机械系统中的关节控制的制作方法

1.本发明涉及控制机械系统(诸如机器人臂)中的关节的配置，并且具体而言，涉及一种在不使用扭矩传感器数据作为输入的情况下控制该配置的控制器。

背景技术：

2.典型机器人操纵器包括一系列刚性元件，这些刚性元件通过一个或多个关节联接在一起，这些关节可以串联接合以形成臂。操纵器还包括位于该系列刚性元件的第一端处的底座单元和位于与第一端相对的第二端处的末端执行器。操纵器的每个关节由驱动源和对应传动系统驱动，从而引起刚性元件的相对运动。这种相对运动用于改变末端执行器在期望位置的配置。每个关节可以提供旋转运动和/或线性运动。驱动源可以是任何合适的构件，诸如电动机或液压致动器。
3.在理论建模中，致动机器人关节的传动系统可以被建模为“刚性的”。刚性传动系统是没有经受任何静摩擦或反冲的刚性传动系统。反冲是指由于方向变化而经受的空转并且是由传动系统内接口部件之间的间隙或空隙引起的。如果在传动系统中不存在静摩擦或反冲，则由驱动源生成的扭矩(即，提供给传动系统的第一端的输入扭矩)将始终与关节所经受的扭矩(即，在传动系统的与第一端相对的第二端处的输出扭矩)成比例。
4.实际上，致动机器人关节的传动系统的部件具有相关联的弹性水平。因此，无法使用输入扭矩与输出扭矩之间的线性关系对关节的刚度进行准确地建模。因此，有必要使用包含多个反馈项的算法来控制驱动源，这些反馈项对应于在传动系统的输入端和输出端处测量的传感器数据。因此，传感器数据可以用于提供关节的性能的指示。将多个反馈项包含到控制算法中增加了与该算法相关联的控制器的复杂性并且还引入了稳定性限制。
5.需要一种控制机械系统(诸如机器人臂)中的关节的配置的更简单的方法。

技术实现要素：

6.根据第一方面，提供了一种用于控制外科手术机器人中的关节的配置的控制器，该关节由将功率从驱动源传递到关节的传动系统驱动，其中控制器被配置为：接收指示驱动源的配置的第一输入；从第一传感器接收第二输入，该第二输入指示外科手术机器人中的关节的测量配置；使用第一输入和第二输入来计算关于关节的输出扭矩值；以及使用输出扭矩值来计算要由驱动源施加到外科手术机器人中的关节的输入扭矩值。
7.第一输入可以从第二传感器接收并且可以指示驱动源的测量配置。
8.驱动源的测量配置可以是驱动源的经测量的物理位置，并且关节的测量配置可以是关节的经测量的物理位置。
9.该控制器还可以被配置为接收指示关节的期望配置的第三输入。
10.期望配置可以是关节的期望物理位置。
11.可以使用第一输入与第三输入之间的比较来计算输入扭矩值。
12.可以使用第二输入与第三输入之间的比较来计算输入扭矩值。
13.可以使用第一输入的一阶导数与第三输入的一阶导数之间的比较来计算输入扭矩值。
14.可以使用第二输入的一阶导数与第三输入的一阶导数之间的比较来计算输入扭矩值。
15.输出扭矩可以由传动系统的伸长值与传动系统的刚度值之间的关系表征。
16.输出扭矩值可以由等式表示，其中qi是第一输入，qo是第二输入，并且是传动系统的弹簧系数。
17.可以通过连续函数与(q
i-qo)相关。
18.可以选自离散值范围，的每个值与由一个或多个预定阈值定义的伸长值范围相关联。
19.弹簧系数可以根据传动系统的经测量的伸长率而选自三个不同的值，其中：如果经测量的伸长值低于第一预定阈值，则为弹簧系数选择第一值；如果经测量的伸长值高于第一预定阈值并且低于第二预定阈值，则为弹簧系数选择第二值；并且如果经测量的伸长值高于第二预定阈值，则为弹簧系数选择第三值。
20.高于第一预定阈值并且低于第二预定阈值的伸长值范围可以对应于关节的反冲区域。
21.输入扭矩值可以由以下等式表示：
[0022][0023]
其中qi是第一输入，qo是第二输入，qr是第三输入，并且k
po
、k
pi
、k
do
、k
di
和k
t
是与第一输入、第二输入和第三输入相关联的增益。
[0024]
该控制器可以被配置为重复计算输出扭矩值。
[0025]
该控制器可以在动态扭矩观测器中实现，该动态扭矩观测器被配置为通过对由控制器计算的输出扭矩值应用加权来计算动态扭矩值。
[0026]
计算输入扭矩值可以包括从输出扭矩值中减去补偿重力作用的扭矩项。
[0027]
驱动源可以是电机。
[0028]
第一传感器可以位于传动系统的关节所在的第二端处或位于该第二端的近侧的位置处。
[0029]
第二传感器可以位于传动系统的驱动源所在的第一端处或位于该第一端的近侧的位置处。
[0030]
传动系统可以包括一个或多个齿轮。
[0031]
传动系统可以是谐波传动。
[0032]
根据第二方面，提供了一种用于控制外科手术机器人中的关节的配置的方法(例如计算机实现的方法)，该关节由将功率从驱动源传递到关节的传动系统驱动，该方法包括：接收指示驱动源的配置的第一输入；从第一传感器接收第二输入，该第二输入指示外科手术机器人中的关节的测量配置；使用第一输入和第二输入来计算关节的输出扭矩值；以及使用输出扭矩值来计算要由驱动源施加到外科手术机器人中的关节的输入扭矩值。
具体实施方式
[0033]
现在将参考附图以举例的方式描述本发明。在附图中：
[0034]
图1示出了机器人臂的配置；
[0035]
图2是示出了用于控制机器人臂中的关节的配置的理想控制回路的框图；
[0036]
图3示出了机器人关节的传动系统的非线性刚度的特性描述；
[0037]
图4是示出了用于控制机器人臂中的关节的配置的全状态控制方案的框图；
[0038]
图5是示出了如图4所示的控制器的控制算法的框图，该控制算法使用扭矩传感器数据作为输入；
[0039]
图6是示出了用于控制机器人臂中的关节的配置的控制算法的框图，该控制算法不使用扭矩传感器数据作为输入；
[0040]
图7示出了用于使用图6的控制算法来控制机器人关节的方法；
[0041]
图8是示出了用于与图6的控制算法结合使用的机器人臂的动态扭矩观测器的框图。
[0042]
以下描述在机器人系统的上下文中描述了本技术。机器人系统可以包括制造系统，例如车辆制造系统、零件处理系统、实验室系统和操纵器，例如用于危险材料的操纵器或手术操纵器。图1所示的机器人系统具体地为外科手术机器人系统。然而，下面描述的特征不限于这种系统，而是更普遍地适用于机器人系统。
[0043]
图1示出了具有从底座单元102延伸的臂100的外科手术机器人。臂包括由多个转动关节106a-e联接的多个刚性肢部104a-e。转动关节106a-e被配置为施加旋转运动。代替这些转动关节或除了这些转动关节之外，外科手术机器人可以包括用于提供线性运动的一个或多个关节。最靠近底座102的肢部是最近侧肢部104a并且通过近侧关节106a联接到底座。臂的其余肢部各自通过多个关节106b-e中的关节串联联接。腕部108可以包括四个单独转动关节。腕部108将一个肢部(104d)联接到臂的最远侧肢部(104e)。最远侧肢部104e承载外科手术器械112的附接件110。臂100的每个关节106a-e具有一个或多个驱动源114，该驱动源可以被操作以在相应关节处引起旋转运动。每个驱动源114通过传动系统连接到其相应关节106a-e，该传动系统将功率从驱动源传递到关节。在一个实例中，传动系统包括一个或多个齿轮。在更具体的实例中，传动系统是谐波传动。谐波传动包括波发生器、柔性花键和圆形花键的同心布置并且增加了可以由驱动源施加到关节的扭矩。
[0044]
在一个实例中，驱动源114是电机。可替代地，驱动源114可以是液压致动器或任何其他合适的构件。每个关节106a-e还包括提供关于该关节处的当前配置和/或力的信息的一个或多个配置和/或力传感器116。在关节是转动关节的情况下，传感器116中的一者或多者可以是扭矩传感器。在关节被配置为提供线性运动的情况下，一个或多个传感器116中的一者可以是应变仪。除了配置和/或力数据之外，一个或多个传感器116可以另外提供关于温度、电流或压力(诸如液压)的信息。在一个实例中，一个或多个配置传感器是位置传感器。也就是说，配置传感器可以测量关节的物理位置。在这种实例中，传感器116中的一者或多者可以是编码器。编码器是将位置测量转变成电子信号的位置传感器。编码器116可以是线性或旋转编码器。
[0045]
驱动源114布置在它们驱动其运动的关节近侧，以便改善重量分布。为了清楚起见，图1中仅示出了一些驱动源和传感器。还可以理解，外科手术机器人100可以包括比图1
所示的肢部和关节更多或更少的肢部和关节。
[0046]
外科手术机器人100的器械112包括用于执行手术的末端执行器。末端执行器可以采用任何合适的形式。例如，末端执行器可以是光滑钳口、锯齿状钳口、夹持器、一把剪刀、缝合针、相机、激光器、刀、吻合器、烧灼器或吸入器。该器械还包括器械轴和位于器械轴与末端执行器之间的铰接部。铰接部包括允许末端执行器相对于器械的轴移动的若干关节。
[0047]
用于驱动源114和传感器116的配置控制器分布在机器人臂100内。控制器经由通信总线连接到控制单元118。控制单元118包括处理器120和存储器122。存储器122以非暂态方式存储软件，该软件可由处理器120执行以控制驱动源114的操作以使臂100操作。具体而言，软件可以控制处理器120以使驱动源(例如经由分布式控制器)根据来自传感器116的输入以及来自外科医生命令接口124的输入进行驱动。控制单元118联接到驱动源114，以根据由软件的执行所生成的输出来驱动它们。控制单元118电连接到传感器116以从传感器接收感测输入，并且电连接到命令接口124以从其接收输入。参考图1和所有后续附图描述的电连接可以例如各自为电缆或光缆，或可以通过无线连接来提供。
[0048]
命令接口124包括一个或多个输入装置，由此用户可以期望的方式请求末端执行器的运动。输入装置或输入控制器例如可以是手动操作的机械输入装置，诸如控制手柄或操纵杆；触摸操作的输入装置，诸如触摸屏；或无接触输入装置，诸如光学手势传感器或语音传感器。输入装置可以监测眼睛移动以接收输入。输入装置可以例如是这些类型的输入装置的某种组合。由输入装置输入的命令可以包括移动命令，例如以按特定方式移动器械，诸如横向移动和/或旋转。这类命令可以包括末端执行器命令，例如以控制联接到器械112的远侧端部的末端执行器以操作末端执行器(诸如打开/关闭夹钳)或操作(打开或关闭)电外科末端执行器。
[0049]
存储在存储器122中的软件被配置为根据预定的控制策略对这些输入作出响应，并且使臂的关节和器械相应地移动。控制策略可以包括安全特征，其响应于命令输入而调节臂和器械的运动。因此，总的来说，在适当地包括命令接口124的外科医生控制台处的外科医生可以控制器械112以执行期望的外科手术的方式移动。因此，机器人臂100用作主从操纵器，其中控制单元118充当主控制器。控制单元118和/或命令接口124可以远离臂100。
[0050]
图2示出了用于控制如图1所示的机器人臂中的转动关节的配置的理想控制回路200。控制回路包括配置控制器202、扭矩控制器204、惯性输出端206和传感器208。
[0051]
控制器202可以分布在机器人臂(诸如图1所示的臂)中，使得该控制器位于其被配置为控制的关节的近侧。配置控制器202通过反馈回路电连接到一个或多个传感器208。反馈回路使得控制器202能够从传感器接收指示关节的配置的测量。配置控制器202还通过前馈回路连接到控制单元118并且被配置为从控制单元118接收参考配置值q
ref
。在一个实例中，配置控制器202是与控制单元118分开的实体。在另一实例中，配置控制器202和控制单元118被包括在同一实体内。因此，在该实例中，控制单元可以直接连接到传感器208。
[0052]
参考配置q
ref
也可以以其他方式被称为关节的期望或命令配置。参考配置q
ref
是根据外科医生在命令接口124处命令的末端执行器姿态而计算的。参考配置q
ref
可以通过将一个或多个逆向运动学计算应用于所命令的末端执行器姿态来计算。在一个实例中，参考配置q
ref
是关节的期望物理位置。
[0053]
配置控制器202被配置为使用从控制单元118接收到的参考位置值q
ref
和来自传感
器208的反馈值来执行计算，以生成参考扭矩值τ
ref
。参考扭矩值τ
ref
指示将关节移动到参考配置q
ref
所需的需求扭矩。然后将参考扭矩值τ
ref
传输到扭矩控制器204。
[0054]
扭矩控制器204电连接到配置控制器202并且被配置为接收参考扭矩值τ
ref
。根据τ
ref
的该值，关节扭矩控制器被配置为计算待由驱动源生成的期望电流的值。该期望电流用于生成输出扭矩τo，该输出扭矩是关节在被驱动源驱动时经受的实际扭矩。在理想系统中，将扭矩从驱动源传递到关节的传动系统是“刚性的”，因此没有扭矩在从驱动源传递到关节时“损失”。因此，在关节处经受的输出扭矩τo等于由配置控制器202接收到的参考扭矩τ
ref
。
[0055]
非刚性的关节在被驱动时经受与由驱动源提供的输出扭矩τo相反的惯性。惯性可以是由关节内部或外部的许多因素造成的。惯性的示例性原因是因重力而产生的关节重量。另一示例性原因是由关节支撑或与关节接口连接的物体的重量。由于惯性的存在，因此关节在其输出端处的配置qo可以不同于参考配置q
ref
。对于刚性关节，惯性不会对关节的输出配置qo产生影响。因此，对于刚性关节，在输出配置qo与期望配置q
ref
之间不存在差异。
[0056]
提供传感器208来测量关节的输出配置qo。传感器208可以对应于图1所示的传感器116中的一者。因此，传感器208可以被包括在机器人臂100的关节内。在一个实例中，输出配置qo是关节的输出位置。因此，传感器208可以是位置传感器，诸如线性或旋转编码器。在该实例中，传感器208被配置为测量其被包括在内的关节的位置，并且将指示该测量的电信号传输到配置控制器202。该电信号的传输形成反馈回路，配置控制器202使用该反馈回路来计算经更新的值参考扭矩τ
ref
。
[0057]
通常，在控制系统内使用反馈项来指示关节的期望配置与其实际配置之间的偏差并且补偿可以使关节更远离稳定状态的扰动。因此，包含来自传感器208的反馈的参考扭矩值τ
ref
可以随着从传感器208获得连续数据测量而连续更新。反馈回路还可以包括一个或多个滤波器、积分器或微分器，以用于在将从传感器208获得的原始输出值提供给配置控制器202之前对该原始输出值进行操纵。
[0058]
如上所述，要由图2所示的回路控制的关节已经被建模为“刚性的”。对于刚性关节，输入扭矩(即，在传动系统的驱动源所在的第一端处或在该第一端的近侧的位置处测量的扭矩)与输出扭矩(即，在传动系统的关节所在的第二端处或在该第二端的近侧的位置处测量的扭矩)成比例。
[0059]
在关节周围测量的输出扭矩可以由以下等式表征：
[0060]
τo＝k(q
i-qo)
[0061]
其中k是传动系统的弹簧常数或刚度，qi是关节的输入配置，并且qo是关节的输出配置。在一个实例中，如下图4至图6所示，qi在传动系统的第一端处测量，并且qo在传动系统的第二端处测量。因此，输出扭矩由传动系统的伸长率(q
i-qo)与刚度k之间的关系表征。在一些实例中，伸长率与刚度k之间的关系是线性的。在其他实例中，这种关系是非线性的。
[0062]
本文提到的弹簧常数k也可以以其他方式被称为弹簧系数。要注意，弹簧常数(或弹簧系数)并不一定需要针对所有伸长值都具有恒定值。实际上，在一些实例中，弹簧系数是伸长值的连续函数，并且在一些其他实例中，弹簧系数选自离散值集合，其中每个离散值与伸长值的相应范围相关联。
[0063]
如上所述，用于驱动机器人系统内的关节的机构包括相关联的弹性元件，这导致非线性刚度特性。特别地，这种弹性是谐波传动的特性。图3是示出了机器人臂中的弹性关
节的示例性非线性刚度特性的曲线图。该曲线图在x轴上绘制伸长，而在y轴上绘制输出扭矩。输出扭矩可以由位于传动系统的关节所在的第二端处的传感器测量。用于测量输出扭矩的传感器可以是量规传感器。量规传感器被配置为测量由于机械应变而引起的电压变化。通过qi从关节的输出配置qo中减去输入配置来计算伸长率。在图4至图6中，输入配置由位于传动系统的驱动源所在的第一端处的第一传感器测量。输出配置由位于传动系统的关节所在的第二端处的第二传感器测量。
[0064]
在图3中，输出扭矩τo以nm为单位测量，而伸长率ε以度为单位测量。在可替代实例中，伸长率ε可以以弧度为单位测量。在这两个实例中，用于测量输入和输出配置的第一传感器和第二传感器是旋转位置传感器。在另一实例中，伸长率可以是线性测量，可以使用从线性位置传感器获得的测量来计算该线性测量。在该实例中，伸长率可以以米为单位测量。在另一实例中，伸长率可以是无量纲的。伸长率的无量纲测量的实例是百分比。
[0065]
图3所示的曲线图包括五个不同区域302至310。区域302和310展现了传动系统伸长率与输出扭矩τo之间的直接比例关系。也就是说，随着传动系统的伸长率增加，输出扭矩以恒定速率增加。这表示如上文参考图2描述的关节的理想性能。区域302示出了针对负伸长值的关节性能，而区域310示出了针对正伸长值时的关节性能。在区域302和310中绘制的曲线图的梯度表示传动系统在相关联的伸长值范围内的刚度k。
[0066]
区域306表示反冲现象，其中表示传动系统的刚度的线的梯度接近零。如上所述，反冲是指机构中的在其改变方向时经受的空转，并且是由传动系统的接口部件之间的间隙或空隙引起的。对于谐波传动，反冲是圆形花键与柔性花键之间的空隙和/或柔性花键在扭矩下的弹性变形的结果。这种现象通常发生在伸长值的区域内。在图3所示的实例中，伸长值的该区域在-0.1度与0度之间。应当理解，对于不同关节，反冲区域将在不同伸长值范围内呈现其自身。在曲线图的该区域中，经测量的传感器扭矩为零，并且在伸长率在-0.1度与0度之间增加时保持为零。因此，在-0.1度与0度的伸长率之间的关节方向的反转期间，没有扭矩通过传动系统从驱动源传输到关节。
[0067]
区域304和308是过渡区。在这些区中，传动系统在反冲区域与其预期性能区域之间转变。在这些区域期间，在伸长率与传感器扭矩之间存在非线性关系。
[0068]
在图3中记录的整个伸长值范围内的传动系统的代表性刚度由穿过曲线图的所有区域的回归线312的梯度表示。从图3中可看出，对于弹性关节，伸长率与输出扭矩之间的关系不完全是线性的。也就是说，刚度特性在反冲区域306中的梯度(其为零)大体上不同于其在区域302和310中的梯度。因此，由312表示的直线确实为所有伸长值提供了传动系统的刚度特性的准确表示。
[0069]
无法对展现如图3所示的非线性特性的关节性能进行准确地建模。因此，对于机器人控制系统而言重要的是包含测量关节的真实性能并且使用这些性能测量作为反馈项来调整用于驱动关节的参考信号的反馈回路。
[0070]
单个弹性关节的微分方程可以表示如下:
[0071][0072][0073]
在以上等式中，m,b,k,d,fi和fo是控制变量。m是传动系统的输出端处的惯性，bo是
其输入端处(即，在驱动源的输出端处)的惯性，k是传动系统的弹簧常数，并且d是阻尼项。因此，d表示由于传动系统中的弹性而损失的能量。fi是输入扭矩扰动。例如，输入扭矩扰动可以是由于静摩擦而引起的。fo是输出扭矩扰动。在一个实例中，输出扭矩扰动是由机器人臂中的其他关节引起的。
[0074]
除了上述控制变量之外，微分方程观测到弹性关节的四个状态变量：位置、速度、加速度和扭矩。可以在传动系统的输入端或输出端处定义这些变量。在以上等式中，关节的输出配置qo是关节的输出位置。因此，和分别是输出位置相对于时间的一阶导数和二阶导数。也就是说，和分别是传动系统的第二端处的速度和加速度。相应地，qi、和是传动系统的第一端处的位置、速度和加速度。可以通过使用位于传动系统的第一端和第二端的位置和扭矩传感器测量上述状态变量来将以上微分方程参数化。速度和加速度是位置相对于时间的导数，因此可以根据从位置传感器测量的位置测量来进行计算。传统上，从扭矩传感器测量获得扭矩数据值。
[0075]
图4是示出了用于控制机器人臂中的关节的配置的全状态控制方案的框图。在图4所示的特定实例中，关节的配置是其位置。控制方案可以被包括在参考图1描述的关节控制器内。控制方案包括通过互连电路系统彼此电连接的扭矩控制器402和控制回路404。关节控制器402包括用于连接到机器人臂的关节406的一个或多个电连接。机器人臂可以对应于图1所示的臂100，并且关节406可以对应于关节104a-e中的一者或多者。
[0076]
扭矩控制器402被配置为计算待由驱动源生成并且由传动系统传输到关节406的输入扭矩值τi。控制回路404被配置为从关节406接收传感器数据并且使用该传感器数据作为反馈来计算参考扭矩值τ
ref
。
[0077]
扭矩控制器402包括驱动源408和驱动源控制器410。驱动源408连接到机器人臂的关节406和驱动源控制器410。驱动源408被配置为向驱动机器人臂的关节406的传动系统供应输入扭矩τi。在一个实例中，驱动源408是电机。在其他实例中，驱动源408可以是液压或气动致动器或任何可替代电源。驱动源控制器410被配置为控制驱动源的性能，并且因此控制关节406周围的输入扭矩。
[0078]
驱动源408和驱动源控制器410通过从控制器传递到驱动源的前馈回路和从驱动源传递到控制器的反馈回路彼此电连接。在驱动源是电机的实例中，前馈回路使得控制器能够将三相电压供应提供给电机。在该实例中，反馈回路使得电机能够向控制器供应三相电流反馈。反馈回路用于修改供应给电机的电压，并且因此修改电流。因此，反馈回路确保预期扭矩正由电机生成。
[0079]
扭矩控制器402还包括用于测量指示关节406的性能的一个或多个参数的多个传感器。传感器被进一步配置为生成与其测量相关联的电信号，使得可以将这些电信号传输到控制回路404。在一个实例中，传感器被包括在关节406内。在另一实施方案中，传感器在关节406的外部，但联接到关节406。多个传感器可以对应于图1所示的传感器116。在图4中，多个传感器包括第一传感器412、第二传感器414和第三传感器416。
[0080]
第一传感器412和第二传感器114被配置为测量关节406周围的配置。如上所述，关节的配置可以是关节的位置。在该实例中，传感器可以是编码器。根据编码器所联接的关节的运动，编码器可以是线性编码器或旋转编码器。第一传感器412被配置为测量关节406的
输入配置。在驱动源的输出端处测量输入位置，该驱动源被配置为驱动该关节。因此，第一传感器412可以位于传动系统的驱动源408所在的第一端处或位于该第一端的近侧的位置处。第二传感器414被配置为测量关节406处的输出配置。在关节的输入端处测量输出配置。因此，第二传感器位于传动系统的关节406所在的第二端处或位于该第二端的近侧的位置处。第三传感器416被配置为测量关节406周围的输出扭矩。因此，第三传感器也位于传动系统的第二端处。传感器412、414、416可以被配置为连续感测指示关节的性能的数据。可以定期执行数据的这种连续感测。也就是说，来自关节的数据的感测可以由传感器以预定采样率执行。该采样率可以诸如在图1所示的命令接口124处是可配置的。
[0081]
除了一个或多个传感器之外，扭矩控制器402包括用于对从相应传感器接收到的电信号进行滤波的一个或多个传感器滤波器。提供滤波器来组合来自多个数据值的信息以高效地监测关节的性能。在一个实例中，滤波器是时间滤波器，该时间滤波器用于针对每个新数据值递增地更新其信息。第一滤波器418被配置为对从第一传感器412接收到的电信号进行滤波。在第一传感器412是输入位置传感器的情况下，第一滤波器418被配置为对输入位置值进行滤波。相应地，第二滤波器422电连接到第二传感器414并且被配置为对从该传感器接收到的电信号进行滤波。因此，在第二传感器414是输出位置传感器的情况下，第二滤波器422被配置为对输出位置值进行滤波。第三滤波器426电连接到第三传感器416。因此，第三滤波器426被配置为对输出扭矩值进行滤波。
[0082]
扭矩控制器402还包括用于分别从第一传感器412和第二传感器414导出经滤波的导数值的第四滤波器420和第五滤波器424。如上所述，传感器412、414、416对数据的感测可以以预定采样率执行。第四滤波器420和第五滤波器422被配置为保持采样率的记录，以该采样率测量传感器数据。速度是位置相对于时间的一阶导数。因此，在第一传感器412和第二传感器414是输入和输出位置传感器的情况下，第四滤波器420和第五滤波器422被配置为使用预定义采样率和连续采样的数据值来分别计算关节的输入和输出速度值。
[0083]
除电连接到一个或多个传感器之外，一个或多个传感器滤波器还电连接到传入互连电路系统428。传入互连电路系统428还连接到控制回路404。因此，互连电路系统428被配置为将传感器数据从扭矩控制器402传输到控制回路404。因此，传感器数据可以作为反馈而被提供给控制回路404。在一个实例中，互连电路系统是通信总线，诸如ethercat总线。
[0084]
控制回路404被配置为计算要提供给驱动源408的参考扭矩τ
ref
。可以使用参考配置q
ref
和从经测量的传感器数据导出的多个反馈回路来计算参考扭矩τ
ref
。控制回路404包括第六滤波器430、配置控制器432、动态扭矩观测器434和重力补偿器436。
[0085]
第六滤波器430连接到配置控制器432并且被配置为接收一个或多个传入参考配置值q
ref
(诸如来自控制单元118)。第六滤波器430被进一步配置为对这些值进行滤波，以作为输入提供给配置控制器432。滤波器430被进一步配置为计算该参考配置的一阶导数q
ref
的值。在参考配置是关节406的参考位置的情况下，该参考配置的一阶导数(相对于时间)是参考速度。第六滤波器430可以对应于扭矩控制器402的滤波器418、420、422、424、426。也就是说，位置滤波器可以被配置为组合来自多个数据值的信息以高效地监测输入位置值，并且使用所存储的预定义采样率和连续采样的参考位置值来计算参考速度值。
[0086]
控制回路还包括电连接到第六滤波器430的输出端和传入互连电路系统428的重力补偿器436。重力补偿器436被配置为从第六滤波器430接收参考配置数据并且通过互连
电路系统428输出来自第三传感器416的扭矩值。重力补偿器436被进一步配置为使用从第六滤波器430获得的数据来计算预期扭矩值。然后可以由重力补偿器436通过从输出扭矩τo中减去预期扭矩来计算值经重力补偿的测量扭矩。将该经重力补偿的测量扭矩提供给动态扭矩观测器434。
[0087]
除了经重力补偿的测量扭矩之外，动态扭矩观测器434被配置为从互连电路系统428接收输入配置、输出配置和输出配置的一阶导数的值。动态扭矩观测器434被进一步配置为根据其接收到的输入来计算动态扭矩值τ
dynamic
。由动态扭矩观测器434将动态扭矩值τ
dynamic
传输到配置控制器432。配置控制器432还电连接到第六滤波器430和互连电路系统428。因此，除了τ
dynamic
之外，配置控制器432被进一步配置为从传入互连电路系统428接收输入和输出配置以及这些配置的一阶导数。位置控制器被进一步配置为从第六滤波器430接收参考配置和该值的一阶导数。根据这些接收到的值，配置控制器432计算要提供给扭矩控制器402的参考扭矩值τ
ref
。由传出互连电路系统434将参考扭矩τ
ref
从命令回路404传输到扭矩控制器402。如同传入互连电路系统428，传出互连电路系统434可以是通信总线，诸如ethercat总线。
[0088]
图5是示出了用于控制机器人关节的配置的控制算法500的框图，该控制算法使用扭矩传感器数据作为反馈项来计算输入扭矩值τi。例如，位置控制算法可以被包括在图4所示的配置控制器432内。位置控制算法使用参考配置q
ref
(例如从控制单元118接收)和多个反馈项来计算要提供给驱动源的输入扭矩值τi。参考配置q
ref
最初乘以第一传递函数502并且被提供给第一求和点504。第一传递函数502包括第一增益，提供该第一增益来操纵q
ref
的原始输入值。
[0089]
控制算法500还包括第二传递函数506，该第二传递函数包括与驱动源相关联的增益g(s)。在驱动源是电机的实例中，增益g(s)是电机增益。电机增益g(s)的值取决于关节的物理特性。物理扭矩值τ
p
和输入扭矩值τi被提供为第二传递函数506的输入。应用于第二传递函数506的物理扭矩τ
p
表示对关节系统的真实扰动。该扭矩不以电子方式存在。第二传递函数506的输出是输出位置qo、输入位置qi和输出扭矩τo。这些输出是从位于关节及其相应传动系统处的传感器获得的测量参数。传感器可以例如对应于图4所示的传感器412、414、416。
[0090]
在关节处测量的来自传递函数506的三个输出qo、qi、τo作为用于计算输入扭矩τi的反馈项而被提供。为每个测量参数提供相关联的反馈回路。每个反馈回路包括对应于其所关联于的输出值的传递函数。例如，用于经测量的输出配置qo的反馈回路包括第三传递函数508。在图5所示的实例中，第三传递函数包括一个相关联的增益ko。在可替代实例中，第三传递函数508包括多于一个增益。第三传递函数508被配置为计算输出配置和输出配置的一阶导数的操纵值，以提供给求和点510。在传递函数包括多于一个增益的实例中，可以为被提供为传递函数508的输入的输出配置的每个导数提供增益。因此，在第三传递函数被配置为计算输出配置和输出配置的一阶导数的操纵值的情况下，第三传递函数508可以包括两个增益。在另一可替代实例中，第三传递函数508可以包括矩阵，其中矩阵的每个元素是将特定输入变量与输出变量相关的函数。
[0091]
为经测量的输入配置qi提供的反馈回路包括第四传递函数512。类似于第三传递函数508，在图5所示的实例中，第四传递函数包括一个相关联的增益ki。在可替代实例中，
第四传递函数512包括多于一个增益。具体地，在第四传递函数被配置为计算输入配置和输入配置的一阶导数的操纵值的情况下，第四传递函数512可以包括两个增益。在另一可替代实例中，第四传递函数512可以包括矩阵，其中矩阵的每个元素是将特定输入变量与输出变量相关的传递函数。
[0092]
第四传递函数512被配置为计算输入配置和输入配置的一阶导数的操纵值，以提供给求和点514。为输出扭矩τo提供的反馈回路包括具有相关联的增益k
τ
的第五传递函数516。因此，将输出扭矩τo的操纵值提供给求和点514。增益ko,ki,k
τ
可以是预定义的连续或恒定值，其可以是从预定的理论或实验数据获得的。增益可以以非暂态形式存储在机器人臂的控制系统内。增益可以被应用于物理测量数据并且用于影响控制算法的性能。
[0093]
反馈回路在求和点510、514求和，并且用于计算求和点504处的输入扭矩τi。也就是说，求和点504接收操纵参考配置q
ref
和操纵传感器数据反馈作为输入并且输出输入扭矩τi。知道传动系统的输入端和输出端处的关节的配置允许控制系统确定传动系统的伸长率。因此，可以根据该伸长率来控制关节。
[0094]
使用图5所示的控制算法，由控制器计算的输入扭矩值τi由以下等式表示：
[0095][0096]
在以上等式中，q
ref
是为臂的每个关节计算的参考配置。根据每个关节的运动，配置可以是有角度的或线性的。k
po
、k
pi
、k
do
和k
di
是第一输入和第二输入的增益。k
po
和k
pi
分别是输入和输出配置的比例增益。k
do
和k
di
分别是输入和输出配置的微分增益。参考配置和测量配置的一阶导数和与相应速度ω
ref
、ωi和ωo同义。
[0097]
图5所示的控制系统需要五个测量反馈项来计算输入扭矩τi。然而，经测量的输出扭矩τo并不总是用于提供关节的性能的准确表示。这具有关节与经受反冲的传动系统(诸如谐波传动)的特定相关性。通常，传动系统的伸长率随着施加到该关节的扭矩的变化而线性变化。如上所述，在非线性关节的反冲区域中，随着关节伸长率改变，经测量的传感器扭矩接近零。因此，在反冲区域期间，扭矩传感器无法用于提供测量扭矩值。需要一种确定要在该区域期间提供给控制器的输出扭矩的更准确的方法。
[0098]
如上所述，机器人关节的输出扭矩可以由以下等式表征：
[0099]
τo＝k(q
i-qo)
[0100]
其中k是关节的弹簧常数，qi是关于关节的输入配置，并且qo是关于关节的输出配置。如前所述，q
i-qo表示传动系统的伸长率。qi和qo都可以使用联接到关节及其相关联的传动系统的传感器来测量。因此，可以使用输入和输出关节配置的经测量的传感器数据来计算关节的输出扭矩。输出扭矩的这种计算可以用于代替从扭矩传感器获得的输出扭矩的测量值。
[0101]
图6是示出了用于在不使用扭矩传感器数据作为反馈项的情况下控制关节的配置的控制算法的框图。相反，将输出扭矩与输入和输出关节配置联系起来的以上等式用于计算输出扭矩值，以将反馈提供给控制系统。用于执行配置控制算法的控制器可以在控制方案中实现，该控制方案大致对应于图4所示的方案，但不包括从第三传感器416获得的扭矩传感器数据。控制算法被配置为由与图4所示的控制器432类似的控制器实现。
[0102]
控制算法包括三个传递函数：第一传递函数602、第二传递函数606和第三传递函
数610。该算法还包括第一求和点604和第二求和点608。如同图5所示的算法，控制算法接收参考配置q
ref
，并且使用该参考配置和多个反馈项来计算输入扭矩值τi。
[0103]
从控制单元(诸如图1中的单元118)接收参考配置q
ref
。参考配置q
ref
被提供为第一传递函数602的输入。下面更详细地描述了第一传递函数602。第二传递函数606包括与驱动源相关联的增益g(s)。物理扭矩值τ
p
和输入扭矩值τi被提供为第二传递函数606的输入。第二传递函数606的输出是输出配置qo和输入配置qi。这些输出是从位于关节及其相应传动系统处的传感器获得的测量参数。
[0104]
在一个实例中，如图6所示，第三传递函数610包括两个值k
t
和和是传动系统的弹簧常数并且可以与如上所述的k同义。下面更详细地描述了k
t
是用于操纵qo和qi的原始值的增益。在可替代实例中，第三传递函数610是矩阵。在该实例中，矩阵的每个元素是将特定输入变量与输出变量相关的函数。
[0105]
在图7中示出了用于使用实现图6的控制算法的控制器来控制机器人关节的方法。在步骤702中，控制器从第一传感器接收第一输入。第一输入指示关节的输入配置qi。第一传感器可以对应于图4中的第一传感器412。如上文参考图4所述，第一传感器412可以位于传动系统的驱动源408所在的第一端处。
[0106]
在步骤704中，控制器从第二传感器接收第二输入。第二输入指示关节的输出配置qo。从第二传感器接收输出配置，该第二传感器可以对应于图4中的第二传感器414。在一个实例中，第二传感器414可以位于传动系统的关节所在的第二端处。
[0107]
在步骤706中，控制器被配置为使用第一输入和第二输入来计算关于关节的输出扭矩值τo。在步骤708中，控制器使用计算出的输出扭矩值来计算要施加到关节的输入扭矩值。在一个实例中，计算输入扭矩包括：从计算出的输出扭矩值τo中减去补偿重力作用的扭矩项。使用补偿重力作用的扭矩项来计算输入扭矩防止关节在其操作期间因重力而漂移。
[0108]
在图6中，接收第一输入和第二输入作为第三传递函数610的输入。在一个实例中，第一输入和第二输入在被提供给第三传递函数610之前按增益缩放。在该实例中，缩放第一输入的增益可以与缩放第二输入的增益不同。第三传递函数610被进一步配置为使用关节的接收到的输出配置值qo和输入配置值qi来计算输出扭矩值τo。该输出扭矩τo对应于扭矩的理想值，该理想值可以与将由扭矩传感器测量的扭矩值不同。也就是说，当关节正经受反冲时，关节的输出扭矩τo的测量值将为零。然而，在这些条件下，使用输入和输出配置值计算的输出扭矩值τo将具有非零值。被提供为来自第三传递函数610的输出的计算出的输出扭矩值τo作为输入而被提供给求和点604。还将第一传递函数602的输出提供给求和点604。
[0109]
求和点604将使用计算出的输出扭矩值以及第一传递函数602的输出来计算输入扭矩值τi。在图7中的步骤708中执行该计算。在图6所示的实例中，第一传递函数602包括一个相关联的增益k
pd
，该相关联的增益对应于图5所示的传递函数508和512的增益ko和ki。在可替代实例中，第一传递函数602包括矩阵，其中矩阵的每个元素是将特定输入变量与输出变量相关的传递函数。因此，传递函数602被配置为接收qo和qi的测量值作为输入并且将这些配置及其导数的操纵版本提供给求和点604。在另一实例中，第一传递函数602包括多于一个增益。在传递函数602被配置为接收qo和qi的测量值作为输入的情况下，其可以包括两个增益。在该实例中，提供第一增益来操纵输出配置qo，并且提供第二增益来操纵输入配置qi。
[0110]
图6中所描述的控制算法可以从指示关节的输入和输出配置的接收连续传感器数据流。因此，控制算法可以被配置为重复计算输入扭矩值τi。输入扭矩τi的连续计算确保控制系统能够在关节性能的扰动发生时立即进行补偿。在一个实例中，这种补偿可以基本上实时发生。
[0111]
使用图6所示的控制算法，由控制器计算的输入扭矩值τi由以下等式表示：
[0112][0113]
在以上等式中，q
ref
是为臂的每个关节计算的参考配置。根据每个关节的运动，配置可以是有角度的或线性的。k
po
、k
pi
、k
do
和k
di
是第一输入和第二输入的增益。k
po
和k
pi
分别是输入和输出配置的比例增益。k
do
和k
di
分别是输入和输出配置的微分增益。参考配置和测量配置的一阶导数和与相应速度ω
ref
、ωi和ωo同义。
[0114]
以上等式的第一项q
ref-qo表示参考配置与关节的经测量的输出配置的比较。通过将参考配置与关节的经测量的输入配置进行比较来计算第二项q
ref-qi。通过将参考配置的一阶导数与关节的经测量的输出配置的一阶导数进行比较来计算第三项通过将参考配置的一阶导数与关节的经测量的输入配置的一阶导数进行比较来计算第四项将参考配置的一阶导数与关节的经测量的输入配置的一阶导数进行比较来计算第四项因此，以上等式的前四项是通过将关节的期望配置与从经测量的传感器数据获得的输入和输出配置进行比较而导出的。也就是说，根据关节的期望配置与其测量配置之间的差异，可以计算输入扭矩，该输入扭矩将趋向于朝向期望配置驱动关节。以上等式的前四项及其相关联的增益被提供为来自第一传递函数602的输出。
[0115]
在一个实例中，要由控制算法600控制的关节的配置是关节的位置。在该实例中，参考配置是关节的参考或期望物理位置。输入和输出配置分别是关节的输入和输出位置。
[0116]
如上所述，被包括在第三传递函数610内的弹簧常数可以与k同义。弹簧常数是理论计算值，该理论计算值是传动系统伸长率q
o-qi的函数。也就是说，是从历史理论或实验数据获得的预定义值或值的范围，并且以非暂态形式存储在机器人臂的控制系统内。参考图3，可以由绘制传动系统伸长率与输出扭矩的曲线图的斜率表征。
[0117]
在一个实例中，弹簧常数通过连续函数与传动系统伸长率相关。也就是说，可以随着传动系统伸长率的变化而连续变化。在另一实例中，弹簧常数可以具有恒定值。也就是说，随着传动系统伸长率的变化而具有相同的值。可替代地，弹簧常数可以选自离散值范围。在该实例中，的每个离散值可以与伸长值的范围相关联，并且伸长值的每个范围可以由一个或多个预定阈值定义。下面展现了弹簧常数选自三个不同的值的范围的实例：
[0118][0119][0120][0121]
在以上实例中，当测量伸长率小于-0.1度时，使用第一弹簧常数值k1。也就是说，第一刚度值k1与由-0.1度的上限阈值表征的伸长值范围相关联。该伸长值范围对应于图3
所示的曲线图的区域302。当传动系统伸长率在-0.1度与0度之间时，使用第二刚度值k2。也就是说，第二刚度值k2与由-0.1度的下限阈值和0度的上限阈值表征的伸长值范围相关联。该伸长值范围对应于图3所示的曲线图的区域306。也就是说，该伸长值范围对应于如图3所示的反冲区域。当测量伸长率大于0度时，使用第三刚度值k3。也就是说，第三刚度值k3与由0度的下限阈值表征的伸长值范围相关联。该伸长值范围对应于图3所示的曲线图的区域310。
[0122]
在另一实例中，弹簧常数可以选自五个不同的值的范围。这五个不同的值包括上述第一刚度值k1、第二刚度值k2和第三刚度值k3。除此之外，当测量伸长率等于或接近-0.1度时，可以选择第四刚度值k4。这对应于图3所示的曲线图的区域304所展现的过渡区。当测量伸长率等于或接近0度时，可以使用第五刚度值k5。这对应于图3所示的曲线图的区域308所展现的过渡区。
[0123]
如上文参考图3所描述，应当理解，上文提供的伸长值范围是示例性的，并且这类值的可替代范围可以与刚度值k1至k5相关联。
[0124]
机器人控制系统可以包括如图5所示的控制器和如图6所示的控制器。也就是说，控制系统可以包括使用经测量的输出扭矩作为反馈项的一个控制器和用计算出的输出值替代该测量值的另一控制器。这两个控制器可以结合使用以控制具有非线性刚度特性的关节，这是由于不同扭矩反馈项在不同伸长值下提供更准确的输入。因此，对于一些伸长值，观测测量扭矩可以是有用的，而对于其他伸长值(例如在反冲区域内)，观测计算扭矩可以是有用的。
[0125]
图5和图6所示的控制器可以在如图8所示的动态扭矩观测器800处实现。如参考图4所描述，动态扭矩观测器的目的是计算关节扭矩值，该关节扭矩值考虑了关节的移动和/或加速度，同时忽略了外力。
[0126]
动态扭矩观测器800包括微分低通滤波器802、惯性定标器804、关节刚度定标器806、第一加权单元808、第二加权单元810和高通滤波器812。该动态扭矩观测器还包括求和点814、816和818。
[0127]
微分低通滤波器802被配置为接收输出速度值(或ωo)作为输入。从由控制算法600执行的经测量的输出配置qo的微分获得该速度值。输出速度ωo用于计算惯性项，该惯性项指示使关节加速所需的力。该值在低频下是有用的，但在高频下产生过多噪声。因此，低通滤波器802被配置为接收传入输出速度值并且从那些接收到的值中滤除高频值。从低通滤波器802输出的值作为输入而被提供给惯性定标器804。惯性定标器804被配置为将固定惯性应用于经滤波的输出速度值，并且计算惯性扭矩值。
[0128]
动态扭矩观测器被进一步配置为使用来自如图5所示的控制器和如图6所示的控制器的输入来计算经更新的输出扭矩值τo。求和点814和关节刚度定标器806用于提供计算出的输出扭矩值τo，如参考上图6所描述，减去了因重力而产生的该扭矩的分量。因重力而产生的输出扭矩的分量可以是理论值。可以使用关节和该关节被包括在内的臂的几何形状、质量和配置来计算该扭矩。τ
adj
的初始值由第二加权单元810进行加权并且将所得操纵值提供给求和点816。
[0129]
提供加权单元808、810来修改提供给求和点816的每个反馈项的比例。第一加权单元808包括第一值1-α。第二加权单元包括第二值α。α是预定参数，其中1≥α≥0。在一个实例
中，α是传动系统伸长率的函数。也就是说，α可以通过连续函数与传动系统伸长率相关，或可以具有恒定值，或可以选自离散值范围，如上文关于所描述。将计算出的/经测量的输出扭矩的从加权单元808、810输出的操纵值提供给求和点816。
[0130]
将输出扭矩假设为包括两个分量：动态扭矩(其由加速度、致动器扭矩和摩擦引起)和外部施加的扭矩。为了观测动态扭矩，必须移除输出扭矩的外部施加的扭矩分量。这是通过添加高通滤波器812来实现的。高通滤波器812接收从求和点816的输出计算的新输出扭矩值并且对该信号进行滤波以消除外部扭矩分量。然后可以将高通滤波器812的操纵输出提供给求和点818。求和点818被进一步配置为从惯性定标器804接收惯性扭矩值，并且提供经修改的动态扭矩值τ
dynamic
作为输出。
[0131]
在上述实例中，用于计算输出扭矩的输入配置qi是从传感器获得的测量配置，该传感器位于传动系统的第一端处或位于该第一端的近侧的位置处。在另一实例中，可以使用已经在测量输出关节配置的时间之前的时间请求的参考关节配置的值来计算输入配置。理想地，对于“刚性”关节，先验参考配置将与关节的输入配置相同。因此，在该实例中，不需要用于测量输入关节配置的传感器，从而增加了关节紧凑性。
[0132]
如上所述，图2至图6将由关节生成的力称为扭矩。因此，图2至图6涉及用于控制转动关节的配置的控制器。在可替代实例中，要控制的关节可以被配置为提供线性运动。在该实例中，可以使用应变仪或其他力传感器来测量和计算对应力。
[0133]
图6所示的控制算法可以用于控制机器人臂中的关节的配置，该机器人臂在不使用扭矩传感器数据作为反馈项的情况下对外部施加的力和因重力而产生的力作出响应。因此，使用该算法的控制系统不需要扭矩传感器(诸如图4中的第三传感器416)来测量关节的输出扭矩。对于仅包括图6所示的配置控制器(与图5所示的附加控制器相反)的机器人控制系统，消除用于测量输出扭矩的传感器将导致更紧凑的关节设计，这又将减少组装步骤的数量和关节的运算成本。由系统内的噪声产生的信号扰动也可以由于传感器输入的减少而减少。
[0134]
除了上文之外，图6所示的控制算法还可以呈现在用于驱动关节的传动系统提供低刚度时使关节控制系统的不稳定性最小化的解决方案。也就是说，通过使反馈项的数量最小化，可以使与这些项相关联的增益的数量最小化。因此，减少了使这些增益的稳定性最大化所需的调整。因此，控制系统可以用于提供对期望扭矩的良好估计，该期望扭矩将需要由驱动源输送以获得给定关节响应。
[0135]
申请人在此独立地公开了本文中所描述的每个单独的特征以及两个或更多个这类特征的任何组合，只要这些特征或组合能够基于本说明书作为一个整体根据本领域技术人员的公知常识来实施，而不管这类特征或特征组合是否解决本文中公开的任何问题，并且不限制权利要求的范围。申请人指出，本发明的各方面可以由任何这样的单个特征或特征组合组成。鉴于以上描述，对于本领域技术人员来说显而易见的是，可以在本发明的范围内进行各种修改。

技术特征：

1.一种用于控制外科手术机器人中的关节的配置的控制器，所述关节由将功率从驱动源传递到所述关节的传动系统驱动，其中所述控制器被配置为：接收指示所述驱动源的配置的第一输入；从第一传感器接收第二输入，所述第二输入指示所述外科手术机器人中的所述关节的测量配置；使用所述第一输入和所述第二输入来计算关于所述关节的输出扭矩值；以及使用所述输出扭矩值来计算要由所述驱动源施加到所述外科手术机器人中的所述关节的输入扭矩值。2.如权利要求1所述的控制器，其中所述第一输入是从第二传感器接收的并且指示所述驱动源的测量配置。3.如权利要求2所述的控制器，其中所述驱动源的所述测量配置是所述驱动源的经测量的物理位置，并且所述关节的所述测量配置是所述关节的经测量的物理位置。4.如任一前述权利要求所述的控制器，其中所述控制器被进一步配置为接收指示所述关节的期望配置的第三输入。5.如权利要求4所述的控制器，其中所述期望配置是所述关节的期望物理位置。6.如权利要求4或权利要求5所述的控制器，其中使用所述第一输入与所述第三输入之间的比较来计算所述输入扭矩值。7.如权利要求4至6中任一项所述的控制器，其中使用所述第二输入与所述第三输入之间的比较来计算所述输入扭矩值。8.如权利要求4至7中任一项所述的控制器，其中使用所述第一输入的一阶导数与所述第三输入的一阶导数之间的比较来计算所述输入扭矩值。9.如权利要求4至8中任一项所述的控制器，其中使用所述第二输入的一阶导数与第三输入的一阶导数之间的比较来计算所述输入扭矩值。10.如任一前述权利要求所述的控制器，其中输出扭矩由所述传动系统的伸长值与所述传动系统的刚度值之间的关系表征。11.如任一前述权利要求所述的控制器，其中所述输出扭矩值由等式表示，其中q
i
是所述第一输入，q
o
是所述第二输入，并且是所述传动系统的弹簧系数。12.如权利要求11所述的控制器，其中通过连续函数与(q
i-q
o
)相关。13.如权利要求11所述的控制器，其中选自离散值范围，的每个值与由一个或多个预定阈值定义的伸长值范围相关联。14.如权利要求13所述的控制器，其中所述弹簧系数根据所述传动系统的经测量的伸长率而选自三个不同的值，其中：如果经测量的伸长值低于第一预定阈值，则为所述弹簧系数选择第一值；如果所述经测量的伸长值高于所述第一预定阈值并且低于第二预定阈值，则为所述弹簧系数选择第二值；以及如果所述经测量的伸长值高于所述第二预定阈值，则为所述弹簧系数选择第三值。15.如权利要求14所述的控制器，其中高于所述第一预定阈值并且低于第二预定阈值
的所述伸长值范围对应于所述关节的反冲区域。16.如任一前述权利要求所述的控制器，其中所述输入扭矩值由以下等式表示：其中：q
i
是所述第一输入，q
o
是所述第二输入，q
r
是所述第三输入，并且k
po
、k
pi
、k
do
、k
di
和k
t
是与所述第一输入、所述第二输入和所述第三输入相关联的增益。17.如任一前述权利要求所述的控制器，所述控制器被配置为重复计算所述输出扭矩值。18.如任一前述权利要求所述的控制器，其中所述控制器在动态扭矩观测器内实现，所述动态扭矩观测器被配置为通过对由所述控制器计算的所述输出扭矩值应用加权来计算动态扭矩值。19.如任一前述权利要求所述的控制器，其中计算所述输入扭矩值包括从所述输出扭矩值中减去补偿重力作用的扭矩项。20.如任一前述权利要求所述的控制器，其中所述驱动源是电机。21.如任一前述权利要求所述的控制器，其中所述第一传感器位于所述传动系统的所述关节所在的第二端处或位于所述第二端的近侧的位置处。22.如任一前述权利要求所述的控制器，其中所述第二传感器位于所述传动系统的所述驱动源所在的第一端处或位于所述第一端的近侧的位置处。23.如任一前述权利要求所述的控制器，其中所述传动系统包括一个或多个齿轮。24.如任一前述权利要求所述的控制器，其中所述传动系统是谐波传动。25.一种用于控制外科手术机器人中的关节的配置的方法，所述关节由将功率从驱动源传递到所述关节的传动系统驱动，所述方法包括：接收指示所述驱动源的配置的第一输入；从第一传感器接收第二输入，所述第二输入指示所述外科手术机器人中的所述关节的测量配置；使用所述第一输入和所述第二输入来计算所述关节的输出扭矩值；以及使用所述输出扭矩值来计算要由所述驱动源施加到所述外科手术机器人中的所述关节的输入扭矩值。

技术总结

一种用于控制外科手术机器人中的关节的配置的控制器，所述关节由将功率从驱动源传递到所述关节的传动系统驱动，其中所述控制器被配置为：接收指示所述驱动源的配置的第一输入；从第一传感器接收第二输入，所述第二输入指示所述外科手术机器人中的所述关节的测量配置；使用所述第一输入和所述第二输入来计算关于所述关节的输出扭矩值；以及使用所述输出扭矩值来计算要由所述驱动源施加到所述外科手术机器人中的所述关节的输入扭矩值。手术机器人中的所述关节的输入扭矩值。手术机器人中的所述关节的输入扭矩值。