[发明专利]检测机器人臂的碰撞

说明书

一种机器人系统，包括两个机器人和控制单元。每个机器人具有基座和从基座延伸到器械的附件的臂。每个臂包括多个关节，由此可以改变臂的构造。每个机器人包括用于每个关节的驱动器以及位置传感器和扭矩传感器，该驱动器配置为驱动关节移动。控制单元根据来自传感器的输入控制驱动器。控制单元：确定根据位置传感器的输入所指示的臂构造中，机器人的臂的关节上的重力扭矩；根据来自扭矩传感器的输入和所确定的重力扭矩，确定在所指示的臂构造中机器人的臂的关节上的残余扭矩；计算每个臂的候选力，该候选力在施加到该臂上时会引起所确定的残余扭矩；并且如果第一机器人的臂上的候选力平衡第二机器人的臂上的相反候选力，则确定碰撞。

技术领域

本公开涉及控制机器人的运动，尤其是外科手术机器人的运动。

背景技术

图1示出了在公共工作空间中操作的多个机器人101、102、103。在该示例中，机器人是用于对人104执行操作的外科手术机器人。每个机器人包括通过柔性臂连接到手术器械的基座。机器人是由外科医生远程控制的。外科医生位于外科医生控制台200，如图2所示。外科医生操纵手控制器201、202。控制系统将手控制器的运动转换成控制信号，以移动手术机器人的臂关节和/或器械末端效应器。一个以上机器人可以同时移动。

在共同的工作空间操作机器人臂会引起这些机器人臂相互碰撞的风险。在一个紧凑的公共工作空间中，尤其可能发生一个机器人的操作区域与另一个机器人的操作区域明显重叠的情况。在主从机械手系统中，例如上述外科医生-机器人系统，碰撞的可能性增加，因为机器人臂的运动不是预先计划的，而是响应于外科医生的输入而执行的。

在具有多个机器人的主从机械手系统中，已知将所有机器人安装在公共底盘上。在这种情况下，机器人基座的相对位置是已知的。使用传感数据，可以确定每个机器人臂的姿态。因此，一个机器人臂上的每个点的位置可以相对于另一个机器人臂上的每个点的位置来确定。使用该信息，控制系统可以检测机器人臂的即将发生的碰撞，并修改机器人臂的运动以防止碰撞。

在机器人不安装在公共底盘上，而是独立安装的系统中，一个机器人相对于另一个机器人的位置不是固有已知的。如果机器人的相对位置不能以其他方式确定，那么上述机制就不能用于检测和防止碰撞。此外，一旦发生碰撞，机器人臂上发生碰撞的部分就无法确定。

需要一种用于检测机器人臂碰撞而不需要知道机器人臂的相对位置的控制系统。

发明内容

根据第一方面，提供了一种机器人系统，包括：第一机器人和第二机器人，每个机器人具有基座和从所述基座延伸到器械的附件的臂，所述臂包括多个关节，由此可以改变所述臂的构造；对于每个关节，所述机器人包括配置为驱动所述关节移动的驱动器，以及配置为感测所述关节的位置传感器和扭矩传感器；和控制单元，所述控制单元配置为接收来自所述位置传感器和所述扭矩传感器的输入，并根据所接收的输入来控制所述驱动器，所述控制单元配置为：确定在根据所述位置传感器的输入所指示的臂构造中，所述第一机器人和所述第二机器人的臂的关节上的重力扭矩；根据来自所述扭矩传感器的输入和所确定的所述重力扭矩，确定在所指示的臂构造中所述第一机器人和所述第二机器人的臂的关节上的残余扭矩；计算每个臂的一个或多个候选力，所述候选力在施加到该臂上时会引起所确定的所述残余扭矩；以及如果所述第一机器人的臂上的一个或多个候选力平衡所述第二机器人的臂上的相反候选力，则确定碰撞。

所述控制单元可以在确定碰撞时控制所述驱动器，以防止所述第一机器人和所述第二机器人的臂移动。

所述控制单元可以在确定碰撞时，控制所述驱动器将所述第一机器人和所述第二机器人的臂从接触点移开。

所述控制单元可以仅在所述候选力超过阈值力时控制所述驱动器。

所述控制单元可以仅当所述候选力的时域廓线具有大于阈值梯度的梯度时，控制所述驱动器。