[发明专利]一种患者承载医用机械臂误差补偿系统及方法

说明书

本发明公开了一种患者承载医用机械臂误差补偿系统及方法：其中补偿系统包括医用机械臂本体、绝对编码器、六维力传感器和控制器；通过使用六维力传感器对患者重力的大小和重心位置进行检测，经由柔度误差模型计算出医用机械臂的末端位姿误差，其方法快捷高效，易于实现自动化误差补偿；在误差补偿方法中柔度误差模型计算中引入平均抗弯刚度和平均抗扭刚度，考虑了变截面杆件结构对医用机械臂柔度误差的影响，可进一步提高机械臂位姿误差计算精度。

技术领域

本发明属于放疗医用机械臂误差补偿技术领域，具体涉及一种患者承载医用机械臂误差补偿系统及方法。

背景技术

放疗是肿瘤治疗的重要方法之一，用于患者承载的医用机械臂的精度和可靠性对于放疗效果的稳定性具有直接影响。随着目前精确放疗技术的发展需要，以患者身体及患者肿瘤精确定位控制为目标的医用机械臂控制系统研发正在备受关注。提高医用机械臂定位精度的最根本办法是提高机械臂本体的制造精度，并使用高强度和刚度的优质材料。然而从工程角度而言，完全消除制造误差和误差影响因素是极困难的，并且耗费极高，因而医用机械臂受传动误差和自身柔性的影响而产生的定位误差是不可避免的。

提高机械臂定位精度的重要方法之一是在控制系统中实施误差补偿。针对机械臂刚度不足引起的柔度误差，当前主流的方法是建立基于胡克定律的弹性扭簧模型，而这种分析方法通常只以机械臂的关节柔性为研究对象，并且很少考虑机械臂传动误差对机械臂定位精度的影响。此外，建立基于实验检测结果的机械臂末端误差数据库也是一种常用方法，但在多种位姿和负载下进行实验数据的采集，其工作量较大，并且检测结果的精度和可靠度难以得到保证。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种患者承载医用机械臂误差补偿系统和方法，用于实现医用机械臂柔度误差和传动系统误差的精确补偿。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种患者承载医用机械臂误差补偿系统，包括：

医用机械臂本体，其包括伺服系统和通过伺服系统进行动作执行的多个关节；所述医用机械臂本体的末端法兰与床板连接；

绝对编码器，其安装在医用机械臂的各关节上，将各关节的实时转角或位置数据传输到控制器中；

六维力传感器，其安装在医用机械臂本体的末端法兰与床板之间，将医用机械臂床板上所承受的外界负载信息传输到控制器中；

控制器，其与机械臂的伺服系统相连，用于实现机械臂的运动控制，并根据绝对编码器和六维力传感器反馈的信息进行定位误差计算和误差补偿。

一种患者承载医用机械臂误差补偿方法，包括以下步骤：

步骤1：控制器时刻接收来自绝对编码器和六维力传感器的反馈数据，并通过数据处理算法将反馈数据分别转变为关节位置以及负载大小和作用点；

步骤2：将步骤1所得关节位置数据通过医用机械臂正运动学模型算法得到该机械臂末端的空间位姿；

步骤3：将步骤1所得关节位置数据以及负载大小和作用点通过医用机械臂柔度误差模型计算出该机械臂当前的末端空间位姿误差；

步骤4：将步骤2和步骤3所得机械臂末端空间位姿和位姿误差的相应项对应相加，得到误差补偿后的机械臂末端位姿。

进一步，所述步骤1中通过数据处理算法将绝对编码器的反馈数据转变为关节位置，具体为：

步骤(1.1)、标定绝对编码器的反馈脉冲当量；

步骤(1.2)、标记机械臂关节机械零位时的绝对编码器位置数据为零；

步骤(1.3)、将绝对编码器当前位置数据与步骤(1.2)中标记的零位数据作差，然后再与步骤 (1.1)所得的反馈脉冲当量相乘，即可得到当前的机械臂关节位置；