[发明专利]一种主从式遥操作手术机器人多臂协同控制系统

说明书

发明公开了一种主从式遥操作手术机器人多臂协同控制系统，包括工业PC系统和底层控制系统，所述工业PC系统包括工业PC、以太网、CAN总线适配卡；所述底层控制系统包括数字量与模拟量采集卡、伺服驱动器；工业PC利用以太网接受来自其他系统的信号，利用CAN总线适配卡连接伺服驱动器控制机械臂运动，利用数字量/模拟量采集卡采集和处理来自多维力传感器的信号。本发明完成了硬件架构的搭建和机械臂运动学算法和多臂协同控制软件开发，实现了手术机器人的多臂协同控制功能。

技术领域

本发明属于手术机器人领域，具体涉及一种主从式遥操作手术机器人多臂协同控制系统，属于人机交互领域。

背景技术

主从式遥操作手术机器人控制系统通常由一个主手操作端和若干个从手执行臂组成。从手执行臂安装于手术台旁边，在其末端可以安装内窥镜以及各种手术器械，通过微小创口到达病人体内病灶处。医生操作主手操作，即可控制从手末端器械完成各种手术操作，为外科医生提供了传统手术的操作环境，可以协助医生完成更精细的手术动作，减少手术时由于疲劳产生的误操作或手部震颤造成的损伤。多臂机器人是髙阶强耦合的复杂非线性系统，同时由于工作环境的多变性，对机器人系统控制方法的鲁棒性、控制系统的实时性提出了很髙要求。基于对单臂机器人的运动学优化求解，无法满足机器人末端受环境约束并需要与环境交互的应用需求。在针对非结构化环境设计的多臂协作机器人比传统的单臂机器人具有更加灵活的特点，能实现人与机器人之间以及各机器人之间的互动功能。目前国外已研制出主从式遥操作手术机器人，但尚不具备力反馈功能及多从臂协同控制功能。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种主从式遥操作手术机器人多臂协同控制系统，利用滑模控制系统及多运动控制器并行解算，可以实现各机械臂之间的协同作业功能。

本发明的目的是通过这样的技术方案实现的，一种主从式遥操作手术机器人多臂协同控制系统，用于对多臂手术机器人进行控制，多臂手术机器人包括主手操作端和从手执行端，主手操作端为7DOF串联式机器人，从手执行端由两个7DOF串联式机械臂和两个6DOF串联式机械臂组成，每个机械臂末端均安装多维力传感器和运动控制器，其特征在于：该控制系统包括工业PC系统和底层控制系统，所述工业PC系统包括工业PC、以太网、CAN总线适配卡；所述底层控制系统包括数字量与模拟量采集卡、伺服驱动器；工业PC利用以太网接受来自其他系统的信号，利用CAN总线适配卡连接伺服驱动器控制机械臂运动，利用数字量/模拟量采集卡采集和处理来自多维力传感器的信号；各机械臂接收主手操作端传递过来的位置控制指令，通过逆运动学解算得到各关节期望位置；通过多维力传感器感知与环境间的接触力及机械臂之间的接触力，经过逆动力学求解得到各关节力和力矩信息，并将接触力反馈至手术机器人主手；通过绝对值位置传感器获取各关节实际位置；由工业PC协调各运动控制器的数据传递及信号传递，完成多机械臂协同控制功能。

进一步，该手术机器人多臂协同控制系统包括滑模控制器、自适应模糊逻辑控制器和非线性观测器；所述滑模控制器，用于精确获得系统的动力学参数；所述自适应模糊逻辑控制器，用于提高控制精度；所述非线性观测器，用于补偿外部环境对系统稳定新和精度的影响。