一种基于遥操作柔性机械臂的共享控制方法及其应用技术

本发明专利技术公开了一种基于遥操作柔性机械臂的共享控制方法及其应用，方法：获取柔性机械臂末端的位姿数据后基于轨迹记忆进行意图目标预测；以上步获取的预测目标点为导向求得机器人系统施加的虚拟引导力F

【技术实现步骤摘要】
一种基于遥操作柔性机械臂的共享控制方法及其应用


[0001]本专利技术涉及手术机械臂的控制
，涉及一种基于遥操作柔性机械臂的共享控制方法及其应用，特别涉及一种基于人意图识别的力融合主操作器共享控制策略。

技术介绍

[0002]柔性连续体手术机器人因其在较小手术范围内灵活性强、自由度高等优势，已经成为了医疗机器人的一大重要研究领域。现如今，手术机器人普遍使用遥操作控制方式，对手术机械臂的主体进行远程控制。然而，医生通过遥操作控制手术机器臂的实际过程中，由于采用的是第三人称视角进行操纵控制，无法体会到身临其境的感受，往往输出偏离自身实际意图的控制命令。此外医生在进行长期操纵控制时，由于自身身体疲劳以及因长时间集中注意力导致的视线分神，同时也会导致从端机械臂位姿控制发生偏差。
[0003]目前研究在柔性手术机械臂的共享控制方面的研究较少。现有传统机械臂的共享控制的方法主要是构建智能控制系统来调整操纵者人为控制偏差，它通过设定仲裁机制来融合智能控制系统输入和操作者输入从而实现人机共享控制。智能控制系统实际上是一种预测人实际操纵意图的控制系统。在实际控制中，智能控制系统通过对从端机械臂末端位姿状态的实时测量来预测下一时刻机械臂的目标点，并根据预测值来输出控制信号，经仲裁机制对操作员输入的控制信号进行信号融合，最终完成控制轨迹修正的任务。
[0004]先前大部分研究虽然也通过使用智能控制系统和人类操作员控制权的融合
[0005]来实现共享控制，但其智能控制系统大多都是针对单一特定运动轨迹或者预先r/>[0006]训练多条运动轨迹，无法针对训练外的新任务轨迹进行有效轨迹预测和共享控
[0007]制权仲裁。
[0008]因此，开发一种轨迹适用性好的柔性手术机械臂融合共享控制方法极具现
[0009]实意义。

技术实现思路

[0010]由于现有技术存在上述缺陷，本专利技术提供了一种轨迹适用性好的柔性手术
[0011]机械臂融合共享控制方法，克服了现有融合共享控制方法针对特定运动轨迹，
[0012]无法针对训练外的新任务轨迹进行有效轨迹预测和共享控制权仲裁，轨迹适用
[0013]性差的缺陷。
[0014]为了实现上述目的，本专利技术提供以下技术方案：
[0015]一种基于遥操作柔性机械臂的共享控制方法，包括以下步骤：
[0016](1)获取柔性机械臂末端的位姿数据后基于轨迹记忆进行意图目标预测；
[0017](2)以步骤(1)获取的预测目标点为导向求得机器人系统施加的虚拟引
[0018]导力F
r
；
[0019](3)根据已设定的仲裁函数获得机器人系统的控制权重α；
[0020](4)根据以下公式获取操纵器的输出位姿，进而控制柔性机械臂：
[0021][0022]式中，M为操纵器惯性矩阵，B为操纵器阻尼矩阵，J为操纵器力雅可比矩
[0023]阵，为从端执行器末端相对于操纵器坐标系的旋转矩阵，F
h
为用户施加给操
[0024]作器的作用力，F
e
为环境干扰力，q为操纵器的输出位姿；
[0025](5)获取柔性机械臂末端此时的位置信息，判断柔性机械臂末端是否到达目标位置，如是则结束控制，反之则返回步骤(1)。
[0026]本专利技术的基于遥操作柔性机械臂的共享控制方法，通过机器人和用户协调控制实现共享控制遥操作，以二者控制信号的可信度设置仲裁函数，来分配二者共享控制的权重，相比于之前需要离线预训练轨迹的共享控制方法，本方法使用在线对人的意图进行预测，增加了机器人介入控制的灵活性与可靠性，可以实现在线对轨迹进行微调，减少用户手术操纵作业时间，应用前景好。
[0027]作为优选的技术方案：
[0028]如上所述的一种基于遥操作柔性机械臂的共享控制方法，所述基于轨迹记忆进行意图目标预测是基于以下公式获取的：
[0029][0030]式中，x0,x
m
为起始位置和第m时刻的位置，为第0时刻到第m时刻的实际轨迹，θ＝[G1,G2,.....G
n
]为已知目标点集合，P为概率，G
*
为其中概率最大的意图目标。
[0031]为了计算这里假设先前的输入轨迹有噪声化地优化了目标相关的损失函数损失函数表示为轨迹点速度的平方和。利用最大熵原理，在给定目标情况下，可以使用损失函数C
G
诱导出轨迹的概率分布，即P(ξ|G)∞exp(
‑
C
G
(ξ))。换句话说，随着延轨迹损失函数增大，轨迹的概率就呈指数下降。给定该分布，则有：
[0032][0033]为了计算出首先，将C
G
(ξ
X
→
Y
)在ξ
*X
→
Y
按照二阶泰勒公式展开，可得：
[0034][0035]这里所以可以得到：
[0036][0037][0038]其中，H
X
→
Y
为损失函数C(ξ
X
→
Y
)在ξ
*X
→
Y
附近的二阶导数。再使用高斯积分可得：
[0039][0040]最优化预测G
*
得到：
[0041][0042]如上所述的一种基于遥操作柔性机械臂的共享控制方法，步骤(2)机器人系统施加的虚拟引导力F
r
是基于以下公式获取的：
[0043]F
r
＝ε(G
*
‑
x
m
)
[0044]式中，G
*
为预测目标，ε为预测目标的引力因子，x
m
为第m时刻的柔性机械臂末端位置。
[0045]如上所述的一种基于遥操作柔性机械臂的共享控制方法，步骤(3)是根据以下公式确定机器人系统的控制权重α：
[0046][0047][0048]式中，conf
r
为机器人预测目标的置信度。
[0049]当α＝0时，用户则完全掌控机器臂控制。其他情况下，则是用户和机器人系统共同对柔性机械臂进行控制。由于控制过程中，用户一直处于在环控制，因此，如果预测错误，用户也可以通过增大操纵力来主导控制。
[0050]本专利技术还提供了一种计算机设备，所述计算机设备包括：
[0051]至少一个处理器；以及，
[0052]与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，
[0053]所述存储器存储有计算机可读指令，所述处理器执行所述计算机可读指令时实现如上所述的基于遥操作柔性机械臂的共享控制方法。
[0054]此外，本专利技术还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储计算机可读指令，所述计算机可读指令被处理器执行时实现如上所述的基于遥操作柔性机本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于遥操作柔性机械臂的共享控制方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)获取柔性机械臂末端的位姿数据后基于轨迹记忆进行意图目标预测；(2)以步骤(1)获取的预测目标点为导向求得机器人系统施加的虚拟引导力F
r
；(3)根据已设定的仲裁函数获得机器人系统的控制权重α；(4)根据以下公式获取操纵器的输出位姿，进而控制柔性机械臂：式中，M为操纵器惯性矩阵，B为操纵器阻尼矩阵，J为操纵器力雅可比矩阵，为从端执行器末端相对于操纵器坐标系的旋转矩阵，F
h
为用户施加给操作器的作用力，F
e
为环境干扰力，q为操纵器的输出位姿；(5)获取柔性机械臂末端此时的位置信息，判断柔性机械臂末端是否到达目标位置，如是则结束控制，反之则返回步骤(1)。2.根据权利要求1所述的一种基于遥操作柔性机械臂的共享控制方法，其特征在于，所述基于轨迹记忆进行意图目标预测是基于以下公式获取的：式中，x0,x
m
为起始位置和第m时刻的位置，为第0时刻到第m时刻的实际轨迹，θ＝[G1,G2,.....G
n
]为已知目标点集合，P为概率，G
*
为其中概率最大的意图目标。3.根据权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：齐鹏，刘文杰，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：