[发明专利]一种基于动力学模型的骨科手术机器人控制方法

权利要求书

1.一种基于动力学模型的骨科手术机器人控制方法，所述骨科手术机器人包括底座和多个关节，每个所述关节通过对应设置的电机驱动，其特征在于，所述方法包括：

确定待校准关节的待校准关节坐标系和其他关节的关节坐标系在底座的基准坐标系中的坐标变化关系，并确定待校准关节在所述待校准关节坐标系中的重力矢量；

通过所述坐标变化关系和所述重力矢量确定每个关节对所述待校准关节的重力矩并累加得到所述待校准关节受到的总重力矩；

将所述骨科手术机器人的关于摩擦力与摩擦力矩的stribeck模型中与摩擦力相关的系数作为待辨识参数、构建得到待辨识矩阵，所述stribeck模型的表达式为其中，τ_f表示摩擦力矩；f_s表示静摩擦力；w表示角速度；w_s表示stribeck速度；f_v表示粘性摩擦力，其计算公式为f_c表示库伦摩擦力，其计算公式为其中，μ_v表示粘性摩擦系数，μ_c表示库伦摩擦系数，表示关节转角的一阶导数，则所述待辨识矩阵包括粘性摩擦系数μ_v、库伦摩擦系数μ_c、静摩擦力f_s和stribeck速度w_s；

通过LM算法迭代求解得到所述待辨识矩阵的初始解并作为遗传算法的初始化种群；

基于遗传算法得到所述待辨识矩阵的迭代结果；

将所述迭代结果代入所述stribeck模型中得到所述待校准关节的总摩擦力矩；

基于动力学模型根据所述总重力矩和所述总摩擦力矩得到所述待校准关节的力矩合；

通过所述力矩合得到所述待校准关节的对应电机的位置信号值，根据所述位置信号值驱动所述待校准关节。

2.根据权利要求1所述的骨科手术机器人控制方法，其特征在于，所述重力矢量g_i的计算公式为：

其中，g₀为待校准关节在基座坐标系的重力矢量，g₀＝[0,0,-9.81]^T，表示所述基座坐标系变换至所述待校准关节坐标系中的旋转矩阵。

3.根据权利要求1所述的骨科手术机器人控制方法，其特征在于，所述确定每个关节对所述待校准关节的重力矩，包括对于任意第j个关节：

根据所述待校准关节在所述待校准关节坐标系中的重力矢量确定所述第j个关节在所述待校准关节坐标系下的重力转化值计算公式为：

其中，m_j表示所述第j个关节的质量，g_i表示待校准关节在所述待校准关节坐标系中的重力矢量；

根据所述待校准关节坐标系与所述第j个关节的关节坐标系之间坐标变化关系确定所述第j个关节在所述待校准关节坐标系下的重力坐标计算公式为：

其中，表示待校准关节坐标系和第j个关节坐标系的坐标变化关系，r_j表示第j个关节在第j个关节坐标系中的坐标；

根据所述第j个关节在所述待校准关节坐标系下的重力转化值和所述第j个关节在所述待校准关节坐标系下的重力坐标得到所述第j个关节对所述待校准关节的重力矩。

4.根据权利要求3所述的骨科手术机器人控制方法，其特征在于，所述重力矩的计算公式为：

其中，表示第j个关节在所述待校准关节坐标系下的重力转化值，表示第j个关节在所述待校准关节坐标系下的重力坐标的Z轴坐标。

5.根据权利要求1所述的骨科手术机器人控制方法，其特征在于，所述总重力矩的计算公式为：

其中，X表示所述骨科手术机器人的自由度，表示第j个关节对所述待校准关节的重力矩。