CN111329581B - 手术机械臂的力反馈测量方法和手术机械臂 - Google Patents

手术机械臂的力反馈测量方法和手术机械臂 Download PDF

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    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
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    • A61B34/70—Manipulators specially adapted for use in surgery
    • A61B34/76—Manipulators having means for providing feel, e.g. force or tactile feedback

Abstract

本发明公开了一种手术机械臂的力反馈测量方法和手术机械臂，该手术机械臂包括力传感器和执行杆，该力传感器与该执行杆连接，其中，所述方法包括：接收该力传感器测量的力学信息；根据该执行杆的偏置角度分解该执行杆的重力，获取该执行杆的第一作用力和该执行杆的第一力矩；根据该力学信息、该第一作用力和该第一力矩，确定该执行杆末端处的环境力和环境力矩，从而解决了手术机械臂控制中力反馈检测的精确度较低的问题。

Description

手术机械臂的力反馈测量方法和手术机械臂
技术领域
本申请涉及医疗器械技术领域，特别是涉及一种手术机械臂的力反馈测量方法和手术机械臂。
背景技术
随着科学技术的发展，手术机器人大大增加了手术操作的灵活性，医生能够进行更精细的操作，同时加入人机工程学方面的设计，能够减少医生的疲劳。手术机器人克服了传统手术在观察、宜人、操作和灵活等多方面的不足，然而，在相关技术中，手术机器人仍然缺少力反馈功能，无法将手术器械与患者组织的接触力准确反馈给医生，医生因而无法通过组织触摸来鉴别组织的属性或病变，因此，在相关技术中，手术机械臂控制中力反馈检测的精确度较低，导致医生在执行一些精细的操作时，想要施加精确的作用力也变得非常困难。
针对相关技术中，手术机械臂控制中力反馈检测的精确度较低的问题，目前尚未提出有效的解决方案。
发明内容
针对相关技术中，手术机械臂控制中力反馈检测的精确度较低的问题，本发明提供了一种手术机械臂的力反馈测量方法和手术机械臂，以至少解决上述问题。
根据本发明的一个方面，提供了一种手术机械臂的力反馈测量方法，所述手术机械臂包括力传感器和执行杆，所述力传感器与所述执行杆连接，所述方法包括：
接收所述力传感器测量的力学信息；
根据所述执行杆的偏置角度分解所述执行杆的重力，获取所述执行杆的第一作用力和所述执行杆的第一力矩；
根据所述力学信息、所述第一作用力和所述第一力矩，确定所述执行杆末端处的环境力和环境力矩。
在其中一个实施例中，所述根据所述执行杆的偏置角度分解所述执行杆的重力，获取所述执行杆的第一作用力和所述执行杆的第一力矩包括：
根据第一夹角、第二夹角和所述执行杆的重力，获取所述第一作用力；其中，所述第一夹角为所述执行杆相对于第一坐标轴的偏置角度，所述第二夹角为所述执行杆相对于第二坐标轴的偏置角度；
根据所述执行杆的第一质心坐标确定所述第一作用力的第一力臂；并根据所述第一力臂和所述第一作用力，获取所述第一力矩。
在其中一个实施例中，所述手术机械臂还包括转动驱动件和控制驱动件，所述转动驱动件安装于力传感器上，所述控制驱动件设置于所述执行杆与所述转动驱动件之间，所述转动驱动件、所速控制驱动件和所述执行杆组成第一执行器械，所述接收所述力传感器获取的力学信息之后，所述方法包括：
根据所述执行杆的偏置角度分解所述第一执行器械的重力，获取所述第一执行器械的第二作用力和所述第一执行器械的第二力矩；
根据所述力学信息、所述第二作用力和所述第二力矩，确定所述环境力和所述环境力矩。
在其中一个实施例中，所述根据所述执行杆的偏置角度分解所述第一执行器械的重力，获取所述第一执行器械的第二作用力和所述第一执行器械的第二力矩包括：
根据第一夹角、第二夹角和所述第一执行器械的重力，获取所述第二作用力；
根据所述第一执行器械的第二质心坐标确定所述第二作用力的第二力臂；并根据所述第二力臂和所述第二作用力，获取所述第二力矩。
在其中一个实施例中，所述手术机械臂还包括远心操控组件、转动驱动件和控制驱动件，所述远心操控组件包括动平台，所述执行杆安装于所述控制驱动件上，所述控制驱动件安装于所述力传感器上；所述转动驱动件安装于所述动平台上，所述力传感器安装于所述转动驱动件上，所述控制驱动件和所述执行杆组成第二执行器械，所述接收所述力传感器测量的力学信息之后，所述方法包括：
根据所述执行杆的偏置角度分解所述第二执行器械的重力，获取所述第二执行器械的第三作用力和所述第二执行器械的第三力矩；
根据所述第二执行器械的第三质心坐标和所述力传感器的第四质心坐标，获取总惯性扭矩；
根据所述力学信息、所述第三作用力、所述第三力矩和所述总惯性扭矩，确定所述环境力和所述环境力矩。
在其中一个实施例中，所述根据所述第二执行器械的第三质心坐标和所述力传感器的第四质心坐标，获取总惯性扭矩包括：
根据所述第三质心坐标，获取所述第二执行器械的转轴与通过第二执行器械质心的平行轴之间的第一距离；
根据所述第一距离，获取所述第二执行器械的第一转动惯量；并根据所述第一转动惯量和所述执行杆的旋转角加速度，获取所述第二执行器械的第一扭矩；
根据所述第四质心坐标，获取所述力传感器的转轴与通过所述力传感器质心的平行轴之间的第二距离；
根据所述第二距离，获取所述力传感器的第二转动惯量；并根据所述第二转动惯量和所述旋转角加速度，获取所述力传感器的第二扭矩；
根据所述第一扭矩和所述第二扭矩，获取所述总惯性扭矩。
在其中一个实施例中，所述根据所述力学信息、所述第一作用力和所述第一力矩，确定所述执行杆末端处的环境力和环境力矩包括：
将所述力学信息在第一坐标轴方向、第二坐标轴方向和第三坐标轴方向上进行受力分解，并根据所述第一作用力、所述第一力矩和所述受力分解后的力学信息，得到受力分解后的环境分力和分解环境力矩；
根据所述环境分力获取环境合力，并根据所述环境分力和所述分解环境力矩获取所述环境合力的受力点坐标。
在其中一个实施例中，所述根据所述环境分力和所述分解环境力矩获取所述环境合力的受力点坐标包括：
根据所述受力点坐标、所述第一坐标轴方向上的第一环境分力和所述第一坐标轴方向上的第一分解环境力矩，确定第一计算模型；
根据所述受力点坐标、所述第二坐标轴方向上的第二环境分力和所述第二坐标轴方向上的第二分解环境力矩，确定第二计算模型；
根据所述受力点坐标、所述第三坐标轴方向上的第三环境分力和所述第三坐标轴方向上的第三分解环境力矩，确定第三计算模型；
根据所述第一计算模型、所述第二计算模型和所述第三计算模型，确定所述受力点坐标。
在其中一个实施例中，所述手术机械臂还包括主操作手，所述根据所述环境分力和所述分解环境力矩获取所述环境合力的受力点坐标之后，所述方法包括：
所述主操作手根据反馈的所述环境合力和所述受力点坐标，产生作用力。
在其中一个实施例中，所述接收所述力传感器测量的力学信息之前，所述方法包括：
在所述执行杆位于水平状态的情况下，所述环境力在第一坐标轴和第二坐标轴方向上最大；
在所述执行杆位于垂直状态的情况下，所述环境力在第三坐标轴方向上最大。
根据本发明的另一个方面，提供了一种手术机械臂，包括力传感器、执行杆和控制系统，所述力传感器与所述执行杆连接；
所述控制系统接收所述力传感器测量的力学信息；
所述控制系统根据所述执行杆的偏置角度分解所述执行杆的重力，获取所述执行杆的第一作用力；
所述控制系统根据所述第一作用力和所述执行杆的第一质心坐标，获取所述执行杆的第一力矩；
所述控制系统根据所述力学信息、所述第一作用力和所述第一力矩，确定所述执行杆末端处的环境力和环境力矩。
在其中一个实施例中，所述手术机械臂还包括远心操控组件、转动驱动件和用于驱动所述执行杆上的手术器具运动的控制驱动件；所述远心操控组件包括动平台；
所述力传感器连接于所述控制驱动件上，所述控制驱动件连接于所述转动驱动件；
所述转动驱动件安装于所述动平台上；所述转动驱动件通过驱动所述控制驱动件、所述力传感器以及所述执行杆，来带动所述手术器具沿所述执行杆的轴向转动。
在其中一个实施例中，所述手术机械臂还包括控转动驱动件和用于驱动所述执行杆上的手术器具运动的控制驱动件，所述转动驱动件安装于力传感器上，所述控制驱动件设置于所述执行杆与所述转动驱动件之间，所述转动驱动件、所述控制驱动件和所述执行杆组成第一执行器械；
所述控制系统根据所述执行杆的偏置角度分解所述第一执行器械的重力，获取所述第一执行器械的第二作用力；
所述控制系统根据所述第二作用力和所述第一执行器械的第二质心坐标，获取所述第一执行器械的第二力矩；
所述控制系统根据所述力学信息、所述第二作用力和所述第二力矩，确定所述环境力和所述环境力矩。
在其中一个实施例中，所述手术机械臂还包括远心操控组件；所述远心操控组件包括动平台，所述力传感器安装于所述动平台上。
在其中一个实施例中，所述手术机械臂还包括远心操控组件、转动驱动件和控制驱动件，所述远心操控组件包括动平台，所述执行杆安装于所述控制驱动件上，所述控制驱动件安装于所述力传感器上；所述转动驱动件安装于所述动平台上，所述力传感器安装于所述转动驱动件上，所述控制驱动件和所述执行杆组成第二执行器械；
所述控制系统根据所述执行杆的偏置角度分解所述第二执行器械的重力，获取所述第二执行器械的第三作用力和所述第二执行器械的第三力矩；
所述控制系统根据所述第二执行器械的第三质心坐标和所述力传感器的第四质心坐标，获取总惯性扭矩；
所述控制系统根据所述力学信息、所述第三作用力、所述第三力矩和所述总惯性扭矩，确定所述环境力和所述环境力矩。
在其中一个实施例中，所述手术机械臂还包括主操作手；
所述控制系统根据所述环境力和所述环境力矩，确定环境合力和受力点坐标；
所述主操作手根据所述控制系统反馈的所述环境合力和所述受力点坐标，产生作用力。
一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现以下步骤：
根据本发明的另一个方面，提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述任一所述方法的步骤。
根据本发明的另一个方面，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述任一所述方法的步骤。
通过本发明，采用一种手术机械臂的力反馈测量方法，该手术机械臂包括力传感器和执行杆，该力传感器与该执行杆连接，其中，所述方法包括：接收该力传感器测量的力学信息；根据该执行杆的偏置角度分解该执行杆的重力，获取该执行杆的第一作用力和该执行杆的第一力矩；根据该力学信息、该第一作用力和该第一力矩，确定该执行杆末端处的环境力和环境力矩，从而解决了手术机械臂控制中力反馈检测的精确度较低的问题。
附图说明
图1为根据本发明实施例的一种手术机械臂的应用模型的示意图；
图2为根据本发明实施例的一种手术机械臂的结构示意图一；
图3为根据本发明实施例的一种手术机械臂的力反馈测量方法的流程图一；
图4A为根据本发明实施例的一种执行杆的力学工况分析的示意图一；
图4B为根据本发明实施例的一种执行杆的力学工况分析的示意图二；
图4C为根据本发明实施例的一种执行杆的力学工况分析的示意图三；
图4D为根据本发明实施例的一种执行杆的力学工况分析的示意图四；
图5为根据本发明实施例的一种执行杆的受力分析的示意图；
图6为根据本发明实施例的一种手术机械臂的力反馈测量方法的流程图二；
图7为根据本发明实施例的一种手术机械臂的力反馈测量方法的流程图三；
图8为根据本发明实施例的一种手术机械臂的结构示意图二；
图9为根据本发明实施例的一种手术机械臂的力反馈测量方法的流程图四；
图10为根据本发明实施例的一种执行器械的力学工况分析的示意图一；
图11为根据本发明实施例的一种执行器械的受力分析的示意图一；
图12为根据本发明实施例的一种手术机械臂的结构示意图三；
图13为根据本发明实施例的一种手术机械臂的力反馈测量方法的流程图五；
图14为根据本发明实施例的一种执行器械的力学工况分析的示意图二；
图15为根据本发明实施例的一种执行器械的受力分析的示意图二；
图16为根据本发明实施例的一种手术机械臂的结构框图一；
图17为根据本发明实施例的一种手术机械臂的结构框图二。
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。
在本实施例中，提供了一种手术机械臂的应用模型，图1为根据本发明实施例的一种手术机械臂的应用模型的示意图，如图1所示。该手术机械臂包括术前摆位组件12和主动臂14。该术前摆位组件12包括伸缩机构122和旋转机构124；该伸缩机构122做伸缩运动用于控制伸缩位置，主要用于术前摆位；该旋转机构124用于术前摆位，用于调整机构的位置。
该主动臂14包括执行组件142和远心操控组件144；该执行组件142包括驱动件1422、执行杆1424和手术器具1426，执行杆1424与手术器具1426之间由转动关节连接，执行杆1424与转动关节的边沿均为圆滑过渡，无棱角，避免对人体或器官造成伤害；执行杆1424内部置有钢丝绳用于控制手术器具1426的动作，该驱动件1422用于驱动钢丝绳运动，从而驱动控制该执行杆1424的三个自由度的转动，以及控制该手术器具1426的夹取组织的动作。
该远心操控组件144是由一个具有多个方向运动的末端执行器通过铰链及可伸缩机构与机械系统的另一固定端相连接而构成的空间并联机构，该远心操控组件144可以是Stewart平台，该Stewart平台包括静平台1442、6个伸缩元件1444和动平台1446，该静平台1442与该6个伸缩元件1444采用U副铰接，该静平台1442可以在x轴和y轴方向转动，但是限制了z轴方向的自由度；该伸缩元件1444由电极和丝杠组成，通过电极驱动丝杠可以使电缸自由伸缩，从而改变该动平台1446的运动状态，该6个伸缩元件1444按照一定规律排列，使该Stewart平台偏转角度较小，其中，该伸缩元件1444与z轴的偏转角度范围在±20°之间；该动平台1446的直径小于该静平台1442，该动平台1446的运动状态由该伸缩元件1446的长度变化来控制，该动平台1446与该伸缩元件1444采用球铰接的方法，可以实现在x轴、y轴和z轴三个方向转动。
该动平台1446上还设置有力传感器，该力传感器连接于该执行杆1424并用于检测该手术器具1426受到的环境力及/或环境力矩。
在本实施例中，提供了一种手术机械臂，图2为根据本发明实施例的一种手术机械臂的结构示意图一，如图2所示，该手术机械臂的设计方案1为：该手术机械臂还包括控制驱动件22和转动驱动件24，力传感器20直接与执行杆1424连接；力传感器20包括传感元件22和安装平台24，该传感元件22以及控制驱动件22分别安装于该安装平台24的两侧；该力传感器20连接于用于驱动手术器具1426运动的控制驱动件22上，该控制驱动件22连接于转动驱动件24；该转动驱动件24安装于动平台1446上，通过驱动该控制驱动件22、该力传感器20以及该执行杆1424，来带动该手术器具1426沿该执行杆1424的轴向转动。
根据设计方案1，提供了一种手术机械臂的控制方法，图3为根据本发明实施例的一种手术机械臂的力反馈测量方法的流程图一，如图3所示，该方法包括如下步骤：
步骤S302，接收该力传感器20测量的力学信息；该执行杆1424在测量面的上方，假定该执行杆1424的手术器具1426的开合不影响力传感器20的测量；图4A为根据本发明实施例的一种执行杆的力学工况分析的示意图一，图4B为根据本发明实施例的一种执行杆的力学工况分析的示意图二，图4C为根据本发明实施例的一种执行杆的力学工况分析的示意图三，图4D为根据本发明实施例的一种执行杆的力学工况分析的示意图四，则力传感器20在工作中将同时测量到：执行杆1424在工作中，组织施加的力，即最终需要得到的环境力，如图4A所示；执行杆1424的自重产生的力和力矩，如图4B所示；执行杆1424旋转产生的扭矩，如图4C所示；摩擦力及其力矩，如图4D所示；其中，执行杆1424长度L＝350mm，执行杆1424直径d＝5mm，执行杆1424质量＝M，执行杆1424的末端承受的最大力F，摩擦力为f。该力学信息包括：力传感器20测量测量到的z轴、x轴和y轴上的力和力矩，即Fz，Fy，Fx，Tz，Ty，Tx。
步骤S304，根据该执行杆1424的偏置角度分解该执行杆1424的重力，获取该执行杆1424的第一作用力和该执行杆1424的第一力矩；其中，该第一作用力为该执行杆1424在z轴、x轴和y轴上的重力分解，分别为FGz，FGy，FGx；该第一力矩包括：TGz，TGy，TGx。
步骤S306，根据该力学信息、该第一作用力和该第一力矩，确定该执行杆1424末端处的环境力和环境力矩；其中，图5为根据本发明实施例的一种执行杆的受力分析的示意图，如图5所示，则该力传感器20测得的力/力矩-执行杆1424自重产生的力/力矩＝环境产生的力/力矩。
通过上述步骤S302至S306，分析手术机械臂中执行杆1424对力学信息的影响，并对力传感器20测量的力学信息进行处理，针对手术机器人力信息检测，展开交互作用力分析，最终根据该力学信息、执行杆1424的第一作用力和第一力矩，确定环境力和环境力矩，使得力传感器20反馈的力学信息测量值的精确度得到了提高，从而解决了手术机械臂控制中力反馈检测的精确度较低的问题。
在一个实施例中，提供了一种手术机械臂的力反馈测量方法，该方法还包括如下步骤：
步骤S402，根据第一夹角、第二夹角和该执行杆1424的重力，获取该第一作用力；其中，该第一夹角为该执行杆1424相对于第一坐标轴的偏置角度，该第二夹角为该执行杆1424相对于第二坐标轴的偏置角度；本实施例中，第一坐标轴为x轴，第二坐标轴为y轴；其中，执行杆1424重力为G1，执行杆1424长度为L，执行杆1424的半径为r，执行杆1424与垂直方向的夹角为θG，执行杆1424与x轴的夹角为
Figure BDA0002378596930000091
由图4可知，将执行杆1424的重力分解到x，y，z轴，可得第一作用力，如公式1、公式2和公式3所示：
FGz＝G1 cosθG 公式1
Figure BDA0002378596930000101
Figure BDA0002378596930000102
步骤S404，根据该执行杆1424的第一质心坐标确定该第一作用力的第一力臂；并根据该第一力臂和该第一作用力，获取该第一力矩；其中，已知该第一质心坐标，即重力的作用点坐标为(x1，y1，z1)，该第一作用力的第一力臂为：FGz的力臂：
Figure BDA0002378596930000103
FGy的力臂：
Figure BDA0002378596930000104
FGx的力臂：
Figure BDA0002378596930000105
则执行杆1424重力产生的第一力矩如公式4、公式5和公式6所示：
Figure BDA0002378596930000106
Figure BDA0002378596930000107
Figure BDA0002378596930000108
在一个实施例中，提供了一种手术机械臂的力反馈测量方法，图6为根据本发明实施例的一种手术机械臂的力反馈测量方法的流程图四，如图6所示，该方法还包括如下步骤：
步骤S602，将该力学信息在第一坐标轴方向、第二坐标轴方向和第三坐标轴方向上进行受力分解，并根据该第一作用力、该第一力矩和该受力分解后的力学信息，得到受力分解后的环境分力和分解环境力矩；解得环境分力如公式7至公式9所示：
FHz＝Fz-FGz1 公式7
FHy＝Fy-FGy1 公式8
FHx＝Fx-FGx1 公式9解得分解环境力矩如公式10至公式12所示：
THz＝Tz-TGz1 公式10
THy＝Ty-TGy1 公式11
THx＝Tx-TGx1 公式12步骤S604，根据该环境分力获取环境合力，并根据该环境分力和该分解环境力矩获取该环境合力的受力点坐标；其中，环境合力
Figure BDA0002378596930000111
环境合力与垂直方向的夹角θH如公式13所示：
Figure BDA0002378596930000112
环境合力与x轴方向的夹角
Figure BDA0002378596930000113
如公式14所示：
Figure BDA0002378596930000114
同时，设该受力点坐标为(x，y，z)，其中，根据FHz的力臂可得：
Figure BDA0002378596930000115
根据FHy的力臂可得：
Figure BDA0002378596930000116
根据FHx的力臂可得：
Figure BDA0002378596930000117
则解得
Figure BDA0002378596930000118
在一个实施例中，提供了一种手术机械臂的力反馈测量方法，图7为根据本发明实施例的一种手术机械臂的力反馈测量方法的流程图三，如图7所示，该方法还包括如下步骤：
步骤S702，主操作手根据反馈的该环境合力和该受力点坐标，产生作用力；其中，控制系统根据力传感器20对手术器具1426受到的环境力及/或环境力矩的检测结果，控制该主操作手的一个或多个主手驱动件运动，并通过该主操作手的传动机构以同等大小的方式反馈至该主操作处，从而使得医生在手术过程中可以实时感知手术器械与患者组织的接触力。
在一个实施例中，提供了一种手术机械臂，图8为根据本发明实施例的一种手术机械臂的结构示意图二，如图8所示，该手术机械臂的设计方案2为：该手术机械臂还包括转动驱动件24和控制驱动件22；该转动驱动件24安装于力传感器20上，该力传感器20安装于该动平台1446上，该力传感器20与该手术器具1426之间不存在沿该执行杆1424轴向的同步转动；该控制驱动件22设置于该执行杆1424和转动驱动件24之间，该控制驱动件22用于控制手术器具1426的开合，该控制驱动件22、转动驱动件24和该执行杆1424组成第一执行器械。
根据设计方案2，提供了一种手术机械臂的力反馈测量方法，图9为根据本发明实施例的一种手术机械臂的力反馈测量方法的流程图四，如图9所示，该方法还包括如下步骤：
步骤S902，根据执行杆的偏置角度分解该第一执行器械的重力，获取该第一执行器械的第二作用力和该第一执行器械的第二力矩；其中，图6为根据本发明实施例的一种执行器械的力学工况分析的示意图一，如图6所示，执行杆1424的旋转和手术器具1426的开合都属于第一执行器械系统的内力，假设力传感器20只检测第一执行器械整体的重力和环境力，以及力矩变化，对于电机振动导致的变化负略不计。
步骤S904，根据该力学信息、该第二作用力和该第二力矩，确定该环境力和该环境力矩。其中，力传感器20有偏置能力，可以在初始状态时对第一执行器械重力和力矩进行偏置，力传感器20直接测量第一执行器械末端的环境力和环境力矩，但是由于在手术过程中不能再进行偏置，因此还需要分析第一执行器械的重力。图7为根据本发明实施例的一种执行器械的受力分析的示意图一，如图7所示，分析第一执行器械末端的受力情况，先忽略掉控制驱动件22对执行杆1424的拉力和旋转扭矩等，只考虑第一执行器械的重力和外界环境力，由于执行杆1424、控制驱动件22和转动驱电机连接成一体，将其简化成一个质量均匀的杆。
通过上述步骤S902至S904，对手术机械臂中控制驱动件22设置于该执行杆1424和转动驱动件24之间的设计方案2进行了力学分析，避免了在此设计方案下控制驱动件22和转动驱动件24对力传感器20检测得到的力学信息的影响，提高了手术机械臂中力反馈检测的精确度。
在一个实施例中，提供了一种手术机械臂的力反馈测量方法，该方法还包括如下步骤：
步骤S602，根据第一夹角、第二夹角和第一执行器械的重力G2，获取该第二作用力；其中，由图11可知，将该第一执行器械的重力分解到x，y，z轴，可得第二作用力，如公式15、公式16和公式17所示：
FGz＝G2 cosθG 公式15
Figure BDA0002378596930000131
Figure BDA0002378596930000132
步骤S604，根据该第一执行器械的第二质心坐标确定该第二作用力的第二力臂；并根据该第二力臂和该第二作用力，获取该第二力矩；其中，已知该第二质心坐标，即该执行第一器械重力的作用点坐标为(x2，y2，z2)，该第二作用力的第二力臂为：FGz的力臂：
Figure BDA0002378596930000133
FGy的力臂：
Figure BDA0002378596930000134
FGx的力臂：
Figure BDA0002378596930000135
则第一执行器械重力产生的第二力矩如公式18、公式19和公式20所示：
Figure BDA0002378596930000136
Figure BDA0002378596930000137
Figure BDA0002378596930000138
此外，在本发明实施例的设计方案2中，环境合力、受力点坐标以及主操作手力反馈的分析与设计方案1中相同，在此不再赘述。
在一个实施例中，提供了一种手术机械臂，图12为根据本发明实施例的一种手术机械臂的结构示意图三，如图12所示，该手术机械臂的设计方案3为：该执行杆安装于该控制驱动件上，该控制驱动件安装于该力传感器20上；力传感器20包括传感元件200和安装平台202，该传感元件200安装于该安装平台202上；该转动驱动件24安装于该动平台上1446，该力传感器20安装于该转动驱动件24上，该控制驱动件22和该执行杆1424组成第二执行器械。
根据设计方案3，提供了一种手术机械臂的力反馈测量方法，图13为根据本发明实施例的一种手术机械臂的力反馈测量方法的流程图五，如图13所示，该方法还包括如下步骤：
步骤S1302，根据该执行杆的偏置角度分解该第二执行器械的重力G3，获取该第二执行器械的第三作用力和该第二执行器械的第三力矩；其中，设计方案3中该第三作用力和该第三力矩的求解分析与设计方案2中相同，在此不再赘述。
步骤S1304，根据该第二执行器械的第三质心坐标和该力传感器20的第四质心坐标，获取总惯性扭矩；其中，图14为根据本发明实施例的一种执行器械的力学工况分析的示意图二，如图14所示，根据该第三质心坐标(x3，y3，z3)，获取该第二执行器械的转轴与通过第二执行器械质心的平行轴之间的第一距离，即
Figure BDA0002378596930000141
根据该第一距离，获取该第二执行器械的第一转动惯量，即JG＝Mr2/2+Md1 2，其中，M为第二执行器械的质量，r为该第一距离的半径；并根据该第一转动惯量和该执行杆1424的旋转角加速度α，获取该第二执行器械的第一扭矩，即NG＝JGα。
根据该第四质心坐标(x4，y4，z4)，获取该力传感器20的转轴与通过该力传感器20质心的平行轴之间的第二距离，即
Figure BDA0002378596930000142
根据该第二距离，获取该力传感器20的第二转动惯量，即
Figure BDA0002378596930000143
其中，Ms为该力传感器20的质量，rs为该第二距离的半径；并根据该第二转动惯量和该旋转角加速度，获取该力传感器20的第二扭矩，即Ns＝JSα；则z轴的总惯性扭矩T'z如公式21所示：
T'z＝Ns+NG 公式21
步骤S1306，根据该力学信息、该第二作用力、该第二力矩和该总惯性扭矩，确定该环境力和该环境力矩；其中，图15为根据本发明实施例的一种执行器械的受力分析的示意图二，如图15所示，则有，传感器测得的力-第二执行器械自重产生的力＝环境产生的力；传感器测得的力矩-第二执行器械自重产生的力矩-Z轴的总惯性扭矩＝环境产生的力矩；其中，z轴上的环境力矩如公式22所示：
THz＝Tz-TGz-T'z 公式22此外，在本发明实施例的设计方案3中，环境合力、受力点坐标以及主操作手力反馈的分析与设计方案1中相同，在此不再赘述。
通过上述步骤S1302至S1304，对手术机械臂中控制驱动件22设置在该执行杆1424与该力传感器20之间的设计方案进行了力学分析，避免了在此设计方案下控制驱动件22自重，以及转动驱动件24驱动第二执行器械旋转产生的扭矩对力传感器20检测得到的力学信息的影响，进一步提高了手术机械臂中力反馈检测的精确度。
在一个实施例中，提供了一种手术机械臂的力反馈测量方法，该方法还包括如下步骤：
步骤S1402，在该执行杆1424位于水平状态的情况下，该环境力在第一坐标轴和第二坐标轴方向上最大，在该执行杆1424位于垂直状态的情况下，该环境力在第三坐标轴方向上最大；本实施例中，第一坐标轴为x轴，第二坐标轴为y轴，第三坐标轴为z轴。如图4B所示，执行杆1424位于水平状态，且环境力的方向为竖直向下，此时在x，y轴产生最大的力和力矩；如图4C所示，执行杆1424竖直向上且环境力竖直向下，此时在z轴产生最大的力和力矩。
其中，在手术机械臂的设计方案1的最大受力分析中，x，y轴产生最大的力和力矩如公式23和公式24所示：
Fx,ymax＝Mg+F 公式23
Tx,ymax＝Mg×l+F×L 公式24
在z轴方向最大的力矩Tzmax＝杆的自重产生的力矩+摩擦力产生的力矩，则在z轴方向最大的力和力矩如公式25和公式26所示：
Fzmax＝Mg+F 公式25
Tzmax＝＝0.5M×r2×α+f×r 公式26
假设有：手腕最大转速为60RPM，手从静止到最大转速的时间是0.5s，α＝2π/0.5＝4πrad/s2；执行杆1424的第一质心坐标为(0，0，175)；及水平位置时，执行杆1424的自重力臂l＝175mm；摩擦力为f＝0～10N；执行杆1424的材质是钢，且质量均匀，密度7.85g/cm3，体积6546.108cm3，质量M＝52g；组织施加力的估计值为F＝0～20N；将上述数据代入公式23至公式26，可以解得：
Fx,ymax＝Mg+F＝0.052×10+20＝20.52N
Tx,ymax＝0.5×Mg×l+F×L＝0.052×10×0.175+20×0.35＝7.091N.m
Fzmax＝Mg+F＝0.052×10+20＝20.52N
Tzmax＝0.5M×r2×α+f×r＝0.5×0.052×10×(0.0025)2×4π+10×0.0025＝0.025N.m
同时，设计方案1中转动驱动件24安装在动平台1446上，转动驱动件24和执行杆1424的齿轮比为1:1，因此w1＝w2＝60RPM，其中w1为转动驱动件24的角速度，w2为执行杆1424的旋转角速度；转动驱动件24要提升的重力为20.52N，近似25N；转动驱动件24半径8mm，则有转动驱动件24的功率P为：
P＝输出扭矩×角速度/9550＝25N×8mm×60/9550＝1.3w
在设计方案2的最大受力分析中，x，y轴产生最大的力和力矩如公式27和公式28所示：
Fx，ymax＝G+F 公式27
Tx，ymax＝Gl+FL 公式28
在z轴方向最大的力和力矩如公式29和公式30所示：
Fzmax＝G+F 公式29
Tzmax＝F×r 公式30假设力传感器20只检测执行器械整体的重力和环境力，以及力矩变化，对于电机振动导致的变化负略不计，其中器械的自重为16N，重力的最大力臂为60mm，外部环境力F＝5N；将上述数据代入公式27至公式30，可以解得：
Fx，ymax＝G+F＝16+5＝19N
Tx，ymax＝Gl+FL＝16×0.06+5×0.442＝2.63432N.m
Fzmax＝G+F＝F＝16+5＝19N
Tzmax＝F×r＝5×0.005＝0.025N.m
同时，设计方案2中转动驱动件24要提升的重力为19N，则有转动驱动件24的功率P为：
P＝输出扭矩×角速度/9550＝19N×8mm×60/9550＝1w
在设计方案3的最大受力分析中，x，y轴产生最大的力和力矩如公式11和公式12所示，在z轴方向最大的力如公式13所示；z轴的最大力矩，主要由环境力产生，以及执行器械旋转时，执行杆1424、控制驱动件22和力传感器20所产生的扭矩，如公式31所示：
Tmax＝TG+Ts+TH 公式31
假设执行杆1424的长度为350mm，控制驱动件22处的长度90mm，执行器械前端的总长度L＝350+90＝440mm，执行杆1424的半径r＝2.5mm；执行器械前端的质量M＝1kg，执行器械前端重力G＝10N，第三质心坐标(x3,y3,z3)＝(0,0,60)，即第一距离d1＝0。重力的最大力臂l＝z2＝60mm。传感器质量Ms＝256g，，第四质心坐标(x4,y4,z4)＝(0,0,0)，力传感器20的转轴与通过质心的平行轴之间的第二距离ds＝0，半径rs＝37mm，其他假设条件与设计方案1、设计方案2中相同；将上述数据代入公式27至公式29，以及公式31，可以解得：
Fx，ymax＝G+F＝10+5＝15N
Tx，ymax＝Gl+FL＝10×0.06+5×0.44＝2.464N.m
Fzmax＝G+F＝15N
Tzmax＝F×r＝5×0.0025+(1×0.00252/2+0.256×0.0372/2)×4π＝＝0.0147N.m
同时，设计方案3中转动驱动件24要提升的重力为15N，则有转动驱动件24的功率P为：
P＝输出扭矩×角速度/9550＝15N×8mm×60/9550≈1w
根据上述分析，可以选择型号为Mini40的力传感器20，该力传感器20直径为40mm，或型号为GAMMA的力传感器20，该力传感器20直径为75.4mm；力传感器20的量程如表1所示：
表1力传感器量程表
型号 Mini40 GAMMA GAMMA
Fx,Fy(±N) 80 32 65
Fz(±N) 240 100 200
Tx,Ty(±Nm) 4 2.5 5
Tz(±Nm) 4 2.5 5
分辨率Fx,Fy(N) 0.02 0.00625 0.0125
分辨率Fz(N) 0.04 0.0125 0.025
通过上述步骤S1402，对执行杆1424在不同状态下进行了最大受力分析，并以此为依据确定了控制驱动件22功率和力传感器20量程，通过静态标定和测试实验对力反馈手术机器人的技术进行了有效性验证。
应该理解的是，虽然图3、图6、图7、图9和图13的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，图3、图6、图7、图9和图13中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些子步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
在本实施例中，提供了一种手术机械臂，图16为根据本发明实施例的一种手术机械臂的结构框图一，如图16所示，该手术机械臂包括力传感器20、执行杆1424和控制系统160，该力传感器20与该执行杆1424连接；
该控制系统160接收该力传感器20测量的力学信息；
该控制系统160根据该执行杆1424的偏置角度分解该执行杆1424的重力，获取该执行杆1424的第一作用力；
该控制系统160根据该第一作用力和该执行杆1424的第一质心坐标，获取该执行杆1424的第一力矩；
该控制系统160根据该力学信息、该第一作用力和该第一力矩，确定该执行杆1424末端处的环境力和环境力矩。
通过上述实施例，分析手术机械臂中执行杆1424对力学信息的影响，并对力传感器20测量的力学信息进行处理，针对手术机器人力信息检测，展开交互作用力分析，最终根据该力学信息、执行杆1424的第一作用力和第一力矩，确定环境力和环境力矩，使得力传感器20反馈的力学信息测量值的精确度得到了提高，从而解决了手术机械臂控制中力反馈检测的精确度较低的问题。
在一个实施例中，提供了一种手术机械臂，该手术机械臂还包括远心操控组件144、转动驱动件24和用于驱动该执行杆上1424的手术器具1426运动的控制驱动件22；该远心操控组件144包括动平台1446；
该力传感器20连接于该控制驱动件22上，该控制驱动件22连接于该转动驱动件24；
该转动驱动件24安装于该动平台1446上；该转动驱动件24通过驱动该控制驱动件22、该力传感器20以及该执行杆1424，来带动该手术器具1426沿该执行杆1424的轴向转动。
在一个实施例中，提供了一种手术机械臂，该手术机械臂还包括转动驱动件24和用于驱动该执行杆上1424的手术器具1426运动的控制驱动件22，该转动驱动件24安装于力传感器20上，该控制驱动件22设置于该执行杆1424与该转动驱动件24之间，该转动驱动件24、该控制驱动件22和该执行杆1424组成第一执行器械；
该控制系统160根据该第一执行器械的偏置角度分解该第一执行器械的重力，获取该第一执行器械的第二作用力；
该控制系统160根据该第二作用力和该第一执行器械的第二质心坐标，获取该第一执行器械的第二力矩；
该控制系统160根据该力学信息、该第二作用力和该第二力矩，确定该环境力和该环境力矩。
在一个实施例中，提供了一种手术机械臂，该手术机械臂还包括远心操控组件144的动平台1446，该力传感器20安装于该动平台1446上。
在一个实施例中，提供了一种手术机械臂，该手术机械臂还包括远心操控组件14、转动驱动件24和控制驱动件22，该远心操控组件14包括动平台1446，该执行杆1424安装于该控制驱动件22上，该控制驱动件22安装于该力传感器20上；该转动驱动件24安装于该动平台1446上，该力传感器20安装于该转动驱动件24上，该控制驱动件22和该执行杆1424组成第二执行器械；
该控制系统根据该执行杆1424的偏置角度分解该第二执行器械的重力，获取该第二执行器械的第三作用力和该第二执行器械的第三力矩；
该控制系统160根据该第二执行器械的第三质心坐标和该力传感器20的第四质心坐标，获取总惯性扭矩；
该控制系统160根据该力学信息、该第三作用力、该第三力矩和该总惯性扭矩，确定该环境力和该环境力矩。
在一个实施例中，提供了一种手术机械臂，图17为根据本发明实施例的一种手术机械臂的结构框图二，如图17所示，该手术机械臂还包括主操作手170；
该控制系统160根据该环境力和该环境力矩，确定环境合力和受力点坐标；
该主操作手根据该控制系统160反馈的该环境合力和该受力点坐标，产生作用力。
在一个实施例中，提供了一种计算机设备，该计算机设备可以是服务器。该计算机设备包括通过系统总线连接的处理器、存储器、网络接口和数据库。其中，该计算机设备的处理器用于提供计算和控制能力。该计算机设备的存储器包括非易失性存储介质、内存储器。该非易失性存储介质存储有操作系统、计算机程序和数据库。该内存储器为非易失性存储介质中的操作系统和计算机程序的运行提供环境。该计算机设备的数据库用于存储环境力相关数据。该计算机设备的网络接口用于与外部的终端通过网络连接通信。该计算机程序被处理器执行时以实现一种手术机械臂的力反馈测量方法。
在一个实施例中，提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现上述各实施例提供的手术机械臂力反馈测量方法中的步骤。
在一个实施例中，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上述各实施例提供的手术机械臂力反馈测量方法中的步骤。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，该的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器(ROM)、可编程ROM(PROM)、电可编程ROM(EPROM)、电可擦除可编程ROM(EEPROM)或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器(RAM)或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM以多种形式可得，诸如静态RAM(SRAM)、动态RAM(DRAM)、同步DRAM(SDRAM)、双数据率SDRAM(DDRSDRAM)、增强型SDRAM(ESDRAM)、同步链路(Synchlink)DRAM(SLDRAM)、存储器总线(Rambus)直接RAM(RDRAM)、直接存储器总线动态RAM(DRDRAM)、以及存储器总线动态RAM(RDRAM)等。
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。
以上该实施例仅表达了本申请的几种实施方式，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，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (12)

1.一种手术机械臂的力反馈测量方法，其特征在于，所述手术机械臂包括力传感器和执行杆，所述方法包括：
接收所述力传感器测量的力学信息；
在所述手术机械臂还包括控制驱动件，所述控制驱动件安装于所述力传感器上，所述执行杆安装于所述控制驱动件上，所述控制驱动件和所述执行杆组成第二执行器械的情况下，接收所述力传感器测量的力学信息之后，所述方法还包括：
根据所述执行杆的偏置角度分解所述第二执行器械的重力，获取所述第二执行器械的第三作用力和所述第二执行器械的第三力矩；
根据所述第二执行器械的第三质心坐标和所述力传感器的第四质心坐标，获取总惯性扭矩；
根据所述力学信息、所述第三作用力、所述第三力矩和所述总惯性扭矩，确定环境力和环境力矩。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在所述手术机械臂还包括控制驱动件，所述控制驱动件安装于所述力传感器上，所述执行杆安装于所述控制驱动件上，所述控制驱动件和所述执行杆组成第二执行器械的情况下，所述手术机械臂还包括远心操控组件和转动驱动件，所述远心操控组件包括动平台，所述转动驱动件安装于所述动平台上，所述力传感器安装于所述转动驱动件上。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述第二执行器械的第三质心坐标和所述力传感器的第四质心坐标，获取总惯性扭矩包括：
根据所述第三质心坐标，获取所述第二执行器械的转轴与通过第二执行器械质心的平行轴之间的第一距离；
根据所述第一距离，获取所述第二执行器械的第一转动惯量；并根据所述第一转动惯量和所述执行杆的旋转角加速度，获取所述第二执行器械的第一扭矩；
根据所述第四质心坐标，获取所述力传感器的转轴与通过所述力传感器质心的平行轴之间的第二距离；
根据所述第二距离，获取所述力传感器的第二转动惯量；并根据所述第二转动惯量和所述旋转角加速度，获取所述力传感器的第二扭矩；
根据所述第一扭矩和所述第二扭矩，获取所述总惯性扭矩。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述力学信息、所述第三作用力、所述第三力矩和所述总惯性扭矩，确定环境力和环境力矩包括：
将所述力学信息在第一坐标轴方向、第二坐标轴方向和第三坐标轴方向上进行受力分解，并根据所述第三作用力、所述第三力矩和所述受力分解后的力学信息，得到受力分解后的环境分力和分解环境力矩；
根据所述环境分力获取环境合力，并根据所述环境分力和所述分解环境力矩获取所述环境合力的受力点坐标。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述根据所述环境分力和所述分解环境力矩获取所述环境合力的受力点坐标包括：
根据所述受力点坐标、所述第一坐标轴方向上的第一环境分力和所述第一坐标轴方向上的第一分解环境力矩，确定第一计算模型；
根据所述受力点坐标、所述第二坐标轴方向上的第二环境分力和所述第二坐标轴方向上的第二分解环境力矩，确定第二计算模型；
根据所述受力点坐标、所述第三坐标轴方向上的第三环境分力和所述第三坐标轴方向上的第三分解环境力矩，确定第三计算模型；
根据所述第一计算模型、所述第二计算模型和所述第三计算模型，确定所述受力点坐标。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述手术机械臂还包括主操作手，所述根据所述环境分力和所述分解环境力矩获取所述环境合力的受力点坐标之后，所述方法包括：
所述主操作手根据反馈的所述环境合力和所述受力点坐标，产生作用力。
7.根据权利要求1至6任一项所述的方法，其特征在于，所述接收所述力传感器测量的力学信息之前，所述方法包括：
在所述执行杆位于水平状态的情况下，所述环境力在第一坐标轴和第二坐标轴方向上最大；
在所述执行杆位于垂直状态的情况下，所述环境力在第三坐标轴方向上最大。
8.一种手术机械臂，其特征在于，包括力传感器、执行杆和控制系统；
所述力传感器与所述执行杆连接，所述控制系统接收所述力传感器测量的力学信息；
在所述手术机械臂还包括控制驱动件，所述控制驱动件安装于所述力传感器上，所述执行杆安装于所述控制驱动件上，所述控制驱动件和所述执行杆组成第二执行器械的情况下，所述控制系统根据所述执行杆的偏置角度分解所述第二执行器械的重力，获取所述第二执行器械的第三作用力和所述第二执行器械的第三力矩；
所述控制系统根据所述第二执行器械的第三质心坐标和所述力传感器的第四质心坐标，获取总惯性扭矩；
所述控制系统根据所述力学信息、所述第三作用力、所述第三力矩和所述总惯性扭矩，确定环境力和环境力矩。
9.根据权利要求8所述的手术机械臂，其特征在于，所述在所述手术机械臂还包括控制驱动件，所述控制驱动件安装于所述力传感器上，所述执行杆安装于所述控制驱动件上，所述控制驱动件和所述执行杆组成第二执行器械的情况下，所述手术机械臂还包括远心操控组件和转动驱动件，所述远心操控组件包括动平台，所述转动驱动件安装于所述动平台上，所述力传感器安装于所述转动驱动件上。
10.根据权利要求8或9所述的手术机械臂，其特征在于，所述手术机械臂还包括主操作手；
所述控制系统根据所述环境力和所述环境力矩，确定环境合力和受力点坐标；
所述主操作手根据所述控制系统反馈的所述环境合力和所述受力点坐标，产生作用力。
11.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至7中任一项所述方法的步骤。
12.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至7中任一项所述的方法的步骤。
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