本發(fā)明涉及機(jī)器人制造調(diào)試，尤其涉及一種長骨骨折手術(shù)機(jī)器人復(fù)位位姿誤差在線補(bǔ)償方法。

背景技術(shù)：

1、在機(jī)器人的制造、安裝及調(diào)試階段，會(huì)引入一定的誤差。此外，傳動(dòng)系統(tǒng)在長期運(yùn)作過程中可能出現(xiàn)的間隙、磨損等問題也會(huì)進(jìn)一步累積誤差。這些因素共同作用，可能導(dǎo)致機(jī)器人連桿的參數(shù)誤差，從而在機(jī)器人執(zhí)行運(yùn)動(dòng)任務(wù)時(shí)，實(shí)際到達(dá)的位姿與預(yù)定的理論位姿之間存在偏差。因此，采取相應(yīng)的補(bǔ)償措施是確保其精確定位和高效執(zhí)行的關(guān)鍵。

2、機(jī)器人末端位姿誤差補(bǔ)償方法是一種有效提升位姿精度的策略，它主要包含離線補(bǔ)償和在線補(bǔ)償兩大類。離線補(bǔ)償策略在機(jī)器人的工作空間中對(duì)一系列末端位姿進(jìn)行誤差測(cè)量，并基于這些數(shù)據(jù)構(gòu)建機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)誤差模型。通過這種方式，可以在機(jī)器人操作前準(zhǔn)確估計(jì)并修正可能出現(xiàn)的位姿偏差，從而顯著提高機(jī)器人執(zhí)行任務(wù)時(shí)的定位精度。機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)標(biāo)定是常用的離線補(bǔ)償方法，已有的文獻(xiàn)提出了一種考慮機(jī)器人基坐標(biāo)系位姿誤差的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型參數(shù)標(biāo)定方法、基于機(jī)器人末端距離誤差的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)誤差標(biāo)定方法、基于空間網(wǎng)格的位姿誤差補(bǔ)償方法、基于數(shù)控系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)提出工業(yè)機(jī)器人定位誤差補(bǔ)償方法、將機(jī)器人末端執(zhí)行器的姿態(tài)誤差等價(jià)為驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)的輸入誤差，以關(guān)節(jié)輸入為自變量建立機(jī)器人誤差模型，并通過離線識(shí)別和在線補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了模型的有效性。但是離線補(bǔ)償方法無法補(bǔ)償機(jī)器人工作時(shí)受環(huán)境、負(fù)載等影響導(dǎo)致的位姿誤差，位姿精度提升程度有限。

3、而機(jī)器人末端位姿誤差在線補(bǔ)償法，利用高精度的測(cè)量設(shè)備獲取機(jī)器人末端位姿誤差，然后通過誤差補(bǔ)償算法修正機(jī)器人末端位姿，使機(jī)器人在工作過程中不斷調(diào)整末端位姿逼近目標(biāo)位姿，具有實(shí)時(shí)性。已有的在線補(bǔ)償方法是根據(jù)激光跟蹤儀反饋的數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)器人實(shí)際位姿與目標(biāo)位姿之間的誤差，然后通過kuka機(jī)器人提供的機(jī)器人傳感器接口在線補(bǔ)償位姿誤差，但該方法沒有給出位姿誤差轉(zhuǎn)換到關(guān)節(jié)誤差的具體計(jì)算過程。還有一種工業(yè)機(jī)器人定位誤差在線自適應(yīng)補(bǔ)償方法，通過自主判斷誤差等級(jí)變化和自適應(yīng)優(yōu)化位姿映射模型方法，確保在線補(bǔ)償精度滿足要求，但該方法繁瑣復(fù)雜。使用激光跟蹤儀實(shí)時(shí)測(cè)量機(jī)器人末端位置，通過二階擾動(dòng)觀測(cè)器識(shí)別外部擾動(dòng)，在擾動(dòng)觀測(cè)的基礎(chǔ)上以滑?？刂破魍瓿蓹C(jī)器人的魯棒控制，提高機(jī)器人絕對(duì)定位精度，但沒有對(duì)機(jī)器人末端姿態(tài)進(jìn)行誤差補(bǔ)償。上述在線補(bǔ)償方式均采用價(jià)格昂貴的激光跟蹤儀反饋機(jī)器人位姿誤差。

4、在手術(shù)機(jī)器人末端安裝了手術(shù)工具，安裝過程會(huì)出現(xiàn)一定的誤差，手術(shù)機(jī)器人幾何誤差、非幾何誤差和系統(tǒng)誤差的影響會(huì)導(dǎo)致手術(shù)過程中機(jī)器人末端期望位姿與實(shí)際位姿存在偏差。

5、另一方面，手術(shù)系統(tǒng)包括機(jī)器人基坐標(biāo)系、患者空間坐標(biāo)系和圖像空間坐標(biāo)系等，這些坐標(biāo)系之間的配準(zhǔn)精度對(duì)手術(shù)機(jī)器人末端位姿精度有著較大的影響。安裝在機(jī)器人末端的手術(shù)工具在患者空間下的定位精度決定了手術(shù)系統(tǒng)執(zhí)行手術(shù)骨折復(fù)位的精度。

6、不難看出，現(xiàn)有技術(shù)中還存在諸多問題，需要對(duì)現(xiàn)有的手術(shù)機(jī)器人復(fù)位位姿誤差的補(bǔ)償方法進(jìn)行改進(jìn)，以克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為此，為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的上述問題，本發(fā)明提出一種長骨骨折手術(shù)機(jī)器人復(fù)位位姿誤差在線補(bǔ)償方法。

2、本發(fā)明通過以下技術(shù)手段解決上述問題：

3、一種長骨骨折手術(shù)機(jī)器人復(fù)位位姿誤差在線補(bǔ)償方法，包括：

4、s1、通過術(shù)前路徑規(guī)劃得到目標(biāo)位姿矩陣

5、s2、通過機(jī)器人標(biāo)定得到手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)中的光學(xué)定位系統(tǒng)的坐標(biāo)系和機(jī)器人基坐標(biāo)系之間的變換關(guān)系以及光學(xué)工具的坐標(biāo)系和機(jī)械臂末端的坐標(biāo)系之間的變換關(guān)系

6、s3、通過所述s2中得出的和利用機(jī)器人逆運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)值法求取關(guān)節(jié)位置θtemp；

7、s4、將所述s3中獲取的θtemp輸入機(jī)器人控制器，使機(jī)器人運(yùn)動(dòng)到理論目標(biāo)位姿；

8、s5、通過光學(xué)定位系統(tǒng)測(cè)量出經(jīng)過所述s4運(yùn)動(dòng)后的當(dāng)前位姿

9、s6、通過計(jì)算所述s5得到的當(dāng)前位姿與所述目標(biāo)位姿矩陣之間的誤差微分算子δt；

10、s7、根據(jù)所述s6中的得到的δt計(jì)算出誤差運(yùn)動(dòng)向量δd；

11、s8、采用所述s7中得到的δd，判斷所述||δd||2是否小于閾值ε；若是，則補(bǔ)償停止；若否，則進(jìn)入s9；

12、s9、依據(jù)所述s1中的初始目標(biāo)位姿和所述s7中得到的誤差運(yùn)動(dòng)向量δd，計(jì)算出階段性目標(biāo)位姿依據(jù)階段性目標(biāo)位姿得出新的和重復(fù)迭代所述s2-s8。

13、進(jìn)一步的，所述s2中的手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)包括：

14、機(jī)械臂，用于實(shí)施手術(shù)；光學(xué)定位系統(tǒng)，用于確定手術(shù)過程中機(jī)械臂和骨頭的位姿。

15、進(jìn)一步的，所述光學(xué)定位系統(tǒng)包括：光學(xué)定位儀、光學(xué)工具t1、光學(xué)工具t2和光學(xué)工具t3，光學(xué)工具t1、光學(xué)工具t2和光學(xué)工具t3均帶有紅外線反射球，所述光學(xué)定位儀位于所述機(jī)械臂一側(cè)，所述光學(xué)定位儀通過追蹤紅外線反射球獲得被動(dòng)光學(xué)工具中心點(diǎn)在光學(xué)定位系統(tǒng)坐標(biāo)系下的位置；

16、所述光學(xué)工具t1設(shè)置于近端骨位置，用于確定近端骨的位姿；

17、所述光學(xué)工具t2設(shè)置于遠(yuǎn)端骨位置，用于確定遠(yuǎn)端骨的位姿；

18、所述光學(xué)工具t3設(shè)置于機(jī)械臂末端的法蘭盤上，用于測(cè)量計(jì)算機(jī)器人末端位姿。

19、進(jìn)一步的，所述θtemp的計(jì)算方法為：

20、通過計(jì)算出法蘭盤與基坐標(biāo)系的關(guān)系，通過對(duì)進(jìn)行逆運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算得到θtemp。

21、進(jìn)一步的，所述微分算子δt的計(jì)算公式為：

22、r代表旋轉(zhuǎn)矩陣；t代表平移矩陣。

23、進(jìn)一步的，所述s7中：

24、δd＝[dx,dy,dz,δx,δy,δz]t。

25、進(jìn)一步的，所述s8中閾值ε為2mm。

26、本發(fā)明通過基于骨折復(fù)位的路徑規(guī)劃的結(jié)果，在光學(xué)定位系統(tǒng)計(jì)算機(jī)器人復(fù)位目標(biāo)位姿與機(jī)械臂關(guān)節(jié)角，使機(jī)械臂移動(dòng)得到機(jī)器人復(fù)位實(shí)際位姿，并通過補(bǔ)償方法迭代改變機(jī)器人關(guān)節(jié)角度，使機(jī)器人復(fù)位實(shí)際位姿逐漸逼近目標(biāo)位姿。在后續(xù)迭代過程中，位姿誤差波動(dòng)較大，難以收斂到穩(wěn)定值。相比之下，采用復(fù)位位姿誤差在線補(bǔ)償，沒有出現(xiàn)位置誤差增大的情況，且迭代過程中位姿誤差波動(dòng)較小，可使機(jī)器人復(fù)位位姿逐漸逼近目標(biāo)位姿。

技術(shù)特征：

1.一種長骨骨折手術(shù)機(jī)器人復(fù)位位姿誤差在線補(bǔ)償方法，其特征在于，包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的長骨骨折手術(shù)機(jī)器人復(fù)位位姿誤差在線補(bǔ)償方法，其特征在于，所述s2中的手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)包括：

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的長骨骨折手術(shù)機(jī)器人復(fù)位位姿誤差在線補(bǔ)償方法，其特征在于，所述光學(xué)定位系統(tǒng)包括：光學(xué)定位儀、光學(xué)工具t1、光學(xué)工具t2和光學(xué)工具t3，光學(xué)工具t1、光學(xué)工具t2和光學(xué)工具t3均帶有紅外線反射球，所述光學(xué)定位儀位于所述機(jī)械臂一側(cè)，所述光學(xué)定位儀通過追蹤紅外線反射球獲得被動(dòng)光學(xué)工具中心點(diǎn)在光學(xué)定位系統(tǒng)坐標(biāo)系下的位置；

4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的長骨骨折手術(shù)機(jī)器人復(fù)位位姿誤差在線補(bǔ)償方法，其特征在于，所述θtemp的計(jì)算方法為：

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的長骨骨折手術(shù)機(jī)器人復(fù)位位姿誤差在線補(bǔ)償方法，其特征在于，所述微分算子δt的計(jì)算公式為：

6.根據(jù)利要求1所述的長骨骨折手術(shù)機(jī)器人復(fù)位位姿誤差在線補(bǔ)償方法，其特征在于，所述s7中：

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的長骨骨折手術(shù)機(jī)器人復(fù)位位姿誤差在線補(bǔ)償方法，其特征在于，所述s8中閾值ε為2mm。

技術(shù)總結(jié)
一種長骨骨折手術(shù)機(jī)器人復(fù)位位姿誤差在線補(bǔ)償方法，包括：通過術(shù)前路徑規(guī)劃得到目標(biāo)位姿矩陣通過機(jī)器人標(biāo)定得到和利用機(jī)器人逆運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)值法求取關(guān)節(jié)位置θ<subgt;temp</subgt;；將所述S3中獲取的θ<subgt;temp</subgt;輸入機(jī)器人控制器，使機(jī)器人運(yùn)動(dòng)到理論目標(biāo)位姿；通過光學(xué)定位系統(tǒng)測(cè)量出經(jīng)過所述S4運(yùn)動(dòng)后的當(dāng)前位姿通過計(jì)算所述得到的當(dāng)前位姿與所述目標(biāo)位姿矩陣之間的誤差微分算子ΔT；根據(jù)得到的ΔT計(jì)算出誤差運(yùn)動(dòng)向量Δd；采用所述Δd，判斷所述||Δd||<subgt;2</subgt;是否小于閾值ε；若是，則補(bǔ)償停止；若否，則進(jìn)入下一步；依據(jù)所述初始目標(biāo)位姿和所述誤差運(yùn)動(dòng)向量Δd，計(jì)算出階段性目標(biāo)位姿依據(jù)階段性目標(biāo)位姿得出新的和重復(fù)迭代所述S2?S8。

技術(shù)研發(fā)人員：盧耀安,廖有夢(mèng),王成勇
受保護(hù)的技術(shù)使用者：廣東工業(yè)大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/6