[发明专利]机器人系统以及反向驱动该系统的方法

权利要求书

1.一种机器人系统，包括：

工具；

操纵器，所述操纵器支撑所述工具且包括多个关节和多个关节致动器；以及

控制器，所述控制器与所述操纵器通讯、且配置成通过将所述工具表示为具有虚拟质量的虚拟刚体以虚拟仿真来模拟所述工具的动态，所述虚拟质量具有关于所述多个关节中的至少一个关节的惯量；

所述控制器配置成：(1)确定所述至少一个关节的期望关节扭矩，(2)将所述期望关节扭矩与所述至少一个关节的实际关节扭矩进行比较来确定关节扭矩差，(3)确定所述虚拟质量关于所述至少一个关节的所述惯量，(4)使用所述关节扭矩差和所述惯量来计算关于所述至少一个关节的角加速度，(5)将该角加速度投射到所述虚拟质量来确定外力，(6)响应于所述外力以所述虚拟仿真来模拟所述工具的动态，以及(7)根据所述虚拟仿真来指令所述关节致动器的动作。

2.根据权利要求1所述的机器人系统，其中所述控制器还配置成：(1)确定所述期望关节扭矩，(2)将所述期望关节扭矩与所述实际关节扭矩进行比较，(3)确定所述虚拟质量的所述惯量，以及(4)为每个所述关节单独地计算所述角加速度。

3.根据权利要求1所述的机器人系统，其中所述控制器还配置成：(5)将所述角加速度投射到所述虚拟质量，以及(6)通过结合使用所述多个关节来模拟所述工具的动态。

4.根据权利要求1所述的机器人系统，其中所述控制器还配置成：(5)将所述角加速度投射到所述虚拟质量，以通过结合所述多个关节的所述角加速度来确定所述外力来获得所述虚拟质量在六个自由度中的加速度。

5.根据权利要求4所述的机器人系统，其中所述控制器还配置成通过将每个所述关节的指令关节角与实际关节角进行比较以确定每个所述关节的关节角差来获得所述虚拟质量的所述加速度。

6.根据权利要求5所述的机器人系统，其中所述控制器还配置成通过将每个所述关节的所述虚拟质量的第一运动与所述虚拟质量的第二运动进行比较以确定每个所述关节的运动差来获得所述虚拟质量的所述加速度。

7.根据权利要求6所述的机器人系统，其中所述控制器还配置成通过在雅克比矩阵中映射每个所述关节的所述关节角差以及每个所述关节的所述运动差来获得所述虚拟质量的所述加速度。

8.根据权利要求4-7中任一项所述的机器人系统，其中所述控制器还配置成：(5)通过将六个自由度中的所述虚拟质量的所述加速度输入到限定六个自由度中的所述虚拟质量的质量/惯性矩阵中来确定所述外力而将所述角加速度投射到所述虚拟质量以确定所述外力。

9.根据权利要求1-7中任一项所述的机器人系统，还包括用于感测施加到所述工具的输入力的力-扭矩传感器。

10.根据权利要求9所述的机器人系统，其中所述控制器还配置成响应于所述输入力和所述外力两者以所述虚拟仿真重新模拟所述工具的动态、且根据考虑了所述输入力和所述外力两者的所述虚拟仿真来重新指令所述关节致动器的动作。

11.一种操作机器人系统的方法，所述机器人系统包括工具、支撑所述工具且包括多个关节和多个关节致动器的操纵器、以及与所述操纵器通讯的控制器，虚拟仿真将工具表示为具有虚拟质量的虚拟刚体，所述虚拟质量具有关于至少一个关节的惯量，所述方法用于实施非手术程序并且包括使控制器：

确定所述至少一个关节的期望关节扭矩；

将所述至少一个关节的所述期望关节扭矩与实际关节扭矩进行比较来确定关节扭矩差；

确定虚拟质量关于所述至少一个关节的惯量；

使用关节扭矩差和惯量来计算关于所述至少一个关节的角加速度；

将角加速度投射到虚拟质量以确定外力；

响应于所述外力以虚拟仿真模拟所述工具的动态；以及

根据虚拟仿真指令关节致动器的动作。