CN108145713B - 机械臂、其控制方法及手术机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种机械臂、其控制方法及手术机器人，所述机械臂包括：机械单元、控制单元和执行单元；其中，所述机械单元包括多个分支结构及用于连接两个相邻所述分支结构的关节；所述执行单元，用于实现所述关节的解锁和锁定；所述控制单元包括一控制策略，所述控制策略包括一笛卡尔作用力方向和关节的映射；所述控制单元与执行单元通信连接，所述控制单元根据所述笛卡尔作用力方向和关节的映射以及接收的笛卡尔作用力的方向，通知所述执行单元对相应的所述关节解锁，由此通过施加笛卡尔作用力，即可很方便的控制所述关节的解锁和锁定，从而调节机械单元的位姿，即方便的实现了机械臂的控制。

Description

机械臂、其控制方法及手术机器人

技术领域

本发明涉及医疗器械技术领域，特别涉及一种机械臂、其控制方法及手术机器人。

背景技术

随着医学与机器人/计算机等多学科的融合与交叉发展，微创伤手术机器人系统得以开发与应用。微创伤手术机器人装置和/或系统的研发，不仅使得医生能够以较小创伤的、但与传统开口手术相同的视角与操作感受完成手术。更重要的是，它使医生能够在远离病人的地方实施手术，或在病房中病人旁边进行手术操作，或也可以远程通过操作输入装置对远端接受设备进行控制，从而完成手术的操作。

在远程手术中，外科医生使用伺服机构等形式的遥控器操作手术器械的移动，而不是直接手持并移动器械。但是在机器人在前期配置的阶段，需要医生或者护士根据患者的独特状况将机器人与患者进行匹配，并且在手术操作过程中，由于不同器械的更换使用，也需要操作者对机器人的机械臂进行较为频繁的被动操作，现在较常采用的调整方案为按钮开关控制，即操作者可以根据调整需求，适当控制相对应的按钮进行机械臂的关节控制，但是这样的控制模式往往需要多个开关往复的调整才能够较好的完成操作者的调整意图。因此，在手术机器人系统机械臂的被动调整控制方面还需要更加便捷方式的研究与开发，以提高操作的便捷性和安全性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种机械臂、其控制方法及手术机器人，以解决现有技术中的机械臂控制不方便的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种机械臂，所述机械臂包括：

机械单元、控制单元和执行单元；

其中，所述机械单元包括多个分支结构及用于连接两个相邻所述分支结构的关节；

所述执行单元，用于实现所述关节的解锁和锁定；

所述控制单元包括一控制策略，所述控制策略包括一笛卡尔作用力方向和关节的映射；

所述控制单元与执行单元通信连接，所述控制单元根据所述笛卡尔作用力方向和关节的映射以及接收的笛卡尔作用力的方向，通知所述执行单元对相应的所述关节解锁。

可选的，在所述的机械臂中，不再接收到笛卡尔作用力时，所述控制单元通知所述执行单元对相应的所述关节锁定。

可选的，在所述的机械臂中，当笛卡尔作用力作用于所述控制单元时，所述控制单元持续向所述执行单元发送开启信号使得所述关节被解锁，当笛卡尔作用力撤除时，所述控制单元不再向所述执行单元发送开启信号从而使得所述关节被锁定。

可选的，在所述的机械臂中，所述笛卡尔作用力撤除后，所述控制单元接收到与所述控制单元运动方向相反的笛卡尔作用力时，通知所述执行单元对所述关节锁定。

可选的，在所述的机械臂中，所述控制单元包括：感测单元和判断单元；其中，所述感测单元用于接收笛卡尔作用力，感知笛卡尔作用力的方向，并将感知到的笛卡尔作用力方向信息提供给所述判断单元；

所述控制策略被置于所述判断单元，并根据所述笛卡尔作用力方向和关节的映射以及接收的笛卡尔作用力方向，通知所述执行单元对相应的所述关节解锁。

可选的，在所述的机械臂中，所述感测单元包括：操作面板结构、信号传递结构及力信息接收结构；其中，所述操作面板结构用于接收所述笛卡尔作用力；所述信号传递结构用于将所述笛卡尔作用力传递到所述力信息接收结构；所述力信息接收结构感知笛卡尔作用力的方向。

可选的，在所述的机械臂中，所述控制单元还包括滤波单元，所述滤波单元对所述感测单元提供的所述笛卡尔作用力信息滤波处理，再将滤波处理后的笛卡尔作用力信息提供给所述判断单元，以消除系统噪声。

可选的，在所述的机械臂中，所述执行单元为制动器或谐波减速器。

可选的，在所述的机械臂中，所述笛卡尔作用力方向和关节的映射为关节控制力矩，所述关节控制力矩根据所述机械臂的力雅可比矩阵获得。

可选的，在所述的机械臂中，所述机械臂还包括动力机构，所述动力机构用于驱动所述关节运动，所述动力机构与所述控制单元通讯连接，

当所述控制单元在通知所述执行单元对相应的所述关节解锁的同时，还通知所述动力机构驱动相应的关节运动。

可选的，在所述的机械臂中，所述控制单元还接受笛卡尔作用力的大小，所述控制策略还包括一笛卡尔作用力大小和关节速度大小的映射，所述控制单元通知所述动力机构驱动相应的关节运动同时，根据所述笛卡尔作用力大小和关节速度大小的映射以及接收的笛卡尔作用力的大小，通知所述动力机构输出对应的速度。

可选的，在所述的机械臂中，所述控制单元还接受笛卡尔作用力的大小，所述控制策略还包括一笛卡尔作用力大小和动力机构输出力矩大小的映射，所述控制单元通知所述动力机构驱动相应的关节运动的同时，根据所述笛卡尔作用力大小和动力机构输出力矩大小的映射以及接收的笛卡尔作用力的大小，通知所述动力机构输出对应的力矩。

可选的，在所述的机械臂中，所述动力机构的输出力矩大小与所述笛卡尔作用力大小为线性相关；或者，为反正切函数关系；或者，为底数大于1的对数函数关系；或者，为指数大于0且小于1的幂函数关系。

可选的，在所述的机械臂中，所述控制策略还包括阈值，所述控制单元还接收笛卡尔作用力的大小和/或笛卡尔作用力的时间，并依据所述阈值做出判断，当笛卡尔作用力的大小和/或笛卡尔作用力的时间符合要求时，所述控制单元根据所述作用力方向和关节的映射以及接收的笛卡尔作用力的方向，通知所述执行单元对相应的所述关节解锁。

可选的，在所述的机械臂中，多个分支结构分别为悬吊支撑结构、大臂结构、中臂结构、小臂结构和器械支撑结构；

所述关节包括第一转动关节、第二转动关节、第三转动关节和第四转动关节，所述悬吊支撑结构和所述大臂结构通过所述第一转动关节连接，所述大臂结构和所述中臂结构通过所述第二转动关节连接，所述中臂结构和所述小臂结构通过所述第三转动关节连接，所述小臂结构和所述器械支撑结构通过所述第四转动关节连接；

其中，

所述第一转动关节的旋转轴线分别与所述第二转动关节的旋转轴线、所述第三转动关节的旋转轴线、所述第四转动关节的旋转轴线相互垂直，且所述第二转动关节的旋转轴线、所述第三转动关节的旋转轴线和所述第四转动关节的旋转轴线相互平行。

可选的，在所述的机械臂中，所述控制单元安装于所述器械支撑结构上，或者，所述控制单元安装于所述第三转动关节上。

本发明还提供一种如上所述的机械臂的控制方法，所述机械臂的控制方法包括：建立一笛卡尔作用力方向和关节的映射；根据所述笛卡尔作用力方向和关节的映射和接收的笛卡尔作用力的方向，所述控制单元通知执行单元对相应的关节解锁，以调整所述机械单元的位姿。

可选的，在所述的机械臂的控制方法中，所述机械臂还包括动力机构，在施加笛卡尔作用力于所述控制单元期间，所述控制单元还通知所述动力机构按照笛卡尔作用力的方向驱动相应的所述关节运动。

可选的，在所述的机械臂的控制方法中，所述机械臂的控制方法还包括：停止在所述控制单元上施加笛卡尔作用力，所述控制单元通知所述执行单元对相应的关节锁定，以固定所述机械单元的位姿，或者，

所述笛卡尔作用力撤除后，所述控制单元接收到与所述控制单元运动方向相反的笛卡尔作用力时，通知所述执行单元对所述关节锁定。

本发明还提供一种手术机器人，所述手术机器人包括如上所述的机械臂。

在本发明提供的机械臂、其控制方法及手术机器人中，所述机械臂包括：机械单元、控制单元和执行单元；其中，所述机械单元包括多个分支结构及用于连接两个相邻所述分支结构的关节；所述执行单元，用于实现所述关节的解锁和锁定；所述控制单元包括一控制策略，所述控制策略包括一笛卡尔作用力方向和关节的映射；所述控制单元与执行单元通信连接，所述控制单元根据所述笛卡尔作用力方向和关节的映射以及接收的笛卡尔作用力的方向，通知所述执行单元对相应的所述关节解锁，由此通过施加笛卡尔作用力，即可很方便的控制所述关节的解锁和锁定，从而调节机械单元的位姿，即方便的实现了机械臂的控制。

附图说明

图1是本发明实施例的机械臂的一结构示意图；

图2是本发明实施例的机械臂的另一结构示意图；

图3是本发明实施例的感测单元的结构示意图；

图4是本发明实施例的感测单元的部分放大示意图；

图5是本发明实施例的机械臂的受力正视示意图；

图6是本发明实施例的机械臂的受力立体示意图；

图7是本发明实施例的机械臂设置有动力机构的结构示意图；

图8是本发明实施例的机械臂的坐标示意图；

其中，1-机械臂；10-机械单元；20-控制单元；100-分支结构；100a-悬吊支撑结构；100b-大臂结构；100c-中臂结构；100d-小臂结构；100e-器械支撑结构；102-器械结构；110-关节；110a-第一转动关节；110b-第二转动关节；110c-第三转动关节；110d-第四转动关节；200-感测单元；202-操作面板结构；204-信号传递结构；206-力信息接收结构；2060-应变片；210-动力机构；212-第一动力件；214-第二动力件；216-第三动力件；218-第四动力件。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的机械臂、其控制方法及手术机器人作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。此外，附图所展示的结构往往是实际结构的一部分。特别的，各附图需要展示的侧重点不同，有时会采用不同的比例。

请参考图1，在本申请实施例中，以一手术机器人的机械臂为例进行示例性说明，但是本领域技术人员应理解其他构型的机械臂也在本发明的保护范围内。如图1所示，所述机械臂1包括：机械单元10、控制单元20和执行单元(图1中未示出)；其中，所述机械单元10包括多个分支结构100及用于连接两个相邻所述分支结构100的关节110；所述执行单元，用于实现所述关节110的解锁和锁定；所述控制单元20包括一控制策略，所述控制策略包括一笛卡尔作用力方向和关节的映射；所述控制单元20与执行单元通信连接，所述控制单元20根据所述笛卡尔作用力方向和关节的映射，以及接收的笛卡尔作用力的方向，通知所述执行单元对相应的所述关节110解锁。

请继续参考图1，在本申请实施例中，多个所述分支结构100具体数量为五个，分别为悬吊支撑结构100a、大臂结构100b、中臂结构100c、小臂结构100d和器械支撑结构100e。相应的，所述关节110包括第一转动关节110a、第二转动关节110b、第三转动关节110c和第四转动关节110d。具体的，所述悬吊支撑结构100a和所述大臂结构100b通过所述第一转动关节110a连接；所述大臂结构100b和所述中臂结构100c通过所述第二转动关节110b连接；所述中臂结构100c和所述小臂结构100d通过所述第三转动关节110c连接；所述小臂结构100d和所述器械支撑结构100e通过所述第四转动关节110d连接。其中，所述第一转动关节110a的旋转轴线分别与所述第二转动关节110b、所述第三转动关节110c、所述第四转动关节110d的旋转轴线相互垂直，且所述第二转动关节110b的旋转轴线、所述第三转动关节110c的旋转轴线和所述第四转动关节110d的旋转轴线相互平行。所述器械支撑结构100e上可设置有与之可拆卸连接的器械结构102。进一步，所述器械结构102可通过一移动关节与所述器械支撑结构100e连接。

在本申请的其他实施例中，多个所述分支结构100的具体数量可以为更多个或者更少个，例如，多个所述分支结构100的具体数量可以为三个、四个，多个所述分支结构100的具体数量也可以为八个、十个等。相应的，两个相邻所述分支结构100通过一个所述关节110连接。其中，多个所述分支结构100可以通过所述关节110形成串联结构(如图1所示)，多个所述分支结构100也可以通过所述关节110形成并联结构，即所述机械单元10的构型可以是多种多样的，本申请对此并不作限定。

本发明对于所述控制单元20的安装位置没有特别的限制，优选安装于所述机械单元10上，从而直观、方便的就近调整所述机械单元10的位姿。在本申请实施例中，如图1、图5和图6所示，所述控制单元20安装于所述机械单元10中的器械支撑结构100e上。所述器械支撑结构100e相对位于所述机械单元10的端部，更加靠近操作者，因此将所述控制单元20安装于所述器械支撑结构100e更加便于所述操作者进行操作。

具体的，所述机械臂上的关节110均被锁定，即关节所连接形成的分支结构100中各个结构保持相对位姿。当笛卡尔作用力作用于所述控制单元20时，所述控制单元20根据接收的笛卡尔作用力的方向，所述笛卡尔作用力方向和关节的映射，通知所述执行单元对对应的所述关节110解锁，而其他的关节110仍然被锁定。由此，来实现所述机械单元10的位姿的调整。

本实施例提供了一种获得上述的笛卡尔作用力方向和关节的映射的示范性方法。所述机械单元10具有多个所述分支结构时，所述控制单元20中的笛卡尔作用力和关节控制之间可采用雅克比算法形成所述映射关系。具体如图8所示，所述控制单元20安装在器械支撑结构100e上，并能够测量出3个方向的力的大小和方向。

本实施例中，所述机械臂还设立一控制单元坐标系{T}和机械臂基坐标系{R_B}。所述控制单元坐标系{T}固定在所述控制单元20上，所述控制单元坐标系{T}的X轴、Y轴和Z轴的方向如图8所述。所述机械臂基坐标系{R_B}位于机械臂中相对于大地坐标系保持固定的点，例如所述机械臂基坐标系{R_B}位于所述悬吊支撑结构100a远离大臂结构100b的端面上，所述机械臂基坐标系{R_B}的X轴、Y轴和Z轴的方向如图8所述。当操作者对所述控制单元20施加力时，所述控制单元20可以获得在控制单元坐标系{T}下的受力F_T，也就是笛卡尔作用力F_T：

其中，F_TX、F_TY、F_TZ分别表示受力F_T在控制单元坐标系{T}的X轴、Y轴和Z轴上的分力。

进而，根据正向运动学获得所述控制单元坐标系{T}在机械臂基坐标系{R_B}下的姿态描述

进一步，将笛卡尔作用力F_T变换到机械臂基坐标系{R_B}坐标系下，得到：

其中，F_B为笛卡尔作用力F_T在机械臂基坐标系{R_B}下的描述。

根据运动学可以获得工具臂的雅克比矩阵

对其求转置得到力雅可比矩阵

根据力雅克比的性质可以得到关节控制力矩：

式中，τ_i表示所述机械臂的第i个关节的需求的力矩，n表示所述机械臂具有n个关节。

这里，所述关节控制力矩作为笛卡尔作用力方向和关节的映射，然后所述控制单元20判断所述关节控制力矩中每个关节所需求的力矩τ是否大于一标定值(例如标定值为零)，并通知所述执行单元对力矩τ大于所述标定值的关节解锁。应认识到，上述示范性实施例中，控制单元坐标系{T}和机械臂基坐标系{R_B}的坐标轴的取向没有特别的限制，本领域技术人员可以根据具体情况选择。

上述的示范性方法中，所述控制单元20不仅可以获得在控制单元坐标系{T}下的笛卡尔作用力F_T的方向以及大小。在更一般的方法中，所述控制单元20可以仅测量出在控制单元坐标系{T}下的笛卡尔作用力F_T的方向。在本实施例中，只需要根据关节控制力矩获知哪些关节需要解锁，而不是根据真实的需求力矩去驱动关节，因此笛卡尔作用力F_T的大小可以取一预设值。如此，可以简化控制单元20的结构。

在其他一些实施例中，所述控制策略还可以预设置，也可以通过机器学习的方法获得。具体而言，所述控制策略中的笛卡尔作用力方向和关节的映射关系设置，可以在机械臂初始化前，根据机械单元的构型，人工得到笛卡尔作用力方向与关节的映射关系。例如，笛卡尔作用力方向如果为竖直方向，而一转动关节的转动可以实现机械臂末端点竖直方向运动，因此，竖直方向笛卡尔作用力与该转动关节映射，即当判断单元获知笛卡尔作用力方向向上或向下时，根据映射关系，通知执行单元解除对所述该转动关节的锁定。其他方向，也可以类似设置。此外，本发明对机器学习的方法没有特别的限制。例如，控制机械臂每一关节运动，同时其他关节锁定，然后施加对应方向的笛卡尔作用力于控制单元20，所述判断单元记录每个关节与笛卡尔作用力方向的对应关系，进而建立笛卡尔作用力方向和关节的映射。

在本实施例中，所述控制单元20根据接收的笛卡尔作用力的方向，所述笛卡尔作用力方向和关节的映射，通知所述执行单元对第一转动关节110a解锁(即此时所述第一转动关节110a处于可转动的松离状态，所述悬吊支撑结构100a和所述大臂结构100b之间能够活动，例如，所述大臂结构100b能够相对于所述悬吊支撑结构100a转动)，同时，所述第二转动关节110b、所述第三转动关节110c及所述第四转动关节110d均仍被锁定(即此时，所述大臂结构100b和所述中臂结构100c之间、所述中臂结构100c和所述小臂结构100d之间以及所述小臂结构100d和所述器械支撑结构100e之间仍旧保持相对位姿关系，不能够活动)。此时，可以在较小的范围内调整所述机械单元10的位姿，即所述机械单元10的位姿变化空间相对较小。

又如，所述控制单元20根据接收的笛卡尔作用力的方向，上述笛卡尔作用力方向和关节的映射，通知所述执行单元对所述第一转动关节110a和所述第二转动关节110b(即此时，所述悬吊支撑结构100a和所述大臂结构100b之间，所述大臂结构100b和所述中臂结构100c之间能够活动，例如，所述悬吊支撑结构100a和所述大臂结构100b之间能够左右摆动，所述大臂结构100b和所述中臂结构100c之间能够转动等)，同时，所述第三转动关节110c和所述第四转动关节110d仍被锁定(即此时，所述中臂结构100c和所述小臂结构100d之间以及所述小臂结构100d和所述器械支撑结构100e之间仍旧保持相对位姿关系，不能够活动)。

又如，所述控制单元20根据接收的笛卡尔作用力的方向，上述笛卡尔作用力方向和关节的映射，通知所述执行单元对所述第二转动关节110b和第三转动关节110c解锁(即此时，所述大臂结构100b和所述中臂结构100c之间及所述中臂结构100c和所述小臂结构100d之间能够活动，例如，所述大臂结构100b和所述中臂结构100c之间及所述中臂结构100c和所述小臂结构100d之间能够转动或者摆动等)，同时，所述第一转动关节110a和所述第四转动关节110d仍被锁定(即此时，所述悬吊支撑结构100a和所述大臂结构100b之间以及所述小臂结构100d和所述器械支撑结构100e之间仍旧保持相对位姿关系，不能够活动)。

还如，所述控制单元20根据接收的笛卡尔作用力的方向，上述笛卡尔作用力方向和关节的映射，通知所述执行单元对所有所述关节110解锁(即此时，所述悬吊支撑结构100a和所述大臂结构100b之间、所述大臂结构100b和所述中臂结构100c之间、所述中臂结构100c和所述小臂结构100d之间以及所述小臂结构100d和所述器械支撑结构100e之间均能够活动)。此时，可以在较大的范围内调整所述机械单元10的位姿，即所述机械单元10的位姿变化空间相对较大。

优选，在不再接收到笛卡尔作用力时，所述控制单元20通知所述执行单元对相应的所述关节110锁定。具体而言，当笛卡尔作用力作用于所述控制单元20时，所述控制单元20持续向所述执行单元发送开启信号使得所述关节110被解锁，当笛卡尔作用力撤除时，所述控制单元20不再向所述执行单元发送开启信号从而使得所述关节110被锁定。由此，没有接收到笛卡尔作用力时，所述第一转动关节110a、所述第二转动关节110b、所述第三转动关节110c及所述第四转动关节110d均处于锁定状态，相应的，所述悬吊支撑结构100a和所述大臂结构100b之间、所述大臂结构100b和所述中臂结构100c之间、所述中臂结构100c和所述小臂结构100d之间以及所述小臂结构100d和所述器械支撑结构100e之间均不能够活动。

在另外一个可选方案中，所述笛卡尔作用力撤除后，所述执行单元保持对所述关节解锁状态。当所述控制单元20接收到与所述控制单元20运动方向相反的笛卡尔作用力时，通知所述执行单元对所述关节锁定。

在本申请实施例中，所述控制单元20包括：感测单元200及判断单元(图2中未示出)；其中，所述感测单元200用于接收笛卡尔作用力，感知笛卡尔作用力的大小，或大小和方向等信息，并将感知到的笛卡尔作用力方向，或大小和方向等信息提供给所述判断单元；所述控制策略置于所述判断单元中，所述判断单元根据所述笛卡尔作用力的方向和控制策略中的映射信息，确定执行单元所要解锁的关节，并通知执行单元对所述的关节解除锁定。

本申请实施例中，优选，所述控制策略中还包括一阈值，以免发生人为误操作导致机械臂位姿的调整。所述感测单元200还将感知到的笛卡尔作用力大小提供给所述判断单元，所述判断单元对所述笛卡尔作用力的大小根据控制策略中的阈值做出判断：笛卡尔作用力符合要求的，则通知所述执行单元对相应的所述关节解锁；笛卡尔作用力不符合要求的，则不通知所述执行单元对相应的所述关节解锁，即所述判断单元对于不符合要求的笛卡尔作用力予以了虑除、抛弃。

在本申请实施例中，符合要求的笛卡尔作用力是指所述笛卡尔作用力的大小大于所述阈值，不符合要求的笛卡尔作用力是指所述笛卡尔作用力的大小小于或等于所述阈值。在此，考虑到有时候会误碰触所述控制单元20(或者说所述感测单元200)，而误碰触时所施加的笛卡尔作用力往往是比较小的，因而据此设置一阈值作为是否误碰触的判断，从而避免误碰触带来的误操作，提高了所述机械臂1操作的可靠性。在本申请的其他实施例中，对于笛卡尔作用力是否符合要求也可以做出其他设定，例如是否是有记录的指纹所产生的笛卡尔作用力等，从而可以对操作人员做出限定，避免不相关人员的操作，而所述判断单元只要根据设定判断即可。又或者，所述阈值不仅包括作用力大小还包括作用力时间，例如只有当作用力大小和作用力时间均大于阈值时，才视为符合要求。如此，双重要求使判断更加准确。

优选，所述控制单元20还包括一滤波单元(图2中未示出)，所述滤波单元对所述感测单元200提供的所述笛卡尔作用力信息滤波处理，再将滤波处理后的所述笛卡尔作用力信息提供给所述判断单元，以消除系统噪声。

接着，请参考图3和图4，其中，图3为本发明实施例的感测单元的结构示意图；图4为本发明实施例的感测单元的部分放大示意图。进一步的，所述感测单元200包括：操作面板结构202、信号传递结构204及力信息接收结构206；其中，所述操作面板结构202用于接收笛卡尔作用力；所述信号传递结构204用于将所述笛卡尔作用力传递到所述力信息接收结构206；所述力信息接收结构206感知笛卡尔作用力的大小和方向。其中，所述力信息接收结构206可以为一多维力传感器；或者，所述力信息接收结构206也可以由多个应变片2060组成。

具体的，操作者可以在所述操作面板结构202上施加笛卡尔作用力；所述信号传递结构204将所述笛卡尔作用力传递到所述力信息接收结构206；所述力信息接收结构206感知笛卡尔作用力的大小和方向。其中，所述笛卡尔作用力的大小具体可以通过一定数值的牛顿(N)表示，所述笛卡尔作用力的方向可以通过上、下、左、右、前、后等一些方位或者上述的控制单元坐标系{T}下的姿态描述来表示。应知道上述感测单元的示例不构成对本发明的限制，本领域技术人员可以根据现有技术选择其他合适的感测器，除了上述的六维力传感器，也可以选择应变或者光学等原理的传感器。只要所述的感测器能感知力的方向即可，优选还可以感知力的大小。

本实施例中，所述执行单元优选为制动器、谐波减速器或其他对关节反向驱动造成较大阻力的元件或结构。在本申请实施例中，所述执行单元为制动器，所述机械臂包括第一制动器、第二制动器、第三制动器及第四制动器；其中，所述第一制动器根据所述判断单元的通知解除所述第一转动关节110a的锁定以使得所述第一转动关节110a围绕轴线自由转动。进一步，当不再接收到笛卡尔作用力时，所述第一制动器可以重新锁定所述转动关节110，或者受到与所述感测单元200运动方向相反的笛卡尔作用力后，所述第一制动器可以重新锁定所述转动关节110。所述第二制动器根据所述判断单元的通知解除所述第二转动关节110b的锁定以使得所述第二转动关节110b能够围绕其轴线转动。所述第三制动器根据所述判断单元的通知解除所述第三转动关节110c的锁定以使得所述第三转动关节110c围绕其轴线转动。所述第四制动器根据所述判断单元的通知解除所述第四转动关节110d的锁定以使得所述第四转动关节110d能够围绕其轴线转动。

优选，如图7所示，所述机械单元10还包括动力机构210，所述动力机构210与所述控制单元20通信连接，并作用于所述关节110，以辅助所述关节110运动。所述控制单元20在通知所述执行单元对相应的所述关节110解锁的同时，还可以根据笛卡尔作用力的方向，所述笛卡尔作用力方向和关节的映射通知所述动力机构210驱动相应的关节110运动。由此，操作者可以比较省力的实现对于所述机械单元10的位姿的调整。所述动力机构的运动方向可以根据上述关节控制力矩中的τ_i的方向或者根据所述笛卡尔作用力方向来确定。

具体而言，在本实施例中，所述动力机构包括第一动力件212、第二动力件214、第三动力件216以及第四动力件218。其中，所述第一动力件212可以驱使所述第一转动关节110a转动；所述第二动力件214可以驱使所述第二转动关节110b转动；所述第三动力件216可以驱使所述第三转动关节110c转动；所述第四动力件218可以驱使所述第四转动关节110d转动。

优选，所述控制单元20还接受笛卡尔作用力的大小，所述控制策略还包括一笛卡尔作用力大小和关节速度大小的映射，所述控制单元通知所述动力机构驱动相应的关节110运动的同时，还根据接收的笛卡尔作用力的大小、笛卡尔作用力大小和关节速度大小的映射，通知所述动力机构输出对应的速度。

又或者，所述控制单元20还接受笛卡尔作用力的大小，所述控制策略还包括一笛卡尔作用力大小和动力机构输出力矩大小的映射，所述控制单元通知所述动力机构驱动相应的关节110运动的同时，根据接收的笛卡尔作用力的大小、笛卡尔作用力大小和动力机构输出力矩大小的映射，通知所述动力机构输出对应的力矩。优选的，所述控制单元20中的感测单元200感测笛卡尔作用力的大小。所述动力机构(包括第一动力件、第二动力件、第三动力件及第四动力件)输出的力矩的大小与所述感测单元200感测到的笛卡尔作用力的大小正相关，即所述感测单元200感测到的笛卡尔作用力越大时，所述动力机构相应输出的力矩也越大；而所述感测单元200感测到的笛卡尔作用力越小时，所述动力机构相应输出的力矩也越小。更优选，两者成线性关系，或者非线性关系。最优选，两者为反正切函数关系、对数函数关系(底数大于1)或者幂函数关系(指数大于0且小于1)。即随着笛卡尔作用力增大，所述动力机构相应输出的力矩也相应增大，但是笛卡尔作用力增大到一定程度，所述动力机构相应输出的力矩增加幅度变小或者动力机构相应输出的动力趋向于一特定值。

接着，请参考图2，其为本发明实施例的机械臂的另一结构示意图。与上述实施例的区别在于，在本实施例中，所述控制单元20安装在所述中臂结构100c和所述小臂结构100d之间的第三转动关节110c处。同样，所述控制单元20也可以实现对整个机械臂的便捷操作控制。本领域人员应理解，所述控制单元20还可以布置在所述机械臂的其他位置。

相应的，本实施例还提供一种上述机械臂1的控制方法，具体的，所述机械臂1的控制方法包括：建立一笛卡尔作用力方向和关节的映射；根据所述映射，接收的笛卡尔作用力的方向，所述控制单元通知执行单元解除对相应的关节的锁定以调整所述机械单元10的位姿。即在本申请实施例中，所述机械臂的各个关节处于锁定状态，在所述控制单元20上施加笛卡尔作用力(优选，对所述笛卡尔作用力信息，例如大小、方向进行滤波处理和/或判断所述笛卡尔作用力大小是否大于一阈值，以防止系统噪声、人为误操作等使机械臂产生意外位姿调整)后，相应的关节便可被解锁，以实现所述机械单元10位姿的调整。其中，所述机械单元10包括多个分支结构，分支结构通过关节连接，所述控制单元20与执行单元通信连接。在本申请实施例中，通过感知施加在所述控制单元20上所述笛卡尔作用力的方向，并根据所述映射，对相应的关节解锁，进而调整整个所述机械单元10的位姿；而在现有技术中，通过一个按钮开关的开启，只能调整相邻两个分支结构之间的相对位置关系，若要调整这个机械单元(或者说整个机械臂)的位姿则需要多个按钮开关往复的开启/关闭才能够实现。可见，本申请实施例提供的机械臂的控制方法，大大的简化了对于机械臂的控制与调整。

在本申请实施例中，优选还设有作用于所述关节的动力机构。在施加笛卡尔作用力于所述控制单元20期间，所述动力机构输出驱动力以驱动相应的所述关节运动。优选，所述动力机构输出驱动力的大小与笛卡尔作用力的大小成正相关，优选为线性关系，非线性关系，更有选为反正切函数关系、对数函数关系(底数大于1)或者幂函数关系(指数大于0且小于1)。

进一步的，所述机械臂1的控制方法还包括：撤去在所述控制单元20上施加笛卡尔作用力后，所述控制单元20通知所述执行单元对相应的关节锁定，以使关节连接的分支结构100之间保持相对固定的位姿关系，进而固定所述机械单元10的位姿。即在本申请实施例中，一旦停止在所述控制单元20上施加笛卡尔作用力，则所述执行单元锁定所有所述关节110，从而所述机械单元10中各分支结构之间相对位姿关系固定，由此所述机械单元10的姿态便被固定住了。

进一步的，本申请实施例还提供一种手术机器人，所述手术机器人包括如上所述的机械臂1。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (20)

1.一种机械臂，其特征在于，所述机械臂包括：

机械单元、控制单元和执行单元；

其中，所述机械单元包括多个分支结构及用于连接两个相邻所述分支结构的关节；

所述执行单元，用于实现所述关节的解锁和锁定；

所述控制单元包括一控制策略，所述控制策略包括一笛卡尔作用力方向和关节的映射；

所述控制单元与执行单元通信连接，所述控制单元根据所述笛卡尔作用力方向和关节的映射以及接收的笛卡尔作用力，通知所述执行单元对相应的所述关节解锁。

2.如权利要求1所述的机械臂，其特征在于，不再接收到笛卡尔作用力时，所述控制单元通知所述执行单元对相应的所述关节锁定。

3.如权利要求2所述的机械臂，其特征在于，当笛卡尔作用力作用于所述控制单元时，所述控制单元持续向所述执行单元发送开启信号使得所述关节被解锁，当笛卡尔作用力撤除时，所述控制单元不再向所述执行单元发送开启信号从而使得所述关节被锁定。

4.如权利要求1所述的机械臂，其特征在于，所述笛卡尔作用力撤除后，所述控制单元接收到与所述控制单元运动方向相反的笛卡尔作用力时，通知所述执行单元对所述关节锁定。

5.如权利要求1所述的机械臂，其特征在于，所述控制单元包括：感测单元和判断单元；其中，所述感测单元用于接收笛卡尔作用力，感知笛卡尔作用力的方向，并将感知到的笛卡尔作用力方向信息提供给所述判断单元；

所述控制策略被置于所述判断单元，并根据所述笛卡尔作用力方向和关节的映射以及接收的笛卡尔作用力方向，通知所述执行单元对相应的所述关节解锁。

6.如权利要求5所述的机械臂，其特征在于，所述感测单元包括：操作面板结构、信号传递结构及力信息接收结构；其中，所述操作面板结构用于接收所述笛卡尔作用力；所述信号传递结构用于将所述笛卡尔作用力传递到所述力信息接收结构；所述力信息接收结构感知笛卡尔作用力的方向。

7.如权利要求5所述的机械臂，其特征在于，所述控制单元还包括滤波单元，所述滤波单元对所述感测单元提供的所述笛卡尔作用力的信息滤波处理，再将滤波处理后的笛卡尔作用力的信息提供给所述判断单元，以消除系统噪声。

8.如权利要求1所述的机械臂，其特征在于，所述执行单元为制动器或谐波减速器。

9.如权利要求1所述的机械臂，其特征在于，所述笛卡尔作用力方向和关节的映射为关节控制力矩，所述关节控制力矩根据所述机械臂的力雅可比矩阵获得。

10.如权利要求1所述的机械臂，其特征在于，所述机械臂还包括动力机构，所述动力机构用于驱动所述关节运动，所述动力机构与所述控制单元通讯连接，

当所述控制单元在通知所述执行单元对相应的所述关节解锁的同时，还通知所述动力机构驱动相应的关节运动。

11.如权利要求10所述的机械臂，其特征在于，所述控制单元还接受笛卡尔作用力的大小，所述控制策略还包括一笛卡尔作用力大小和关节速度大小的映射，所述控制单元通知所述动力机构驱动相应的关节运动同时，根据所述笛卡尔作用力大小和关节速度大小的映射以及接收的笛卡尔作用力的大小，通知所述动力机构输出对应的速度。

12.如权利要求10所述的机械臂，其特征在于，所述控制单元还接受笛卡尔作用力的大小，所述控制策略还包括一笛卡尔作用力大小和动力机构输出力矩大小的映射，所述控制单元通知所述动力机构驱动相应的关节运动的同时，根据所述笛卡尔作用力大小和动力机构输出力矩大小的映射以及接收的笛卡尔作用力的大小，通知所述动力机构输出对应的力矩。

13.如权利要求12所述的机械臂，其特征在于，所述动力机构的输出力矩大小与所述笛卡尔作用力大小为线性相关；或者，为反正切函数关系；或者，为底数大于1的对数函数关系；或者，为指数大于0且小于1的幂函数关系。

14.如权利要求1所述的机械臂，其特征在于，所述控制策略还包括阈值，所述控制单元还接收笛卡尔作用力的大小和/或笛卡尔作用力的时间，并依据所述阈值做出判断，当笛卡尔作用力的大小和/或笛卡尔作用力的时间符合要求时，所述控制单元根据所述作用力方向和关节的映射以及接收的笛卡尔作用力的方向，通知所述执行单元对相应的所述关节解锁。

15.如权利要求1～14中任一项所述的机械臂，其特征在于，

多个分支结构分别为悬吊支撑结构、大臂结构、中臂结构、小臂结构和器械支撑结构；

所述关节包括第一转动关节、第二转动关节、第三转动关节和第四转动关节，所述悬吊支撑结构和所述大臂结构通过所述第一转动关节连接，所述大臂结构和所述中臂结构通过所述第二转动关节连接，所述中臂结构和所述小臂结构通过所述第三转动关节连接，所述小臂结构和所述器械支撑结构通过所述第四转动关节连接；

其中，

所述第一转动关节的旋转轴线分别与所述第二转动关节的旋转轴线、所述第三转动关节的旋转轴线、所述第四转动关节的旋转轴线相互垂直，且所述第二转动关节的旋转轴线、所述第三转动关节的旋转轴线和所述第四转动关节的旋转轴线相互平行。

16.如权利要求15所述的机械臂，其特征在于，所述控制单元安装于所述器械支撑结构上，或者，所述控制单元安装于所述第三转动关节上。

17.一种如权利要求1～16中任一项所述的机械臂的控制方法，其特征在于，所述机械臂的控制方法包括：建立一笛卡尔作用力方向和关节的映射；根据所述笛卡尔作用力方向和关节的映射和接收的笛卡尔作用力的方向，所述控制单元通知执行单元对相应的关节解锁，以调整所述机械单元的位姿。

18.如权利要求17所述的机械臂的控制方法，其特征在于，所述机械臂还包括动力机构，在施加笛卡尔作用力于所述控制单元期间，所述控制单元还通知所述动力机构按照笛卡尔作用力的方向驱动相应的所述关节运动。

19.如权利要求17所述的机械臂的控制方法，其特征在于，所述机械臂的控制方法还包括：停止在所述控制单元上施加笛卡尔作用力，所述控制单元通知所述执行单元对相应的关节锁定，以固定所述机械单元的位姿，或者，

所述笛卡尔作用力撤除后，所述控制单元接收到与所述控制单元运动方向相反的笛卡尔作用力时，通知所述执行单元对所述关节锁定。

20.一种手术机器人，其特征在于，所述手术机器人包括如权利要求1～16中任一项所述的机械臂。

Images