CN111110350A - 手术机器人的前端控制装置及手术机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种手术机器人的前端控制装置及手术机器人。其中所述手术机器人的前端控制装置，安装在手术机器人的机器臂的前端的端部上，前端控制装置包括：信息输入模块，用于检测并识别外部输入的控制信号；信息传输模块，用于将控制信号传输给机器人的主控系统，以供机器人的主控系统将控制信号发送给上位机，由上位机根据机器人的当前姿态信息和控制信号生成移动指令，并将移动指令发送给机器人的主控系统，以控制机器人的机器臂的移动。本发明的技术方案，使医生能够在机器人侧，通过前端控制装置对机器人的机器臂做位置移动的调整操作，增加手术流程控制的操作便利性，实现了在手术过程中对机器人的实时控制。

Description

手术机器人的前端控制装置及手术机器人

技术领域

本发明涉及医疗器械技术领域，尤其涉及一种手术机器人的前端控制装置及手术机器人。

背景技术

随着医疗器械技术的发展，越来越多先进的医疗器械设备采用机器人进行辅助，极大地方便了医生的操作。

例如，骨科领域中机器人的出现，能够辅助医生在病人的患病部位准确植入螺钉等植入物，有效地提高植入物植入的准确性和便利性。在具体使用时，机器人、上位机以及光学定位追踪系统配合操作，实现对植入位置的定位。光学定位追踪系统包括安装在机器人的机器臂前端的第一光学传感器以及光学追踪器。光学追踪器能够实时采集到第一光学传感器的信号，并将采集到的第一光学传感器的信号上传给上位机，上位机根据第一光学传感器的信号，患者图像以及标尺的信息，实现坐标的配准，从而能够将机器人和患者图像统一在同一个坐标系下。机器人的机器臂前端安装有导向器，该导向器为空心筒状，在导向器移动到植入物的植入位置时，导向器的前端和末端所在直线与预设的植入物的植入位置所在的直线重合，且导向器的前端靠近患者身上的入钉位置。这样，医生可以借助于导向器，从导向器的末端植入植入物，借助于导向器的定位，植入物可以从导向器的前端打入至预设的植入位置。具体操作时，上位机侧的显示屏可以显示患者的患处的信息，然后医生可以根据患处的信息制定需要植入的植入物数量、以及每个植入物的植入位置(其中包括植入方向)，上位机确定每个植入物植入时，对应的导向器移动的目标位置(包括目标方向)。最后医生点击上位机侧的运动按钮，上位机下发携带移动信息的移动指令给机器人，便可以控制机器人的机器臂的移动，使得导向器可以移动至入钉位置。

现有的机器人移动时，仅能够通过远离术区的上位机侧的运动按钮来触发机器人的移动，不便于控制手术流程。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种机器人的前端控制装置及机器人，以在机器人侧对机器臂做位置移动的调整操作，增加手术流程控制的操作便利性。

本发明提供一种机器人的前端控制装置，所述前端控制装置安装在所述机器人的机器臂的前端的端部上，所述前端控制装置包括：

信息输入模块，用于检测并识别外部输入的所述控制信号；

信息传输模块，用于将所述控制信号传输给所述机器人的主控系统，以供所述机器人的主控系统将所述控制信号发送给上位机，由所述上位机根据所述机器人的当前姿态信息和所述控制信号生成移动指令，并将所述移动指令发送给所述机器人的主控系统，以控制所述机器人的机器臂的移动。

进一步可选地，如上所述的前端控制装置中，所述控制信号包括控制所述机器臂前端的端部上安装的导向器的位移偏移量增大或者减小的控制信号；

其中所述导向器的位移偏移量为在所述导向器的前端和末端所在的轴线方向上、所述导向器的前端与植入点的距离。

进一步可选地，如上所述的前端控制装置中，所述控制信号包括控制所述导向器的角度偏移量增大或者减小的控制信号；

其中所述导向器的角度偏移量为基于所述导向器的第二平面偏离基于所述导向器的第一平面的角度，其中，所述导向器的第一平面为所述导向器的前端和末端所在轴线与所述机器人的基座中心点所在的平面，所述导向器的第二平面为所述导向器的前端和末端所在的轴线与所述前端控制装置的中心点所在的平面。

进一步可选地，如上所述的前端控制装置中，所述信息输入模块，还用于接收外部输入的植入物选择信息；

所述信息传输模块，用于通过所述机器人的主控系统向所述上位机发送所述植入物选择信息，由所述上位机根据当前选择的植入物信息和接收到的所述植入物选择信息，获取本次待植入的目标植入物信息。

进一步可选地，如上所述的前端控制装置中，所述前端控制装置中还包括复位模块；

所述复位模块，用于检测并接收外部输入的复位信号；

所述信息传输模块，还用于通过所述机器人的主控系统向所述上位机发送所述复位信号，由所述上位机在模拟界面上模拟所述机器臂的移动时，关闭卡死的所述模拟界面。

进一步可选地，如上所述的前端控制装置中，所述信息输入模块采用按钮、多向按键、两轴摇杆、触摸板以及触摸屏中的任意一种或多种来实现。

进一步可选地，如上所述的前端控制装置中，所述前端控制装置还包括状态提示模块，用于根据所述上位机发送的状态提示信息进行状态提示。

进一步可选地，如上所述的前端控制装置中，所述状态提示模块，用于根据所述状态提示信息，采用闪烁、常亮或者颜色交替的视觉显示方式进行状态提示；和/或根据所述状态提示信息，采用不同的语音信息进行状态提示。

进一步可选地，如上所述的前端控制装置中，所述状态提示模块，用于：

若所述上位机未检测到所述机器人侧和/或患者侧的光学传感器时，根据相应的所述状态提示信息，采用第一颜色的光线和/或者第一提示音进行状态提示；

若所述机器人的机器臂正处于移动过程中时，根据相应的所述状态提示信息，采用第二颜色的光线和/或者第二提示音进行状态提示；

若所述机器人的机器臂移动到目标位置时，根据相应的所述状态提示信息，采用第三颜色的光线和/或者第三提示音进行状态提示；

若所述机器人的机器臂正在带动所述导向器回退时，根据相应的所述状态提示信息，采用第四颜色的光线和/或者第四提示音进行状态提示。

进一步可选地，如上所述的前端控制装置中，所述第一颜色、所述第二颜色、所述第三颜色和第四颜色均采用闪烁的方式，或者均采用常亮的方式进行状态提示；

或者所述第一颜色、所述第二颜色、所述第三颜色和第四颜色中部分采用闪烁的方式、部分采用常亮的方式进行状态提示。

进一步可选地，如上所述的前端控制装置中，所述前端控制装置包括基座，所述基座安装在所述机器人的机器臂的前端的端部；

所述前端控制装置中所述信息输入模块、所述信息传输模块、所述状态提示模块和所述复位模块均设置在所述基座上。

进一步可选地，如上所述的前端控制装置中，所述基座采用柱状体；

所述信息输入模块和所述复位模块分别设置在所述基座的表面上；和/或

若所述状态提示模块采用多个LED灯形成的灯带来实现时，多个所述LED灯环绕设置在所述柱状体的表面上，并且所述灯带平行于所述基座的柱状体的横截面。

本发明还提供一种机器人，所述机器人包括机器臂，所述机器臂的前端的端部设置有如上所述的前端控制装置。

本发明的机器人的前端控制装置及机器人，通过采用上述方案，使医生能够在机器人侧，通过前端控制装置对机器人的机器臂做位置移动的调整操作，增加手术流程控制的操作便利性，实现了在手术过程中对机器人的实时控制。

进一步地，本发明的机器人的前端控制装置及机器人，在前端控制装置上还设置有状态提示模块，以实时对各种状态进行提示，使得用户能够及时了解实时状态；并且还可以在出现故障状态时，及时发现问题，及时解决问题，从而保证了手术的顺序执行。

再者，本发明的机器人的前端控制装置及机器人，在前端控制装置上还设置有复位模块，能够在出现故障时，及时复位，丰富机器人侧的操作功能，使用非常方便。

附图说明

通过结合附图对本公开示例性实施方式进行更详细的描述，本公开的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本公开示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。

图1为本发明提供的机器人的前端控制装置实施例的结构示意图。

图2为本发明提供的一种机器人的前端控制装置的结构图。

图3为图2所示的前端控制装置安装在机器人的机器臂的前端端部的示意图。

图4为图3中的前端控制装置及导向器的放大示意图。

图5为本发明提供的机器人实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的优选实施方式。虽然附图中显示了本公开的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。

应用于骨科手术中的机器人是一种辅助骨科医生进行微创手术的设备。医生在术前或者术中的图像上进行手术的路径规划，通过图像的配准，将机器人的机械臂和患处图像的坐标进行统一，医生在完成配准后的图像上进行手术的路径规划，将所规划的路径配准到术中的坐标系下。上位机根据手术路径控制机器人的执行端到达患者患处的预定方位处。机器人可以包括一个多自由度机械臂，机械臂末端固定有导向器，该导向器为空心的筒状结构，空心的筒状结构中可以放置待植入的植入物，以在植入物植入过程中，为植入物固定位置和方向。手术路径规划的目的是确定植入物(如导针等)的植入点、方向和深度等，路径规划完成后路径数据会被传送至机器人，机器人的主控系统控制机械臂移动至患处，使导向器轴线与规划的路径同轴，以便术者通过导向器植入植入物。例如，本实施例的植入物可以为导针，该导针用于固定后续植入的空心螺钉的植入方向和位置。在手术过程中，对于同一个植入点，可以先采用上述方式在植入点植入导针，然后通过导针植入空心螺钉，使得该空心螺钉与导针同轴，且正好套在导针外。空心螺钉植入完成后便可以退出导针，采用空心螺钉固定需要固定的患处即可。

控制机器人原本的控制方式为：操作者需要在上位机的软件界面上先对选中的植入物如导针进行运动模拟。运动模拟过程中会弹出模拟运动界面，并根据前端安装的导向器以及所选择的位置偏移自动计算一个最佳的角度偏移(其标准是机器人的目标姿态与当前姿态的变化最小)，根据位置偏移和角度偏移计算出最终到达置钉位置时的机器人姿态。模拟完成后，用户需要在软件界面上点击运动按钮。在按钮被按下的过程中机器人会移动到目标位置，如果在这个过程中按钮松开则立即停止运动。当机器人运动到位后在软件界面上会有到位提示。

上述机器人仅用于单纯接收并执行上位机的移动指令，而不存在与上位机的任何操作交互，导致机器人侧无法进行任何调整操作，操作过程需要多人配合，操作非常不便利。基于以上操作方式，本发明采用如下技术方案，以解决上述操作方式存在的问题。

图1为本发明提供的机器人的前端控制装置实施例的结构示意图。本实施例前端控制装置安装在机器人的机器臂的前端的端部上，该前端控制装置包括：

信息输入模块10用于检测并识别外部输入的控制信号；

信息传输模块11用于将信息输入模块10识别的控制信号传输给机器人的主控系统，以供机器人的主控系统将控制信号发送给上位机，由上位机根据机器人的当前姿态信息和控制信号生成移动指令，并将移动指令发送给机器人的主控系统，以控制机器人的机器臂的移动。

具体地，信息输入模块10检测并识别到外部输入的控制信号后，信息传输模块11将信息输入模块10识别的控制信号传输给机器人的主控系统，以供机器人的主控系统将控制信号发送给上位机，在上位机侧，上位机可以根据已检测到的机器人的当前姿态信息和控制信号，生成移动指令。本实施例的机器人的当前姿态信息，具体由光学定位追踪系统通过采集安装在机器人的机器臂前端的第一光学传感器的信号，来获取的。具体地，上位机根据光学定位追踪系统获取的信号，以及包括标尺信息的患者患处图像可以实现坐标配准，从而能够将机器人与患者图像统一到一个坐标系下来表示。通过追踪第一光学传感器的信号，可以实时获取机器人的当前姿态信息。例如，若本实施例中，第一光学传感器和标尺安装在机器人的前端控制装置上时，此时机器人的姿态信息具体可以为机器人侧的前端控制装置的工具中心点(Tool Centre Position；TCP)信息，如可以包括前端控制装置的TCP的位置和方向等；TCP的位置用表示三维空间点的坐标x,y,z表示，TCP的方向用表示三维空间刚体旋转的旋转矢量rx,ry,rz表示。其具体实现原理详细可以参考相关现有技术，在此不再赘述。然后上位机根据控制信号，可以确定移动的目标姿态信息；并根据机器人的当前姿态信息和目标姿态信息，确定机器人需要移动的移动量。实际应用中，机器人从当前姿态信息移动到目标姿态信息可以对应多条路径多种移动量，本实施例中，可以取最小位移移动量和最小角度移动量来生成移动指令，以尽量减少机器人的机器臂的移动操作。并向机器人发送该移动指令。

对应地，在机器人侧，机器人的主控系统接收该移动指令，并根据移动指令，控制机器人的机器臂移动。

本实施例的机器人的前端控制装置，通过采用上述技术方案，可以在机器人侧发起控制信号，实现机器人的机器臂的移动，弥补了现有技术中机器人侧无法触发机器人移动的缺陷，丰富了机器人与上位机的交互功能，有效地增加了手术流程控制的操作便利性。而且由于手术过程中，医生以及机器人均在术区工作，采用本实施例的技术方案，能够根据机器人与上位机的交互，实现在机器人侧对机器臂的移动控制，简化了操作流程，极大地方便医生的操作，使用非常便利。

图2为本发明提供的一种机器人的前端控制装置的结构图。图3为图2所示的前端控制装置安装在机器人的机器臂的前端端部的示意图。图4为图3中的前端控制装置及导向器的放大示意图。如图3和图4所示，本实施例的前端控制装置在使用时安装在机器人的机器臂的前端端部，所以称之为前端控制装置。如图3所示，本实施例的机器人的机器臂可以包括至少六个自由度，以便于机器臂的灵活移动。如图2-图4所示，本实施例中，可以通过在机器人的机器臂的前端的端部设置图2所示的前端控制装置，实现机器人与上位机的交互。

下面结合上述图2-图4，以两种类型的控制信号为例，描述本实施例的技术方案。

第一种类型的控制信号为控制机器人机器臂前端的端部上安装的导向器的位移偏移量增大或者减小的控制信号。

此时对应地，信息输入模块10用于检测并识别外部输入的用于控制导向器的位移偏移量增大或者减小的控制信号。

对应地，信息传输模块11用于将信息输入模块10识别的控制信号传输给机器人的主控系统，以供机器人的主控系统将控制信号发送给上位机，由上位机根据机器人的当前姿态信息和控制信号生成移动指令，并将移动指令发送给机器人的主控系统，以由机器人的主控系统根据移动指令控制机器臂的移动。

如图3和图4所示，以植入物为导针为例，该导向器的位移偏移量为在导向器的前端A点和末端B点所在的轴线方向上、导向器的前端A点与植入点的距离。例如，如图4所示，若前端控制装置检测到的控制信号为导向器的位移偏移量减小的控制信号时，机器人的主控系统根据移动指令，控制机器人的机器臂移动时，可以使得导向器保持方向不变，沿着导向器轴线方向前进，导向器逐步靠近植入点。若前端控制装置检测到的控制信号为导向器的位移偏移量增大的控制信号时，机器人的主控系统根据移动指令，控制机器人的机器臂移动时，可以使得导向器保持方向不变，沿着导向器轴线方向后退，导向器逐步远离植入点。

在实际应用中，可以按照相关方案，将导向器移动到植入点后，若医生还想要对植入点做消毒处理或者其他需要导向器远离植入点等操作时，此时医生可以通过前端控制装置控制机器臂的移动，使得导向器沿着导向器的轴线方向上远离植入点。对植入点处理完毕之后，准备植入待植入物，此时再通过前端控制装置控制机器臂移动，使导向器沿着导向器的轴线方向上靠近植入点，从而实现医生在机器人侧对机器臂进行移动调整，操作非常便利，使用非常方便。

第二种类型的控制信号为控制导向器的角度偏移量增大或者减小的控制信号。

此时对应地，信息输入模块10用于检测并识别外部输入的用于控制导向器的角度偏移量增大或者减小的控制信号。

如图3所示，该导向器的角度偏移量为基于导向器的第二平面偏离基于导向器的第一平面的角度，基于导向器的第一平面为导向器的前端A点和末端B点所在轴线与机器人的基座中心点即M点所在的平面，基于导向器的第二平面为导向器的前端A点和末端B点所在的轴线与前端控制装置的TCP即N点所在的平面。

对应地，信息传输模块11用于将信息输入模块10识别的控制信号传输给机器人的主控系统，以供机器人的主控系统将控制信号发送给上位机，由上位机根据机器人的当前姿态信息和控制信号生成移动指令，并将移动指令发送给机器人的主控系统，以由机器人的主控系统根据移动指令，控制机器人的机器臂移动，以带动导向器的角度偏移量增大或者减小，而保持导向器的方向和位置不动。也就是说，导向器的角度偏移量增大或者减小的过程中，导向器的筒状结构是可以转动的，但是轴线方向是不变的。

例如，如图3和图4所示，若前端控制装置检测到的控制信号为导向器的角度偏移量减小的控制信号时，由于本实施例的机器人的机器臂为至少六自由度的，此时机器人的主控系统根据移动指令，控制机器人的机器臂移动时，可以移动机器臂，使得导向器沿着导向器的轴线旋转，而导向器的位置和方向保持不变，但是机器臂移动后，需要使得图3所示的角度偏移量减小。对应地，若前端控制装置检测到的控制信号为导向器的角度偏移量增大的控制信号时，此时机器人的主控系统根据移动指令，控制机器人的机器臂移动，使得导向器沿着导向器的轴线旋转，而导向器的位置和方向保持不变，但是机器臂移动后，需要使得图3所示的角度偏移量减大。

在实际应用中，可以按照相关现有技术的方案，将导向器移动到植入点后，若机器臂的位置不合适，在空间上影响医生对植入物的植入操作，此时医生可以采用上述方案，通过增大或者减小角度偏移量，对移动壁进行移动调整，以改变机械臂在空间的位置，为医生流程更多的操作空间，操作非常便利，使用非常方便。

其中，导向器的/角度偏移量还可以具有方向，例如，当控制导向器的角度偏移量减小时，角度偏移量减小至0时继续按照偏移方向旋转，此时角度偏移按照与原偏移方向相反的方向继续增大。

机器人侧的前端控制装置检测并识别外部输入的上述两种类型的控制信号，并基于控制信号，可以实现机器人与上位机交互，能够弥补现有技术的不足，能够丰富机器人与上位机的交互功能，实现在机器人侧控制手术流程，且操作非常便利。实际应用中，还可以设置信息输入模块10检测并识别外部输入的其他类型的控制信号，实现与上位机的交互，在此不再一一举例赘述。

需要说明的是，本实施例中的信息输入模块10可以采用按钮、多向按键、两轴摇杆、触摸板以及触摸屏中的任意一种来实现。如图2-图4所示，以信息输入模块10采用多向按键为例，每一个方向可以代表不同的控制信号的输入。信息输入模块10采用两轴摇杆实现时，原理类似，每一个方向可以代表不同的控制信号的输入。若信息输入模块10为单按钮时，可以设置不同的连续按动次数代表不同的控制信号的输入。若信息输入模块10采用触摸板实现时，也可以采用不同的点击次数来实现不同的控制信号的输入。若信息输入模块10采用触摸屏实现时，可以在触摸屏上设置不同的信息输入按钮，实现不同的控制信号的输入。实际应用中，信息输入模块10还可以采用其他形式来实现，在此不再一一赘述。由于控制信号的种类可能较多，所以本实施例的信息输入模块10用于检测并识别外部输入的控制信号。

本实施例中，机器人的前端控制装置中的信息输入模块10会对外部输入的控制信号进行初步的识别，例如识别模拟信号，1101,1011,0111等，然后由信息传输模块11将识别后的控制信号传输给机器人的主控系统，并由机器人的主控系统再发送给上位机，上位机根据逻辑进行逻辑识别，进一步判断属于什么信号，以便于后续基于该控制信号进行相应的控制。另外，若信息输入模块10为多向按键时，每进行一次按键，对应控制信号是一个信号区间，机器人发送给上位机后，会进行识别，判断对应属于哪一个控制信号。

另外，本实施例的信息传输模块11主要用于实现信息的传输，在图2-图4所示的实例图中，可以设置前端控制装置内，实现与机器人的主控系统信号连接，所以在图2-图4所示的前端控制装置外部未示出。例如，在机器人的机器臂的端部设置有机器人的主控系统与前端控制装置通信连接的通信端口，前端控制装置中的信息传输模块11与该通信端口连接，便可以实现机器人的前端控制装置与机器人的主控系统通信连接。

进一步可选地，本实施例的信息输入模块10，还用于接收外部输入的植入物选择信息；对应地，信息传输模块11还用于通过机器人的主控系统向上位机发送植入物选择信息，由上位机根据当前选择的植入物信息和接收到的植入物选择信息，获取本次待植入的目标植入物信息；进一步地，上位机还可以在显示屏上显示本次待植入的目标植入物信息。

实际应用中，患者的患处可能需要置入多个植入物如导针，医生在上位机侧进行手术路径规划后，可以确定在患处植入的植入物的数量、以及每个植入物的植入点、方向和深度等信息。

具体操作时，用户可以一个植入物一个植入物进行操作。例如在上位机侧可以默认选择一个当前的植入物。然后在机器人侧的医生，可以通过前端控制工具输入植入物选择信息，如可以通过按钮选择下一个植入物或者上一个植入物。上位机根据当前的植入物信息和接收到的植入物选择信息，可以获取本次待植入的目标植入物信息。本实施例的目标植入物的信息可以包括目标植入物的植入点、目标植入物的植入方向和深度等信息。最后在上位机的显示屏上显示本次待植入的目标植入物信息，以供医生查看。

而现有技术中，植入物的选择，必须由医生在上位机一侧来执行，医生在植入完一个植入物后，还必须回到上位机一侧进行操作，使用非常不方便。与现有技术相比，本实施例的前端控制装置，可以实现在机器人侧控制与上位机的交互，能够极大地提高医生的操作便利性。

在本实施例中，虽然是由前端控制装置触发的移动，但最终是由上位机根据机器人的当前姿态信息和控制信号生成移动指令，并将移动指令发送给机器人的主控系统，以控制机器人的机器臂的移动。本实施例中，由于前端控制装置可以实现上述第一种类型的控制信号即导向器的位移偏移量增大或者减小的控制信号，这种移动调整可以认为是微调。而对当前植入物植入完毕，移动到下一个待植入的目标植入物的过程，需要导向器在轴线方向上进行移动，可以认为是较大的调整。但是，本实施例的技术方案，与现有技术不同的是，本实施例的移动仅需要导向器移动至待植入的目标植入物的轴线方向上，再采用上述第一类型的控制信号，对导向器进行移动，便可以借助于前端控制装置，通过改变导向器的位移偏移量，灵活调整。上位机在控制导向器从当前位置移动到下一个待植入的目标植入物的轴线方向上时，需要先生成一个移动指令，该移动指令中携带最小角度偏移量和最小位移偏移量。其中最小角度偏移量和最小位移偏移量为上位机根据已检测到的机器人的当前姿态信息和目标植入物信息，计算将安装在机器臂前端的导向器从当前位置移动到目标植入物对应的空间轴线上、需要移动的最小位移偏移量和最小角度偏移量。

具体地，上位机将导向器从当前位置移动到目标植入物对应的空间轴线上的过程中，可以有很多种移动方式，每种移动方式可以包括位移偏移量和角度偏移量。无论采用哪种移动方式，都能够从当前位置移动到目标植入物对应的空间轴线上。在所有的移动方式中，存在一个最小的位移偏移量和最小的角度偏移量的移动。相对于其他移动操作，最小的位移偏移量和最小的角度偏移量的移动操作是最简便、省时和节省移动空间的操作。

例如，最小的位移偏移量的获取过程可以为：将当前位置上的导向器上的各点投影到目标植入物对应的空间轴线上，然后取导向器上各点到目标植入物对应的空间轴线上对应的投影点的最短距离，作为最小位移偏移量。这样，导向器按照最小位移偏移量可以平移至与该目标植入物对应的空间轴线上相交；然后将该导向器旋转至与目标植入物对应的空间轴线平行，此时导向器可以从两个方向，分别旋转不同的角度，旋转至与目标植入物对应的空间轴线上平行。本实施例中，可以取较小的旋转角度为最小角度偏移量。这样，按照最小位移偏移量和最小角度偏移量，可以将导向器从当前位置移动到目标植入物对应的空间轴线上。

在导向器的上述移动过程中，医生可以通过设置在机器人与上位机连接的通路上的控制脚踏，实现机器人与上位机的通路的连接。若控制脚踏被踩下即机器人处于启动状态时，可以通过上位机直接控制机器人移动；若控制脚踏松开，机器人与上位机之间的控制中断。例如，若机器人正在根据上位机的移动指令移动时，若医生松开控制脚踏，机器人的移动立刻停止，这样，可以有效地保证机器人移动的安全性。

上述实施例的技术方案中，上位机根据目标植入物信息和机器人当前的姿态信息，计算将机器臂移动到目标植入物信息对应的位置处，所需要移动的最小角度偏移量和最小位移偏移量，然后在显示屏上显示模拟界面，以模拟移动过程。若医生一直踩着控制脚踏，上位机模拟完后，会自动关闭模拟界面，并自动向机器人发送携带最小角度偏移量和最小位移偏移量的移动指令，指示机器人控制机器臂根据移动指令移动。

而若上位机关闭模拟界面之前，模拟界面卡死，此时上位机还未向机器人发送移动指令。此时，进一步可选地，如图1-图4所示，本实施例的机器人的前端控制装置还包括复位模块12。

复位模块12用于检测并接收外部输入的复位信号；对应地，信息传输模块11还用于通过机器人的主控系统向上位机发送复位信号，由上位机在模拟界面上模拟机器臂的移动时，关闭卡死的模拟界面；并进一步向机器人的主控系统下发移动指令，继续控制机器臂的移动。

现有技术中，模拟界面卡死时，操作者需要到上位机侧进行操作以关闭卡死的界面，操作非常不方便。本实施例中，通过机器人的前端控制装置，能够在机器人侧对上位机进行复位处理，丰富了机器人与上位机的交互功能，有效地增加了手术流程控制的操作便利性，使用非常方便。

进一步可选地，如图1、以及图2-图4所示，本实施例的机器人中前端控制装置中还包括状态提示模块13；

状态提示模块13用于根据上位机发送的状态提示信息进行状态提示。

例如，本实施例中，状态提示模块13可以采用光线提示的方式和/或语音提示的方式。

其中光线提示方式中状态提示模块13可以用于根据状态提示信息，采用闪烁、常亮或者颜色交替的视觉显示方式进行状态提示。例如图2-图4所示，本实施例的状态提示模块13采用多个LED灯形成的灯带来实现光线提示。

其中语音提示方式中状态提示模块13可以用于根据状态提示信息，采用不同的语音信息进行状态提示。此时状态提示模块13可以采用扬声器来实现。

例如，状态提示模块13根据上位机发送的状态提示信息进行状态提示，具体可以包括如下几种情况：

第一种情况、若光学跟踪器未检测到机器人侧和/或患者侧的光学传感器时，机器人根据相应的状态提示信息，采用第一颜色的光线和/或者第一提示音进行状态提示；

具体工作过程中，在机器人侧和患者侧都设置有光学传感器，光学跟踪器可以实时采集机器人侧的光学传感器的信号、以及患者侧的光学传感器的信号。若光学跟踪器未检测到机器人侧和/或患者侧的光学传感器时，向上位机发送未检测到其中一侧的光学传感器，此时，上位机可以确定此时状态为：光学跟踪器未检测到机器人侧和/或患者侧的光学传感器，并基于该状态生成相应的状态指示信息，用于指示该状态下机器人侧的状态显示方式。并将该状态指示信息发送给机器人，以由机器人根据相应的状态提示信息，进行状态提示，如采用第一颜色的光线和/或者第一提示音进行状态提示。

第二种情况、若机器人的机器臂正处于移动过程中时，机器人根据相应的状态提示信息，采用第二颜色的光线和/或者第二提示音进行状态提示；

光学跟踪器可以实时采集机器人侧的任何动态信息，并上传给上位机，例如，机器人的机器臂正处于移动过程时，光学跟踪器可以采集到相关信息，并上传给上位机，上位机可以确定机器人此时状态为：机器人的机器臂正处于移动过程中；并基于该状态生成相应的状态指示信息，用于指示该状态下机器人侧的状态显示方式。并将该状态指示信息发送给机器人，以由机器人根据相应的状态提示信息，进行状态提示，如采用第二颜色的光线和/或者第二提示音进行状态提示。

第三种情况、若机器人的机器臂移动到目标位置时，机器人根据相应的状态提示信息，采用第三颜色的光线和/或者第三提示音进行状态提示。

同理，光学跟踪器可以实时采集机器人侧的任何动态信息，并上传给上位机，例如，机器人的机器臂移动到目标位置时，光学跟踪器可以采集到相关信息，并上传给上位机，上位机可以确定机器人此时状态为：机器人的机器臂移动到目标位置；并基于该状态生成相应的状态指示信息，用于指示该状态下，机器人侧的状态显示方式。并将该状态指示信息发送给机器人，以由机器人根据相应的状态提示信息，进行状态提示，如采用第三颜色的光线和/或者第三提示音进行状态提示。

第四种情况、若机器人的机器臂带动导向器回退时，机器人根据相应的状态提示信息，采用第四颜色的光线和/或者第四提示音进行状态提示。

其中第一颜色、第二颜色、第三颜色和第四颜色均采用闪烁的方式，或者均采用常亮的方式进行状态提示；此时第一颜色、第二颜色第三颜色和第四颜色均不相同。或者第一颜色、第二颜色、第三颜色和第四颜色中部分采用闪烁的方式、部分采用常亮的方式进行状态提示。此时采用同一种方式的不同颜色必须不相同。本实施例的第一颜色、第二颜色、第三颜色和第四颜色可以为红色、黄色、蓝色、绿色、紫色等各种颜色中任意颜色。

其中采用语音提示方式进行提示时，第一提示音、第二提示音、第三提示音和第四提示音，可以直接通过语音的方式播报当前的状态。如直接播报“上位机未检测到机器人侧和/或患者侧的光学传感器”、“机器人的机器臂正处于移动过程”或者“机器人的机器臂移动到目标位置”或者“机器臂正在带动导向器回退”。或者也可以采用不同的音乐来标识不同的状态。也可以采用不同的语音报警提示来标识不同的状态，如“滴-滴-滴”、“滴滴-滴滴-滴滴”以及“滴滴滴-滴滴滴-滴滴滴”可以分别标识不同的状态。

本实施例的前端控制装置，能够通过状态提示模块在机器人侧进行状态提示，从而能够实时展示各种状态，以便于在出现问题时，能够及时解决问题，减少故障查找时间，使用非常方便。

如图2-图4所示，本实施例的机器人中的前端控制装置中信息输入模块10、信息传输模块11、状态提示模块13和复位模块12设置于同一基座上，基座安装在机器人的机器臂的前端的端部；例如，本实施例的基座可以采用柱状体，信息输入模块10和复位模块12分别设置在柱状体的基座的表面上。

状态提示模块13采用的多个LED灯形成的灯带来实现时，在平行于基座的柱状体的横截面的方向上、环绕设置在柱状体的表面上。

本实施例的机器人的前端控制装置，通过采用上述技术方案，可以实现在机器人侧进行操作的控制，能够有效增加手术控制的操作便利性，使用非常方便。

图5为本发明提供的机器人实施例的结构示意图。如图5所示，本实施例的机器人包括机器臂，进一步地，在机器臂的前端的端部设置有如上图2-图4所述的前端控制装置。

例如，图5中所示的机器人中以包括机器人底座20、主控系统21和机器臂22。该主控系统21可以设置在机器人底座20内，所以图中未示出。机器臂22设置在机器人底座20上；机器臂22的前端的端部上安装有用于定位植入钉的导向器23，且在机器臂的前端的端部还设置有前端控制装置24。如图2所示可以为本发明的机器人的部分结构的实例示意图。

进一步可选地，如图5所示，本实施例的机器人上设置有两个脚踏：示教脚踏25和控制脚踏26。主控系统21检测到示教脚踏25未被踩下时，锁死机器臂22，若主控系统11检测到示教脚踏15被踩下时，主控系统11可以打开机器臂，此时机器臂22能够受外力触发移动，随意移动，实现示教功能。控制脚踏26设置在机器人与上位机连接的通路上，若主控系统21检测到控制脚踏26被踩下，机器人与上位机之间的控制通路连通，此时若机器人的主控系统21接收到上位机发送的移动指令，继续根据移动指令控制机器臂22的移动；若主控系统21检测到控制脚踏26松开，机器人与上位机之间的控制中断，此时机器人的主控系统21停止控制机器臂22的移动。图5中虚线表示物理上的安装连接，实现表示通信连接。

本实施例中，前端控制装置24实现在机器人侧控制移动的过程，可以参考上述图1-图4所示实施例的记载，在此不再赘述。

本实施例的机器人，通过设置前端控制装置，可以实现在机器人侧进行操作的控制，能够有效增加手术控制的操作便利性，使用非常方便。

附图中的流程图和框图显示了根据本发明的多个实施例的系统和方法的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标记的功能也可以以不同于附图中所标记的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims (13)

1.一种手术机器人的前端控制装置，其特征在于，所述前端控制装置安装在所述机器人的机器臂的前端的端部上，所述前端控制装置包括：

信息输入模块，用于检测并识别外部输入的控制信号；

信息传输模块，用于将所述控制信号传输给所述机器人的主控系统，以供所述机器人的主控系统将所述控制信号发送给上位机，由所述上位机根据所述机器人的当前姿态信息和所述控制信号生成移动指令，并将所述移动指令发送给所述机器人的主控系统，以控制所述机器人的机器臂的移动。

2.根据权利要求1所述的前端控制装置，其特征在于，所述控制信号包括控制所述机器臂前端的端部上安装的导向器的位移偏移量增大或者减小的控制信号；

其中所述导向器的位移偏移量为在所述导向器的前端和末端所在的轴线方向上、所述导向器的前端与植入点的距离。

3.根据权利要求1或2所述的前端控制装置，其特征在于，所述控制信号包括控制所述导向器的角度偏移量增大或者减小的控制信号；

其中所述导向器的角度偏移量为基于所述导向器的第二平面偏离基于所述导向器的第一平面的角度，其中，所述导向器的第一平面为所述导向器的前端和末端所在轴线与所述机器人的基座中心点所在的平面，所述导向器的第二平面为所述导向器的前端和末端所在的轴线与所述前端控制装置的中心点所在的平面。

4.根据权利要求1所述的前端控制装置，其特征在于：

所述信息输入模块，还用于接收外部输入的植入物选择信息；

所述信息传输模块，还用于通过所述机器人的主控系统向所述上位机发送所述植入物选择信息，由所述上位机根据当前选择的植入物信息和接收到的所述植入物选择信息，获取本次待植入的目标植入物信息。

5.根据权利要求1所述的前端控制装置，其特征在于，所述前端控制装置中还包括复位模块；

所述复位模块，用于检测并接收外部输入的复位信号；

所述信息传输模块，还用于通过所述机器人的主控系统向所述上位机发送所述复位信号，由所述上位机在模拟界面上模拟所述机器臂的移动时，关闭卡死的所述模拟界面。

6.根据权利要求1-5任一所述的前端控制装置，其特征在于，所述信息输入模块采用按钮、多向按键、两轴摇杆、触摸板以及触摸屏中的任意一种或多种来实现。

7.根据权利要求1-5任一所述的前端控制装置人，其特征在于，所述前端控制装置还包括状态提示模块，用于根据所述上位机发送的状态提示信息进行状态提示。

8.根据权利要求7所述的前端控制装置人，其特征在于，

所述状态提示模块，用于根据所述状态提示信息，采用闪烁、常亮或者颜色交替的视觉显示方式进行状态提示；和/或根据所述状态提示信息，采用不同的语音信息进行状态提示。

9.根据权利要求7所述的前端控制装置，其特征在于，所述状态提示模块，用于：

当所述上位机未检测到所述机器人侧和/或患者侧的光学传感器时，根据相应的所述状态提示信息，采用第一颜色的光线和/或者第一提示音进行状态提示；

当所述机器人的机器臂正处于移动过程中时，根据相应的所述状态提示信息，采用第二颜色的光线和/或者第二提示音进行状态提示；

当所述机器人的机器臂移动到目标位置时，根据相应的所述状态提示信息，采用第三颜色的光线和/或者第三提示音进行状态提示；

当所述机器人的机器臂正在带动所述导向器回退时，根据相应的所述状态提示信息，采用第四颜色的光线和/或者第四提示音进行状态提示。

10.根据权利要求8所述的前端控制装置，其特征在于，所述第一颜色、所述第二颜色、所述第三颜色和第四颜色均采用闪烁的方式，或者均采用常亮的方式进行状态提示；

或者所述第一颜色、所述第二颜色、所述第三颜色和第四颜色中部分采用闪烁的方式、部分采用常亮的方式进行状态提示。

11.根据权利要求7所述的前端控制装置，其特征在于，所述前端控制装置包括基座，所述基座安装在所述机器人的机器臂的前端的端部；

所述前端控制装置中所述信息输入模块、所述信息传输模块、所述状态提示模块和所述复位模块均设置在所述基座上。

12.根据权利要求11所述的前端控制装置，其特征在于，所述基座采用柱状体；

所述信息输入模块和所述复位模块分别设置在所述基座的表面上；和/或

当所述状态提示模块采用多个LED灯形成的灯带来实现时，多个所述LED灯环绕设置在所述柱状体的表面上，并且所述灯带平行于所述基座的柱状体的横截面。

13.一种手术机器人，所述手术机器人包括机器臂，其特征在于，所述机器臂的前端的端部设置有如上权利要求1-12任一所述的前端控制装置。

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