提高协作机器人精度的高速变刚度转矩控制方法及系统与流程

1.本公开涉及机器人控制技术领域，尤其涉及一种提高协作机器人精度的高速变刚度转矩控制方法及系统。


背景技术：

2.随着经济和医疗水平地不断发展，手术机器人被广泛应用于临床手术。作为医疗应用，安全是第一重要的。目前，手术机器人出于安全的考虑，普遍采用低负载的协作机器臂。这类机械臂关节出力有限，万一发生撞击，对医护人员相对比较安全。但是同时，手术机器人又有高精度的要求，通常比常规的协作机械臂精度要求更高。而高控制精度则需要高的刚度，要求机械臂输出更大的力。因此，在术中，安全性与高精度是相互矛盾的，难以平衡。本发明提出一种高速变刚度控制器，可以实现超高速调节系统刚度，使得手术机器人可以同时满足安全性与高精度的要求。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本公开实施例提供一种提高协作机器人精度的高速变刚度转矩控制方法及系统，以至少部分解决现有技术中存在的问题。
4.第一方面，本公开实施例提供了一种提高协作机器人精度的高速变刚度转矩控制方法，包括：
5.通过机械臂上搭载的力矩传感器检测系统的力大小，并反馈给控制器；
6.控制器根据监测的力判断系统工作状态，并判断是否需要进行动态刚性调节；
7.当系统处于环境扰动、发生撞击或拖动状态时，采用保持转矩连续的刚性调节方法进行动态刚性调整，获得新刚度值后进入正常状态；
8.当系统处于正常工作状态时，根据定义自适应刚性函数及参数化方法确定的变刚性动态曲线进行正常计算获得刚度值，从而控制电机转动，实现基于力控的实时高速变刚性的精度控制。
9.根据本公开实施例的一种具体实现方式，所述方法还包括：
10.针对控制器，构建运动控制公式：
11.u＝ke＝k(q-qd)
12.其中，u为控制量，k为表征刚性的比例项，e为误差，q为实际关节角，qd为目标关节角。
13.一般来说，控制量(比如电机的转矩)u是随着q-qd而变化。当e很小时，u也很小，这会导致系统精度不高。对于有高精度要求的系统，为了提高系统精度，则需要增大k值。但是出于安全的要求，又不能让u过大，而限制u的方法是减小k值。对于手术机器人，高精度要求高k值，而安全性要求低k值(随低u)，因此这种控制要求机器人难以实现。
14.为解决上述问题，本发明提出一种基于力控技术的实时变刚性的精度控制方法，用于实现调节系统刚度k，使其可以同时满足术中对安全性与高精度的要求。其基本原理如
下：
15.1)动态力控调整：
16.①
在环境扰动的情况下，通过提高k值，e变小，以提高系统精度；
17.②
在撞击或拖动的情况下，通过降低k值，e变大，以提高系统安全性；2)基于力控技术的高速变刚性调整：
18.在本发明中，k值的动态调节不是通过直接修改电机的控制参数实现的，而是系统控制上直接采用力控技术实现的。其中，u＝k(q,qd)，控制器只是位置的函数。k值是在计算力的过程中，隐式的表示，可以在每个控制周期对k值进行修改。
19.根据本公开实施例的一种具体实现方式，所述控制器根据监测的力判断系统工作状态，并判断是否需要进行动态刚性调节，包括：
20.当系统处于环境扰动的情况时，提高系统的刚性，以提高系统的精度。
21.根据本公开实施例的一种具体实现方式，所述控制器根据监测的力判断系统工作状态，并判断是否需要进行动态刚性调节，还包括：
22.当系统发生撞击或拖动的情况时，降低系统的刚性，使得系统变得柔性，以提高系统的安全性。
23.根据本公开实施例的一种具体实现方式，所述方法还包括：
24.在进行实时变刚性控制时，先定义自适应刚性函数以及参数化方法，确定刚性曲线，以便于系统根据定义的刚性曲线进行刚度的计算，并通过调节系统刚度实现关节的刚度主动调节。
25.根据本公开实施例的一种具体实现方式，所述方法还包括：
26.设定变刚性曲线u＝f(e)，同时满足u《u
max
，u
max
为上限最大值；
27.设置两条力控曲线f1和f2，力控曲线f1和f2都具有以下特征：在曲线近端，e值小，k值大，表现为曲线比较陡，e＝0时，控制输入为0；在曲线远端，曲线呈平状态，曲线值随e增大，但不会超过u
max
；
28.一种曲线的公式km可以表示为：
[0029][0030]
其中，u
max
表示输出的最大值，m表示刚性系数，q表示实际关节角，qd表示目标关节角。
[0031]
不同的m表示不同的曲线，如力控曲线f1和f2。本发明提出的km仅供参考，其他的曲线也具有类似情况：有上确界极值；近商导数大，远商导数接近于0；存在一条可以被参数化的曲线。
[0032]
根据本公开实施例的一种具体实现方式，所述当系统处于环境扰动、发生撞击或拖动状态时，采用保持转矩连续的刚性调节方法进行动态刚性调整，获得新刚度值后进入正常状态，包括：
[0033]
由于在控制中，需要做轴转矩连续。当e变化时，u保持输出不变就可以。
[0034]
新的刚性曲线可以根据e与u求解，当采用km曲线时，求解出m。具体计算方法如下：
[0035]
当系统环境扰动时，通过提高系统刚性来提高精度，e变小时，不改变u，根据km曲
线，求解新的m；
[0036]
当系统发生撞击或拖动时，通过降低系统刚度使系统变得柔性，e变大时，不改变u，根据km曲线，求解新的m。
[0037]
根据本公开实施例的一种具体实现方式，所述方法还包括：
[0038]
当系统处于正常工作状态或是经过系统动态刚性调整后进入正常工作状态的情况下，进行正常控制，根据曲线公式正常计算u＝f(q,qd)。
[0039]
根据本公开实施例的一种具体实现方式，所述方法还包括：
[0040]
根据获得动态调节用的k值，不直接修改电机的控制参数，通过系统控制上直接修改力的参数，从而控制电机转动，最终实现基于力控的实时高速变刚性的精度控制。
[0041]
第二方面，本公开实施例提供了一种提高协作机器人精度的高速变刚度转矩控制系统，包括：
[0042]
检测装置，用于通过机械臂上搭载的力矩传感器检测系统的力大小，并反馈给控制器；
[0043]
判断装置，用于控制器根据监测的力判断系统工作状态，并判断是否需要进行动态刚性调节；
[0044]
第一控制装置，用于当系统处于环境扰动、发生撞击或拖动状态时，采用保持转矩连续的刚性调节方法进行动态刚性调整，获得新刚度值后进入正常状态；
[0045]
第二控制装置，用于当系统处于正常工作状态时，根据定义自适应刚性函数及参数化方法确定的变刚性动态曲线进行正常计算获得刚度值，从而控制电机转动，实现基于力控的实时高速变刚性的精度控制。
[0046]
第三方面，本公开实施例还提供了一种非暂态计算机可读存储介质，该非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，该计算机指令用于使该计算机执行前述第一方面或第一方面的任一实现方式中的提高协作机器人精度的高速变刚度转矩控制方法。
[0047]
第四方面，本公开实施例还提供了一种计算机程序产品，该计算机程序产品包括存储在非暂态计算机可读存储介质上的计算程序，该计算机程序包括程序指令，当该程序指令被计算机执行时，使该计算机执行前述第一方面或第一方面的任一实现方式中的提高协作机器人精度的高速变刚度转矩控制方法。
[0048]
本公开实施例中的提高协作机器人精度的高速变刚度转矩控制方案，包括：通过机械臂上搭载的力矩传感器检测系统的力大小，并反馈给控制器；控制器根据监测的力判断系统工作状态，并判断是否需要进行动态刚性调节；当系统处于环境扰动、发生撞击或拖动状态时，采用保持转矩连续的刚性调节方法进行动态刚性调整，获得新刚度值后进入正常状态；当系统处于正常工作状态时，根据定义自适应刚性函数及参数化方法确定的变刚性动态曲线进行正常计算获得刚度值，从而控制电机转动，实现基于力控的实时高速变刚性的精度控制。通过本公开的处理方案，可实现超高速调节系统刚度，使手术机器人同时满足安全性与高精度的要求。
附图说明
[0049]
为了更清楚地说明本公开实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是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，还可以根据这些附图获得其它的附图。
[0050]
图1为本公开实施例提供的提高协作机器人精度的高速变刚度转矩控制系统结构图；
[0051]
图2为本公开实施例提供的提高协作机器人精度的高速变刚度转矩控制方法流程示意图；
[0052]
图3为本公开实施例提供的另一提高协作机器人精度的高速变刚度转矩控制方法流程示意图；
[0053]
图4为本公开实施例提供的控制曲线示意图；
[0054]
图5为本公开实施例提供的另一提高协作机器人精度的高速变刚度转矩控制系统结构图。
具体实施方式
[0055]
下面结合附图对本公开实施例进行详细描述。
[0056]
以下通过特定的具体实例说明本公开的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本公开的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。本公开还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本公开的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
[0057]
需要说明的是，下文描述在所附权利要求书的范围内的实施例的各种方面。应显而易见，本文中所描述的方面可体现于广泛多种形式中，且本文中所描述的任何特定结构及/或功能仅为说明性的。基于本公开，所属领域的技术人员应了解，本文中所描述的一个方面可与任何其它方面独立地实施，且可以各种方式组合这些方面中的两者或两者以上。举例来说，可使用本文中所阐述的任何数目个方面来实施设备及/或实践方法。另外，可使用除了本文中所阐述的方面中的一或多者之外的其它结构及/或功能性实施此设备及/或实践此方法。
[0058]
还需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本公开的基本构想，图式中仅显示与本公开中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
[0059]
另外，在以下描述中，提供具体细节是为了便于透彻理解实例。然而，所属领域的技术人员将理解，可在没有这些特定细节的情况下实践所述方面。
[0060]
本公开实施例提供一种提高协作机器人精度的高速变刚度转矩控制系统。本实施例提供的提高协作机器人精度的高速变刚度转矩控制系统可以由一计算装置来执行，该计算装置可以实现为软件，或者实现为软件和硬件的组合，该计算装置可以集成设置在服务器、客户端等中。
[0061]
参见图1、图2、图3、图4及图5，本发明所公开的一种提高协作机器人精度的高速变刚度转矩控制方法，包括如下步骤：
[0062]
通过机械臂上搭载的力矩传感器检测系统的力大小，并反馈给控制器；
[0063]
控制器根据监测的力判断系统工作状态，并判断是否需要进行动态刚性调节；
[0064]
当系统处于环境扰动、发生撞击或拖动状态时，采用保持转矩连续的刚性调节方法进行动态刚性调整，获得新刚度值后进入正常状态；
[0065]
当系统处于正常工作状态时，根据定义自适应刚性函数及参数化方法确定的变刚性动态曲线进行正常计算获得刚度值，从而控制电机转动，实现基于力控的实时高速变刚性的精度控制。
[0066]
具体的，可以在机器人的每个关节上均设置有力矩传感器，用以测量机器人关节在运行过程中的运行参数，同时还设置有机器人实时转矩控制器，以预设频率(例如每秒1000hz的频率)对机械臂进行力控制。
[0067]
根据本公开实施例的一种具体实现方式，所述方法还包括：
[0068]
针对控制器，构建运动控制公式：
[0069]
u＝ke＝k(q-qd)
[0070]
其中，u为控制量，k为表征刚性的比例项，e为误差，q为实际关节角，qd为目标关节角。
[0071]
根据本公开实施例的一种具体实现方式，所述控制器根据监测的力判断系统工作状态，并判断是否需要进行动态刚性调节，包括：
[0072]
当系统处于环境扰动的情况时，提高系统的刚性，以提高系统的精度。
[0073]
根据本公开实施例的一种具体实现方式，所述控制器根据监测的力判断系统工作状态，并判断是否需要进行动态刚性调节，还包括：
[0074]
当系统发生撞击或拖动的情况时，降低系统的刚性，使得系统变得柔性，以提高系统的安全性。
[0075]
根据本公开实施例的一种具体实现方式，所述方法还包括：
[0076]
在进行实时变刚性控制时，先定义自适应刚性函数以及参数化方法，确定刚性曲线，以便于系统根据定义的刚性曲线进行刚度的计算，并通过调节系统刚度实现关节的刚度主动调节。
[0077]
根据本公开实施例的一种具体实现方式，所述方法还包括：
[0078]
设定变刚性曲线u＝f(e)，同时满足u《u
max
，u
max
为上限最大值；
[0079]
设置两条力控曲线f1和f2，力控曲线f1和f2都具有以下特征：在曲线近端，e值小，k值大，表现为曲线比较陡，e＝0时，控制输入为0；在曲线远端，曲线呈平状态，曲线值随e增大，但不会超过u
max
；
[0080]
一种曲线的公式km可以表示为：
[0081][0082]
其中，u
max
表示输出的最大值，m表示刚性系数，q表示实际关节角，qd表示目标关节角。
[0083]
不同的m表示不同的曲线，如力控曲线f1和f2。本发明提出的km仅供参考，其他的曲线也具有类似情况：有上确界极值；近商导数大，远商导数接近于0；存在一条可以被参数化
的曲线。
[0084]
根据本公开实施例的一种具体实现方式，所述当系统处于环境扰动、发生撞击或拖动状态时，采用保持转矩连续的刚性调节方法进行动态刚性调整，获得新刚度值后进入正常状态，包括：
[0085]
由于在控制中，需要做轴转矩连续。当e变化时，u保持输出不变就可以。
[0086]
新的刚性曲线可以根据e与u求解，当采用km曲线时，求解出m。具体计算方法如下：
[0087]
当系统环境扰动时，通过提高系统刚性来提高精度，e变小时，不改变u，根据km曲线，求解新的m；
[0088]
当系统发生撞击或拖动时，通过降低系统刚度使系统变得柔性，e变大时，不改变u，根据km曲线，求解新的m。
[0089]
根据本公开实施例的一种具体实现方式，所述方法还包括：
[0090]
当系统处于正常工作状态或是经过系统动态刚性调整后进入正常工作状态的情况下，进行正常控制，根据曲线公式正常计算u＝f(q,qd)。
[0091]
根据本公开实施例的一种具体实现方式，所述方法还包括：
[0092]
根据获得动态调节用的k值，不直接修改电机的控制参数，通过系统控制上直接修改力的参数，从而控制电机转动，最终实现基于力控的实时高速变刚性的精度控制。
[0093]
与上面的方法实施例相对应，参见图5，本发明还提供了一种提高协作机器人精度的高速变刚度转矩控制系统50，包括：
[0094]
检测装置501，用于通过机械臂上搭载的力矩传感器检测系统的力大小，并反馈给控制器；
[0095]
判断装置502，用于控制器根据监测的力判断系统工作状态，并判断是否需要进行动态刚性调节；
[0096]
第一控制装置503，用于当系统处于环境扰动、发生撞击或拖动状态时，采用保持转矩连续的刚性调节方法进行动态刚性调整，获得新刚度值后进入正常状态；
[0097]
第二控制装置504，用于当系统处于正常工作状态时，根据定义自适应刚性函数及参数化方法确定的变刚性动态曲线进行正常计算获得刚度值，从而控制电机转动，实现基于力控的实时高速变刚性的精度控制。
[0098]
附图中的流程图和框图，图示了按照本公开各种实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段、或代码的一部分，该模块、程序段、或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个接连地表示的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
[0099]
描述于本公开实施例中所涉及到的单元可以通过软件的方式实现，也可以通过硬件的方式来实现。其中，单元的名称在某种情况下并不构成对该单元本身的限定，例如，第一获取单元还可以被描述为“获取至少两个网际协议地址的单元”。
[0100]
应当理解，本公开的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。
[0101]
以上所述，仅为本公开的具体实施方式，但本公开的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本公开揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本公开的保护范围之内。因此，本公开的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

技术特征：
1.一种提高协作机器人精度的高速变刚度转矩控制方法，其特征在于，包括：通过机械臂上搭载的力矩传感器检测系统的力大小，并反馈给控制器；控制器根据监测的力判断系统工作状态，并判断是否需要进行动态刚性调节；当系统处于环境扰动、发生撞击或拖动状态时，采用保持转矩连续的刚性调节方法进行动态刚性调整，获得新刚度值后进入正常状态；当系统处于正常工作状态时，根据定义自适应刚性函数及参数化方法确定的变刚性动态曲线进行正常计算获得刚度值，从而控制电机转动，实现基于力控的实时高速变刚性的精度控制。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：针对控制器，构建运动控制公式：u＝ke＝k(q-q
d
)其中，u为控制量，k为表征刚性的比例项，e为误差，q为实际关节角，q
d
为目标关节角。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述控制器根据监测的力判断系统工作状态，并判断是否需要进行动态刚性调节，包括：当系统处于环境扰动的情况时，提高系统的刚性，以提高系统的精度。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述控制器根据监测的力判断系统工作状态，并判断是否需要进行动态刚性调节，还包括：当系统发生撞击或拖动的情况时，降低系统的刚性，使得系统变得柔性，以提高系统的安全性。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：在进行实时变刚性控制时，先定义自适应刚性函数以及参数化方法，确定刚性曲线，以便于系统根据定义的刚性曲线进行刚度的计算，并通过调节系统刚度实现关节的刚度主动调节。6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：设定变刚性曲线u＝f(e)，同时满足u<u
max
，u
max
为上限最大值；设置两条力控曲线f1和f2，力控曲线f1和f2都具有以下特征：在曲线近端，e值小，k值大，表现为曲线比较陡，e＝0时，控制输入为0；在曲线远端，曲线呈平状态，曲线值随e增大，但不会超过u
max
；曲线公式k
m
表示为：其中，u
max
表示输出的最大值，m表示刚性系数，q表示实际关节角，q
d
表示目标关节角。7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述当系统处于环境扰动、发生撞击或拖动状态时，采用保持转矩连续的刚性调节方法进行动态刚性调整，获得新刚度值后进入正常状态，包括：当系统环境扰动时，通过提高系统刚性来提高精度，e变小时，不改变u，根据k
m
曲线，求解新的m；当系统发生撞击或拖动时，通过降低系统刚度使系统变得柔性，e变大时，不改变u，根
据k
m
曲线，求解新的m。8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：当系统处于正常工作状态或是经过系统动态刚性调整后进入正常工作状态的情况下，进行正常控制，根据曲线公式正常计算u＝f(q,q
d
)。9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：根据获得动态调节用的k值，不直接修改电机的控制参数，通过系统控制上直接修改力的参数，从而控制电机转动，最终实现基于力控的实时高速变刚性的精度控制。10.一种提高协作机器人精度的高速变刚度转矩控制系统，其特征在于，包括：检测装置，用于通过机械臂上搭载的力矩传感器检测系统的力大小，并反馈给控制器；判断装置，用于控制器根据监测的力判断系统工作状态，并判断是否需要进行动态刚性调节；第一控制装置，用于当系统处于环境扰动、发生撞击或拖动状态时，采用保持转矩连续的刚性调节方法进行动态刚性调整，获得新刚度值后进入正常状态；第二控制装置，用于当系统处于正常工作状态时，根据定义自适应刚性函数及参数化方法确定的变刚性动态曲线进行正常计算获得刚度值，从而控制电机转动，实现基于力控的实时高速变刚性的精度控制。

技术总结
本发明公开一种提高协作机器人精度的高速变刚度转矩控制方法及系统，属于机器人控制技术领域，该方法包括：通过机械臂上搭载的力矩传感器检测系统的力大小，并反馈给控制器；控制器根据监测的力判断系统工作状态，并判断是否需要进行动态刚性调节；当系统处于环境扰动、发生撞击或拖动状态时，采用保持转矩连续的刚性调节方法进行动态刚性调整，获得新刚度值后进入正常状态；当系统处于正常工作状态时，根据定义自适应刚性函数及参数化方法确定的变刚性动态曲线进行正常计算获得刚度值，从而控制电机转动，实现基于力控的实时高速变刚性的精度控制。通过本公开的处理方案，可实现超高速调节系统刚度，使手术机器人同时满足安全性与高精度的要求。全性与高精度的要求。全性与高精度的要求。


技术研发人员：刘芳德 李敏 吕存策 刘悦
受保护的技术使用者：杭州湖西云百生科技有限公司
技术研发日：2023.04.28
技术公布日：2023/8/9