CN109620410A - 机械臂防碰撞的方法及系统、医疗机器人 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及医疗机器人技术领域，特别是涉及一种机械臂防碰撞的方法及系统、医疗机器人。一种机械臂防碰撞的方法，通过在机械臂上设置离散点，并根据计算所得到的位于不同机械臂上离散点之间的相对距离，获取每个离散点所受到的相互作用力，以得到每个离散点受到的相互作用力的合力，进而得到每条机械臂受到的笛卡尔作用力，并使得操作者实时感知该笛卡尔作用力，从而有效降低机械臂之间易发生干涉碰撞的风险。

Description

机械臂防碰撞的方法及系统、医疗机器人
技术领域
本发明涉及医疗机器人技术领域，特别是涉及一种机械臂防碰撞的方法及系统、医疗机器人。
背景技术
目前，医疗机器人在进行具体的操作过程中，一般是需要控制多个机械臂进行相互协作。但在机械臂运动的过程中，机械臂之间很容易发生干涉、碰撞等缺陷。
例如，遥操作医疗机器人在进行检测及手术等相关操作的过程中，一般是通过操控两个以上的机械臂(如工具臂)协同工作，使得各自所承载的医疗器械移动至预期的位置处，进而对病灶进行检测或手术等操作。但在机械臂运动的过程中，由于机械臂之间的间距较小，相互之间很容易发生干涉、碰撞风险，进而会影响上述的检测及手术等操作，严重时甚至会致使发生医疗事故。
专利文件CN 104334110A中公开了一种医疗机器人，其通过采用零空间的方法，对即将碰撞的工具臂进行回避，即避开期望轨迹，采用其它轨迹进行运动。此技术方案虽然采用其他轨迹运动能够进行避免工具臂碰撞，但是避开期望轨迹运动，必将造成主从控制的不准确性，并且医生在主控制端也无法直观的感受到碰撞阻力。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题中的至少一个，提供一种机械臂碰撞检测的方法及系统、医疗机器人。
在一个可选的实施例中，一种机械臂防碰撞的方法，可应用于医疗机器人上，所述医疗机器人包括至少两条机械臂，所述机械臂包括机械臂本体和位置传感器，所述机械臂本体包括多个关节，所述位置传感器用于获取关节位置信息；所述方法包括：
在每条所述机械臂上设置多个离散点；
获取每个所述离散点在全局坐标下的第一坐标信息；
根据所述第一坐标信息获得位于不同机械臂上的两个离散点之间的第一相对距离；
根据预设的所述第一相对距离与第一相互作用力之间的关系，获取每个离散点受到的其他机械臂上离散点所施加的所述第一相互作用力；以及
根据每个离散点受到的所有所述第一相互作用力的合力，获得每个所述机械臂的笛卡尔作用力，并使所述笛卡尔作用力被操作者感知。
在上述机械臂防碰撞的方法的实施例中，通过在机械臂上设置离散点，并根据所计算得到的位于不同机械臂上离散点之间的距离，获取每个离散点所受到的相互作用力，以得到每个离散点受到的相互作用力的合力，进而得到每条机械臂的笛卡尔作用力，并使得操作者实时感知该笛卡尔作用力，从而能够有效避免机械臂之间发生干涉、碰撞等缺陷。
在一个可选的实施例中，至少部分所述机械臂还包括挂载于所述机械臂本体末端的医疗器械，且所述离散点设置于所述医疗器械和/或所述机械臂本体上。
在一个可选的实施例中，所述在每条所述机械臂上设置多个离散点的步骤，包括：
在设置离散点的同时，获取所述离散点与对应的关节的第一相对位置信息。
在一个可选的实施例中，所述获取每个所述离散点在全局坐标下的第一坐标信息的步骤，包括：
通过位置传感器获取所述关节的关节位置信息，并进一步通过运动学模型获得每个所述关节在所述全局坐标系下的第二坐标信息；以及
根据所述第二坐标信息和所述第一相对位置信息，获得所述离散点在所述全局坐标系下的所述第一坐标信息。
在一个可选的实施例中，所述根据预设的所述第一相对距离与第一相互作用力之间的关系，获取每个离散点受到的其他机械臂上离散点所施加的第一相互作用力的步骤，包括：
不同的距离区所对应的所述第一相对距离与第一相互作用力之间的关系至少部分不相同，
根据各所述离散点的所述第一相对距离，以及所述第一相对距离所在的距离区间所对应的所述第一相对距离与第一相互作用力之间的关系，获得每个离散点受到的其他机械臂上离散点所施加的第一相互作用力。
在一个可选的实施例中，所述设置多个距离区间的步骤，包括：
所述距离区间包括第一距离区间(0，Lmin+Rm+Rn]、第二距离区间(Lmin+Rm+Rn,Lmax+Rm+Rn)和第三距离区间[Lmax+Rm+Rn,+∞)；
在所述第一距离区间(0，Lmin+Rm+Rn]范围内，所述第一相互作用力F为预设的最大相互作用力Fmax；在所述第二距离区间(Lmin+Rm+Rn,Lmax+Rm+Rn)范围内，所述第一相互作用力与所述第一相对距离之间的关系为一函数；在所述第三距离区间[Lmax+Rm+Rn,+∞)范围内，所述第一相互作用力F为零；
Rm、Rn为根据上述两个离散点所在的机械臂的尺寸，获得的该两个离散点所在位置处机械臂的截面最大半径，Lmax为预设的碰撞警示距离、Lmin为预设的最小安全距离；
所述函数为在所述第二距离区间范围内连续的函数，且该函数的一阶导数小于零，二阶导数大于零。
在一个可选的实施例中，所述函数为：
其中，k为距离-作用力增益系数，L为所述第一相对距离，L′为L对时间的导数。
在一个可选的实施例中，所述在每条所述机械臂上设置多个离散点的步骤，还包括：
在设置所述离散点的同时，获取各个离散点的离散点增益系数；
所述根据每个离散点受到的所述第一相互作用力的合力，获得每个所述机械臂的笛卡尔作用力的步骤，包括：
获得每个所述离散点受到的所有所述第一相互作用力的合力；
根据每个所述离散点与对应的关节的第一相对位置信息，获得每个离散点对对应的关节作用的力矩，并根据各个离散点的离散点增益系数获得每个关节受到的合力矩；以及
根据每个所述关节受到的合力矩，以及所述机械臂的力雅可比矩阵，得到所述机械臂的笛卡尔作用力。
在一个可选的实施例中，所述使所述笛卡尔作用力被操作者感知的步骤，包括：
通过一显示装置，将所述笛卡尔作用力予以显示。
在一个可选的实施例中，所述机械臂与控制该机械臂运动的主操作手连接；所述使所述笛卡尔作用力被操作者感知的步骤，包括：
根据机械臂的所述笛卡尔作用力，获得控制机械臂运动的所述主操作手的所述笛卡尔作用力；
根据主操作手的力雅可比矩阵，获得所述主操作手各个关节受到的力矩；以及
使控制所述主操作手的关节运动的电机输出与该力矩大小相等且方向相反的阻力矩。
在一个可选的实施例中，本申请还提供了一种机械臂防碰撞系统，可应用于医疗机器人上，所述医疗机器人包括至少两条机械臂，所述机械臂包括机械臂本体和位置传感器，所述机械臂本体包括多个关节，所述位置传感器用于获取关节位置信息的位置传感器；所述系统包括：
离散点设置单元，用于在所述机械臂上设置离散点；
存储器，存储有第一相对距离与第一相互作用力之间的关系信息；
处理器，分别与所述离散点设置单元、所述存储器和所述位置传感器通信连接；
其中，所述处理器用于获取各所述离散点的在全局坐标下的第一坐标信息；根据所述第一坐标信息获得位于不同机械臂上的两个离散点之间的所述第一相对距离；根据预设的所述第一相对距离与第一相互作用力之间的关系，获取每个离散点受到的其他机械臂上离散点所施加的第一相互作用力；以及
所述处理器还用于根据每个离散点受到的所有所述第一相互作用力的合力，获得每个所述机械臂的笛卡尔作用力，并使所述笛卡尔作用力被操作者感知。
在一个可选的实施例中，至少部分所述机械臂还包括挂载于所述机械臂本体末端的医疗器械，且所述离散点设置于所述医疗器械和/或所述机械臂本体上。
在一个可选的实施例中，所述离散点设置单元还用于获取所述离散点相对于与对应的关节的第一相对位置信息；
其中，所述处理器还用于根据所述位置传感器所获取的各个关节的关节位置信息，并进一步通过运动学模型来获取各所述关节在全局坐标下的第二坐标信息；以及
所述处理器还用于根据各所述关节在所述全局坐标下的第二坐标信息和所述第一相对位置信息，获取各所述离散点的在全局坐标下的所述第一坐标信息。
在一个可选的实施例中，所述存储器还存储有预设的多个距离区间，不同的所述距离区间对应的所述第一相对距离与第一相互作用力之间的关系，至少部分不相同；
所述处理器还用于根据各所述离散点的所述第一相对距离，从所述存储器中获取所述第一相对距离所在的距离区间内所对应的所述第一相对距离与第一相互作用力之间的关系，以获得每个离散点受到的其他机械臂上离散点所施加的第一相互作用力。
在一个可选的实施例中，所述预设的多个距离区间包括第一距离区间(0，Lmin+Rm+Rn]、第二距离区间(Lmin+Rm+Rn,Lmax+Rm+Rn)和第三距离区间[Lmax+Rm+Rn,+∞)；
其中，Rm、Rn为根据上述两个离散点所在的机械臂的尺寸，获得的该两个离散点所在位置处机械臂的截面最大半径，Lmax为预设的碰撞警示距离、Lmin为预设的最小安全距离。
在一个可选的实施例中，在所述第一距离区间范围内，所述第一相互作用力F为预设的最大相互作用力Fmax；在所述第二距离区间(Lmin+Rm+Rn,Lmax+Rm+Rn)范围内，所述第一相互作用力与所述第一相对距离之间的关系为一函数；在所述第三距离区间[Lmax+Rm+Rn,+∞)范围内，所述第一相互作用力F为零；以及
所述函数为在所述第二距离区间范围内连续的函数，且该函数一阶导数小于零，二阶导数大于零。
在一个可选的实施例中，所述函数为：
其中，k为距离-作用力增益系数，L为所述第一相对距离，L′为L对时间的导数。
在一个可选的实施例中，所述离散点设置单元还用于获取每个离散点的离散点增益系数；
其中，所述处理器还用于：
获得每个所述离散点受到的所有所述第一相互作用力的合力；
获得每个离散点对对应的关节作用的力矩，并根据每个离散点的离散点增益系数获得每个关节受到的合力矩；以及
根据每个所述关节受到的合力矩，以及所述机械臂的力雅可比矩阵，得到所述机械臂的所述笛卡尔作用力。
在一个可选的实施例中，所述系统还包括与所述处理器连接的报警器；所述处理器还用于：
针对任一所述机械臂，当该机械臂上任一离散点的所述第一相对距离小于等于预设报警距离时，和/或，当该机械臂的所述笛卡尔作用力大于的预设作用力阈值时，所述处理器均触发所述报警器发出报警讯息。
在一个可选的实施例中，所述的系统还可包括显示装置；所述处理器还用于通过所述显示装置将所述笛卡尔作用力予以显示。
在一个可选的实施例中，本申请还提供了一种医疗机器人，可包括
至少两条机械臂，所述机械臂包括机械臂本体和位置传感器，所述机械臂本体包括多个关节，所述位置传感器用于获取位置信息；以及
如上述任意一项所述的机械臂防碰撞系统。
在一个可选的实施例中，所述的医疗机器人还可包括医生端、病人端和控制端；
其中，所述医生端、所述病人端和所述机械臂防碰撞系统分别与所述控制端通信连接；所述机械臂位于所述病人端；所述医生端包括主操作手，所述主操作手包括多个关节以及驱动关节转动的电机，所述主操作手用于控制所述机械臂运动；所述控制端用于根据从所述机械臂防碰撞系统获取的所述机械臂的笛卡尔作用力，设置所述主操作手的笛卡尔作用力；以及
所述控制端还用于根据主操作手的笛卡尔作用力，主操作手的力雅可比矩阵获得所述主操作手各个关节受到的力矩，并控制电机输出与该力矩大小相等且方向相反的阻力矩，使操作者感知所述机械臂的笛卡尔作用力。
附图说明
图1为一个可选的实施例中遥操作医疗机器人中控制端的结构示意图；
图2为一个可选的实施例中遥操作医疗机器人中病人端的结构示意图；
图3为一个可选的实施例中遥操作医疗机器人的模块结构示意图；
图4为一个可选的实施例中机械臂防碰撞的系统的模块结构图；
图5为一个可选的实施例中离散点设置单元设置离散点的示意图；
图6为一个可选的实施例中第一相对距离与第一相互作用力关系的曲线示意图；
图7为一个可选的实施例中遥操作医疗机器人中一手术器械设置离散点的示意图；
图8为图7中所示离散点404x处沿直线A处的A-A截面示意图；
图9为一个可选的实施例中遥操作医疗机器人两个机械臂位姿示意图；
图10为图9中各离散点的受力示意图；
图11为一个可选的实施例中遥操作医疗机器人中主操作手受力示意图；
图12为一个可选的实施例中机械臂防碰撞的方法的流程示意图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
下面结合实际情况，以遥操作医疗机器人为例，对本申请的技术内容进行详细说明：
遥操作医疗机器人一般可包括控制端、医生端和病人端等部件，医生端和病人端均与控制端通信连接，即医生端通过控制端来控制病人端的相关医疗器械进行相应的检测或手术等操作。在病人端上一般安装有三条以上的机械臂，且机械臂可包括机械臂本体(如工具臂)和位置传感器，该机械臂本体可包括多个关节和通过关节相连的连杆，所述位置传感器用以获得各个关节的位置信息(例如转动关节的转动角度，移动关节的移动位移等)。其中，至少部分机械臂还可包括挂载于上述机械臂本体末端的诸如手术器械、检测器械等医疗器械，而医生端则可设有主操作手，即操作者能够通过主操作手主从控制检测器械来获取手术环境，并通过主操作手主从控制上述机械臂本体和/或手术器械进行协同手术操作等。
图1为一个可选的实施例中遥操作医疗机器人中医生端的结构示意图，图2为一个可选的实施例中遥操作医疗机器人中病人端的结构示意图。如图1-2所示，遥操作医疗机器人可包括医生端的控制台01和病人端的操作台02，且在控制台01上设置有第一主操作手30和第二主操作手31。在操作台02上设置有第一机械臂本体40、第二机械臂本体41和第三机械臂本体42，且每个机械臂本体上均可挂载有手术器械或检测器械等医疗器械。同时各机械臂本体还可用于驱动各自所挂载的手术器械、检测器械等医疗器械围绕一不动点运动。根据上述主操作手与机械臂运动的映射关系，通过操作主操作手即可实现机械臂的运动控制，进而操控检测器械对目标位置的手术环境进行检测、观察，操控手术器械对目标位置进行对应的处理。本发明实施例中对机械臂本体的具体构型以及医疗器械的具体类型没有特别的限制。
图3为一个可选的实施例中遥操作医疗机器人的模块结构示意图。如图3所示，上述的遥操作医疗机器人还可包括一种机械臂防碰撞系统，该机械臂防碰撞系统可用于实现上述实施例中的遥操作医疗机器人的机械臂21的防碰撞操作。在采用上述的遥操作医疗机器人进行操作时，能够有效防止机械臂之间发生相互碰撞，并可通过将所检测到的机械臂碰撞信息以作用力的方式反馈至操作者，以使得操作者能够实时感知机械臂的运动状况。具体如下：
图4为一个可选的实施例中机械臂防碰撞的系统的模块结构图。具体如图3～4所示，在机械臂21上设置有能够获取各个关节的位置信息的位置传感器10，上述的防碰撞系统20可包括处理器11、存储器12和离散点设置单元14等部件，处理器11可分别与各个关节的位置传感器10、存储器12和离散点设置单元14等通信连接。其中，离散点设置单元14可用于在机械臂本体(如工具臂)和/或医疗器械上设置离散点，该离散点设置单元14还可获取各离散点相对于相应关节的第一相对位置和各个离散点的离散点增益系数等离散点信息。
同时，上述的存储器12可存储有第一相对距离与第一相互作用力之间的关系信息、各所述机械臂的尺寸信息和离散点信息等信息数据。其中，上述的机械臂的尺寸信息可包括机械臂本体的尺寸信息、医疗器械(如手术器械和/或检测器械等)尺寸信息等。另外，当在机械臂上设置离散点时，离散点的数量及分布可以根据力碰撞检测灵敏度、手术操作要求与机械臂各部分的尺寸确定。
在另一个可选的实施例中，离散点设置单元14还可以根据处理器11下发的指令，在机械臂本体(如工具臂)和/或医疗器械上设置离散点。同时，处理器11还可将各离散点相对于相应关节的第一相对位置、各个离散点的离散点增益系数等离散点信息输出至处理器11中，以备后续处理器11或者其他设备调用。在一个可替代性方案中，存储器12还可与离散点设置单元14通信连接，所述存储器12还可用于存储离散点设置规则信息。其中，离散点设置单元14可以根据调取存储器12中预存的离散点设置规则信息，在机械臂本体(如工具臂)和/或医疗器械上设置离散点。同时，处理器11还可将各离散点相对于相应关节的第一相对位置、各个离散点的离散点增益系数等离散点信息存储至上述存储器12中，以备后续处理器11或者其他设备调用。
在一个可选的实施例中，处理器11还可用于根据各机械臂上关节在全局坐标系下的第二坐标信息和离散点相对于相应关节的第一相对位置，来获取各离散点在全局坐标系下的第一坐标信息，并根据各离散点的第一坐标信息获取所述离散点之间的第一相对距离，以及基于离散点之间的第一相对距离与第一相互作用力之间的关系，获取各离散点受到的第一相互作用力及合力，该合力可为各离散点受到的所有第一相互作用力的合力；针对任一机械臂，处理器11则可基于上述机械臂上所有离散点受到的合力，来获得该机械臂的笛卡尔作用力，并使所述笛卡尔作用力被操作者感知。
在本申请另一个可选的实施例中，本申请实施例中的离散点设置单元14还可以作为一功能模块，以与处理器11整合集成在一起，同时也可利用一个处理设备来同时实现上述处理器11和离散点设置单元14的功能。
需要注意的是，在本申请实施例中的离散点可以是系统根据一定规则生成的(例如根据一定间距设置一离散点，间距的大小可根据精度要求、操作需求设定)，也可以是操作者输入信息并通过处理器11的指令下发而形成的。这里的每个离散点可用于表示机械臂的某一连杆上的一体积块，而该离散点则可为上述体积块的几何中心。因此，离散点的数量越多，则意味着其代表的体积块的体积越小，因此可用离散点增益系数gi来表示体积块的相对大小；其中gi(i＝1,...,j)，且∑gi＝1，j为某一机械臂某一连杆上所有离散点的数量，且i、j均为正整数，i≤j。
图5为一个可选的实施例中离散点设置单元设置离散点的示意图。如图3～5所示，第一机械臂的机械臂本体可包括通过关节依次相连的第一大臂401、第一中臂402、第一小臂403，第一机械臂的机械臂本体的末端(即第一小臂403)挂载有第一手术器械404。且在第一大臂401上可建立a个离散点(即离散点4011，离散点4012，…，离散点401a),在第一中臂402上建立b个离散点(即离散点4021，离散点4022，…，离散点402b),在第一小臂403上建立c个离散点(即离散点4031，离散点4032，…，离散点403c),在第一手术器械404上建立d个离散点(即离散点4041，离散点4042，…，离散点404d)；其中，上述的a、b、c和d为自然数。同理，在上述的第二工具臂41的机械臂本体也可包括通过关节依次相连的第二大臂、第二中臂、第二小臂，第二工具臂41的机械臂本体(即第二小臂)的末端可用于挂载检测器械，例如内窥镜，且在第二大臂、第二中臂、第二小臂和检测器械均可类似的设置的离散点。在上述的第三工具臂42的机械臂本体也可包括通过关节依次相连的第三大臂、第三中臂、第三小臂，第三工具臂42的机械臂本体(即第三小臂)的末端可挂载有第二手术器械等，且在第三大臂、第三中臂、第三小臂和第二手术器械均可类似的设置离散点。在设置离散点时，可同时获取离散点与对应关节的之间的第一相对位置关系、各个离散点的离散点增益系数等离散点信息。
进一步地，如图3～5所示，由于在各机械臂的关节上设置有位置传感器10，故而可根据各个位置传感器10以及存储器12中存储的运动学模型的各个参数(例如D-H参数法中的连杆长度等参数)获取各关节在全局坐标下的坐标信息(即第二坐标信息)，并根据设置离散点时获取的各个离散点相对于各关节的位置关系(即第一相对位置信息)，进而可以求解出所设立的各个离散点在全局坐标系下的坐标信息(即第一坐标信息)。
需要说明的是，本发明实施例对第一相对距离与第一相互作用力关系的关系没有特别的限制，只要在至少部分距离区间，上述的第一相互作用力与第一相对距离成反向关系即可。例如，在整个距离区间，第一相互作用力与第一相对距离成反比关系。又例如，不同的距离区间，第一相互作用力可与第一相对距离成不同的对应关系。
图6为一个可选的实施例中第一相对距离与第一相互作用力关系的曲线示意图；该图6中的纵坐标F表示第一相互作用力，横坐标L表示两个分别位于不同机械臂上离散点之间的第一相对距离。如图6所示的具体实施例中，所述存储器12存储有三个距离区间，该三个距离区间具体可包括第一距离区间(0，Lmin+Rm+Rn]、第二距离区间(Lmin+Rm+Rn,Lmax+Rm+Rn)和第三距离区间[Lmax+Rm+Rn,+∞)。其中，Rm、Rn为根据上述两个离散点所在的机械臂的尺寸，获得的该两个离散点所在位置处机械臂的截面最大半径，Lmax为预设的碰撞警示距离、Lmin为预设的最小安全距离。
在一个可选的实施例中，在第一距离区间(0，Lmin+Rm+Rn]范围内，所述第一相互作用力F为预设的最大相互作用力Fmax；在第二距离区间(Lmin+Rm+Rn,Lmax+Rm+Rn)范围内，所述第一相互作用力与该两个离散点之间的第一相对距离之间的关系为一函数；在第三距离区间[Lmax+Rm+Rn,+∞)范围内，所述第一相互作用力F为零；其中所述函数为在所述第二距离区间范围内连续的函数，且一阶导数小于零，二阶导数大于零。即位于不同机械臂上的任意两个离散点(m、n)之间的第一相互作用力Fm,n与该两个离散点之间的第一相对距离L可满足如下关系：
其中，Fm,n离散点m对离散点n的第一相互作用力，方向由离散点m指向离散点n的方向，且Fm,n与Fn,m的值大小相等方向相反；L为离散点m与离散点n之间的第一相对距离；Rm为离散点m处机械臂的截面最大半径，Rn为离散点n处机械臂的截面最大半径；Fmax表示最大作用力；f(L)为在整个(Lmin+Rm+Rn,Lmax+Rm+Rn)区间内连续的函数，且该函数的一阶导数小于零，二阶导数大于零，因此随着第一相对距离L的增加，根据上述函数所计算获得的第一相互作用力Fm,n的值迅速减小。
在一个可选的实施例中，上述的f(L)可以是：
其中，k为距离-作用力增益系数，L可为第一相对距离，L′可为L对时间的导数，用于表征该两任意两个离散点之间的第一相对距离相对于时间的变化率，具体可通过计算该两个任意离散点之间当前第一相对距离与上一个控制周期该两个任意离散点之间的第一相对距离的差值，并将该差值除以控制周期(即碰撞检测间隔时间)获得。例如，控制周期可为0.5ms，即每间隔0.5ms进行一次碰撞检测。
图7为一个可选的实施例中遥操作医疗手术机器人中一手术器械设置离散点的示意图，图8为图7中所示离散点404x处沿直线A处的A-A截面示意图。如图3-8所示，下面就以第一机械臂40为例进行说明，即可先根据在器械设计时获取上述机械臂的第一手术器械404上任一离散点404x(x＝1，2，…，a)处截面最大半径R404x，即其余机械臂上任一离散点处截面最大半径R也均是已知。此处的截面应理解为横截面，即垂直于手术器械轴线的截面。由此，可以获得上述Rm、Rn。
在本实施例中，操作者可以在术前利用处理器11来预先设置多个距离区间，以及各距离区间内第一相对距离与第一相互作用力之间的对应关系，并可存储在存储器12中，以便于后续的调用；当然，也可利用其它装置在设备初始化、出厂时预先对上述的多个距离区间，各距离区间内第一相对距离与第一相互作用力的对应关系进行设置，并预存在存储器12中。进一步，处理器11还可基于存储器12中存储的预设的第一相对距离与第一相互作用力之间的关系，获取各离散点受到的其他机械臂上离散点所施加的相互作用力(即第一相互作用力)，并基于各离散点受到的所有第一相互作用力的合力，进而获得各机械臂的笛卡尔作用力。
图9为一个可选的实施例中遥操作医疗机器人两个机械臂位姿示意图(为了便于观察，省略了第二机械臂41)，图10为图9中各离散点的受力示意图。如图9所示，第一机械臂40和第三机械臂42的机械臂本体的末端均可挂载有手术器械，且可驱动上述的手术器械围绕一不动点进行运动。其中，第一机械臂40上的手术器械的每一个离散点，均可以采用上述不同的所述离散点之间的第一相对距离与第一相互作用力之间的关系，获取其余机械臂上的所有离散点对其的第一相互作用力，并计算出离散点所受的所有第一相互作用力的合力的大小和方向，进而根据连接手术器械与机械臂本体之间的关节对应的各个离散点(即手术器械上的各个离散点)所受到的合力、各个离散点与该关节的第一相对位置和各个离散点增益系数gi，获得所述手术器械上所有离散点对连接手术器械与机械臂本体的关节作用的合力矩。进一步，所述处理器11计算得到第一机械臂40上所有关节受到的合力矩，并可根据此时第一机械臂40当前构型下的力雅可比矩阵，获得第一机械臂40的笛卡尔作用力。
具体的，当上述的第一机械臂40和第三机械臂42处于如图10所示的构型时，可根据第一机械臂40和第三机械臂42上各关节的位置传感器和第一相对位置等参数，来确定所有离散点在全局坐标系下的坐标，并通过判断该两机械臂(即第一机械臂40和第三机械臂42)各离散点之间的第一相对距离时发现，除了图中第一机械臂40上的离散点4047与第三机械臂42上的离散点4245、4246、4247之间，以及第一机械臂40上的离散点4048与第三机械臂42上的点4245、4246、4247之间存在不为零的第一相互作用力外，与其余各离散点之间第一相互作用力均为零(即相距较远，第一相对距离大于Lmax+Rm+Rn)。由此，第三机械臂42上离散点4245、4246、4247对第一机械臂40上离散点4047的第一相互作用力F4245，4047、F4246，4047、F4247，4047，得到第一机械臂上的离散点4047受到的第一相互作用力合力F4047，进而得到第一机械臂上离散点4047相对于转动关节的力矩为M4047。同理第一机械臂离散点4048相对于转动关节的力矩为M4048，所以此时第一机械臂本体与第一手术器械之间的关节受到的合力矩M合＝M4047*G4047+M4048*G4048。依此类推，在得到第一机械臂每个关节受到的合力矩后，再根据此时第一机械臂40当前构型下的力雅克比矩阵，将第一机械臂40的各个关节合力矩转为笛卡尔空间的第一工具臂末端的笛卡尔作用力。
图11为一个可选的实施例中遥操作医疗机器人中主操作手受力示意图。如图1～11所示，由于上述的第一机械臂40是由医生端的第一主操作手31进行控制，为了使操作者能感受上述的笛卡尔作用力，可根据第一机械臂40的笛卡尔作用力，得到第一主操作手31的笛卡尔作用力Fd，并根据第一主操作手31的力雅克比矩阵，得到第一主控制臂31各个关节的力矩，进而得到控制第一主控制臂31各个关节运动的电机输出的阻力矩MR(与第一主控制臂31各个关节的力矩大小相等，方向相反)以反馈给操作者。
具体而言，控制端还可用于将第一机械臂40的笛卡尔作用力经过控制端进行一定比例的缩放得到医生端的第一主操作手30的笛卡尔作用力Fd。然后控制端依据第一主操作手30的力雅克比矩阵，进而可求得控制第一主操作手30的各个关节运动的电机输出的阻力矩MR。同理，在获得第二主控制臂31的各个关节的力矩后，控制端可将第一主操作手30、第二主操作手31上各个关节的力矩发送给主操作手上的电机，以输出与上述力矩大小相等且方向相反的阻力矩，使得操作者在操作时遇到较大的阻力，从而感受到各个机械臂的笛卡尔作用力，进而达到精准控制及有效规避机械臂碰撞的目的。
在另外一个可选的实施例中，上述的防碰撞系统还包括显示装置，所述的显示装置用于通过诸如文字、图形、图像等方式显示每个机械臂末端受到的笛卡尔作用力，以使所述笛卡尔作用力被操作者感知。
在另一个可选的实施例中，如图4所示，上述的防碰撞系统还包括与处理器11通信连接的报警器13，即当位于不同机械臂上的任意两个离散点之间的第一相对距离L小于预设的距离阈值，和/或任一机械臂的笛卡尔作用力超过预设的作用力阈值时，触发该报警器以诸如警铃、指示灯等方式发出报警讯息，以对即将发生的碰撞进行提醒。例如，上述的距离阈值可为Lmin+Rm+Rn。又例如，上述的距离阈值还可包括第一距离阈值Lmin+Rm+Rn和第二距离阈值Lmax+Rm+Rn，且当任意两个离散点之间的第一相对距离L小于第一距离阈值时，报警器发出第一报警信息(例如发出红色的灯光信号)；当任意两个离散点之间的第一相对距离L大于等于第一距离阈值Lmin+Rm+Rn且小于第二距离阈值Lmax+Rm+Rn时，报警器发出第二报警信息(例如发出黄色的灯光信号)，而当任意两个离散点之间的第一相对距离L大于第二距离阈值Lmax+Rm+Rn时，则报警器处于休眠或发出正常工作信息(例如发出绿色的灯光信号)。
在以上的实施例中，所述防碰撞系统可用于两个及以上机械臂之间碰撞检测，其中的机械臂可包含挂载的医疗器械。本领域技术人员应理解，本申请实施例可中的防碰撞系统及方法均可以用于机械臂本体之间的碰撞检测、机械臂本体与医疗器械之间的碰撞检测和/或医疗器械之间的碰撞检测等。
图12为一个可选的实施例中机械臂防碰撞的方法的流程示意图。如图12所示，在一个可选的实施例中，本申请还提供了一种机械臂防碰撞检测的方法，可应用于医疗机器人上，例如图1～图11所示的遥操作医疗机器人。该医疗机器人可具有至少两条机械臂(如两条、三条、四条等)，且每个机械臂均可包括机械臂本体，且该机械臂本体可包括多个关节以及利用该多个关节连接的连杆，即每个关节臂可由关节与连杆连接而形成；同时，在各关节上均还设置有用于获取关节位置信息的位置传感器，且至少部分机械臂还可包括挂载于机械臂本体末端的医疗器械，例如手术器械或检测器械等。由于上述医疗机器人的机械臂在协同操作时，机械臂相互之间(包括但不限于机械臂本体之间、医疗器械之间以及机械臂本体与医疗器械之间)因间距较小极易发生干涉、碰撞等缺陷，故而本实例的方法针对上述缺陷进行了创造性的改进，具体可包括以下步骤：
步骤S10，于机械臂上设置多个离散点。
具体的，根据力碰撞检测灵敏度、手术操作要求与机械臂各部分的尺寸等因素在各机械臂上设置上述的多个离散点。例如，在每个机械臂本体上可设置多个离散点；同时，为了提升力碰撞检测灵敏度，可在每个连杆上均匀设置上述的各个离散点，也可根据各连杆的形状、尺寸等信息，将各离散点分布于相对较容易发生碰撞的区域，也可使得各离散点均匀分布在机械臂上。其中，上述的尺寸信息具体可包括机械臂上各关节、连杆的长度、形状、体积等各种立体几何参数。
在一个可选的实施例中，还可继续获取各离散点相对于对应的关节的第一相对位置信息，以及各个离散点的离散点增益系数等参数信息。
需要说明的是，本申请实施例中的机械臂包括有挂载在机械臂本体末端的医疗器械时，还可在上述的机械臂本体和/或医疗器械上进行上述离散点的设置，即可将医疗器械视为上述机械本体的一个连杆，以将机械臂本体和所挂载的医疗器械作为一个整体进行防碰撞检测。
步骤S20，获取各离散点在全局坐标下的第一坐标信息。
具体的，可根据通过位置传感器获取所述关节的关节位置信息，以及预置的运动学模型获得各关节在全局坐标系下的第二坐标信息，并可根据上述的第二坐标信息和第一相对位置信息，来获得各离散点在所述全局坐标系下的第一坐标信息。
在一个可选的实施例中，也可在获取各第二坐标信息之后，设置上述的多个离散点及获取第一相对位置信息；然后，再根据上述的第二坐标信息和第一相对位置信息来获得第一坐标信息。
步骤S30，获取各离散点间的第一相对距离。
具体的，可根据第一坐标信息获得位于不同机械臂上的离散点之间的第一相对距离。即对位于不同机械臂上的任意两个离散点，根据其第一坐标信息进行距离的运算，进而获取上述的位于不同机械臂上任意两个离散点之间的第一相对距离。
步骤S40，根据预设的第一相对距离与第一相互作用力之间的关系，获取各离散点受到的第一相互作用力。
在一个可选的实施例中，在整个距离区间，第一相互作用力与第一相对距离成反比关系。
在另外一个可选的实施例中，不同的距离区间所对应的所述第一相对距离与第一相互作用力之间的关系至少部分不相同。
例如，所述距离区间包括第一距离区间(0，Lmin+Rm+Rn]、第二距离区间(Lmin+Rm+Rn,Lmax+Rm+Rn)和第三距离区间[Lmax+Rm+Rn,+∞)。其中，Rm、Rn为根据该两个离散点所在的机械臂的尺寸，获得上述两个离散点所在位置处机械臂的截面最大半径，Lmax为预设的碰撞警示距离、Lmin为预设的最小安全距离。然后，在第一距离区间(0，Lmin+Rm+Rn]范围内，所述第一相互作用力F为预设的最大相互作用力Fmax；在第二距离区间(Lmin+Rm+Rn,Lmax+Rm+Rn)范围内，所述第一相互作用力与该两个离散点之间的第一相对距离之间的关系为一函数；在第三距离区间[Lmax+Rm+Rn,+∞)范围内，所述第一相互作用力F为零；其中所述函数为在所述第二距离区间范围内连续的函数，且一阶导数小于零，二阶导数大于零。即上述预设的第一相对距离与第一相互作用力之间的关系可为以下公式：
上述的公式中，Fm,n为离散点m对离散点n的第一相互作用力，且方向由离散点m指向离散点n的方向，相应的Fn,m则可为离散点n对离散点m的第一相互作用力，且方向由离散点n指向离散点m的方向，即Fm,n与Fn,m的值大小相等方向相反。
在另一个可选的实施例中，上述在所述第二距离区间范围内连续的函数可为：
其中，k为距离-作用力增益系数，L为所述离散点之间的第一相对距离；L′为L对时间的导数，用于表征该两个离散点之间的第一相对距离相对于时间的变化率，具体可通过计算该两个任意离散点之间的当前第一相对距离与上一个控制周期该两个任意离散点之间的第一相对距离的差值，并将该差值除以控制周期(即碰撞检测间隔时间)获得。
步骤S50，计算各离散点受到的所有第一相互作用力的合力。
具体的，针对任一离散点，获取该离散点受到的位于其他机械臂上所有离散点的第一相互作用力，并进行矢量求和，进而得到该离散点受到的所有第一相互作用力的合力。
步骤S60，获取每个机械臂的笛卡尔作用力，并使该笛卡尔作用力被操作者感知。
具体的，根据步骤S50中所获得的各离散点受到的所有第一相互作用力的合力，以及各离散点与对应的关节的第一相对位置信息，来获得每个离散点对对应的关节的力矩，并结合离散点增益系数gi，以获得每个关节受到的合力矩；再根据每个关节受到的合力矩以及机械臂的力雅可比矩阵，进而得到各机械臂的笛卡尔作用力。
本实施例对各机械臂的笛卡尔作用力被操作者感知的方法没有特别的限制。在一个具体实施例中，可根据机械臂的所述笛卡尔作用力，得到控制机械臂运动的所述主操作手的笛卡尔作用力，并可通过诸如机械臂力雅可比矩阵进而求得主操作手上各关节的力矩，后续再控制电机输出与上述主操作手各关节的力矩大小相等且方向相反的阻力矩，进而使得操作者的手部感知上述机械臂的笛卡尔作用力。
在另外一个具体实施例中，还可通过一显示装置，将所述笛卡尔作用力通过诸如文字、图形、图像等方式予以显示，使操作者通过眼睛感知所述笛卡尔作用力。
在另一个可选的实施例中，还可针对位于不同机械臂上任意两个离散点，当该两个离散点之间的距离小于预设距离阈值，或者得到的笛卡尔作用力大于预设报警力时，触发诸如声、光、电、振动等报警讯息。例如，上述的距离阈值可为Lmin+Rm+Rn。又例如，上述的距离阈值可包括第一距离阈值Lmin+Rm+Rn和第二距离阈值Lmax+Rm+Rn，且当上述两个离散点之间的第一相对距离L小于第一距离阈值Lmin+Rm+Rn时，报警器发出第一报警信息(例如发出红色的灯光信号)；当两个离散点之间的第一相对距离L大于等于第一距离阈值Lmin+Rm+Rn且小于第二距离阈值Lmax+Rm+Rn时，报警器发出第二报警信息(例如发出黄色的灯光信号)，而当两个离散点之间的第一相对距离L大于第二距离阈值Lmax+Rm+Rn时，则报警器处于休眠或发出正常工作信息(例如发出绿色的灯光信号)。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (21)

1.一种机械臂防碰撞的方法，其特征在于，应用于医疗机器人上，所述医疗机器人包括至少两条机械臂，所述机械臂包括机械臂本体和位置传感器，所述机械臂本体包括多个关节，所述位置传感器用于获取关节位置信息；所述方法包括：
在每条所述机械臂上设置多个离散点；
获取每个所述离散点在全局坐标下的第一坐标信息；
根据所述第一坐标信息获得位于不同机械臂上的两个离散点之间的第一相对距离；
根据预设的所述第一相对距离与第一相互作用力之间的关系，获取每个离散点受到的其他机械臂上离散点所施加的所述第一相互作用力；以及
根据每个离散点受到的所有所述第一相互作用力的合力，获得每个所述机械臂的笛卡尔作用力，并使所述笛卡尔作用力被操作者感知。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，至少部分所述机械臂还包括挂载于所述机械臂本体末端的医疗器械，且所述离散点设置于所述医疗器械和/或所述机械臂本体上。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述在每条所述机械臂上设置多个离散点的步骤，包括：
在设置离散点的同时，获取所述离散点与对应的关节的第一相对位置信息。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述获取每个所述离散点在全局坐标下的第一坐标信息的步骤，包括：
通过位置传感器获取所述关节的关节位置信息，并进一步通过运动学模型获得每个所述关节在所述全局坐标系下的第二坐标信息；以及
根据所述第二坐标信息和所述第一相对位置信息，获得所述离散点在所述全局坐标系下的所述第一坐标信息。
5.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述根据预设的所述第一相对距离与第一相互作用力之间的关系，获取每个离散点受到的其他机械臂上离散点所施加的第一相互作用力的步骤，包括：
不同的距离区间所对应的所述第一相对距离与第一相互作用力之间的关系至少部分不相同；
根据各所述离散点的所述第一相对距离，以及所述第一相对距离所在的距离区间所对应的所述第一相对距离与第一相互作用力之间的关系，获得每个离散点受到的其他机械臂上离散点所施加的第一相互作用力。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，
所述距离区间包括第一距离区间(0，Lmin+Rm+Rn]，第二距离区间(Lmin+Rm+Rn,Lmax+Rm+Rn)和第三距离区间[Lmax+Rm+Rn,+∞)；
在所述第一距离区间(0，Lmin+Rm+Rn]范围内，所述第一相互作用力F为预设的最大相互作用力Fmax；在所述第二距离区间(Lmin+Rm+Rn,Lmax+Rm+Rn)范围内，所述第一相互作用力与所述第一相对距离之间的关系为一函数；在所述第三距离区间[Lmax+Rm+Rn,+∞)范围内，所述第一相互作用力F为零；
其中，Rm、Rn为根据上述两个离散点所在处的机械臂的尺寸，获得的上述两个离散点所在处的机械臂的截面最大半径，Lmax为预设的碰撞警示距离、Lmin为预设的最小安全距离；
所述函数为在所述第二距离区间范围内连续的函数，且该函数的一阶导数小于零，二阶导数大于零。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述函数为：
其中，k为距离-作用力增益系数，L为所述第一相对距离，L′为L对时间的导数。
8.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述在每条所述机械臂上设置多个离散点的步骤，还包括：
在设置所述离散点的同时，获取各个离散点的离散点增益系数；
所述根据每个离散点受到的所述第一相互作用力的合力，获得每个所述机械臂的笛卡尔作用力的步骤，包括：
获得每个所述离散点受到的所有所述第一相互作用力的合力；
根据每个所述离散点与对应的关节的第一相对位置信息，获得每个离散点对对应的关节作用的力矩，并根据各个离散点的离散点增益系数获得每个关节受到的合力矩；以及
根据每个所述关节受到的合力矩，以及所述机械臂的力雅可比矩阵，得到所述机械臂的笛卡尔作用力。
9.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述使所述笛卡尔作用力被操作者感知的步骤，包括：
通过一显示装置，将所述笛卡尔作用力予以显示。
10.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述机械臂与控制该机械臂运动的主操作手连接；所述使所述笛卡尔作用力被操作者感知的步骤，包括：
根据机械臂的所述笛卡尔作用力，获得控制机械臂运动的所述主操作手的所述笛卡尔作用力；
根据主操作手的力雅可比矩阵，获得所述主操作手各个关节受到的力矩；以及
使控制所述主操作手的关节运动的电机输出与该力矩大小相等且方向相反的阻力矩。
11.一种机械臂防碰撞系统，其特征在于，应用于医疗机器人上，所述医疗机器人包括至少两条机械臂，所述机械臂包括机械臂本体和位置传感器，所述机械臂本体包括多个关节，所述位置传感器用于获取关节位置信息；所述系统包括：
离散点设置单元，用于在所述机械臂上设置离散点；
存储器，存储有第一相对距离与第一相互作用力之间的关系信息；
处理器，分别与所述离散点设置单元、所述存储器和所述位置传感器通信连接；
其中，所述处理器用于获取各所述离散点的在全局坐标下的第一坐标信息；根据所述第一坐标信息获得位于不同机械臂上的两个离散点之间的所述第一相对距离；根据预设的所述第一相对距离与第一相互作用力之间的关系，获取每个离散点受到的其他机械臂上离散点所施加的第一相互作用力；以及
所述处理器还用于根据每个离散点受到的所有所述第一相互作用力的合力，获得每个所述机械臂的笛卡尔作用力，并使所述笛卡尔作用力被操作者感知。
12.如权利要求11所述的系统，其特征在于，至少部分所述机械臂还包括挂载于所述机械臂本体末端的医疗器械，且所述离散点设置于所述医疗器械和/或所述机械臂本体上。
13.如权利要求11所述的系统，其特征在于，
所述离散点设置单元，还用于获取所述离散点相对于与对应的关节的第一相对位置信息；
其中，所述处理器还用于根据所述位置传感器所获取的各个关节的关节位置信息，并进一步通过运动学模型来获取各所述关节在全局坐标下的第二坐标信息；以及
所述处理器还用于根据各所述关节在所述全局坐标下的第二坐标信息和所述第一相对位置信息，获取各所述离散点的在全局坐标下的所述第一坐标信息。
14.如权利要求11或12所述的系统，其特征在于，所述存储器还存储有预设的多个距离区间，不同的所述距离区间对应的所述第一相对距离与第一相互作用力之间的关系，至少部分不相同；
所述处理器还用于根据各所述离散点的所述第一相对距离，从所述存储器中获取所述第一相对距离所在的距离区间内，所对应的所述第一相对距离与第一相互作用力之间的关系，以获得每个离散点受到的其他机械臂上离散点所施加的第一相互作用力。
15.如权利要求14所述的系统，其特征在于，
所述预设的多个距离区间包括第一距离区间(0，Lmin+Rm+Rn]、第二距离区间(Lmin+Rm+Rn,Lmax+Rm+Rn)和第三距离区间[Lmax+Rm+Rn,+∞)；
Rm、Rn为根据上述两个离散点所在的机械臂的尺寸，获得的该两个离散点所在位置处机械臂的截面最大半径，Lmax为预设的碰撞警示距离、Lmin为预设的最小安全距离；
在所述第一距离区间范围内，所述第一相互作用力F为预设的最大相互作用力Fmax；在所述第二距离区间(Lmin+Rm+Rn,Lmax+Rm+Rn)范围内，所述第一相互作用力与第一相对距离之间的关系为一函数；在所述第三距离区间[Lmax+Rm+Rn,+∞)范围内，所述第一相互作用力F为零；以及
所述函数为在所述第二距离区间范围内连续的函数，且该函数的一阶导数小于零，二阶导数大于零。
16.如权利要求15所述的系统，其特征在于，所述函数为：
其中，k为距离-作用力增益系数，L为所述第一相对距离，L′为L对时间的导数。
17.如权利要求11或12所述的系统，其特征在于，所述离散点设置单元还用于获取每个离散点的离散点增益系数；
其中，所述处理器还用于：
获得每个所述离散点受到的所有所述第一相互作用力的合力；
获得每个离散点对对应的关节作用的力矩，并根据每个离散点的离散点增益系数获得每个关节受到的合力矩；以及
根据每个所述关节受到的合力矩，以及所述机械臂的力雅可比矩阵，得到所述机械臂的所述笛卡尔作用力。
18.如权利要求11所述的系统，其特征在于，所述系统还包括与所述处理器连接的报警器；所述处理器还用于：
针对任一所述机械臂，当该机械臂上任一离散点的所述第一相对距离小于等于预设报警距离时，和/或，当该机械臂的所述笛卡尔作用力大于预设的作用力阈值时，所述处理器均触发所述报警器发出报警讯息。
19.如权利要求11或12所述的系统，其特征在于，还包括：
显示装置，所述处理器还用于通过所述显示装置将所述笛卡尔作用力予以显示。
20.一种医疗机器人，其特征在于，包括：
至少两条机械臂，所述机械臂包括机械臂本体和位置传感器，所述机械臂本体包括多个关节，所述位置传感器用于获取位置信息；以及
如权利要求11-19中任意一项所述的机械臂防碰撞系统。
21.如权利要求20所述的医疗机器人，其特征在于，还包括医生端、病人端和控制端；
其中，所述医生端、所述病人端和所述机械臂防碰撞系统分别与所述控制端通信连接；所述机械臂位于所述病人端；所述医生端包括主操作手，所述主操作手包括多个关节以及驱动关节转动的电机，所述主操作手用于控制所述机械臂运动；所述控制端用于根据从所述机械臂防碰撞系统获取的所述机械臂的笛卡尔作用力，设置所述主操作手的笛卡尔作用力；以及
所述控制端还用于根据主操作手的笛卡尔作用力，主操作手的力雅可比矩阵获得所述主操作手各个关节受到的力矩，并控制电机输出与该力矩大小相等且方向相反的阻力矩，使操作者感知所述机械臂的笛卡尔作用力。
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