CN111831115A - 操作手装置控制方法、上位机、电子设备及存储介质 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种操作手装置控制方法、上位机、电子设备及存储介质，其中操作手装置控制方法通过获取连杆机构转动产生的第一转动角度值，并通过该第一转动角度值控制机械臂接触目标，上位机获取机械臂接触目标时产生的第一力信息和位置信息，并根据位置信息、第一力信息、第一转动角度值生成关节力矩，根据关节力矩将第一力信息反馈给姿态组件，能够使医生在操控机械臂进行手术时获得力反馈，从而减少手术风险、减少手术时间和增加手术的确定性。
Description
技术领域
本发明涉及机械臂技术领域，尤其是涉及一种操作手装置控制方法、上位机、电子设备及存储介质。
背景技术
目前，机械臂被广泛运用于各行各业，尤其是在医学行业，医生会通过操控主操作单元，将位置控制信息传递给机械臂，控制机械臂的位置进行手术，从而减少手术时间，减少手术并发症的风险。但是现有的机械臂存在的缺陷就是医生操控机械臂时缺乏“手感”，即触觉反馈，增加了手术的不确定性和手术风险，从而限制手术机械臂的进一步发展。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种操作手装置控制方法，能够使医生在操控机械臂进行手术时获得力反馈，从而减少手术风险、减少手术时间和增加手术的确定性。
本发明还提出一种具有上述操作手装置控制方法的上位机。
本发明还提出一种具有上述操作手装置控制方法的电子设备。
本发明还提出一种具有上述操作手装置控制方法的计算机可读存储介质。
根据本发明的第一方面实施例的操作手装置控制方法，应用于控制机械臂的操作手装置，所述操作手装置包括姿态组件和连杆机构，所述姿态组件用于驱动所述连杆机构转动，包括：获取所述连杆机构转动产生的第一转动角度值；根据所述第一转动角度值控制所述机械臂接触目标；获取所述机械臂接触所述目标时产生的第一力信息和位置信息；根据所述位置信息、所述第一力信息和所述第一转动角度值生成所述连杆机构的关节力矩；根据所述关节力矩将所述第一力信息反馈给所述姿态组件。
根据本发明实施例的操作手装置控制方法，至少具有如下有益效果：通过获取连杆机构转动产生的第一转动角度值，并通过该第一转动角度值控制机械臂接触目标，上位机获取机械臂接触目标时产生的第一力信息和位置信息，并根据位置信息、第一力信息、第一转动角度值生成关节力矩，根据关节力矩将第一力信息反馈给姿态组件，能够使医生在操控机械臂进行手术时获得力反馈，从而减少手术风险、减少手术时间和增加手术的确定性。
根据本发明的一些实施例，所述连杆机构包括关节结构，所述连杆机构与驱动电机连接，所述驱动电机包括电机轴；所述连杆机构转动时会驱动所述电机轴转动；所述获取所述连杆机构转动产生的第一转动角度值，包括：通过第一编码器获取所述关节结构转动的第二转动角度值；通过第二编码器获取所述电机轴转动的第三转动角度值；根据所述第二转动角度值和所述第三转动角度值计算出所述第一转动角度值。
根据本发明的一些实施例，通过第一编码器获取所述关节结构转动的第二转动角度值，包括：发送时钟信号给所述第一编码器；获取所述第一编码器发送的脉冲信号，并对所述脉冲信号进行处理得到所述第二转动角度值，所述脉冲信号由所述第一编码器根据所述时钟信号生成。
根据本发明的一些实施例，所述上位机对所述脉冲信号进行处理得到所述第二转动角度值，包括：采用快速傅里叶变换对所述脉冲信号进行频谱分析；对进行频谱分析后的所述脉冲信号进行滤波处理后得到所述第二转动角度值。
根据本发明的一些实施例，通过第二编码器获取电机轴转动的第三转动角度值，包括：调用驱动电机的编码器接口通过所述第二编码器获取所述连杆机构转动时电机轴转动的第三转动角度值，所述驱动电机的编码器接口与所述第二编码器通信连接。
根据本发明的一些实施例，所述根据所述第二转动角度值和所述第三转动角度值计算出所述第一转动角度值，包括：根据所述第二转动角度值和所述第三转动角度值确定权重比；根据所述权重比、所述第二转动角度值和所述第三转动角度值计算出所述第一转动角度值。
根据本发明的一些实施例，所述根据所述位置信息、所述第一力信息和所述第一转动角度值生成所述连杆机构的关节力矩，包括：根据所述位置信息进行齐次坐标变换得到所述连杆机构的坐标位置；根据所述连杆机构的坐标位置、所述第一力信息和所述第一转动角度值进行雅克比矩阵计算生成所述连杆机构的关节力矩。
根据本发明的一些实施例，所述根据所述关节力矩将所述第一力信息反馈给所述姿态组件，包括：根据所述关节力矩调用驱动电机驱动所述连杆机构，所述连杆机构通过驱动所述姿态组件进行反馈所述第一力信息。
根据本发明的第二方面实施例的上位机，所述上位机用于与操作手装置连接，所述操作手装置包括姿态组件和连杆机构，所述姿态组件用于驱动所述连杆机构转动，所述上位机包括：第一获取模块，用于获取所述连杆机构转动产生的第一转动角度值；第一控制模块，用于根据所述第一转动角度值控制机械臂接触目标；第二获取模块，用于获取所述机械臂接触所述目标时产生的第一力信息和位置信息；处理模块，用于根据所述位置信息、所述第一力信息和所述第一转动角度值生成所述连杆机构的关节力矩；反馈模块，用于根据所述关节力矩将所述第一力信息反馈给所述姿态组件。
根据本发明实施例的上位机，至少具有如下有益效果：通过第一获取模块获取所述连杆机构转动产生的第一转动角度值后，由第一控制模块根据所述第一转动角度值控制所述机械臂接触目标，通过第二获取模块获取所述机械臂接触所述目标时产生的第一力信息和位置信息，将所述第一力信息和位置信息发送给处理模块，处理模块根据所述位置信息、所述第一力信息和所述第一转动角度值生成所述连杆机构的关节力矩，最后通过反馈模块根据所述关节力矩将所述第一力信息反馈给所述姿态组件，能够使医生在操控机械臂进行手术时获得力反馈，从而减少手术风险、减少手术时间和增加手术的确定性。
根据本发明的第三方面实施例的电子设备，包括：至少一个处理器；以及，与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行如第一方面所述的操作手装置控制方法。
根据本发明实施例的电子设备，至少具有如下有益效果：通过执行第一方面所述的操作手装置控制方法，能够使医生在操控机械臂进行手术时获得力反馈，从而减少手术风险、减少手术时间和增加手术的确定性。
根据本发明的第四方面实施例的计算机可读存储介质，包括：所述计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令用于使计算机执行如第一方面所述的操作手装置控制方法。
根据本发明实施例的计算机可读存储介质，至少具有如下有益效果：通过执行第一方面所述的操作手装置控制方法，能够使医生在操控机械臂进行手术时获得力反馈，从而减少手术风险、减少手术时间和增加手术的确定性。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
图1为本发明实施例的多自由度力反馈操作手装置的侧视图；
图2为本发明实施例的多自由度力反馈操作手装置的侧向剖视示意图；
图3为本发明实施例的多自由度力反馈操作手装置的主视图；
图4为本发明实施例的多自由度力反馈操作手装置的正向剖视示意图；
图5为本发明实施例的多自由度力反馈操作手装置的姿态组件立体图；
图6为本发明实施例的多自由度力反馈操作手装置的姿态组件的剖视图；
图7为本发明实施例的多自由度力反馈操作手装置的姿态组件的局部剖视图；
图8是本发明实施例的操作手装置控制方法的一具体实施例的流程示意图；
图9是本发明实施例的操作手装置控制方法中步骤S100的一具体实施例的流程示意图；
图10是本发明实施例的操作手装置控制方法中步骤S110的一具体实施例的流程示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，多个的含义是两个以上，大于理解为不包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
目前，机械臂被广泛运用于各行各业，尤其是在医学行业，医生会通过操控主操作单元，将位置控制信息传递给机械臂，控制机械臂的位置进行手术，从而减少手术时间，减少手术并发症的风险。但是现有的机械臂存在的缺陷就是医生操控机械臂时缺乏“手感”，即触觉反馈，增加了手术的不确定性和手术风险，从而限制手术机械臂的进一步发展。
基于上述目的，本发明的实施例，提出了一种多自由度力反馈操作手装置。图1示出的是本发明实施例的多自由度力反馈操作手装置的侧视图。图5示出的是本发明实施例的多自由度力反馈操作手装置的姿态组件立体图。图6示出的是本发明实施例的多自由度力反馈操作手装置的姿态组件的剖视图。
该自由度力反馈操作手装置，包括：
带夹子姿态组件300；
底座回转机构200；以及
连杆机构100，该连杆机构100的一端连接底座回转机构200并且另一端连接带夹子姿态组件300；
其中，带夹子姿态组件300包括固定套27、手柄30、与所述固定套连接的第一半球轴29以及与所述第一半球轴29和手柄30连接的第二半球轴28。
如图1、图5和图6所示，本发明主要由连杆机构100、底座回转机构200和带夹子姿态组件300构成。连杆机构100一端连接底座回转机构200，另一端连接带夹子姿态组件300。带夹子姿态组件300与手术执行端连接，实现其相应的操作功能，其通过移动手柄，实现半球轴球心位置的运动。并通过固定套27、手柄30、第一半球轴29和第二半球轴28的配合实现多自由度的精确移位。
在一个优选实施例中，固定套27固定连接连杆机构100的管8并且通过一对轴承34与第一半球轴29旋转连接。其中，固定套27固定于管8上，并通过一对轴承34和第一半球轴29旋转连接。
在一个优选实施例中，第一半球轴29的一端插入电位器33的中心孔，并且第一半球轴29与第二半球轴28同轴布置并且通过一对轴承37沿直径旋转连接。其中，第一半球轴29末端插入电位器33中心孔内。而第一半球轴29和第二半球轴28直径也通过一对轴承37进行旋转连接。
在一个优选实施例中，第二半球轴28的中心轴的一端均匀布置有缺口281，该缺口281与三叉件38的叉壁381配合，该三叉件38的中间设置有包含缺口的轴382，轴382插入固定在端盖的电位计33的中心孔中。
图7示出的是本发明实施例的多自由度力反馈操作手装置的姿态组件的局部剖视图。如图7所示，其中，第二半球轴28的中心轴一端有均布缺口281，通过和三叉件38的叉壁381配合，三叉件38的中间设置有带缺口的轴382穿入固定在端盖内的电位计33的中心孔内。手柄30和第二半球轴28之间安装有一对轴承34，可实现相互旋转运动，第二半球轴28末端轴插入电位计33中心孔内。
在一个优选实施例中，该手柄30通过一对轴承34与第二半球轴28连接。
在一个优选实施例中，该手柄30内设置有电机37，电机37的输出轴固定连接连轴套35，连轴套35固定连接销轴31并且连轴套35的凸出部351插入电位计33的中心孔中，销轴31的两端设置于夹片32的槽中。其中，电机37固定于手柄30内部，其输出轴与连轴套35固定，连轴套35的一端凸出351穿入电位计33中心孔内，连轴套35和销轴31固定连接，销轴31两端安装与夹片32的腰圆槽内。当电机37的输出轴旋转时，销轴31随之摆动，夹片32依次产生张合。
在实际手术过程中，操作者通过移动手柄30，实现第二半球轴28和第一半球轴29球心位置的运动，本装置通过对3个角度传感器18数据的读取，可以精确计算出操作过程中第二半球轴28和第一半球轴29球心的相对运动关系，进而发送指令给远端手术执行端，进行对应的位置运动。远端手术执行端运动过程中若遇到障碍，则将所产生的力的大小及方向等信息的数据传送给本操作手装置，再经过计算放大后，通过三个电机13旋转，在第二半球轴28和第一半球轴29球心处产生所需要的作用力。另外操作者也可以移动手柄30，实现手柄30相对于第二半球轴28和第一半球轴29球心转动，转动的空间角度信息通过3个电位计的测量后计算得到，手术执行端根据该信息，调整其相对的空间姿态变化。
另外操作者可以手动控制夹片32的张合，使得销轴31发生偏摆，电位计33能够测量销轴31的摆动角度，从而计算出夹片32的张合角度，发送信息给手术执行器，使其夹子也产生相应的张合运动，手术执行器里面安装有力传感器，能在手术过程中测量夹持力，本操作手装置通过适当的放大，通过电机37的转动将作用力通过夹片32反馈在操作者手上，增加操作的真实性。
在一个优选实施例中，该连杆机构100为平面四连杆机构，平面四连杆机构包括由双铰套1和管8组成的前杆结构110、由单铰套2、管3和单柱套4组成的上杆结构120、由单铰套5、管6和左摆杆7组成的下杆结构130以及由右摆杆11组成的后杆结构140。其中，连杆机构100为4杆机构，其中双铰套1和管8构成了前杆结构110，单铰套2、管3和单柱套4构成了上杆结构120，单铰套5，管6和左摆杆7构成了下杆结构130，右摆杆11单独构成了后杆结构140。管8、管3和管6均采用碳纤维材料，以减轻重量。优选地，该四杆机构为一种特殊的平行四边形连杆结构。前杆结构110和后杆结构140保持平行状态，因此伺服电机13可以放置在后杆结构140附近，通过控制后杆结构140从而达到控制前杆结构110的角度。装置300的作用主要通过集成三个旋转自由度，可以完整的表示手柄30的空间姿态，手术执行端根据该信息，调整其相对的空间姿态。
在一个优选实施例中，该上杆结构120和下杆结构130分别通过双轴承40与前杆结构110和后杆结构140铰接。
其中，各杆结构的铰接处均采用了双轴承40进行连接。左摆杆7和右摆杆11通过螺钉分别固定到两侧的从动轮套12上。两侧从动轮套12与T形立柱17采用一对轴承16进行连接。以上采用轴承进行连接的结构，均可以实现顺畅的回转运动。左侧从动轮套12的回转，使得下杆机构130绕T形立柱17的水平轴部分进行旋转运动，右侧从动轮套12的回转，使得后杆机构140绕T形立柱17的水平轴部分进行旋转运动。4杆机构为平行四边形结构。通过分别调整左侧从动轮和右侧从动轮与T形立柱17的转角，实现前连杆110在四杆机构所在平面内的位置的移动。T形立柱17的两端分别安装有相同的角度传感器18，与之对应的圆柱形磁钢18被安装到了从动轮套12上，能够对从动轮套12的角度进行实时的精确测量。
在T形立柱前后两侧通过C形扣块14分别安装有两个相同的伺服电机13，伺服电机的13的轴伸部位通过斜块23和主动轮15进行连接。主动轮15和从动轮套12通过线绳41进行连接，线绳41缠绕方式为8字形。其中主动轮15圆柱面为螺旋槽结构，缠绕在主动轮15上的圈数大于2圈，从动轮套12的圆柱面为光面，初始缠绕圈数为半圈，线绳的两端分别固定到从动轮12的内部，其中有一个端部需要用弹簧42进行张紧，提供线绳41足够的摩擦力，并防止线绳41松脱。
在一个优选实施例中，该底座回转机构200包括底座外壳20和T形立柱17，T形立柱17通过一对轴承26连接到底座外壳20的腔体内壁。
在一个优选实施例中，该T形立柱17设置有传感主动轮套22，传感主动轮套22通过线绳41与T形立柱17连接，线绳41的缠绕方式为8字形。
图2示出的是本发明实施例的多自由度力反馈操作手装置的侧向剖视示意图。图3示出的是本发明实施例的多自由度力反馈操作手装置的主视图。图4示出的是本发明实施例的多自由度力反馈操作手装置的正向剖视示意图。如图2-4所示，底座回转结构200的底部为底座外壳20。T形立柱17通过一对轴承26安装到底座外壳20腔体内部。底座外壳20的腔内另外安装有传感从动轮轴21，两者通过一对轴承25进行连接。以上通过轴承进行连接的结构，均能实现顺畅的回转运动。传感从动轮轴21的顶部安装有圆柱形磁钢18，与之对应的传感器19被固定安装在底座20上，能够实时的准确测量传感从动轮轴21和底座外壳20之间的角度。T形立柱17安装有传感主动轮套22，两者通过线绳41进行连接，线绳缠绕方式为8字形。传感主动轮套22圆柱面为螺旋槽结构，传感主动轮套22上的圈数大于2圈，传感从动轮轴21的圆柱面为光面，初始缠绕圈数为半圈，线绳的两端分别固定到传感从动轮轴21的内部，其中有一个端部需要用弹簧42进行张紧，提供绳轮足够的摩擦力，并防止线绳松脱。传感从动轮轴21和传感主动轮套22外圆面采用相同直径，保证T形立柱17和传感从动轮轴21的回转角度相一直。
在底座外壳20后侧通过C形扣块14安装有伺服电机13，伺服电机的13的轴伸部位通过斜块23和主动轮15进行连接。T形立柱17的中间部位套装有底部从动轮24，主动轮15和底部从动轮24通过线绳41进行连接，线绳缠绕方式为8字形。其中主动轮15圆柱面为螺旋槽结构，缠绕在主动轮15上的圈数大于2圈，底部从动轮24的圆柱面为光面，初始缠绕圈数为半圈，线绳的两端分别固定到从动轮12的内部，其中有一个端部需要用弹簧42进行张紧，提供绳轮足够的摩擦力，并防止线绳松脱。
底座20的前侧安装有零位基座24，通过和前杆结构110端部的零位插头的配合，实现本装置初始零位的确定。
本发明的多自由度力反馈操作手装置，可伺服电机作为力反馈的动力单元，能提供操作者有效的反馈力，增加操作的真实性。在电机输出轴端设置电机端编码器，用于测量电机输出轴的转动角度，并另外设置有角度传感器，用于测量各关节的转动角度，通过把三个轴端编码器的值与三个电机末端输出轴上的电机端编码器的读数进行比较，通过算法补偿来消除传动过程中的误差，使用时不再需要重新校准，使得设备操作更加简单，同时通过正向运动学的计算，便可计算出设备末端在空间的位置。通过混联结构的应用并配合双轴承结构涉及，在实现较大范围内的空间内灵活运动的同时，提高了装置的结构刚度进而提供的装置的精度。通过线绳驱动并结合碳纤维和工程塑料材料的应用，能明显的降低装置的转动惯量并进一步保证传动的精确性。
第一方面，基于上述目的和上述自由度力反馈操作手装置，本发明公开了一种操作手装置控制方法、上位机、电子设备及存储介质，通过获取连杆机构转动产生的第一转动角度值，并通过该第一转动角度值控制机械臂接触目标，上位机获取机械臂接触目标时产生的第一力信息和位置信息，并根据位置信息、第一力信息、第一转动角度值生成关节力矩，根据关节力矩将第一力信息反馈给姿态组件，能够使医生在操控机械臂进行手术时获得力反馈，从而减少手术风险、减少手术时间和增加手术的确定性。
参考图8，示出了本发明实施例中操作手装置控制方法的流程示意图。其具体包括步骤：
S100，获取连杆机构转动产生的第一转动角度值；
S200，根据第一转动角度值控制机械臂接触目标；
S300，获取机械臂接触目标时产生的第一力信息和位置信息；
S400，根据位置信息、第一力信息和第一转动角度值生成连杆机构的关节力矩；
S500，根据关节力矩将第一力信息反馈给姿态组件；
在步骤S100中，上位机获取连杆机构转动产生的第一转动角度值，上述多自由度力反馈操作手装置中姿态组件接收操作指令，并且根据操作指令进行移动，移动到相应的位置上，并根据姿态组件的移动从而驱动连杆机构，如上述多自由度力反馈操作手装置所提到的，在实际手术过程中，操作者通过移动姿态组件部分的手柄，并且会带动连杆机构的移动。上位机与该多自由度力反馈操作手装置连接，用于获取该装置的参数，其中姿态组件移动到相应的位置上后会同时驱动连杆机构，连杆机构的各个关节部分会随着移动位置的变化产生相应的变化，从而生成相应的转动角度值。
在实际应用中，上位机会获取连杆机构被姿态组件驱动后的各个关节的转动角度值，但在本发明实施例中，以一个连杆机构的单一关节作为例子进行论述，上位机获取连杆机构被姿态组件驱动后产生的第一转动角度值。
在一些实施例中，如图9所示，步骤S100中获取连杆机构转动产生的第一转动角度值，具体还包括：
S110，通过第一编码器获取关节结构转动的第二转动角度值；
S120，通过第二编码器获取电机轴转动的第三转动角度值；
S130，根据第二转动角度值和第三转动角度值计算出第一转动角度值。
其中，连杆机构包括关节结构，连杆机构与驱动电机连接，驱动电机中包括有电机轴，第一编码器是位于电机末端输出轴上的电机端编码器，通过设置角度传感器获取连杆机构转动后关节结构转动的第二转动角度值。第二编码器是位于电机轴端处的电机编码器，该电机编码器用于测量电机轴的转动角度，通过该电机编码器测量电机轴的转动角度从而获取连杆机构被驱动后产生的第三转动角度值。
在一些实施例中，如图10所示，步骤S110中通过第一编码器获取关节结构转动的第二转动角度值，具体包括步骤：
S111，发送时钟信号给所述第一编码器；
S112,获取所述第一编码器发送的脉冲信号；
S113，对脉冲信号进行处理得到第二转动角度值。
在步骤S111中，通过同步串行接口(Synchronous serial interface，SSI)发送时钟信号给第一编码器进行接收，其中时钟信号是时序逻辑的基础，用于决定逻辑单元中的状态何时进行更新，是具有固定周期并与运行无关的信号量，通常被用于同步电路中，以计时器的形式，保证了第一编码器能够与上位机同步运作。在实际应用中，发送时钟信号给第一编码器，第一编码器接收到时钟信号后，会根据时钟信号将检测到的关节结构的第二转动角度生成脉冲信号，并将该脉冲信号发送给上位机。在上述多自由度力反馈操作手装置中的第一编码器采用磁编码器，通过设置的磁阻传感器即角度传感器，对采用磁性材料制成的连杆机构的关节结构的角度变化进行测量，将测得的关节结构的转动角度生成脉冲信号发送给上位机进行接收。
在步骤S112中，上位机接收第一编码器发送的脉冲信号。
在步骤S213中，上位机接收到脉冲信号后，对脉冲信号进行处理，从而得到精确的关节结构的转动角度值，即该连杆机构转动时关节结构的第二转动角度值。
在一些实施例中，上位机对脉冲信号采用快速傅里叶变换进行频谱分析，并设置相对应的滤波器对脉冲信号进行滤波处理，从而得到精确的第二转动角度值。
在步骤S120中，上位机通过第二编码器获取电机轴转动的第三转动角度值，在实际应用中，连杆机构转动的同时会带动电机轴进行转动，电机轴转动时也会同样带动连杆机构的转动，两者是相互配合的，当连杆机构转动时，与连杆机构相连的驱动电机内的电机轴会随之转动，通过第二编码器获取该电机轴的转动角度值，以数值形式记载在第二编码器内部。
在一些实施例中，上位机调用驱动电机的编码器接口通过第二编码器中获取电机轴转动的第三转动角度值，该编码器接口与第二编码器通信连接。其中驱动电机用于根据上位机的命令去驱动多自由度力反馈操作手装置，根据上位机发送的指令进行执行相应动作。
在步骤S130中，上位机根据第二转动角度值和第三转动角度值计算出第一转动角度值，上位机在获取到第二转动角度值和第三转动角度值后，会根据这两种转动角度值进行计算，从而生成第一转动角度值，即连杆机构的关节角度值。
在一些实施例中，上位机在获取到第二转动角度值和第三转动角度值后，会基于两者之间的数值差，确定两者的权重比，根据该权重比、第二转动角度值和第三转动角度值进行计算，得到第一转动角度值。在可能实施的应用实例中，假定第二转动角度值q1与第三转动角度值q2的权重比是4:6，则通过误差消除计算得到第一转动角度值q＝1×0.4+2×0.6，通过误差消除的计算，从而提高对机械臂位置控制的精度。
在步骤S200中，上位机在获取到第一转动角度值后，会根据第一转动角度值控制机械臂进行移动，通过该第一转动角度值确定机械臂的位置，使得机械臂移动到指定的位置上进行手术。通过多自由度力反馈操作手装置操控机械臂进行手术，提高了对机械臂的控制精度。
在步骤S300中，当通过多自由度力反馈操作手装置操控机械臂进行手术时，当机械臂末端接触到手术面时，上位机通过设置在机械臂末端的力传感器获取接触目标时产生的第一力信息并且获取机械臂接触目标时的位置信息。
在步骤S400中，上位机根据获取到的机械臂接触目标时的位置信息、接触目标产生的第一力信息以及第一转动角度值，生成连杆机构的关节力矩。
在一些实施例中，上位机根据获取的机械臂接触目标时的目标位置进行齐次坐标变换，从而得到连杆机构的坐标位置，根据连杆机构的坐标位置、第一力信息以及转动角度值采用雅克比矩阵计算τ＝JTF生成连杆机构的关节力矩，其中J为雅克比矩阵，F为第一力信息，T为连杆机构的坐标位置。
在可能实施的应用实例中，以多自由度力反馈操作手装置为例，获取的机械臂接触目标时的位置信息后，通过齐次坐标变换以及各个关节结构的转动角度θ映射出多自由度力反馈操作手装置中各个关节结构的坐标位置T，其中基于各个关节结构为参考点做空间坐标系，进行齐次坐标变换得到各个关节结构对应的坐标位置。结合该雅克比矩阵公式τ＝JTF进行计算，以得到各个关节结构所需要的力矩。在实际应用中，连杆机构中各个关节结构所转动的角度值不同，空间位置也不同，因此所需要的力矩也不一样，通过齐次坐标变换得到各个关节结构的空间位置，再结合雅克比矩阵进行计算得到所需要的关节力矩。
在步骤S500中，在经过步骤S400后，获取到连杆机构的关节力矩时会根据该关节力矩调用驱动电机驱动连杆机构移动，连杆机构进而驱动姿态组件进行力反馈。在实际使用中，操作者手持姿态组件操控机械臂进行手术时，当机械臂触及目标时，操作者也会得到相应的力反馈，以感知环境的交互力。
本发明实施例公开了一种操作手装置控制方法，通过获取连杆机构转动产生的第一转动角度值，并通过该第一转动角度值控制机械臂接触目标，上位机获取机械臂接触目标时产生的第一力信息和位置信息，并根据位置信息、第一力信息、第一转动角度值生成关节力矩，根据关节力矩将第一力信息反馈给姿态组件，能够使医生在操控机械臂进行手术时获得力反馈，从而减少手术风险、减少手术时间和增加手术的确定性。
第二方面，本发明实施例提供了一种上位机，该上位机用于与操作手装置连接，即与上述多自由度力反馈操作手装置，其中上位机包括：
第一获取模块，用于获取连杆机构转动产生的第一转动角度值；
第一控制模块，用于根据第一转动角度值控制机械臂接触目标；
第二获取模块，用于获取机械臂接触目标时产生的第一力信息和位置信息；
处理模块，用于根据位置信息、第一力信息和第一转动角度值生成连杆机构的关节力矩；
反馈模块，用于根据关节力矩将第一力信息反馈给姿态组件。
其中关于各个模块的具体功能已在第一方面中的操作手装置控制方法中详细论述，故不再赘述。
在本发明实施例中的上位机，通过第一获取模块获取连杆机构转动产生的第一转动角度值后，由第一控制模块根据第一转动角度值控制机械臂接触目标，通过第二获取模块获取机械臂接触目标时产生的第一力信息和位置信息，将第一力信息和位置信息发送给处理模块，处理模块根据位置信息、第一力信息和第一转动角度值生成连杆机构的关节力矩，最后通过反馈模块根据关节力矩将第一力信息反馈给姿态组件，能够使医生在操控机械臂进行手术时获得力反馈，从而减少手术风险、减少手术时间和增加手术的确定性。
第三方面，本发明实施例还提供了一种电子设备，包括：至少一个处理器，以及与所述至少一个处理器通信连接的存储器；
其中，所述处理器通过调用所述存储器中存储的计算机程序，用于执行第一方面实施例中的操作手装置控制方法。
存储器作为一种非暂态计算机可读存储介质，可用于存储非暂态软件程序以及非暂态性计算机可执行程序，如本发明第一方面实施例中的操作手装置控制方法。处理器通过运行存储在存储器中的非暂态软件程序以及指令，从而实现上述第一方面实施例中的操作手装置控制方法。
存储器可以包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需要的应用程序；存储数据区可存储执行上述第一方面实施例中的操作手装置控制方法。此外，存储器可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非暂态存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非暂态固态存储器件。在一些实施方式中，存储器可选包括相对于处理器远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至该终端。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。
实现上述第一方面实施例中的操作手装置控制方法所需的非暂态软件程序以及指令存储在存储器中，当被一个或者多个处理器执行时，执行上述第一方面实施例中的操作手装置控制方法。
第四方面，本申请实施例还提供了计算机可读存储介质，存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令用于：执行第一方面实施例中的操作手装置控制方法；
在一些实施例中，该计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令，该计算机可执行指令被一个或多个控制处理器执行，例如，被第二方面实施例的电子设备中的一个处理器执行，可使得上述一个或多个处理器执行上述第一方面实施例中的操作手装置控制方法。
以上所描述的设备实施例仅仅是示意性的，其中作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。
本领域普通技术人员可以理解，上文中所公开方法中的全部或某些步骤、系统可以被实施为软件、固件、硬件及其适当的组合。某些物理组件或所有物理组件可以被实施为由处理器，如中央处理器、数字信号处理器或微处理器执行的软件，或者被实施为硬件，或者被实施为集成电路，如专用集成电路。这样的软件可以分布在计算机可读介质上，计算机可读介质可以包括计算机存储介质(或非暂时性介质)和通信介质(或暂时性介质)。如本领域普通技术人员公知的，术语计算机存储介质包括在用于存储信息(诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据)的任何方法或技术中实施的易失性和非易失性、可移除和不可移除介质。计算机存储介质包括但不限于RAM、ROM、EEPROM、闪存或其他存储器技术、CD-ROM、数字多功能盘(DVD)或其他光盘存储、磁盒、磁带、磁盘存储或其他磁存储装置、或者可以用于存储期望的信息并且可以被计算机访问的任何其他的介质。此外，本领域普通技术人员公知的是，通信介质通常包含计算机可读指令、数据结构、程序模块或者诸如载波或其他传输机制之类的调制数据信号中的其他数据，并且可包括任何信息递送介质。
上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所述技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
Claims (10)
1.操作手装置控制方法，应用于控制机械臂的操作手装置，其特征在于，所述操作手装置包括姿态组件和连杆机构，所述姿态组件用于驱动所述连杆机构转动，包括：
获取所述连杆机构转动产生的第一转动角度值；
根据所述第一转动角度值控制所述机械臂接触目标；
获取所述机械臂接触所述目标时产生的第一力信息和位置信息；
根据所述位置信息、所述第一力信息和所述第一转动角度值生成所述连杆机构的关节力矩；
根据所述关节力矩将所述第一力信息反馈给所述姿态组件。
2.根据权利要求1所述的操作手装置控制方法，其特征在于，所述连杆机构包括关节结构，所述连杆机构与驱动电机连接，所述驱动电机包括电机轴；所述连杆机构转动时会驱动所述电机轴转动；
所述获取所述连杆机构转动产生的第一转动角度值，包括：
通过第一编码器获取所述关节结构转动的第二转动角度值；
通过第二编码器获取所述电机轴转动的第三转动角度值；
根据所述第二转动角度值和所述第三转动角度值计算出所述第一转动角度值。
3.根据权利要求2所述的操作手装置控制方法，其特征在于，所述通过第一编码器获取所述关节结构转动的第二转动角度值，包括：
发送时钟信号给所述第一编码器；
获取所述第一编码器发送的脉冲信号，所述脉冲信号由所述第一编码器根据所述时钟信号生成；
对所述脉冲信号进行处理得到所述第二转动角度值。
4.根据权利要求2所述的操作手装置控制方法，其特征在于，所述通过第二编码器获取电机轴转动的第三转动角度值，包括：
调用驱动电机的编码器接口通过所述第二编码器获取所述连杆机构转动时电机轴转动的第三转动角度值，所述驱动电机的编码器接口与所述第二编码器通信连接。
5.根据权利要求2所述的操作手装置控制方法，其特征在于，所述根据所述第二转动角度值和所述第三转动角度值计算出所述第一转动角度值，包括：
根据所述第二转动角度值和所述第三转动角度值确定权重比；
根据所述权重比、所述第二转动角度值和所述第三转动角度值计算出所述第一转动角度值。
6.根据权利要求5所述的操作手装置控制方法，其特征在于，所述根据所述位置信息、所述第一力信息和所述第一转动角度值生成所述连杆机构的关节力矩，包括：
根据所述位置信息进行齐次坐标变换得到所述连杆机构的坐标位置；
根据所述连杆机构的坐标位置、所述第一力信息和所述第一转动角度值进行雅克比矩阵计算生成所述连杆机构的关节力矩。
7.根据权利要求6所述的操作手装置控制方法，其特征在于，所述根据所述关节力矩将所述第一力信息反馈给所述姿态组件，包括：
根据所述关节力矩调用驱动电机驱动所述连杆机构，所述连杆机构通过驱动所述姿态组件进行反馈所述第一力信息。
8.上位机，其特征在于，所述上位机用于与操作手装置连接，所述操作手装置包括姿态组件和连杆机构，所述姿态组件用于驱动所述连杆机构转动，所述上位机包括：
第一获取模块，用于获取所述连杆机构转动产生的第一转动角度值；
第一控制模块，用于根据所述第一转动角度值控制机械臂接触目标；
第二获取模块，用于获取所述机械臂接触所述目标时产生的第一力信息和位置信息；
处理模块，用于根据所述位置信息、所述第一力信息和所述第一转动角度值生成所述连杆机构的关节力矩；
反馈模块，用于根据所述关节力矩将所述第一力信息反馈给所述姿态组件。
9.电子设备，其特征在于，包括：
至少一个处理器，以及，
与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，
所述存储器存储有指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器执行所述指令时实现如权利要求1至7任一项所述的操作手装置控制方法。
10.计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令用于使计算机执行如权利要求1至7任一项所述的操作手装置控制方法。
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