机器人关节的驱动方法、系统、设备、介质及程序产品与流程

本公开涉及机械控制，尤其涉及一种机器人关节的驱动方法、系统、设备、介质及程序产品。

背景技术：

1、近年来，微创手术机器人在辅助外科医生进行微创手术方面，以其能够提供直观操作、操作过程舒适、学习曲线短、消除手部颤动等优势，得到越来越多的推广应用。而手术器械作为末端执行单元，能够根据医生主端操作完成对病人组织的各类缝合、剪切、牵拉、夹持等动作，因此手术器械的运动精度和响应快慢，直接影响最终手术结果。

2、但手术器械由于直接与病人接触，因此使用前必须满足无菌要求，使用前的器械都需要进行严格的灭菌流程，这种流程往往面临高温、高湿等恶劣条件，同时手术器械寿命低，本身属于一种医疗耗材，因此在手术器械末端执行关节往往不便安装传感器（如用于位置检测的位置编码器、用于力测量的拉力传感器等），从而导致仅在手术器械驱动单元部分存在位置反馈传感器，手术器械本身缺少位置或力传感器。

3、手术器械关节往往是通过丝传动连接驱动电机与关节，传动丝长度会随着丝拉力的大小的变化而变化，产生传动误差，在关节更换运动反向时，尤为严重，我们称这种换向传动误差为柔性回差，并且这种回差与丝拉力大小有关。

4、为方便拆换手术器械，手术器械驱动单元与手术器械之间还设计有快换装置（一种可以快速脱离或重建手术器械关节与驱动电机轴连接的设计，如十字头连接器、一字头连接器等），手术器械驱动单元往往也存在多级行星减速机，从而使得手术器械驱动电机到手术器械关节之间存在传动误差，特别地，当运动方向改变时，驱动电机轴与减速机轴、快换连接轴输出端都会产生传动误差，称为刚性回差。

5、由于手术器械刚性回差与柔性回差的存在，且往往缺少相应的测量传感器，使得手术器械的精确位置控制成为一个难题，部分学者或研究机构采用算法补偿的方法实现。

6、然而，现有的回差补偿方法没有考虑实际机器人使用中的各种复杂情形，导致回差值的确定不准确，进而导致机器人的关节转动控制不精确等问题。

技术实现思路

1、本公开要解决的技术问题是为了克服现有技术中的回差补偿方法没有考虑实际机器人使用中的各种复杂情形、导致机器人的关节转动控制不精确的缺陷，提供一种机器人关节的驱动方法、系统、设备、介质及程序产品。

2、本公开是通过下述技术方案来解决上述技术问题：

3、本公开提供一种机器人关节的驱动方法，所述驱动方法包括：

4、构建所述机器人的关节的各个转动状态与对应的回差角度之间的静态回差映射关系；

5、其中，所述回差角度用于表征所述机器人中，电机的实际驱动角度与所述关节的实际转动角度之间的差值；所述实际驱动角度基于所述电机的驱动轴的第一转动角度、所述驱动轴与所述关节的关节轴之间的等效关系计算得到；

6、获取所述关节的目标转动角度和第一实际转动状态；

7、根据所述第一实际转动状态和所述静态回差映射关系，匹配得到所述关节的第一回差角度；

8、采用所述第一回差角度对所述目标转动角度进行补偿，以得到所述电机的第一驱动角度；

9、控制所述电机以所述第一驱动角度，驱动所述关节进行转动。

10、较佳地，所述构建关节的各个转动状态与对应的回差角度之间的静态回差映射关系的步骤之前还包括：

11、测试得到所述关节在不同所述转动状态下的所述回差角度。

12、较佳地，所述转动状态包括所述关节的关节运动方向、所述关节上有无负载、负载作用方向、负载大小、初始回差角度中的至少一种。

13、较佳地，所述获取所述关节的目标转动角度和第一实际转动状态的步骤之前还包括：

14、控制所述电机驱动所述关节转动到最大角度位置或最小角度位置；

15、获取所述关节的第二转动角度和所述驱动轴的第三转动角度；

16、根据所述第二转动角度和所述第三转动角度，获取所述初始回差角度。

17、较佳地，所述采用所述第一回差角度对所述目标转动角度进行补偿，以得到所述电机的第一驱动角度的步骤包括：

18、在所述关节上无负载且所述关节运动方向为正向时，计算所述目标转动角度与所述第一回差角度之和，得到所述第一驱动角度；

19、在所述关节上无负载且所述关节运动方向为负向时，计算所述目标转动角度与所述第一回差角度之差，得到所述第一驱动角度；

20、在所述关节上有负载、所述关节运动方向为正向、所述负载作用方向为负向且所述负载大小与摩擦力大小之和小于或者等于所述电机的最大驱动力时，计算所述目标转动角度与所述第一回差角度之和，得到所述第一驱动角度；

21、其中，所述摩擦力大小为所述电机驱动所述关节转动的综合摩擦力的大小；

22、在所述关节上有负载、所述关节运动方向为正向、所述负载作用方向为正向且所述负载大小大于或者等于所述摩擦力大小时，将所述目标转动角度作为所述第一驱动角度；

23、在所述关节上有负载、所述关节运动方向为正向、所述负载作用方向为正向且所述负载大小小于所述摩擦力大小时，计算所述目标转动角度与所述第一回差角度之和，得到所述第一驱动角度；

24、在所述关节上有负载、所述关节运动方向为负向、所述负载作用方向为正向且所述负载大小与所述摩擦力大小之和小于或者等于所述电机的所述最大驱动力时，计算所述目标转动角度与所述第一回差角度之差，得到所述第一驱动角度；

25、在所述关节上有负载、所述关节运动方向为负向、所述负载作用方向为负向且所述负载大小大于或者等于所述摩擦力大小时，将所述目标转动角度作为所述第一驱动角度；

26、在所述关节上有负载、所述关节运动方向为负向、所述负载作用方向为负向且所述负载大小小于所述摩擦力大小时，计算所述目标转动角度与所述第一回差角度之差，得到所述第一驱动角度。

27、较佳地，当所述关节的所述转动状态发生变化时，所述控制所述电机以所述第一驱动角度，驱动所述关节进行转动的步骤之后还包括：

28、在检测到所述关节的转动状态发生变化时，获取所述关节的第二实际转动状态；

29、根据所述第二实际转动状态和所述静态回差映射关系，匹配得到所述关节的第二回差角度；

30、基于所述第一回差角度、所述第二回差角度和回差过渡带宽，获取从开始回差过渡到回差过渡完成之间各个时刻的中间回差角度；

31、采用所述中间回差角度对所述目标转动角度进行补偿，以得到不同时刻下所述电机的第二驱动角度；

32、控制所述电机以所述第二驱动角度，驱动所述关节进行转动；

33、当所述中间回差角度等于所述第二回差角度时，确定所述回差过渡完成，并继续控制所述电机基于所述第二回差角度对应的所述第二驱动角度进行转动，以驱动所述关节进行转动。

34、较佳地，所述负载大小通过所述电机的电流计算得到和/或通过拉力传感器测量得到初始角度获取模块，用于获取所述关节的第二转动角度和所述；

35、和/或，

36、所述实际转动角度通过位置传感器测量得到和/或通过相机测量得到。

37、较佳地，所述机器人包括手术机器人、工业机器人、协作机器人中的至少一种。

38、本公开还提供一种机器人关节的驱动系统，所述驱动系统包括：

39、映射关系构建模块，用于构建所述机器人的关节的各个转动状态与对应的回差角度之间的静态回差映射关系；

40、其中，所述回差角度用于表征所述机器人中，电机的实际驱动角度与所述关节的实际转动角度之间的差值；所述实际驱动角度基于所述电机的驱动轴的第一转动角度、所述驱动轴与所述关节的关节轴之间的等效关系计算得到；

41、第一状态获取模块，用于获取所述关节的目标转动角度和第一实际转动状态；

42、第一回差获取模块，用于根据所述第一实际转动状态和所述静态回差映射关系，匹配得到所述关节的第一回差角度；

43、第一角度获取模块，用于采用所述第一回差角度对所述目标转动角度进行补偿，以得到所述电机的第一驱动角度；

44、第一驱动模块，用于控制所述电机以所述第一驱动角度，驱动所述关节进行转动。

45、较佳地，所述驱动系统还包括：

46、回差测试模块，用于测试得到所述关节在不同所述转动状态下的所述回差角度。

47、较佳地，所述转动状态包括所述关节的关节运动方向、所述关节上有无负载、负载作用方向、负载大小、初始回差角度中的至少一种。

48、较佳地，所述驱动系统还包括：

49、初始转动控制模块，用于控制所述电机驱动所述关节转动到最大角度位置或最小角度位置；

50、初始角度获取模块，用于获取所述关节的第二转动角度和所述驱动轴的第三转动角度；

51、初始回差获取模块，用于根据所述第二转动角度和所述第三转动角度，获取所述初始回差角度。

52、较佳地，所述第一角度获取模块还用于：

53、在所述关节上无负载且所述关节运动方向为正向时，计算所述目标转动角度与所述第一回差角度之和，得到所述第一驱动角度；

54、在所述关节上无负载且所述关节运动方向为负向时，计算所述目标转动角度与所述第一回差角度之差，得到所述第一驱动角度；

55、在所述关节上有负载、所述关节运动方向为正向、所述负载作用方向为负向且所述负载大小与摩擦力大小之和小于或者等于所述电机的最大驱动力时，计算所述目标转动角度与所述第一回差角度之和，得到所述第一驱动角度；

56、其中，所述摩擦力大小为所述电机驱动所述关节转动的综合摩擦力的大小；

57、在所述关节上有负载、所述关节运动方向为正向、所述负载作用方向为正向且所述负载大小大于或者等于所述摩擦力大小时，将所述目标转动角度作为所述第一驱动角度；

58、在所述关节上有负载、所述关节运动方向为正向、所述负载作用方向为正向且所述负载大小小于所述摩擦力大小时，计算所述目标转动角度与所述第一回差角度之和，得到所述第一驱动角度；

59、在所述关节上有负载、所述关节运动方向为负向、所述负载作用方向为正向且所述负载大小与所述摩擦力大小之和小于或者等于所述电机的所述最大驱动力时，计算所述目标转动角度与所述第一回差角度之差，得到所述第一驱动角度；

60、在所述关节上有负载、所述关节运动方向为负向、所述负载作用方向为负向且所述负载大小大于或者等于所述摩擦力大小时，将所述目标转动角度作为所述第一驱动角度；

61、在所述关节上有负载、所述关节运动方向为负向、所述负载作用方向为负向且所述负载大小小于所述摩擦力大小时，计算所述目标转动角度与所述第一回差角度之差，得到所述第一驱动角度。

62、较佳地，当所述关节的所述转动状态发生变化时，所述驱动系统还包括：

63、第二状态获取模块，用于获取所述关节的第二实际转动状态；

64、第二回差获取模块，用于根据所述第二实际转动状态和所述静态回差映射关系，匹配得到所述关节的第二回差角度；

65、第三回差获取模块，用于基于所述第一回差角度、所述第二回差角度和回差过渡带宽，确定从开始回差过渡到回差过渡完成之间各个时刻的中间回差角度；

66、第二角度获取模块，用于采用所述中间回差角度对所述目标转动角度进行补偿，以得到所述电机的第二驱动角度；

67、第二驱动模块，用于控制所述电机以所述第二驱动角度，驱动所述关节进行转动；

68、过渡完成确定模块，用于所述中间回差角度等于所述第二回差角度时，确定所述回差过渡完成，并继续控制所述电机基于所述第二回差角度对应的所述第二驱动角度进行转动，以驱动所述关节进行转动。

69、较佳地，所述负载大小通过所述电机的电流计算得到和/或通过拉力传感器测量得到；

70、和/或，

71、所述实际转动角度通过位置传感器测量得到和/或通过相机测量得到。

72、较佳地，所述机器人包括手术机器人、工业机器人、协作机器人中的至少一种。

73、本公开还提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并用于在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述的机器人关节的驱动方法。

74、本公开还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述的机器人关节的驱动方法。

75、本公开还提供一种计算机程序产品，包括计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述的机器人关节的驱动方法。

76、在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本公开各较佳实例。

77、本公开的积极进步效果在于：通过预先测试得到机器人关节在不同的转动状态下的回差角度，确定回差角度对目标转动角度的补偿关系，以及设计相应的回差过渡方法，使得在机器人实际工作时，根据关节的实际转动状态，可以迅速、准确地匹配得到相应的回差角度，并计算得到电机的驱动角度，以实现回差补偿和回差过渡，提高机器人关节转动的精确性和平稳性，进而提高机器人的综合控制效果。