【技术实现步骤摘要】
本申请属于机器人，尤其涉及一种rcm约束下的控制方法、机器人、芯片和存储介质。
技术介绍
1、近年来，随着机器人技术的发展和医疗水平的提高，医疗机器人已成功应用于微创手术领域，例如，内窥镜机器人可代替助手医生控制内窥镜。在内窥镜机器人系统的研究中发现，内窥镜机器人的操纵杆刚性段受切口约束，只允许操纵杆的刚性段沿刚性段的轴线平移和旋转，及绕切口旋转，这一约束也被称为远心不动点(remote center of motion，rcm)约束。也就是说，内窥镜机器人需要在满足rcm约束的情况下，对内窥镜进行控制。
2、目前，对于内窥镜机器人的控制方法，可以通过借助环境感知设备，利用运动规划的方法实现内窥镜机器人与用户的交互，但是该方法需要借助外部环境感知设备，且数据计算量较大；还可以通过在内窥镜机器人关节上设置力传感器，结合动力学方法实现内窥镜机器人与人的交互控制，但是该方法涉及动力学，涉及动力学的方法的实现过程较为复杂。
技术实现思路
1、本申请实施例提供了一种rcm约束下的控制方法、机器人、芯片和存储介质，从运动控制层面，解决了在rcm约束下的视觉伺服和交互控制问题，减少了数据计算量，实现过程也更为简单。
2、第一方面，本申请实施例提供了一种rcm约束下的控制方法，应用于内窥镜机器人，内窥镜机器人还包括：机械臂、内窥镜以及、力和力矩传感器，内窥镜包括内窥镜操纵杆，内窥镜操纵杆包括刚性段和柔性段，力和力矩传感器位于机械臂和内窥镜连接的部位，力和力矩传感器用于检测施
3、rcm约束下的控制方法包括：
4、根据刚性段末端位置相对于rcm点的方向向量与内窥镜操纵杆沿杆方向的正交平面的投影，确定rcm误差，建立rcm约束；
5、在rcm约束下，将在力和力矩检测坐标系中施加在内窥镜操纵杆上的力和力矩，映射到rcm坐标系中刚性段对应的自由度上，确定刚性段对应的自由度上力的分量；
6、基于质量阻尼模型和刚性段对应的自由度上力的分量，确定刚性段的运动速度；
7、根据刚性段的运动速度、柔性段的运动角速度、及机械臂包括的多个关节中每个关节的运动速度，分别控制内窥镜和机械臂运动。
8、第一方面提供的rcm约束下的控制方法，在机械臂末端和内窥镜的连接处设置力和力矩传感器，通过力和力矩传感器检测施加在内窥镜操纵杆上的力和力矩，在rcm约束的情况下，将施加在内窥镜操纵杆上的力和力矩从力和力矩检测坐标系中映射到rcm坐标系中刚性段对应的自由度上，给人更直观的交互操作，从运动控制层面，实现在rcm约束下，内窥镜机器人的视觉伺服和交互控制，实现过程更为简单，并且，该方案无需借助外部感知设备，内窥镜机器人无需与外部感知设备进行数据交互及计算，从而减少了数据的计算量。
9、在第一方面的一种可能的实施方式中，该方法还包括：在内窥镜的运动过程中，确定在rcm约束下rcm误差的变化速度；根据刚性段的运动速度、刚性轴rcm误差的变化速度，确定机械臂包括的多个关节中每个关节的运动速度。在该实现方式中，将机械臂包括的多个关节中每个关节的运动速度与rcm坐标系中刚性段对应的自由度关联，减少了数据的计算量。
10、在第一方面的一种可能的实施方式中，该方法还包括：确定内窥镜与目标物体在图像坐标系下的像素点之间的运动关系；将内窥镜与目标物体在图像坐标系下的像素点之间的运动关系和刚性段的运动速度表征为二次规划问题；求解二次规划问题，确定柔性段的运动角速度。在该实现方式中，将内窥镜在rcm约束下的视觉伺服任务与交互控制表征为了具有一般形式的二次规划问题，求解二次规划问题，从而确定内窥镜操纵杆的柔性段的运动角速度，减少了数据的计算量。
11、在第一方面的一种可能的实施方式中，刚性段对应的自由度上力的分量满足如下公式：
12、
13、
14、
15、
16、其中，fα、fβ、fγ、fδ分别为施加在内窥镜操纵杆上的力和力矩沿刚性段在相对于rcm点的四个自由度上力的分量，lh＝ntt(pt-pc)，其中，pc表示rcm点位置，所述pt表示刚性段末端的位置，fh和τh分别为在力和力矩检测坐标系下检测到的施加在内窥镜操纵杆上的力和力矩，其中，fh＝(fhx，fhy，fhz)，τh＝(τhx，τhy，τhz)。在该实现方式中，可以更直接的确定刚性段对应的自由度上力的分量，提高了确定刚性段对应的自由度上力的分量的效率。
17、在第一方面的一种可能的实施方式中，刚性段的运动速度满足如下公式：
18、
19、其中，f为施加在内窥镜操纵杆上的力，f＝[fα，fβ，fγ，fδ]t，为受力和力矩影响下内窥镜操纵杆的运动加速度，df为受力和力矩影响下内窥镜操纵杆的阻尼系数，为受力和力矩影响下刚性段的运动速度。在该实现方式下，可以更直接的确定刚性段的受外力作用的运动速度，实现内窥镜在力作用下的直接被动动作，提高了整个被动操作计算的效率。
20、在第一方面的一种可能的实施方式中，刚性轴rcm误差的变化速度满足如下公式：
21、
22、或，
23、
24、其中，xc表示rcm误差值，表示rcm误差的变化速度，表示rcm误差变化的加速度，a和b满足条件：a＝b>0，a、所述b、所述c均取1至100以内的整数。在该实现方式中，刚性段末端位置相对于rcm点的方向向量满足上述公式，能够确保rcm点的稳定性。
25、在第一方面的一种可能的实施方式中，机械臂包括的多个关节中每个关节的运动速度根据如下公式确定：
26、
27、其中，qr为机械臂包括的多个关节中每个关节的运动速度，为矩阵a的伪逆，a＝bct[i3×3 (pt-pc)^]jt，jt为机械臂的雅可比矩阵，所述n＝[zt gt]，其中，g为机械臂的雅可比矩阵jt的零空间，为机械臂的雅可比矩阵jt的伪逆，rt＝[at，ot，nt]，表示内窥镜刚性段末端的方向矩阵，表示rcm误差值，为受力和力矩影响下刚性段的运动速度。在该实现方式中，能够更快、更准确的确定包括的多个关节中每个关节的运动速度，提高了确定机械臂包括的多个关节中每个关节的运动速度的准确度和效率。
28、第二方面，本申请实施例提供了一种内窥镜机器人，内窥镜机器人包括：机械臂、内窥镜、力和力矩传感器、以及处理器，内窥镜包括内窥镜操纵杆，内窥镜操纵杆包括刚性段和柔性段，力和力矩传感器位于机械臂和内窥镜连接的部位，力和力矩传感器用于检测施加在内窥镜操纵杆上的力和力矩，处理器用于执行以上第一方面或者第一方面中的任意一方面可能的实现方式中的方法。
29、第三方面，本申请实施例提供了一种芯片，包括：处理器，用于从存储器中调用并运行计算机程序，使得安装有所述芯片的处理器执行以上第一方面或者第一方面中的任意一方面可能的实现方式中的方法。
【技术保护点】
1.一种RCM约束下的控制方法，其特征在于，应用于内窥镜机器人，所述内窥镜机器人还包括：机械臂、内窥镜以及、力和力矩传感器，所述内窥镜包括内窥镜操纵杆，所述内窥镜操纵杆包括刚性段和柔性段，所述力和力矩传感器位于所述机械臂和所述内窥镜连接的部位，所述力和力矩传感器用于检测施加在所述内窥镜操纵杆上的力和力矩；所述方法包括：
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述刚性段对应的自由度上力的分量满足如下公式：
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述刚性段的运动速度满足如下公式：
6.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述RCM误差的变化速度满足如下公式：
7.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述机械臂包括的多个关节中每个关节的运动速度根据如下公式确定：
8.一种内窥镜机器人，其特征在于，所述内窥镜机器人包括：机械臂、内窥镜、力和力矩传感器、以及处理器，所述内窥镜包括内窥镜
9.一种芯片，其特征在于，包括：处理器，用于从存储器中调用并运行计算机程序，使得安装有所述芯片的处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至7中任一项所述的方法。
10.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至7任一项所述的方法。
...【技术特征摘要】
1.一种rcm约束下的控制方法，其特征在于，应用于内窥镜机器人，所述内窥镜机器人还包括：机械臂、内窥镜以及、力和力矩传感器，所述内窥镜包括内窥镜操纵杆，所述内窥镜操纵杆包括刚性段和柔性段，所述力和力矩传感器位于所述机械臂和所述内窥镜连接的部位，所述力和力矩传感器用于检测施加在所述内窥镜操纵杆上的力和力矩；所述方法包括：
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述刚性段对应的自由度上力的分量满足如下公式：
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述刚性段的运动速度满足如下公式：
6.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述rcm误差的变化速度满足如下公式：
7.如权利要求2...
【专利技术属性】
技术研发人员：孟庆虎，张雪，肖霄，席瑞东，王建坤，
申请(专利权)人：南方科技大学，
类型：发明
国别省市：
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