖2所示，本實施例的機械臂的控制方法可以包括如下步驟s210～s250：
62.步驟s210，採集操作者施加在機械臂操控端的力矩。
63.本實施例中，參見圖1所示，在機械臂操控端安裝力傳感器100，採用力傳感器100採集施加在機械臂操控端的力矩，更直觀且便捷的獲取到目標數據。
64.步驟s220，根據通過步驟s210獲取到的力矩，將採集的力矩輸入至機械臂的雅可比矩陣，以確定映射到機械臂的冗餘關節處的力矩，按照冗餘關節處的力矩進行導納控制，獲得冗餘關節的轉動角度。
65.其中，雅可比矩陣定義為：力與力矩向末端操作空間傳遞的映射矩陣。
66.在本實施例中，求解速度雅克比矩陣的方法有：
67.位置求導法：運動方程直接求導；
68.矢量積法：矢量方法求解，表達形式簡單；
69.微分變換法：相對動坐標系的微分運動；
70.速度遞推法：從基座遞推各連杆線速度與角速度。
71.其中，在導納控制中，是由已經發生的軌跡偏移以及接觸力來確定下一步的運動，因此，這時是輸入接觸力，輸出運動的控制方式。建立關節導納控制方程：
[0072][0073]
式中mi為關節力矩矩陣，mi為冗餘關節質量，αi為角加速度，ci為阻尼，為轉動角度。
[0074]
在本實施例中，通過將力矩進行映射分解，得到冗餘關節處的力矩，並依據冗餘關節處的力矩進行導納控制，獲得冗餘關節的轉動角度。
[0075]
步驟s230，獲取冗餘關節投影在相鄰關節的表面形成的夾角角度，其中，所述夾角角度為以冗餘關節與相鄰關節的表面的連接點為原點，0刻度線與投影線順時針形成的夾角，所述相鄰關節為與冗餘關節相鄰的關節中最為靠近機械臂操控端的一個。
[0076]
本實施例中，參見圖4所示，機械臂操控端獲取冗餘關節投影在相鄰關節表面的夾角角度，此刻的夾角角度處於0
°
～180
°
之間。
[0077]
在一個實施例中，參見圖5所示，機械臂操控端獲取冗餘關節投影在相鄰關節表面的夾角角度，此刻的夾角角度處於180
°
～360
°
之間。
[0078]
其中，機械臂操控端在機械臂製造出廠後，錄入機械臂外形結構數據，並在機械臂工作前在相鄰關節表面上進行夾角角度的0刻度線位置標定，在接收到冗餘關節控制指令後，進行當前夾角角度的獲取。機械臂由多個關節組合形成，形成的機械臂具備頭端與末端，由設置在機械臂頭端的機械臂操控端控制各關節運動，以達到機械臂末端與外界的交互的目的。機械臂的各個關節依次連接，因此冗餘關節可能存在兩個相鄰的關節，本實施例選取與冗餘關節相鄰的多個關節中更為靠近機械臂操控端的那一個。
[0079]
在一個實施例中，該步驟s230中機械臂操控端獲取冗餘關節投影在相鄰關節表面的夾角角度前，該機械臂的控制方法還可以包括如下步驟：
[0080]
判別採集到的力矩是否大於預設閾值，若大於預設閾值，則獲取當前夾角角度。
[0081]
設置力矩的預設閾值是為了防止傳感器採集到例如零位誤差、傳感器自重等微小信號，從而導致機器人肘關節發生轉動的狀況發生。
[0082]
若力傳感器100採集的力矩不大於預設閾值，則表明機器人未接收到控制信號，無需做出響應，故採集的力矩不大於預設閾值時，機械臂的操控端不做出調節冗餘關節位置的響應。
[0083]
根據以上步驟可知，通過設置力矩的預設閾值，能夠將零位誤差、傳感器自重等微小信號屏蔽，防止因為微小信號導致冗餘關節運動的誤操作情況發生。
[0084]
在一個實施例中，該步驟s230中機械臂操控端獲取冗餘關節投影在相鄰關節表面的夾角角度前，該機械臂的控制方法還可以包括如下步驟：
[0085]
機械臂操控端接收啟停信號，所述啟停信號用於控制開始或停止獲取當前冗餘關節投影在相鄰關節表面形成的夾角角度。
[0086]
通過設置按鍵400與控制器電連接，人為輸入啟停信號至控制器，控制其獲取冗餘關節投影在相鄰關節表面形成的夾角角度，此操作亦能夠防止微小信號引發的誤操作。
[0087]
步驟s240，採集操作者施加在機械臂操控端的扭矩，判斷扭矩的方向相較於標誌點位置的位移方向，若位移方向為提升，則生成提升信號；若位移方向為下降，則生成下降信號。
[0088]
參見圖6所示，在機械臂進行工作前，利用機械臂操控端的編碼器進行標0，設置力矩傳感器當前某點為標誌點，根據人為施加在扭矩傳感器的扭矩，判斷扭矩相較於標誌點的位移方向是提升或下降，並生成對應的指令。該提升或下降指令，是代表操作者根據障礙物與冗餘關節的相對位置，輸出的物理控制信號，在冗餘關節的轉動角度已知的前提下，根據該物理控制信號，冗餘關節智能進行順時針/逆時針轉動操作。
[0089]
設置一個標誌點，扭矩傳感器的旋鈕上設置上、下兩個標識箭頭，操作人員可通過判斷機械臂需要提升或者下降快速操作傳感器旋鈕。旋鈕外觀不局限於圓形，也可為三角形、四邊形、弧形、波浪形等幾何形狀。每次操作結束，操作人員鬆開操作手時，旋鈕會自動回歸初始位置，歸位過程中自動斷開控制連接，歸位過程力矩的變化不會對機械臂造成影響。
[0090]
步驟s250，根據所述夾角角度並結合接收到的提升信號或下降信號，確定冗餘關節的轉動方向，冗餘關節按照轉動方向和轉動角度到達冗餘關節的運動位置。其中，當冗餘關節位於0至180度時，所述提升信號為冗餘關節將向角度值減小方向轉動，所述下降信號為冗餘關節向角度值增大方向轉動；當冗餘關節位於180至360度時，所述提升信號為冗餘關節將向角度值增大方向轉動，所述下降信號為冗餘關節向角度值減小減小方向轉動。
[0091]
參見圖3所示，該步驟s250中確定冗餘關節的轉動方向，包括以下步驟：
[0092]
判斷夾角角度是否處於0至180度，若處於，且接收到提升信號，則冗餘關節按照轉動角度逆時針轉動，到達冗餘關節的運動位置；若處於，且接收到下降信號，則冗餘關節按照轉動角度順時針轉動，到達冗餘關節的運動位置；
[0093]
判斷夾角角度是否處於180至360度，若處於，且接收到提升信號，則冗餘關節按照轉動角度順時針轉動，到達冗餘關節的運動位置；若處於，且接收到下降信號，則冗餘關節按照轉動角度逆時針轉動，到達冗餘關節的運動位置；
[0094]
判斷夾角角度是否為0度或360度，若為0度或360度，且接收到提升信號，則冗餘關
節達到限位不運動；若為0度或360度，且接收到下降信號，則冗餘關節按照轉動角度順時針或者逆時針轉動，到達冗餘關節的運動位置；
[0095]
判斷夾角角度是否為180度，若為180度，接收到提升信號，則冗餘關節按照轉動角度順時針或者逆時針轉動，到達冗餘關節的運動位置；若為180度，且接收到下降信號，則冗餘關節達到限位不運動。
[0096]
其中，由於七自由度機械臂為仿生手臂，其存在仿照左臂或仿照右臂的前提條件，規定機器人右臂移動路徑為0
°
到180
°
區間，而左臂移動路徑為180
°
到360
°
區間。如果機械臂處於0
°
位置，操控端繼續施加向上的信號則會返回超過限位，機械臂不會發生移動，同理當機械臂處於180
°
位置時也不會繼續向下運動。基於此，若夾角角度為0度或360度，且接收到下降信號後，判斷機械臂是否為左臂，若為左臂，則冗餘關節按照轉動角度順時針轉動；若不為左臂，則冗餘關節按照轉動角度逆時針轉動。
[0097]
若夾角角度為180度，且接收到提升信號後，判斷機械臂是否為左臂，若為左臂，則冗餘關節按照轉動角度逆時針轉動；若不為左臂，則冗餘關節按照轉動角度順時針轉動。
[0098]
根據以上步驟s210～s250可知，通過本實施例的方法能夠在獲取操作者施加在機械臂的力矩和扭矩後，實現根據操作者意圖控制機械臂冗餘關節處電機運動的目的，從而達到調整機械臂冗餘關節運動的目的，避免冗餘關節在複雜多變的環境下執行目標任務時，會與空間中動靜態障礙物進行碰撞。
[0099]
在一個實施例中，該方法還可以包括如下步驟：
[0100]
在將採集的力矩輸入至機械臂的雅可比矩陣之前，對採集的力矩進行重力補償和/或傳感器零位漂移補償。
[0101]
其中，進行重力補償和/或傳感器零位漂移補償所述使用的補償參數是預先標定的。例如，在機械臂出廠前或者日常維護中，調整多組機械臂末端位姿並記錄力傳感器採集狀態下的數據，從而進行傳感器及連接件的重力補償與傳感器零位漂移補償。
[0102]
本實施例中，力傳感器100所採集的數據經過重力補償和/或傳感器零位漂移補償得到力分量fe和力矩分量me，力分量fe包括三個重力分量g
x
、gy、gz，零位漂移造成的力分量f
x0
、f
y0
、f
z0
。力矩分量me包括重力所產生的力矩分量m
gx
、m
gy
、m
gz
，零位漂移造成的力矩分量m
x0
、m
y0
、m
z0
，將以上經過重力補償和/或傳感器零位漂移補償得到的12個補償參數傳遞給控制器。
[0103]
在收到補償參數後，計算補償後的力矩陣f
′
和力矩矩陣m
′
，如下所示：
[0104][0105]
其中：
[0106][0107][0108]
式中fe為補償後得到的力分量，包含重力補償後的力分量與零位漂移後的力分量；me為補償後得到的力矩分量，包含重力補償後的力矩分量與零位漂移後的力矩分量；f
′
為補償後的力矩陣，m
′
為補償後的力矩矩陣。
[0109]
在一個實施例中，在轉動冗餘關節控制的過程中，機械臂操控端會同步求解其餘關節角度以保證器械末端位姿不變。即該方法還可以包括如下步驟：
[0110]
在冗餘關節按照轉動方向和轉動角度到達冗餘關節的運動位置的同時，獲取機械臂末端的位姿和機械臂的結構參數；
[0111]
根據機械臂末端的位姿和機械臂的結構參數，構建關節角度的約束方程，得到關節運動變量；
[0112]
關節角度的約束方程為f(θi)＝tn，其中f為機械臂正運動學方程，θi為關節運動變量，tn為器械末端當前位姿。
[0113]
根據機械臂末端的位姿、機械臂的結構參數、冗餘關節轉動方向以及冗餘關節轉動角度，構建關節工作空間適應度函數和臂間距適應度函數，輸入關節運動變量，獲得除冗餘關節外，其他各關節的關節位置。
[0114]
利用殘差平方和構建適應度函數，其函數表達式為：
[0115][0116]
其中：f
θ
為關節工作空間適應度函數，n為關節數量，θi為關節運動變量，θ
i0
為i關節可運動範圍的中值；fd為臂間距適應度函數，k為臂編號，xi、yi、zi為i號臂最左側的空間坐標位置。
[0117]
根據獲得的獲得除冗餘關節外，其他各關節的關節位置，控制其他各關節按照關節位置進行運動。
[0118]
在一個實施例中，該方法還可以包括如下步驟：
[0119]
在獲得除冗餘關節外，其他各關節的關節位置後，採用多目標智能搜索算法進行關節運動的求解，控制各關節運動。除對冗餘關節操控外，通過算法同步調節其他關節，確保機器人機械臂末端位姿不發生改變。
[0120]
其中，基於多目標智能搜索算法完成關節運動的求解，多目標智能搜索算法包括
但不限於粒子群算法、遺傳算法、蟻群算法、模擬退火算法等。通過調節其他關節的運動，確保機器人的器械末端位姿不發生改變，保證患者的生命安全。在關節運動完成後再次採集末端力矩信號消除重力和零位的影響後，同閾值進行對比，判斷是否需要繼續調節。
[0121]
基於關節工作空間、臂間距構建適應度函數求解關節運動變量。可確保在調整臂形位的同時調整關節工作空間與臂間距，避免關節運動至機械限位處，並避免機械臂間產生碰撞。
[0122]
本公開提出一種機械臂的控制方法，於扭矩傳感器操作器上設置了標誌點和上、下兩個標識箭頭，方便操作人員快速判斷所需進行的操作，無需醫生對旋轉方向進行判斷，只需確定需要冗餘關節上升或是下降，減少了誤操作的可能。通過力傳感器採集力矩信號，可以實現通過力矩信號的大小調節機器人轉動關節的速度，打破了傳統控制模式速度單一，微調較為困難的問題。本公開在保證機器人末端位姿不會發生改變的同時，控制關節運動，調節臂形，保證了患者的生命安全。
[0123]
圖2給出了根據一實施例的機械臂的控制方法的流程示意圖，現以圖1所示的冗餘關節的控制系統為例，說明本實施例的機械臂的控制方法。
[0124]
如圖2所示，該實施例的方法可以包括如下步驟：
[0125]
採集操作者施加在機械臂操控端的力矩；
[0126]
將採集的力矩輸入至機械臂的雅可比矩陣，以確定映射到機械臂的冗餘關節處的力矩，按照冗餘關節處的力矩進行導納控制，獲得冗餘關節的轉動角度；
[0127]
獲取冗餘關節投影在相鄰關節的表面形成的夾角角度，其中，所述夾角角度為以冗餘關節與相鄰關節的表面的連接點為原點，0刻度線與投影線順時針形成的夾角，所述相鄰關節為與冗餘關節相鄰的關節中最為靠近機械臂操控端的一個；
[0128]
採集操作者施加在機械臂操控端的扭矩，判斷扭矩方向相較於標誌點位置的轉動方向，若轉動方向為提升，則生成提升信號；若轉動方向為下降，則生成下降信號；
[0129]
根據夾角角度判斷冗餘關節並結合接收到的提升信號或下降信號，確定冗餘關節的轉動方向，冗餘關節按照轉動方向和轉動角度到達冗餘關節的運動位置。
[0130]
《設備實施例》
[0131]
圖1是根據一個實施例的裝置的原理框圖。如圖1所示，該機械臂裝置可以包括力傳感器100、扭矩傳感器200和控制器300。
[0132]
在一個實施例中，該力傳感器100可以用於採集操作者施加的力矩；
[0133]
該扭矩傳感器200可以用於採集操作者施加的扭矩；
[0134]
該控制器300可以用於接收力傳感器採集的力矩，將採集的力矩輸入機械臂的雅可比矩陣，得到冗餘關節處的力矩，利用導納控制獲得冗餘關節的轉動角度；同時用於接收扭矩傳感器採集的扭矩，生成提升信號或下降信號，根據夾角角度結合接收到的提升信號或下降信號，確定冗餘關節的轉動方向，冗餘關節按照轉動方向和轉動角度到達冗餘關節的運動位置。
[0135]
在一個實施例中，一種機械臂，包括：力傳感器，設置在機械臂的操控端，用於採集操作者施加的力矩；扭矩傳感器，設置在機械臂的操控端，用於採集操作者施加的扭矩；操作器，用於接收力傳感器採集的力矩，將採集的力矩輸入機械臂的雅可比矩陣，映射得到冗餘關節處的力矩，利用導納控制獲得冗餘關節的轉動角度；同時用於接收扭矩傳感器採集
的扭矩，生成提升信號或下降信號；還用於獲取冗餘關節投影在相鄰關節的表面形成的夾角角度，其中，所述夾角角度為以冗餘關節與相鄰關節的表面的連接點為原點，0刻度線與投影線順時針形成的夾角，所述相鄰關節為與冗餘關節相鄰的關節中最為靠近機械臂操控端的一個；根據所述夾角角度並結合接收到的提升信號或下降信號，確定冗餘關節的轉動方向，冗餘關節按照轉動方向和轉動角度到達冗餘關節的運動位置。
[0136]
圖7是根據另一個實施例的電子設備的硬體結構示意圖。
[0137]
如圖7所示，該電子設備700包括處理器710和存儲器720，該存儲器720用於存儲可執行的電腦程式，該處理器710用於根據該電腦程式的控制，執行如以上任意方法實施例的方法。
[0138]
以上電子設備700的各模塊可以由本實施例中的處理器710執行存儲器710存儲的電腦程式實現，也可以通過其他電路結構實現，在此不做限定。
[0139]
本發明可以是系統、方法和/或電腦程式產品。電腦程式產品可以包括計算機可讀存儲介質，其上載有用於使處理器實現本發明的各個方面的計算機可讀程序指令。
[0140]
計算機可讀存儲介質可以是可以保持和存儲由指令執行設備使用的指令的有形設備。計算機可讀存儲介質例如可以是――但不限於――電存儲設備、磁存儲設備、光存儲設備、電磁存儲設備、半導體存儲設備或者上述的任意合適的組合。計算機可讀存儲介質的更具體的例子(非窮舉的列表)包括：可攜式計算機盤、硬碟、隨機存取存儲器(ram)、只讀存儲器(rom)、可擦式可編程只讀存儲器(eprom或快閃記憶體)、靜態隨機存取存儲器(sram)、可攜式壓縮盤只讀存儲器(cd-rom)、數字多功能盤(dvd)、記憶棒、軟盤、機械編碼設備、例如其上存儲有指令的打孔卡或凹槽內凸起結構、以及上述的任意合適的組合。這裡所使用的計算機可讀存儲介質不被解釋為瞬時信號本身，諸如無線電波或者其他自由傳播的電磁波、通過波導或其他傳輸媒介傳播的電磁波(例如，通過光纖電纜的光脈衝)、或者通過電線傳輸的電信號。
[0141]
這裡所描述的計算機可讀程序指令可以從計算機可讀存儲介質下載到各個計算/處理設備，或者通過網絡、例如網際網路、區域網、廣域網和/或無線網下載到外部計算機或外部存儲設備。網絡可以包括銅傳輸電纜、光纖傳輸、無線傳輸、路由器、防火牆、交換機、網關計算機和/或邊緣伺服器。每個計算/處理設備中的網絡適配卡或者網絡接口從網絡接收計算機可讀程序指令，並轉發該計算機可讀程序指令，以供存儲在各個計算/處理設備中的計算機可讀存儲介質中。
[0142]
用於執行本發明操作的電腦程式指令可以是彙編指令、指令集架構(isa)指令、機器指令、機器相關指令、微代碼、固件指令、狀態設置數據、或者以一種或多種程式語言的任意組合編寫的原始碼或目標代碼，所述程式語言包括面向對象的程式語言—諸如smalltalk、c++等，以及常規的過程式程式語言—諸如「c」語言或類似的程式語言。計算機可讀程序指令可以完全地在用戶計算機上執行、部分地在用戶計算機上執行、作為一個獨立的軟體包執行、部分在用戶計算機上部分在遠程計算機上執行、或者完全在遠程計算機或伺服器上執行。在涉及遠程計算機的情形中，遠程計算機可以通過任意種類的網絡—包括區域網(lan)或廣域網(wan)—連接到用戶計算機，或者，可以連接到外部計算機(例如利用網際網路服務提供商來通過網際網路連接)。在一些實施例中，通過利用計算機可讀程序指令的狀態信息來個性化定製電子電路，例如可編程邏輯電路、現場可編程門陣列(fpga)或可
編程邏輯陣列(pla)，該電子電路可以執行計算機可讀程序指令，從而實現本發明的各個方面。
[0143]
這裡參照根據本發明實施例的方法、裝置(系統)和電腦程式產品的流程圖和/或框圖描述了本發明的各個方面。應當理解，流程圖和/或框圖的每個方框以及流程圖和/或框圖中各方框的組合，都可以由計算機可讀程序指令實現。
[0144]
這些計算機可讀程序指令可以提供給通用計算機、專用計算機或其它可編程數據處理裝置的處理器，從而生產出一種機器，使得這些指令在通過計算機或其它可編程數據處理裝置的處理器執行時，產生了實現流程圖和/或框圖中的一個或多個方框中規定的功能/動作的裝置。也可以把這些計算機可讀程序指令存儲在計算機可讀存儲介質中，這些指令使得計算機、可編程數據處理裝置和/或其他設備以特定方式工作，從而，存儲有指令的計算機可讀介質則包括一個製造品，其包括實現流程圖和/或框圖中的一個或多個方框中規定的功能/動作的各個方面的指令。
[0145]
也可以把計算機可讀程序指令加載到計算機、其它可編程數據處理裝置、或其它設備上，使得在計算機、其它可編程數據處理裝置或其它設備上執行一系列操作步驟，以產生計算機實現的過程，從而使得在計算機、其它可編程數據處理裝置、或其它設備上執行的指令實現流程圖和/或框圖中的一個或多個方框中規定的功能/動作。
[0146]
附圖中的流程圖和框圖顯示了根據本發明的多個實施例的系統、方法和電腦程式產品的可能實現的體系架構、功能和操作。在這點上，流程圖或框圖中的每個方框可以代表一個模塊、程序段或指令的一部分，所述模塊、程序段或指令的一部分包含一個或多個用於實現規定的邏輯功能的可執行指令。在有些作為替換的實現中，方框中所標註的功能也可以以不同於附圖中所標註的順序發生。例如，兩個連續的方框實際上可以基本並行地執行，它們有時也可以按相反的順序執行，這依所涉及的功能而定。也要注意的是，框圖和/或流程圖中的每個方框、以及框圖和/或流程圖中的方框的組合，可以用執行規定的功能或動作的專用的基於硬體的系統來實現，或者可以用專用硬體與計算機指令的組合來實現。對於本領域技術人員來說公知的是，通過硬體方式實現、通過軟體方式實現以及通過軟體和硬體結合的方式實現都是等價的。
[0147]
以上已經描述了本發明的各實施例，上述說明是示例性的，並非窮盡性的，並且也不限於所披露的各實施例。在不偏離所說明的各實施例的範圍和精神的情況下，對於本技術領域的普通技術人員來說許多修改和變更都是顯而易見的。本文中所用術語的選擇，旨在最好地解釋各實施例的原理、實際應用或對市場中的技術改進，或者使本技術領域的其它普通技術人員能理解本文披露的各實施例。本發明的範圍由所附權利要求來限定。