一种机器人末端执行器控制方法与流程

1.本发明涉及机器人，特别是涉及一种控制机器人末端执行器结构的方法。


背景技术：

2.传统的器械多为无源器械，如眼科手术中的注射器、眼内镊、眼内剪等，需要人工操作才能驱动其完成注射、镊合、剪切等操作。但随着自动化技术的高速发展，越来越多的机器人被应用于医疗行业，如眼科手术机器人等。与之配套形成了各式各样的有源器械，目前的有源眼科器械主要有气泵驱动和电机驱动两种方式，前一种的控制精度较低，后一种的由于器械内部集成了电机结构较为复杂、制造成本高昂，且由于器械内部集成了电机有漏电的风险。
3.另外，现有的医疗机器人多采用主从式操作，即分为主操作手和从操作手，从操作手上安装器械，医生对主操作手进行操作，再通过主操作手带动从操作手及其上的器械实施特定动作。但该种操作方式较为复杂，且由于主操作手的控制自由度要求高，其对器械的特定功能性运动，如注射器大推拉注射，显微镊、显微剪的开合，难以实现一体化的精准控制。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种准确控制机器人末端执行器工作的方法，以保证工作准确和降低生产、维护成本。
5.本发明所述的机器人末端执行器控制方法，包括末端执行器，和控制末端执行器工作的机械按键和电子触控装置，其特征在于：系统启动后，在电子触控装置中选择器械类型，并进入相应器械的机械按键控制模式；若器械类型为抽吸类器械，当进行吸液操作时，电机目标位移量l与吸液容量v、电机位移与器械抽吸拉动长度映射比例a、器械存储空间筒径r的关系为：双击机械按键控制末端执行器进行抽吸操作，电机位移量l与电机目标位移量l、电机当前位置lnow、电机吸液动作中最高位置lmax的关系为：抽吸操作完成后，通过电子触控装置退出机械按键控制模式；若器械类型为开合类器械，当进行开合操作时，电机以先加速后减速的抛物线速度轨迹进行移动，且电机目标位移量l与器械末端啮合长度lo、开合最大角度θ的关系为：
电机目标位移量l与最大速度v、加速度a的关系为： 。
6.所述的机器人末端执行器包括底座、用于安装器械的器具安装机构、输出动力的电机和控制电机工作的控制器，器具安装机构和电机均安装于底座上，底座上还设有导轨和沿导轨移动的滑块，电机的输出端通过传动组件与滑块连接，传动组件上固定安装有驱动器械工作的驱动件，控制器控制电机工作并通过传动组件和驱动件带动器械实施相应动作。
7.进一步地，在抽吸类器械工作时，当电机目标位移量l与电机当前位置之和，小于电机吸液动作中最高位置lmax时，电机目标位移结束后自动停止；当电机目标位移量l与电机当前位置之和，大于电机吸液动作中最高位置lmax时，电机位移至lmax位置后停止运动；当电机到达电机吸液动作中最高位置lmax后，电机进入运动保护状态，继续双击机械按键时不再触发电机运动。
8.进一步地，开合类器械在操作前保持为张开状态，长按机械按键触发电机以预设的加速度a运动，电机位移量la与电机目标位移量l的关系为： ；其中，t为运动时间。
9.进一步地，在注射操作时，电机采用与最小步进相对应的电机运动速度vi驱动器械沿筒轴注射方向运动，电机位移量l为：；其中，t为运动时间。
10.进一步地，开合类器械在操作前保持为张开状态，长按机械按键触发电机以预设的加速度a运动，电机位移量la与电机目标位移量l的关系为： ；其中，t为运动时间。
11.进一步地，当电机位移量la小于目标位移量l，且运动时间t小于电机运动至加速运动最大位移量所需的时间时，放开机械按键后，电机使用与加速度a同量反向的减速度做减速运动，减速运动的初速度v0为： 。
12.进一步地，当la=l时，末端执行器进入运动保护状态，电机开始减速运动并直至器具转变为完全闭合状态，减速运动位移量ld为：
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。
13.本发明所述的机器人末端执行器控制方法，其控制的机器人末端执行器结构简单，工作稳定、准确，且能够配合各类传统无源器械进行操作，极大地提高了机器人的适用性和降低安全风险。同时，机器人末端执行器可适配抽吸类和开合类的器械，其解决了对器械执行功能性操作自动化控制的问题，并根据工作场景设计使用机械按键（脚踏板）作为主操作设备，既符合工作人员的操作习惯，降低了机器人辅助操作的学习投入，又能够有效简化机器人操作系统，节省空间占用，避免与器械发生干涉。而控制方法则利用线性电机对两类器械的功能性操作进行运动映射，其通过器械更换的程序即可配合机器人末端执行器工作，可有效降低机器人辅助操作的复杂程度，提升机器人辅助操作的能力。
附图说明
14.图1是机器人末端执行器的结构示意图。
15.图2是机器人末端执行器的爆炸结构示意图。
16.图3是驱动件与注射器的连接结构示意图。
具体实施方式
17.下面将结合附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
18.需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示（诸如上、下、左、右、前、后、顶、底、内、外、垂向、横向、纵向，逆时针、顺时针、周向、径向、轴向
……
），则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态（如附图所示）下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
19.另外，若本发明实施例中有涉及“第一”或者“第二”等的描述，则该“第一”或者“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
20.本发明还提出一种机器人末端执行器控制方法。
21.本发明实施例中，末端执行器控制方法包括末端执行器，和控制末端执行器工作的机械按键和电子触控装置；系统启动后，在电子触控装置中选择器械类型，并进入相应器械的机械按键控制模式；若器械类型为抽吸类器械，当进行吸液操作时，电机目标位移量l与吸液容量v、电机位移与器械抽吸拉动长度映射比例a、器械存储空间筒径r的关系为：
双击机械按键控制末端执行器进行抽吸操作，电机位移量l与电机目标位移量l、电机当前位置lnow、电机吸液动作中最高位置lmax的关系为：抽吸操作完成后，通过电子触控装置退出机械按键控制模式；若器械类型为开合类器械，当进行开合操作时，电机以先加速后减速的抛物线速度轨迹进行移动，且电机目标位移量l与器械末端啮合长度lo、开合最大角度θ的关系为：电机目标位移量l与最大速度v、加速度a的关系为：。
22.所述的器人末端执行器，包括底座、用于安装器械10的器具安装机构、输出动力的电机5和控制电机工作的控制器，器具安装机构和电机均安装于底座上，底座上还设有导轨6和沿导轨移动的滑块7，电机的输出端通过传动组件8与滑块连接，传动组件上固定安装有驱动器械工作的驱动件9，控制器控制电机工作并通过传动组件和驱动件带动器械实施相应动作。
23.所述的控制器既可以是机械按键，如脚踏板，也可以是电子触控装置，还可以同时使用机械按键和电子触控装置。根据电子触控装置上按键与各器械的映射方式，可实现不同器械的操作控制，例如使用抽吸类器械（如注射器）时，可在电子触控装置中选择定量控制模式或持续控制模式，定量控制模式通过电子触控装置中的按键实现，持续控制模式既可以通过电子触控装置中的按键实现，也可通过脚踏板控制；而在使用开合类器械（如显微镊、显微剪、笛针等）时，也可以同时包含按键控制和脚踏控制两种电机运动控制方式。
24.脚踏板在常态为高电平，按键按下时为低电平，io口配置成内部上拉；外部中断上下沿都触发，即按键按下和松开都会进行一次触发，在程序上添加消抖延迟。设定按下和松开两种按键状态，当按键电平由高电平变为低电平触发外部中断时，形成按下的按键状态；当按键电平由低电平变为高电平触发外部中断时，形成松开的按键状态。为了对按键时间进行判断，设定两种按键时间，分别为按键按下的持续时间tc，以及按键松开的空闲时间ti，将这两种按键时间设定为定值，用来区分长按与短按两种按键事件，并且定义按下持续时间计数器tc和松开持续时间计时器ti两个变量，当形成按下的按键事件时，对tc进行清零后开始计时；当形成松开的按键事件时，对ti进行清零后开始计时。当tc》tc时，将会形成长按事件；当tc《=tc时，将会被认定为短按事件。当ti《ti时，将会形成一次单击事件，并对单击事件进行一次计数，当单击次数大于2时，则形成双击事件，形成事件后对单击次数的标志位进行置1。
25.所述的器具安装机构包括可装拆地夹持注射器的针筒的夹具41；驱动件9包括相对设置的注射压块91和外抽动块92，注射压块设置于注射器的活塞杆柄的外侧，外抽动块的一侧设有向内凹陷的驱动槽93，驱动槽宽度小于注射器的活塞杆柄并套于注射器的活塞
杆外。电机工作时，其通过传动组件输出为线性运动，且运动方向与注射器的轴向相一致，当电机带动驱动件朝向注射器的针头移动时，即可以利用注射压块对活塞杆柄施加压力，从而使注射器进行注射操作；而电机带动驱动件反向移动时，外抽动块通过驱动槽的设置带动活塞杆柄朝向运动，使针头离开患者的施术部位，或形成向外抽取液体的操作。另外，注射压块91上可以开有朝向活塞杆柄外侧的调节孔，调节螺栓94螺接于调节孔上且末端与活塞杆柄相抵，通过调节螺栓对活塞杆柄施加压力，而调节螺栓还可以调节其末端与外抽动块之间的距离，以满足不同规格注射器或其它特定要求的使用需要。该种结构的设置可以极为方便地驱动注射器实现所需的操作，极大地提高了操作的方便性和准确性。
26.所述的底座包括底板1，固定安装于底板上的器具座2和固定件3，固定件3为“几”字型且两端可装拆地安装于底板1上，电机5固定安装于固定件的“几”字型内侧与底板之间，导轨6设置于固定件上背向底板的一侧；器具座上开有内凹的调节槽21，调节槽为直线状且背向针头的一端开口设置而朝向针头的一端封闭设置；器具安装机构包括沿调节槽移动的安装座42和将安装座锁紧于调节槽上的锁紧器43，由此改变安装座与器具座之间的相对位置，以满足不同规格注射器的安装需要，且该种机器人末端执行器的结构紧凑，有利于减小整体体积，兼容狭小的工作环境，提高操作的便利性；而器具座上调节槽形状的设置，则可以方便安装座的装拆，也可避免其朝向针头一端脱落而危害患者。
27.所述的传动组件8包括连接电机5输出端的传动块81，连接滑块7且l形设置的传动板82，传动块和传动板相互连接，传动块设置于驱动件9的其中一侧，驱动件的另一侧设有锁紧块83，另有连接传动块、锁紧块和驱动件的锁紧螺栓84，该种传动组件可以有效地将电机的动力转化为带动注射器工作的线性运动，同时，其结构简单、紧凑且工作快速、准确，有利于提高操作的准确性和安全性。
28.所述的机器人末端执行器控制方法，在抽吸类器械工作时，当电机目标位移量l与电机当前位置之和，小于电机吸液动作中最高位置lmax时，电机目标位移结束后自动停止；当电机目标位移量l与电机当前位置之和，大于电机吸液动作中最高位置lmax时，电机位移至lmax位置后停止运动；当电机到达电机吸液动作中最高位置lmax后，电机进入运动保护状态，继续双击机械按键时不再触发电机运动。以更好地保护电机及末端执行器的工作安全性。另外，抽吸操作完成后，电机进入保护状态，不再发生位移，这同样可以保护电机及末端执行器的安全性。还有，在注射操作时，电机采用与最小步进相对应的电机运动速度vi驱动器械沿筒轴注射方向运动，电机位移量l为：；其中，t为运动时间。
29.同样地，为了保护电机，当电机位移量l小于目标位移量l时，长按机械按键触发电机匀速运动，进行注射动作，电机在机械按键放开时停止运动并停留在当前位置；当电机位移量l达到目标位移量l时，系统识别为操作已完成，进入运动保护状态，电机终止运动并停留在当前位置。
30.机械按键的控制是电子触控装置向电机通过串口通讯发送运动指令实现的。针对抽吸类器械操作，根据注射方式的不同需求可以有两种控制方法：定量注射模式，在需要按
照一定注射量分次进行注射操作时可选择；持续注射模式，在需要一次性注射完器械中所有的剂量时选择。
31.其中，定量注射模式包括以下步骤：a1、在电子触控装置中选择定量注射模式，选择所需注射量百分比，根据电机位移与抽吸类器械容量的映射关系计算得到该百分比相应的电机位移量，再根据机器人末端执行器控制方法的映射关系进入相应百分比控制程序；a2、在电子触控装置上选择“注射”程序，向电机发送运动指令，对所要到达的目标位置进行判断，当当前位置与目标位移量之和小于器械注射位置最大值时，电机根据运动指令匀速到达目标位置后停止运动；当当前位置与目标位移量之和大于等于器械注射位置最大值时，电机根据运动指令匀速到达器械注射位置最大值后停止运动；a3、完成注射后，通过电子触控装置退出定量注射模式；机器人末端执行器上的电机进入保护状态，不再发生位移。
32.而持续注射模式，则包括以下步骤：在电子触控装置中选择持续注射模式，在机器人末端执行器上“注射”程序，向电机发送运动指令，电机从当前位置匀速运动到器械注射动作时能到达的最低位置。
33.另外，无论是定量注射模式，还是持续注射模式，当进行吸液操作时，在电子触控装置上选择“吸液”程序，向电机发送运动指令，电机从当前位置匀速运动到器械吸液动作时能到达的最高位置；接着，完成吸液后，通过电子触控装置退出相应的工作模式；机器人末端执行器上的电机进入保护状态，不再发生位移。
34.所述的机器人末端执行器控制方法，开合类器械在操作前保持为张开状态，长按机械按键触发电机以预设的加速度a运动，电机位移量la与电机目标位移量l的关系为： ；其中，t为运动时间。
35.所述的机器人末端执行器控制方法，为保证安全性，当电机位移量la小于目标位移量l，且运动时间t小于电机运动至加速运动最大位移量所需的时间时，放开机械按键后，电机使用与加速度a同量反向的减速度做减速运动，减速运动的初速度v0为： 。
36.且当la=l时，末端执行器进入运动保护状态，电机开始减速运动并直至器具转变为完全闭合状态，减速运动位移量ld为： 。
37.此后，双击机械按键，器械以匀速运动复位至张开状态，且匀速运动的速度大于减
速运动的初速度v0，以使工作人员在操作时有充足的反应时间。
38.针对开合类器械操作，具体包括以下步骤：b1、通过电子触控装置进入开合类器械的操作模式；b2、当进行器械闭合操作时，在电子触控装置上选择“闭合”程序，向电机发送运动指令；此时，根据电机位移与开合类器械最大开合角度的映射关系计算得到电机到达闭合时的位置，电机将匀速到达器械闭合位置后停止运动；进入步骤b4；b3、当进行器械张开操作时，在电子触控装置上选择“张开”程序，电机将匀速到达器械张开位置后停止运动；进入步骤b4；b4、完成器械闭合或张开操作时，通过电子触控装置退出操作模式，机器人末端执行器上的电机进入保护状态，不再发生位移。
39.上述操作方法，按键控制可提供给工作助手进行使用，配合主要工作人员执行夹、剪、吸注等操作，还可用于工作过程中对器械状态调整。
40.以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。