[发明专利]一种抑制主从式机器人机械臂末端振动控制方法及系统

说明书

本公开提供一种抑制主从式机器人机械臂末端振动控制方法及系统，涉及手术机器人领域，获取机械臂结构的各阶模态，获取输入力反馈手柄的运动信号；根据运动信号，得到非自主性生理震颤信号，结合运动信号进行补偿后进行解算，得到机械臂各个关节的控制信号；依据各阶模态获取引起关节电机振动的信号频率，得到引起机械臂关节共振的信号；控制信号中剔除引起机械臂关节共振的信号，得到关节电机的执行信号。通过对机械臂结构的分析，结合算法和智能控制，将可能产生的机械臂共振信号与手术操作者手部产生的生理震颤信号进行屏蔽和补偿，抑制机械臂末端振动，保证机械臂动作的精准度和可靠性。

技术领域

本公开涉及手术机器人领域，特别涉及一种抑制主从式机器人机械臂末端振动控制方法及系统。

背景技术

随着科技的进步与经济的发展，数字化技术在医疗中得到广泛的应用。而微创手术机器人设备是数字化医疗应用中最为热点的一个方向。随着手术微创化的发展，手术机器人已经得到外科医生广泛认可并在众多科室开展了临床应用。对患者而言，机器人手术的创伤小、恢复快、并发症少；对医生而言，精准度高、操作灵活、术式丰富。国内外科研人员围绕各类微创手术机器人开展了大量研究。在国外，美国达芬奇手术机器人主要应用于胸腹腔微创手术。以色列的Mazor Robotics公司推出了Mazor脊柱外科机器人和Renaissance脑外科机器人，在脊柱外科率先开展立体影像手术导航。美国Medrobotics公司开发了具备较高柔性的Flex单孔手术机器人。英国帝国理工学院研制了内镜手术蛇形机器人，并与协作机械臂集成形成单孔手术系统。在国内，北京天智航医疗研制了最早获得CFDA认证的天玑骨科机器人。北京柏惠维康研制了用于神经外科的睿米手术机器人，集成手术导航，获得CFDA认证。天津大学研制了用于腹腔手术的妙手手术机器人，开展了临床试验。苏州尚贤医疗机器人研制了内镜手术机器人，开展了临床试验。新博医疗推出的敏睿手术导航系统，为国际上首台投入市场的可实时精确导航和实时疗效监控的手术导航系统。

发明人发现，微创手术机器人在近年的发展中已经具备精准度高、实时性好的优点，提高了医疗手术的质量。但是由于机械臂刚度的不足以及在低频工作环境下容易产生共振的现象，微创手术机器人机械臂末端极易产生结构性颤动；在遥操作过程中，主手机械臂采集的操作者实际信号与期望信号往往存在偏差，此偏差大多是人在无意识情况下产生的生理性震颤(8-12Hz)以及传感器所带来的高频噪声，这使得机器人机械臂会执行操作者非期望信号，在机械臂上的体现就是产生非期望性的微小振动。两种震颤信号的叠加耦合使机器人机械臂末端产生振动，大大影响到手术质量。

发明内容

本公开的目的是针对现有技术存在的缺陷，提供一种抑制主从式机器人机械臂末端振动控制方法及系统，通过对机械臂结构的分析，结合算法和智能控制，将可能产生的机械臂共振信号与手术操作者手部产生的生理震颤信号进行屏蔽和补偿，抑制机械臂末端振动，保证机械臂动作的精准度和可靠性。

本公开的第一目的是提供一种抑制主从式机器人机械臂末端振动控制方法，包括以下步骤：

获取机械臂结构的各阶模态，获取输入力反馈手柄的运动信号；

根据运动信号，得到非自主性生理震颤信号，结合运动信号进行补偿后进行解算，得到机械臂各个关节的控制信号；

依据机械臂各阶模态，结合机械臂各关节电机的工作频率，得到引起机械臂关节与电机共振的信号；

控制信号中剔除引起机械臂关节共振的信号，得到关节电机的执行信号。

进一步地，基于有限元分析获取多姿态下机械臂受力状况，结合拓扑优化设计对机械臂结构进行优化。

进一步地，获取力反馈手柄的运动信号包括三轴加速度数据和三轴角位移数据。

进一步地，基于低延迟滤波法或带通滤波补偿法提取运动信号中的非自主性生理震颤信号。