一种基于动力学模型的骨科手术机器人控制方法技术

本发明专利技术公开了一种基于动力学模型的骨科手术机器人控制方法，涉及机器人领域，包括：通过坐标变化关系和重力矢量确定待校准关节受到的总重力矩；将stribeck模型中与摩擦力相关的系数作为待辨识参数、构建得到待辨识矩阵；通过LM算法迭代求解得到待辨识矩阵的初始解并作为遗传算法的初始化种群；基于遗传算法得到待辨识矩阵的迭代结果；将迭代结果代入stribeck模型中得到待校准关节的总摩擦力矩；得到待校准关节的力矩合；通过力矩合得到待校准关节的对应电机的位置信号值，根据位置信号值驱动待校准关节。通过计算力矩合避免外力对骨科手术机器人的定位准确性的影响，有效提高了稳定性和安全性。

【技术实现步骤摘要】
一种基于动力学模型的骨科手术机器人控制方法
本专利技术涉及机器人领域，尤其是一种基于动力学模型的骨科手术机器人控制方法。
技术介绍
随着科学技术的不断提高，越来越多的机器人进入到医疗领域中，而骨科手术机器人通过其微创和快捷等特点正成为医生的得力助手。骨科手术机器人主要目标是在骨科手术中辅助医生完成特定的精细操作，例如，骨科手术机器人能够完成截骨切削、磨削钻孔和夹持固定等动作，这些操作由机器人完成具有很大的优势，一方面是由于这些小手术动作较为简单，骨科手术机器人能够胜任，同时这些操作需要一定的稳定性，通过骨科手术机器人能够大大减少医生的作业强度，节约手术时间，避免医生在长时间的手术过程中保持相同姿势而带来的肌肉劳损，从而提高手术的安全性。目前的骨科手术机器人的基本工作方式有手动模式和自动模式，手动模式需要在手术过程中配备一名操作员，操作员通过医生的口述指令完成相关的动作操作，过程较为繁琐，实际使用中也不如人工来的简便；而自动模式相比于手动模式优势明显，骨科手术机器人能够接受手术前就设置好的移动指令来进行操作，但现有的骨科手术机器人在移动过程中不能主动对自身进行位置校准，存在一定的误差，从而无法确保手术的标准化和安全性。
技术实现思路
本专利技术人针对上述问题及技术需求，提出了一种基于动力学模型的骨科手术机器人控制方法，本专利技术的技术方案如下：一种基于动力学模型的骨科手术机器人控制方法，所述骨科手术机器人包括底座和多个关节，每个所述关节通过对应设置的电机驱动，其特征在于，所述方法包括：确定待校准关节的待校准关节坐标系和其他关节的关节坐标系在底座的基准坐标系中的坐标变化关系，并确定待校准关节在所述待校准关节坐标系中的重力矢量；通过所述坐标变化关系和所述重力矢量确定每个关节对所述待校准关节的重力矩并累加得到所述待校准关节受到的总重力矩；将所述骨科手术机器人的关于摩擦力与摩擦力矩的stribeck模型中与摩擦力相关的系数作为待辨识参数、构建得到待辨识矩阵；通过LM算法迭代求解得到所述待辨识矩阵的初始解并作为遗传算法的初始化种群；基于遗传算法得到所述待辨识矩阵的迭代结果；将所述迭代结果代入所述stribeck模型中得到所述待校准关节的总摩擦力矩；基于动力学模型根据所述总重力矩和所述总摩擦力矩得到所述待校准关节的力矩合；通过所述力矩合得到所述待校准关节的对应电机的位置信号值，根据所述位置信号值驱动所述待校准关节。其进一步的技术方案为，所述重力矢量gi的计算公式为：其中，g0为待校准关节在基座坐标系的重力矢量，g0＝[0,0,-9.81]T，表示所述基座坐标系变换至所述待校准关节坐标系中的旋转矩阵。其进一步的技术方案为，所述确定每个关节对所述待校准关节的重力矩，包括对于任意第j个关节：根据所述待校准关节在所述待校准关节坐标系中的重力矢量确定所述第j个关节在所述待校准关节坐标系下的重力转化值计算公式为：其中，mj表示所述第j个关节的质量，gi表示待校准关节在所述待校准关节坐标系中的重力矢量；根据所述待校准关节坐标系与所述第j个关节的关节坐标系之间坐标变化关系确定所述第j个关节在所述待校准关节坐标系下的重力坐标计算公式为：其中，表示待校准关节坐标系和第j个关节坐标系的坐标变化关系，rj表示第j个关节在第j个关节坐标系中的坐标；根据所述第j个关节在所述待校准关节坐标系下的重力转化值和所述第j个关节在所述待校准关节坐标系下的重力坐标得到所述第j个关节对所述待校准关节的重力矩。其进一步的技术方案为，所述重力矩的计算公式为：其中，表示第j个关节在所述待校准关节坐标系下的重力转化值，表示第j个关节在所述待校准关节坐标系下的重力坐标的Z轴坐标。其进一步的技术方案为，所述总重力矩的计算公式为：其中，X表示所述骨科手术机器人的自由度，表示第j个关节对所述待校准关节的重力矩。其进一步的技术方案为，所述stribeck模型的表达式为：其中，τf表示摩擦力矩；fs表示静摩擦力；w表示角速度；ws表示stribeck速度；fv表示粘性摩擦力，其计算公式为：fc表示库伦摩擦力，其计算公式为：其中，μv表示粘性摩擦系数，μc表示库伦摩擦系数，表示关节转角的一阶导数，则所述待辨识矩阵包括粘性摩擦系数μv、库伦摩擦系数μc、静摩擦力fs和stribeck速度ws。其进一步的技术方案为，所述通过LM算法迭代求解得到所述待辨识矩阵的初始解并作为遗传算法的初始化种群，包括：对所述stribeck模型进行预定采样次数的模拟训练得到关于所述待辨识矩阵的模拟预测值，并确定每次采样的所述模拟预测值与所述待辨识矩阵之间的关系得到偏差关系式；求解得到最小二乘结果作为LM算法的初始值：其中，Y表示待辨识矩阵，Dn表示偏差关系式，N表示预定采样次数，n为参数，n表示第n次采样；通过LM算法迭代求解所述初始值得到所述待辨识矩阵的初始解。其进一步的技术方案为，所述基于遗传算法得到所述待辨识矩阵的迭代结果，包括：通过适应度函数得到每个个体的适应度，每个所述个体对应每个所述待辨识参数；确定当前迭代次数对应的每个个体的适应度，若所述当前迭代次数未达到预定迭代次数，则对每个所述个体进行选择操作、交叉操作和变异操作，令迭代次数加一并重复所述通过适应度函数得到每个个体的适应度的步骤；若当前迭代次数达到预定迭代次数时，则得到所述待辨识矩阵的迭代结果。其进一步的技术方案为，所述动力学模型的表达式为：其中，q表示关节转角，和分别表示关节转角的一阶和二阶导数，表示惯性项，表示非线性耦合力矩项，g(q)表示总重力矩，τext表示外界环境与待校准关节接触产生的外力矩，τf表示总摩擦力矩，τ表示力矩合。其进一步的技术方案为，所述通过所述力矩合得到所述待校准关节的对应电机的位置信号值，包括：通过力矩合与电机的位置信号值的关系式得到所述待校准关节的对应电机的位置信号值，其表达式为：其中，Km表示位置环增益矩阵，Kv表示速度环增益矩阵，Kp表示电机转矩灵敏度，qd表示位置信号值，q表示关节转角，表示关节转角的一阶导数，τ表示力矩合。本专利技术的有益技术效果是：通过计算力矩合避免外力对骨科手术机器人的定位准确性的影响，有效提高了稳定性和安全性；同时stribeck模型的参数较少，同时对零速度下的摩擦特性具有很好的描述，是一种能够完整描述初始状态下的摩擦模型；通过LM算法能够保证函数不会陷入局部最小值，从而使得初始解较大程度的靠近最优解，便于后续的计算过程。附图说明图1是本申请的控制方法的处理流程图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的具体实施方式做进一步说明。一种基于动力学模型的骨科手术机器本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于动力学模型的骨科手术机器人控制方法，所述骨科手术机器人包括底座和多个关节，每个所述关节通过对应设置的电机驱动，其特征在于，所述方法包括：/n确定待校准关节的待校准关节坐标系和其他关节的关节坐标系在底座的基准坐标系中的坐标变化关系，并确定待校准关节在所述待校准关节坐标系中的重力矢量；/n通过所述坐标变化关系和所述重力矢量确定每个关节对所述待校准关节的重力矩并累加得到所述待校准关节受到的总重力矩；/n将所述骨科手术机器人的关于摩擦力与摩擦力矩的stribeck模型中与摩擦力相关的系数作为待辨识参数、构建得到待辨识矩阵；/n通过LM算法迭代求解得到所述待辨识矩阵的初始解并作为遗传算法的初始化种群；/n基于遗传算法得到所述待辨识矩阵的迭代结果；/n将所述迭代结果代入所述stribeck模型中得到所述待校准关节的总摩擦力矩；/n基于动力学模型根据所述总重力矩和所述总摩擦力矩得到所述待校准关节的力矩合；/n通过所述力矩合得到所述待校准关节的对应电机的位置信号值，根据所述位置信号值驱动所述待校准关节。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于动力学模型的骨科手术机器人控制方法，所述骨科手术机器人包括底座和多个关节，每个所述关节通过对应设置的电机驱动，其特征在于，所述方法包括：
确定待校准关节的待校准关节坐标系和其他关节的关节坐标系在底座的基准坐标系中的坐标变化关系，并确定待校准关节在所述待校准关节坐标系中的重力矢量；
通过所述坐标变化关系和所述重力矢量确定每个关节对所述待校准关节的重力矩并累加得到所述待校准关节受到的总重力矩；
将所述骨科手术机器人的关于摩擦力与摩擦力矩的stribeck模型中与摩擦力相关的系数作为待辨识参数、构建得到待辨识矩阵；
通过LM算法迭代求解得到所述待辨识矩阵的初始解并作为遗传算法的初始化种群；
基于遗传算法得到所述待辨识矩阵的迭代结果；
将所述迭代结果代入所述stribeck模型中得到所述待校准关节的总摩擦力矩；
基于动力学模型根据所述总重力矩和所述总摩擦力矩得到所述待校准关节的力矩合；
通过所述力矩合得到所述待校准关节的对应电机的位置信号值，根据所述位置信号值驱动所述待校准关节。


2.根据权利要求1所述的骨科手术机器人控制方法，其特征在于，所述重力矢量gi的计算公式为：



其中，g0为待校准关节在基座坐标系的重力矢量，g0＝[0,0,-9.81]T，表示所述基座坐标系变换至所述待校准关节坐标系中的旋转矩阵。


3.根据权利要求1所述的骨科手术机器人控制方法，其特征在于，所述确定每个关节对所述待校准关节的重力矩，包括对于任意第j个关节：
根据所述待校准关节在所述待校准关节坐标系中的重力矢量确定所述第j个关节在所述待校准关节坐标系下的重力转化值计算公式为：



其中，mj表示所述第j个关节的质量，gi表示待校准关节在所述待校准关节坐标系中的重力矢量；
根据所述待校准关节坐标系与所述第j个关节的关节坐标系之间坐标变化关系确定所述第j个关节在所述待校准关节坐标系下的重力坐标计算公式为：



其中，表示待校准关节坐标系和第j个关节坐标系的坐标变化关系，rj表示第j个关节在第j个关节坐标系中的坐标；
根据所述第j个关节在所述待校准关节坐标系下的重力转化值和所述第j个关节在所述待校准关节坐标系下的重力坐标得到所述第j个关节对所述待校准关节的重力矩。


4.根据权利要求3所述的骨科手术机器人控制方法，其特征在于，所述重力矩的计算公式为：



其中，表示第j个关节在所述待校准关节坐标系下的重力转化值，表示第j个关节在所述待校准关节坐标系下的重力坐标的Z轴坐标。


5.根据权利要求1所述的骨科手术机器人控制方法，其特征在于，所述总重力矩的计算公式为：

【专利技术属性】
技术研发人员：王思源，张秋菊，宁萌，杨洋，李思奇，
申请(专利权)人：江苏集萃复合材料装备研究所有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32