CN111839614B - 手术机器人及其机械臂的控制方法、控制装置 - Google Patents

手术机器人及其机械臂的控制方法、控制装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种手术机器人及其机械臂的控制方法、控制装置。该方法包括：根据动力机构内部的安装状态信息及位置状态信息获得的动力机构在相应状态下的负载参数；根据负载参数确定在六维力传感器坐标系下的负载力学模型；获取机械臂中各关节的位置信息，结合负载力学模型计算负载的六维力/力矩矢量；根据总的六维力/力矩矢量、零偏的六维力/力矩矢量及负载的六维力/力矩矢量计算施加于动力机构的外力的六维力/力矩矢量；解析外力的六维力/力矩矢量获得动力机构在机械臂的基坐标系的目标位姿信息，并根据目标位姿信息控制机械臂中各关节运动使动力机构到达对应的目标位姿。通过上述实施方式，能够较好地拖动机械臂。

Description

手术机器人及其机械臂的控制方法、控制装置
本申请是申请日为2019年09月10日提交中国专利局、申请号为CN201910854105.6、申请名称为“手术机器人及其机械臂的控制方法、控制装置” 的分案申请，该案的全文以引用的方式并入本申请中。
技术领域
本发明涉及微创手术医疗器械领域，特别是涉及一种手术机器人及其机 械臂的控制方法、控制装置。
背景技术
微创手术是指利用腹腔镜、胸腔镜等现代医疗器械及相关设备在人体腔 体内部施行手术的一种手术方式。相比传统手术方式微创手术具有创伤小、疼 痛轻、恢复快等优势。
随着科技的进步，微创手术机器人技术逐渐成熟，并被广泛应用。微创 手术机器人通常包括主操作台及从操作设备，主操作台包括手柄，医生通过操 作手柄向从操作设备发送控制命令，从操作设备包括机械臂，机械臂远端具有 操作臂，操作臂具有末端器械。医生对患者实施手术操作之前，需要拖动机械 臂以使其远端能够运动至医生规划的患者手术入口部位的期望位姿。
然而，在拖动机械臂至规划位置时，由受力位置远端的结构导致的负载 情况由于具有不确定性，导致不能准确地确定操作者所施加的外力，存在拖动 手感与操作者意图差距较大、跟随性较差的问题。
发明内容
基于此，有必要提供一种能够较好地拖动动力机构的手术机器人及其控 制方法、计算机可读存储介质。
一方面，本发明提供一种手术机器人中机械臂的控制方法，包括：根据 动力机构内部的安装状态信息及位置状态信息获得的动力机构在相应状态下的 负载参数，负载参数包括质量参数和质心参数；根据负载参数确定在六维力传 感器坐标系下、由动力机构导致的负载对应的负载力学模型；获取机械臂中各 关节的位置信息，结合负载力学模型计算负载的六维力/力矩矢量；获取零偏的 六维力/力矩矢量及总的六维力/力矩矢量；根据总的六维力/力矩矢量、零偏的 六维力/力矩矢量及负载的六维力/力矩矢量计算施加于动力机构的外力的六维 力/力矩矢量；解析外力的六维力/力矩矢量获得动力机构在机械臂的基坐标系 的目标位姿信息，并根据目标位姿信息控制机械臂中各关节运动使动力机构到达对应的目标位姿。
其中，所述安装状态信息与各所述动力部上所述操作臂的安装状态相关， 所述位置状态信息与各所述动力部相对于相应所述导轨的位置状态相关；所述 安装状态信息包括各所述动力部上是否安装有操作臂的信息、及/或各所述动力 部上安装的操作臂的类型信息。
其中，所述根据所述动力机构内部的安装状态信息及位置状态信息获得 的所述动力机构在相应状态下的负载参数的步骤之前，包括：基于所述动力机 构内部的每一安装状态，分别测定出所述动力机构在相应所述安装状态下、内 部位于不同位置状态时所述动力机构的负载参数；根据测定出的所述动力机构 在相应所述安装状态下、内部位于不同位置状态时对应的负载参数，分别建立 对应于所述动力机构的每一安装状态的一个参数计算模型。
其中，所述根据所述动力机构内部的安装状态信息及位置状态信息获得 的所述动力机构在相应状态下的负载参数的步骤之中，包括：获取所述动力机 构内部的安装状态信息及位置状态信息；根据所述动力机构的安装状态信息调 用参数计算模型；结合调用的所述参数计算模型及所述动力机构的位置状态信 息计算出所述动力机构在相应状态下的负载参数。
其中，所述解析所述外力的六维力/力矩矢量获得所述动力机构在所述 机械臂的基坐标系的目标位姿信息的步骤之前，包括：获取输入的关联于所述 动力机构的任务自由度的操作命令；所述解析所述外力的六维力/力矩矢量获得 所述动力机构在所述机械臂的基坐标系的目标位姿信息的步骤之中，具体地： 结合所述任务自由度解析所述外力的六维力/力矩矢量获得所述动力机构在所 述机械臂的基坐标系的目标位姿信息以使所述动力机构能够在相应任务自由度 运动。
其中，所述操作命令包括第一操作命令和第二操作命令；所述第一操作 命令同所述任务自由度与所述机械臂的有效自由度完全匹配的情况相关联，根 据所述第一操作命令解析获得的所述目标位姿信息可对所述动力机构进行自由 拖动控制；所述第二操作命令同所述任务自由度与所述机械臂的有效自由度不 完全匹配、但包含于所述机械臂的有效自由度的情况相关联，根据所述第二操 作命令解析获得的所述目标位姿信息只能在设定的任务自由度内对所述动力机 构进行拖动控制。
其中，所述第二操作命令同所述动力机构的任务自由度选择自所述机械 臂的有效自由度中与姿态自由度关联的有效自由度的情况相关联。
其中，所述解析所述外力的六维力/力矩矢量获得所述动力机构在所述 机械臂的基坐标系的目标位姿信息的步骤之中的步骤之中，具体地：通过控制 参数可调的刚度矩阵将所述外力的六维力/力矩矢量转换为所述动力机构在所 述机械臂的基坐标系的目标位姿信息。
另一方面，本发明提供一种手术机器人中机械臂的控制方法，包括：获 取每一六维力传感器下的一组负载参数，一组负载参数包括位于相应六维力传 感器远端的各连杆的负载参数，其中，动力机构的负载参数根据动力机构内部 的安装状态信息及位置状态信息而获得，负载参数包括质量参数和质心参数； 根据每一六维力传感器下的一组负载参数确定相应六维力传感器坐标系下、由 六维力传感器远端的各连杆导致的负载对应的负载力学模型；获取机械臂中各 关节的位置信息，结合每一六维力传感器下的负载力学模型分别计算每一六维 力传感器下的负载的六维力/力矩矢量；获取零偏的六维力/力矩矢量及总的六 维力/力矩矢量，结合每一六维力传感器下的负载的六维力/力矩矢量计算出作 用于每一六维力传感器的外力的六维力/力矩矢量；根据计算出的作用于每一六 维力传感器的外力的六维力/力矩矢量及作用于其远端相邻一个所述六维力传 感器的外力的六维力/力矩矢量确定受力连杆，并计算出施加于受力连杆上的外 力的六维力/力矩矢量；解析施加于受力连杆上的外力的六维力/力矩矢量获得 受力连杆在相应坐标系的目标位姿信息，并根据目标位姿信息控制机械臂做相 应运动。
其中，所述安装状态信息与各所述动力部上所述操作臂的安装状态相关， 所述位置状态信息与各所述动力部相对于相应所述导轨的位置状态相关；所述 安装状态信息包括各所述动力部上是否安装有操作臂的信息、及/或各所述动力 部上安装的操作臂的类型信息。
其中，所述根据所述动力机构内部的安装状态信息及位置状态信息获得 的所述动力机构在相应状态下的负载参数的步骤之前，包括：基于所述动力机 构内部的每一安装状态，分别测定出所述动力机构在相应所述安装状态下、内 部位于不同位置状态时所述动力机构的负载参数；根据测定出的所述动力机构 在相应所述安装状态下、内部位于不同位置状态时对应的负载参数，分别建立 对应于所述动力机构的每一安装状态的一个参数计算模型。
其中，所述根据所述动力机构内部的安装状态信息及位置状态信息获得 的所述动力机构在相应状态下的负载参数的步骤之中，包括：获取所述动力机 构内部的安装状态信息及位置状态信息；根据所述动力机构的安装状态信息调 用参数计算模型；结合调用的所述参数计算模型及所述动力机构的位置状态信 息计算出所述动力机构在相应状态下的负载参数。
其中，所述解析施加于所述受力连杆上的外力的六维力/力矩矢量获得 所述受力连杆在相应坐标系的目标位姿信息的步骤之前，包括：获取输入的关 联于所述动力机构的任务自由度的操作命令；所述解析施加于所述受力连杆上 的外力的六维力/力矩矢量获得用于控制所述机械臂做相应运动的控制指令的 步骤之中，具体地：结合所述动力机构的任务自由度解析施加于所述受力连杆 上的外力的六维力/力矩矢量获得所述受力连杆在相应坐标系的目标位姿信息。
其中，所述操作命令包括第一操作命令和第二操作命令；所述第一操作 命令同所述任务自由度与所述机械臂的有效自由度完全匹配的情况相关联，根 据所述第一操作命令解析获得的所述目标位姿信息可对所述动力机构进行自由 拖动控制；所述第二操作命令同所述任务自由度与所述机械臂的有效自由度不 完全匹配、但包含于所述机械臂的有效自由度的情况相关联，根据所述第二操 作命令解析获得的所述目标位姿信息只能在设定的任务自由度内对所述动力机 构进行拖动控制。
其中，所述第二操作命令同所述动力机构的任务自由度选择自所述机械 臂的有效自由度中与姿态自由度关联的有效自由度的情况相关联。
其中，所述受力连杆为一个的情况下，若所述受力连杆是所述动力机构， 所述解析施加于所述受力连杆上的外力的六维力/力矩矢量获得所述受力连杆 在相应坐标系的目标位姿信息，并根据所述目标位姿信息控制所述机械臂做相 应运动的步骤之中，包括：结合所述动力机构的任务自由度解析所述受力连杆 上的外力的六维力/力矩矢量获得所述动力机构在所述机械臂的基坐标系的目 标位姿信息；根据所述目标位姿信息控制所述机械臂中各所述连杆运动使所述 动力机构到达对应的目标位姿。
其中，所述受力连杆为一个的情况下，若所述受力连杆不是所述动力机 构且获取到输入的是所述第一操作命令，所述解析施加于所述受力连杆上的外 力的六维力/力矩矢量获得所述受力连杆在相应坐标系的目标位姿信息，并根据 所述目标位姿信息控制所述机械臂做相应运动的步骤之中，包括：解析所述受 力连杆上的外力的六维力/力矩矢量获得所述受力连杆在所述机械臂的基坐标 系的目标位姿信息；根据所述目标位姿信息控制所述机械臂中所述受力连杆及 其近端的各所述连杆运动使所述受力连杆到达对应的目标位姿。
其中，所述受力连杆为一个的情况下，若所述受力连杆不是所述动力机 构且获取到输入的是所述第二操作命令，所述解析施加于所述受力连杆上的外 力的六维力/力矩矢量获得所述受力连杆在相应坐标系的目标位姿信息，并根据 所述目标位姿信息控制所述机械臂做相应运动的步骤之中，包括：解析所述受 力连杆上的外力的六维力/力矩矢量获得所述受力连杆在所述机械臂的基坐标 系的目标位姿信息，并获取所述动力机构在所述机械臂的基坐标系的当前位姿 信息；换算所述动力机构在所述机械臂的基坐标系的当前位姿信息得到所述动 力机构位于所述受力连杆的坐标系、在所述受力连杆到达所述受力连杆在所述 机械臂的基坐标系的目标位姿信息对应的目标位姿时的目标位姿信息；根据所 述受力连杆的目标位姿信息控制所述受力连杆及其近端的各所述连杆运动使所 述受力连杆到达对应的目标位姿、并根据所述动力机构的目标位姿信息控制所 述动力机构及所述动力机构与所述受力连杆之间的各所述连杆运动使所述动力 机构保持当前位置或位姿。
其中，所述受力连杆为两个以上的情况下，若获取到输入的是所述第一 操作命令，所述解析施加于所述受力连杆上的外力的六维力/力矩矢量获得所述 受力连杆在相应坐标系的目标位姿信息，并根据所述目标位姿信息控制所述机 械臂做相应运动的步骤之中，包括：解析绝对邻近所述机械臂近端的所述受力 连杆上的外力的六维力/力矩矢量获得所述受力连杆在所述机械臂的基坐标系 的目标位姿信息；解析各相邻两个所述受力连杆中相对远离所述机械臂近端的 所述受力连杆的外力的六维力/力矩矢量获得所述受力连杆在相邻所述受力连 杆的坐标系的目标位姿信息；根据绝对邻近所述机械臂近端的所述受力连杆的 目标位姿信息控制绝对邻近所述机械臂近端的所述受力连杆及其近端的各所述 连杆运动使绝对邻近所述机械臂近端的所述受力连杆到达对应的目标位姿、根 据各相邻两个所述连杆中相对远离所述机械臂近端的所述受力连杆的目标位姿 信息控制相对远离所述机械臂近端的所述受力连杆及与其相邻所述受力连杆之 间的各所述连杆运动使相对远离所述机械臂近端的所述受力连杆到达对应的目 标位姿。
其中，所述受力连杆为两个以上的情况下，若获取到输入的是所述第二 操作命令且所述受力连杆中不包括所述动力机构，所述解析施加于所述受力连 杆上的外力的六维力/力矩矢量获得所述受力连杆在相应坐标系的目标位姿信 息，并根据所述目标位姿信息控制所述机械臂做相应运动的步骤之中，包括： 解析绝对邻近所述机械臂近端的所述受力连杆上的外力的六维力/力矩矢量获 得所述受力连杆在所述机械臂的基坐标系的目标位姿信息；解析各相邻两个所 述受力连杆中相对远离所述机械臂近端的所述受力连杆的外力的六维力/力矩 矢量获得所述受力连杆在相邻所述受力连杆的坐标系的目标位姿信息；获取所 述动力机构在所述机械臂的基坐标系的当前位姿信息，换算所述动力机构在所 述机械臂的基坐标系的当前位姿信息得到所述动力机构位于相邻所述受力连杆 的坐标系、在各所述受力连杆到达相应坐标系的目标位姿信息对应的目标位姿 时的目标位姿信息；根据绝对邻近所述机械臂近端的所述受力连杆的目标位姿 信息控制绝对邻近所述机械臂近端的所述受力连杆及其近端的各所述连杆运动 使绝对邻近所述机械臂近端的所述受力连杆到达对应的目标位姿、根据相对远 离所述机械臂近端的所述受力连杆的目标位姿信息控制相对远离所述机械臂近 端的所述受力连杆及与其相邻所述受力连杆之间的各所述连杆运动使相对远离 所述机械臂近端的所述受力连杆到达对应的目标位姿、根据所述动力机构的目 标位姿信息控制所述动力机构及所述动力机构与相邻所述受力连杆之间的各所 述连杆运动使所述动力机构保持当前位置或位姿。
其中，所述受力连杆为两个以上的情况下，若获取到输入的是所述第二 操作命令且所述受力连杆中包括所述动力机构，所述解析施加于所述受力连杆 上的外力的六维力/力矩矢量获得所述受力连杆在相应坐标系的目标位姿信息， 并根据所述目标位姿信息控制所述机械臂做相应运动的步骤之中，包括：解析 绝对邻近所述机械臂近端的所述受力连杆上的外力的六维力/力矩矢量获得所 述受力连杆在所述机械臂的基坐标系的目标位姿信息；解析所述动力机构的外 力的六维力/力矩矢量获得所述动力机构在所述机械臂的基坐标系的目标位姿 信息；解析除所述动力机构以外的各相邻两个所述受力连杆中相对远离所述机 械臂近端的所述受力连杆的外力的六维力/力矩矢量获得所述受力连杆在相邻所述受力连杆的坐标系的目标位姿信息；换算所述动力机构在所述机械臂的基 坐标系的目标位姿信息得到所述动力机构位于相邻所述受力连杆的坐标系、在 与所述动力机构相邻的所述受力连杆到达相应坐标系的目标位姿信息对应的目 标位姿时的目标位姿信息；判断所述动力机构在相邻所述受力连杆的坐标系的 目标位姿信息是否有效；若有效，根据绝对邻近所述机械臂近端的所述受力连 杆的目标位姿信息控制绝对邻近所述机械臂近端的所述受力连杆及其近端的各 所述连杆运动使绝对邻近所述机械臂近端的所述受力连杆到达对应的目标位 姿、根据相对远离所述机械臂近端的所述受力连杆的目标位姿信息控制相对远 离所述机械臂近端的所述受力连杆及与其相邻所述受力连杆之间的各所述连杆运动使相对远离所述机械臂近端的所述受力连杆到达对应的目标位姿、根据所 述动力机构的目标位姿信息控制所述动力机构及所述动力机构与相邻所述受力 连杆之间的各所述连杆运动使所述动力机构保持位置的同时调节姿态；若无效， 结合所述动力机构的任务自由度解析所述动力机构的外力的六维力/力矩矢量 获得所述动力机构在所述机械臂的基坐标系的目标位姿信息，并根据所述动力 机构的目标位姿信息控制所述机械臂中各所述连杆运动使所述动力机构保持位 置的同时调节姿态。
另一方面，本发明提供一种手术机器人中机械臂的控制装置，包括：存 储器，用于存储计算机程序；处理器，用于加载并执行所述计算机程序；其中， 计算机程序由处理器加载并执行实现如上述任一项实施例所述的控制方法的步 骤。
另一方面，本发明提供一种手术机器人，包括：机械臂，机械臂具有多 个通过关节连接的连杆，作为机械臂远端的连杆是动力机构，动力机构与相邻 连杆之间通过六维力传感器连接，动力机构包括导轨及滑动设置于导轨上的动 力部，动力部用于安装及驱动执行手术操作的操作臂；及控制装置；控制装置 用于执行实现如上述任一项实施例所述的控制方法的步骤。
另一方面，本发明提供一种手术机器人，包括：机械臂，具有多个通过 关节连接的连杆，作为所述机械臂远端的所述连杆是动力机构；及控制装置， 与所述机械臂耦接，被配置成执行：确定所述连杆中的受力连杆并获得施加于 所述受力连杆的外力；获取输入的关联于所述动力机构的任务自由度的操作命 令；在所述受力连杆为两个以上、且所述操作命令关联于所述任务自由度与所 述机械臂的有效自由度完全匹配的情况时，解析第一受力连杆上的外力获得所 述第一受力连杆在基坐标系的目标位姿信息，所述第一受力连杆指所述受力连 杆中最邻近所述机械臂近端的一个受力连杆，基坐标系指所述机械臂的基坐标 系；解析第二受力连杆的外力获得所述第二受力连杆在相邻所述受力连杆的坐 标系的目标位姿信息，所述第二受力连杆指各相邻两个所述受力连杆中相对远 离所述机械臂近端的一个受力连杆；根据所述第一受力连杆的目标位姿信息控 制所述第一受力连杆及其近端的各所述连杆运动使所述第一受力连杆到达对应 的目标位姿、根据所述第二受力连杆的目标位姿信息控制所述第二受力连杆及 与其相邻所述受力连杆之间的各所述连杆运动使所述第二受力连杆到达对应的 目标位姿。
另一方面，本发明提供一种手术机器人中机械臂的控制方法，所述手术 机器人包括机械臂，所述机械臂具有多个通过关节连接的连杆，作为所述机械 臂远端的所述连杆是动力机构，所述控制方法包括：确定所述连杆中的受力连 杆并获得施加于所述受力连杆的外力；获取输入的关联于所述动力机构的任务 自由度的操作命令；在所述受力连杆为两个以上、且所述操作命令关联于所述 任务自由度与所述机械臂的有效自由度完全匹配的情况时，解析第一受力连杆 上的外力获得所述第一受力连杆在基坐标系的目标位姿信息，所述第一受力连 杆指所述受力连杆中最邻近所述机械臂近端的一个受力连杆；解析第二受力连 杆的外力获得所述第二受力连杆在相邻所述受力连杆的坐标系的目标位姿信 息，所述第二受力连杆指各相邻两个所述受力连杆中相对远离所述机械臂近端 的一个受力连杆；根据所述第一受力连杆的目标位姿信息控制所述第一受力连 杆及其近端的各所述连杆运动使所述第一受力连杆到达对应的目标位姿、根据 所述第二受力连杆的目标位姿信息控制所述第二受力连杆及与其相邻所述受力 连杆之间的各所述连杆运动使所述第二受力连杆到达对应的目标位姿。
本发明具有如下有益效果：
通过准确确定受力部件远端结构导致的负载的负载参数，有利于准确确 定负载的六维力/力矩矢量，能够准确确定受力部件所受外力的六维力/力矩矢 量，进而有助于根据外力精准地对受力部件进行拖动，其拖动手感好、跟随性 优良。
附图说明
图1为本发明手术机器人一实施例的结构示意图；
图2为图1所示手术机器人的局部示意图；
图3为图1所示手术机器人的局部示意图；
图4～图7是动力机构内部不同安装状态及位置状态的示意图；
图8为图1所示机械臂一配置结构下的操作示意图；
图9～图12为本发明控制方法不同实施例的流程图；
图13为图1所示机械臂的原理结构示意图；
图14为本发明控制方法中对空间运动角度的解析示意图；
图15～图18为图1所示机械臂另一配置结构下的不同操作示意图；
图19～图23为本发明控制方法不同实施例的流程图；
图24为本发明手术机器人另一实施例的结构示意图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。 附图中给出了本发明的较佳实施方式。但是，本发明可以以许多不同的形式来 实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是 使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。
需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另 一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个 元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。当一个元 件被认为是“耦合”另一个元件，它可以是直接耦合到另一个元件或者可能同 时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及 类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。本文所使用的 术语“远端”、“近端”作为方位词，该方位词为介入医疗器械领域惯用术语，其中“远端”表示手术过程中远离操作者的一端，“近端”表示手术过程中靠近 操作者的一端。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技 术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的 术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使 用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。 本发明中，“各”包括一个及两个以上的数量。
如图1至图3所示，其分别为本发明手术机器人一实施例的结构示意图， 及其局部示意图。
手术机器人包括主操作台1及从操作设备2。主操作台1具有手柄11及 显示器12，医生通过操作手柄11向从操作设备2发送控制命令，以令从操作设 备2根据医生操作手柄11的控制命令执行相应操作，并通过显示器12观察手 术区域，其中，手柄11能够自由移动及旋转，令医生具有较大的操作空间，例 如，手柄11可以通过连线或旋转的连杆与主操作台1连接。从操作设备2包括 多个通过关节连接的连杆的机械臂21，机械臂21远端的连杆是一个动力机构 22，该动力机构22用于具有末端器械34的操作臂31的安装及驱动。
一实施例中，可通过手柄11遥操作机械臂21各关节联动以使动力机构 22运动至期望的位姿。
另一实施例中，可通过拖动动力机构22使机械臂21各关节联动进而使 动力机构22运动至期望的位姿。本文详细介绍如何实现拖动动力机构22至期 望的位姿的技术方案。
如图4所示，动力机构22包括连接于机械臂21远端关节的外壳223， 外壳223内部装设有导轨221，导轨221上滑动设置有动力部222，动力部222 用于安装及驱动具有末端器械34的操作臂31，导轨221的数量为一个以上(如 图4所示的4个)，动力部222的数量与导轨221的数量相同。该导轨221通常 为直线导轨，动力部222在导轨221上做直线运动，具体而言，导轨221上配 置有用于驱动动力部222在导轨221上滑动的动力部(图未示)。为便于拖动， 可以在外壳223上装设一个把手(图未示)。
该动力机构22内部的安装状态及位置状态的变化都容易使负载发生变 化进而影响对动力机构22进行较好的拖动。动力机构22内部的安装状态具体 与各动力部222上是否安装操作臂31及/或所安装操作臂31的类型相关，动力 机构22内部的位置状态具体与各动力部222相对于相应导轨221的位置相关。
示例性的，图4中各动力部222上没有安装操作臂；图5中一动力部222 上安装了一操作臂31；图6中四个动力部222上均安装了一个操作臂31，且该 四个动力部222相对于相应导轨221的位置状态相同；图7中四个动力部222 上同样均安装了一个操作臂31，但其中一动力部222相对于相应导轨221的位 置状态不同于其余动力部222相对于相应导轨的位置状态。图4～图7假设了动 力部222上所安装的操作臂31的类型不影响负载变化的情况，这基本能够反映 动力机构22内部的不同状态变化，这些状态变化都会导致对于六维力传感器而 言的负载的变化。事实上，动力部222上所安装的操作臂31的类型的不同也会 不同程度影响负载变化，采用下文的控制方法时可以对其一并进行考虑。
一实施例中，如图8所示，动力机构22与其相邻的连杆之间通过一六 维力传感器连接，且该六维力传感器与手术机器人的控制装置连接，其中，空 心圆“○”代表该关节未装设六维力传感器，实心圆“●”代表装设了六维力传 感器。更具体地，该六维力传感器设置于机械臂21远端关节上并与动力机构222 的外壳223刚性连接。对于该六维力传感器而言，该整个动力机构22构成了它 的负载，该六维力传感器可以监测负载侧的所有力/力矩矢量。
如图9所示，在一实施例的手术机器人中机械臂的控制方法中，包括：
步骤S11,根据动力机构内部的安装状态信息及位置状态信息获得的动 力机构在相应状态下的负载参数。
该负载参数包括质量参数和质心参数。
步骤S12,根据负载参数确定在六维力传感器坐标系下、由动力机构构 成的负载对应的负载力学模型。
步骤S13,获取机械臂中各关节的位置信息，结合负载力学模型计算负 载的六维力/力矩矢量。
步骤S14,获取六维力传感器的总的六维力/力矩矢量，并获取六维力传 感器的零偏的六维力/力矩矢量。其中，该步骤只需放置于步骤S15之前即可。
具体可通过对六维力传感器采集的数据进行解耦和滤波而获取到相应的 六维力/力矩矢量。该零偏的六维力/力矩矢量事先测定即可获取。
步骤S15,根据总的六维力/力矩矢量、零偏的六维力/力矩矢量及负载 的六维力/力矩矢量计算施加于动力机构的外力的六维力/力矩矢量。
步骤S16,解析外力的六维力/力矩矢量获得动力机构在机械臂的基坐标 系的目标位姿信息，并根据目标位姿信息控制机械臂中各关节运动使动力机构 到达对应的目标位姿。
一实施例中，如图10所示，具体在步骤S11之前，包括：
步骤S111，基于动力机构内部的每一安装状态，分别测定出动力机构在 相应安装状态下、内部位于不同位置状态时动力机构的负载参数。
其中，在同一安装状态下，选择的位置状态越多其测定出的负载参数通 常会更准确。其中，各动力部222上操作臂31的安装一般需要人工进行，而动 力部222相对于相应导轨221位置的改变可以通过控制装置控制驱动部驱动动 力部222在导轨221上滑动来进行，比如，控制装置可以生成一些随机位置参 数给各驱动部让它们驱动动力部222在导轨221上滑动至相应位置。
步骤S112，根据测定出的动力机构在相应安装状态下、内部位于不同位 置状态时对应的负载参数，分别建立对应于动力机构的每一安装状态的一个参 数计算模型。
进一步地，如图11所示，在步骤S11之中，包括：
步骤S113，获取动力机构内部的安装状态信息及位置状态信息。
步骤S114，根据动力机构的安装状态信息调用参数计算模型。
步骤S115，结合调用的参数计算模型及动力机构的位置状态信息计算出 动力机构在相应状态下的负载参数。
在该步骤S113之中，为了获取该安装状态信息中各动力部222上是否 安装了操作臂31的信息，可以在各动力部222上设置一检测机构，该检测机构 用于检测该动力部222上是否安装了操作臂31，该检测机构可选自接近传感器、 压力传感器、光电传感器等。
在该步骤S113之中，为了获取该安装状态信息中各动力部222上所安 装的操作臂31的类型的信息，一方面，可以在各操作臂31上配置存储有其类 型信息的存储器，在动力机构22中如动力部222上设置与手术机器人中控制装 置连接的数据接口，操作臂31安装于动力部222上时，该数据接口与该存储器 连接，进而通过该数据接口读取操作臂31的类型信息；另一方面，可以在各操 作臂31上配置存储有其类型信息的电子标签，相应在动力机构22中设置有与 手术机器人中控制装置连接的读写器，操作臂31安装于动力部222上时，该读 写器感应到电子标签并从中读取操作臂31的类型信息，该电子标签例如可以是 RFID电子标签或NFC电子标签等，相应的，该读写器可以是RFID读写器或NFC 读写器。其中，操作臂31的类型主要跟其上的末端器械34的类型相关，也可 能跟操作臂本身结构的类型相关。末端器械34包括如图2所示的图像末端器械 34A及操作末端器械34B，一般而言，图像末端器械34A的类型比较单一，操作 末端器械34B的类型比较丰富。
在该步骤S113之中，为了获取该位置状态信息中各动力部222相对于 相应导轨221的位置信息，可以在驱动动力部222相对于导轨221滑动的各驱 动部中设置位置传感器以感应该位置信息。驱动部通常包括电机及编码器，该 编码器即可以作为位置传感器使用以获取上述的位置信息。
具体而言，步骤S112所提及的参数计算模型的数量与动力机构22内部 的安装状态的数量是一致的。假设动力机构22中动力部222的数量为n，并假 设操作臂31的类型数量为m，根据设定条件的不同可能有如下几种数量的安装 状态。
示例一，如果仅考虑各动力部222上是否安装有操作臂31。此时，总共 可以获得2n种安装状态，对应有2n种参数计算模型。
示例二，如果考虑各动力部222上是否安装有操作臂31、及操作臂31 的类型。此时，总共可以获得(m+1)n种安装状态，对应有(m+1)n种参数计算 模型。
而在示例二中：
如果只允许不同动力部222安装不同类型的操作臂31，当m≥n时，总 共可以获得
Figure BDA0002616422780000141
种安装状态，对应有
Figure BDA0002616422780000142
种参 数计算模型；当m<n时，总共可以获得
Figure BDA0002616422780000143
种安装状态，对应 有
Figure BDA0002616422780000144
种参数计算模型。
如果允许只有一个动力部222安装具有图像末端器械34A的操作臂31， 总共可以获得n×mn-1种安装状态，对应有n×mn-1种参数计算模型；更进一步地， 在该条件下如果允许一特定位置的动力部222安装具有图像末端器械34A的操 作臂31且必然已经安装，总共可以获得mn-1种安装状态，对应有mn-1种参数计算 模型。
通过限制不同的条件可以相应减少可识别的安装状态的数量，进而减少 参数计算模型的数量。
步骤S112所提及的参数计算模型的建立过程包括如下步骤：
定义参数计算模型的数学公式；
采样并计算参数计算模型输入输出数据；
及根据采样并计算参数计算模型输入输出数据对模型参数进行估计进而 确定该参数计算模型。
其中，该参数计算模型可以是MISO(多输入单输出)形式或MIMO(多 输入多输出)形式，具体可以根据待确定的负载力学模型的模型参数的耦合情 况而定。此外，可以定义一个学习模型，对应于不同安装状态，采用机器学习 并通过尽可能多的采样参数计算模型相关联的输入输出数据进行训练而获得该 参数计算模型。该参数计算模型可以是线性的或非线性的，这可以通过初步的 力学分析或试验数据而确定，若是线性的，可使用最小二乘或极大似然等方法 来确定该参数计算模型的模型参数；若是非线性的，可使用牛顿高斯等非线性 优化计算方法来确定该参数计算模型的模型参数。
上述步骤S112中，可以将参数计算模型及其相对应的安装状态信息关 联地存储于如参数字典、列表等数据结构中以方便在后续步骤S114中进行调用。
上述步骤S12所提及的用于确定负载的六维力/力矩矢量的负载力学模 型的负载参数可根据该参数计算模型计算获得。该参数计算模型示例性的可以 表示为Pload＝f(S',P')，其中，Pload表示负载参数，S’表示各动力部相对于相应导轨 的位置状态信息，P’表示参数计算模型的模型参数。
示例性的，假设Pload＝k1S’1+k2 S’2+…+kn S’n+kn+1，n表示动力部的数 量，P’表示参数计算模型的模型参数即为k1～kn+1，S’1～S’n，分别表示各动力部 的相对于相应导轨的位置状态信息，其中，kn+1是参数计算模型的零位参数，且 k1～kn+1均通过测定(如标定及/或辨识)而获得。
上述的负载力学模型示例性地可以表示为Fm＝f(S,Pload)，其中，Fm是负 载的六维力/力矩矢量，S表示机械臂中各关节的位置状态信息。
机械臂21中各关节的位置状态信息可以通过配置于各关节的位置传感 器来获取，该传感器简单而言同样可以是驱动各关节运动的驱动部(即具有编 码器的电机)中的编码器。
上述步骤S15可以根据如下公式计算获得：
Fe＝Fs-Fm-F0
Fe是外力的六维力/力矩矢量，Fs是总的六维力/力矩矢量，Fm是负载的 六维力/力矩矢量，F0是零偏的六维力/力矩矢量。其中，对于Fe的计算需要Fs、 Fm及F0在相同参考坐标系下进行计算，通常可直接在六维力传感器的传感器坐 标系下进行计算即可。
如图12所示，上述步骤S16中，包括：
步骤S161,解析外力的六维力/力矩矢量为动力机构在机械臂的基坐标 系的增量位姿信息。
步骤S162，获取机械臂各关节组件的位置信息。
在以图1及图13所示意的实施例中，该机械臂21具有5个自由度，借 助各位置传感器能够采集到这样一组位置信息(d1，θ2，θ3，θ4，θ5)。
步骤S163，根据各关节组件的位置信息计算出动力机构在机械臂的基坐 标系的当前位姿信息。
其中，动力机构在机械臂的基坐标系的当前位姿信息实际指机械臂的工 具坐标系在基坐标系的当前位姿信息，其通常可以结合正运动学来进行计算。 建立机械臂21的不动点(即C点处，机械臂21的工具坐标系的原点在不动点 上)至机械臂21的基座的运动学模型，输出C点与基座的模型转换矩阵
Figure BDA0002616422780000161
计 算方法为
Figure BDA0002616422780000162
步骤S164，根据动力机构在机械臂的基坐标系的当前位姿信息及增量位 姿信息计算出其在机械臂的基坐标系目标位姿信息。
其中，根据C点与基座的模型转换矩阵
Figure BDA0002616422780000163
获取C点在固定坐标系的位 姿信息。假设在不改变C点位置的情况下，旋转C点的坐标系，使其达到模型 转换矩阵所描述的姿态，可得到旋转轴角度[θx0,θy0,θz0]，如图14所示。θx0为滚动角，θy0为偏航角，θz0为俯仰角，而在图1及图13所示的机械臂21中， 缺乏滚动角的自由度进而实际上θx0不可调。
步骤S165，根据目标位姿信息计算出机械臂中各关节组件的目标位置信 息。
该步骤通常可以结合逆运动学来进行计算。
步骤S166，根据各关节组件的目标位置信息控制机械臂中各关节组件联 动以使动力机构远端运动至目标位姿。
该步骤举例可以使用CSP(周期同步位置)模式并结合PID调控以控制 机械臂21中各关节联动。
该实施例中，具体在步骤S16中解析外力的六维力/力矩矢量获得动力 机构在机械臂的基坐标系的目标位姿信息之中，可以获取输入的关联于动力机 构的任务自由度的操作命令，并结合该任务自由度解析外力的六维力/力矩矢量 获得动力机构在机械臂的基坐标系的目标位姿信息。
其中，操作命令包括第一操作命令和第二操作命令。第一操作命令同任 务自由度与机械臂21的有效自由度完全匹配的情况相关联，根据第一操作命令 解析获得的目标位姿信息可对动力机构22进行自由拖动控制；第二操作命令同 任务自由度与机械臂21的有效自由度不完全匹配、但包含于机械臂21的有效 自由度的情况相关联，根据第二操作命令解析获得的目标位姿信息只能在设定 的任务自由度内对动力机构22进行拖动控制。更进一步地，第二操作命令同动 力机构22的任务自由度选择自机械臂21的有效自由度中与姿态自由度关联的 有效自由度的情况相关联。
具体而言，动力机构22的任务自由度可被理解为动力机构22在笛卡尔 空间允许运动的自由度，其至多为6个。动力机构22在笛卡尔空间具有有效自 由度，动力机构22的有效自由度与机械臂21的构型(即结构特征)相关，动 力机构22的有效自由度可被理解为动力机构22在笛卡尔空间内可实现的自由 度，其同样至多为6个。动力机构22的任务自由度即为允许其运动的那些自由 度。
可以在步骤S16中根据该任务自由度(的配置信息)对外力的六维力/ 力矩矢量进行解析，然后再将经过解析后的外力的六维力/力矩矢量映射为动力 机构的增量位姿信息。例如，该任务自由度为允许位姿信息[x,y,z,α,β,γ]中的 [x,y,z]这三个自由度运动，则在对外力的六维力/力矩矢量进行解析时，仅解析 出[x,y,z]这三个自由度对应的外力的六维力/力矩矢量，然后再将对应于[x,y,z] 这三个自由度的外力的六维力/力矩矢量映射为动力机构22的增量位姿信息。
当然，也可以先对外力的六维力/力矩矢量进行全面解析，然后根据该任 务自由度对经过解析后的外力的六维力/力矩矢量映射为动力机构22的增量位 姿信息。例如，该任务自由度同样为允许位姿信息[x,y,z,α,β,γ]中的[x,y,z]这三 个自由度运动，则在对外力的六维力/力矩矢量进行解析时，解析出全部[x,y,z, α,β,γ]这六个自由度对应的外力的六维力/力矩矢量，然后再将对应于[x,y,z] 这三个自由度的外力的六维力/力矩矢量映射为动力机构22的增量位姿信息。
举例如图13所示的机械臂21中，机械臂21的有效自由度的信息包括 [x,y,z,α,β]，其根据关节组件210～214而来，其在滚动角γ上不具备自由度：
若配置动力机构22的任务自由度的配置信息为[x,y,z,α,β]，则动力机构 22的任务自由度的配置信息与机械臂21的有效自由度的信息完全匹配，此时对 动力机构22进行的是自由控制，能够控制动力机构22大范围移动以适应手术 室布置，这种配置与上述的第一操作指令关联的情况相对应。
若配置动力机构22的任务自由度的配置信息为[x,y,z,α]或[x,y,z]等时， 则动力机构22的任务自由度的配置信息包含于机械臂21的有效自由度的信息 内、且不完全匹配，在控制动力机构时，只可以在[x,y,z,α]或[x,y,z]这几个对应 的自由度进行调节，此时对动力机构22进行的是约束控制，能够在限定的范围 内对动力机构22进行控制。
尤其是，若配置动力机构22的任务自由度的配置信息为只包括[α,β]时， 这属于约束控制中的RCM约束控制，即绕远程运动中心(即不动点)运动，只 可以对偏航角和俯仰角进行调节，能够满足手术过程中的微调，这种配置与上 述的第二操作指令关联的情况相对应。
当然，若机械臂21的有效自由度的信息包括[x,y,z,α,β,γ]，通过对动 力机构22的任务自由度的配置，RCM约束控制可总共包括仅对偏航角、仅对 俯仰角、仅对滚动角、对偏航角和俯仰角、对偏航角和滚动角、对俯仰角和滚 动角、和对偏航角、俯仰角及滚动角进行调节的这多种类型。
该步骤S16中，具体可以利用刚度矩阵解析外力的六维力/力矩矢量获 得动力机构在机械臂的基坐标系的目标位姿信息。
其中，该刚度矩阵用于实现力信息到位姿信息的转换，其通常是一个关 联于任务自由度及外力的矢量维度的矩阵。示例性的，假设动力机构22的任务 自由度的配置信息描述了允许a(1≤a≤6)个自由度运动，同时假设外力的矢 量维度为b(1≤b≤6)，则该刚度矩阵被描述为一个a×b(行列)的矩阵。不 同刚度矩阵通常具有不同的控制参数，其均可以通过有限次试验或计算机自动 演算而确定。
该刚度矩阵的控制参数可以被设置为是可调节的，以根据需要实现外力 信息到位姿信息的线性或指数型放大或缩小。示例性的，可以设置一个与控制 装置连接的输入装置，用于输入调整该刚度矩阵的控制参数的控制信息，其中， 该控制信息通常是输入的一个物理参数，其具体调整过程可以通过如下步骤实 现：
获取物理参数。
其中，该物理参数可以是离散型的，也可以是连续型的，根据输入装置 自身的特性而确定，比如挡位或按钮等类型的输入装置一般输入产生离散型的 物理参数，而无级旋钮或触摸条等类型的输入装置一般输入产生连续型的物理 参数。
结合参数调整模型及物理参数对刚度矩阵中控制参数进行调整。
一示例中，对应于离散型的物理参数，该参数调整模型可以是一个控制 参数字典。该参数字典存储有多组控制参数，该多组控制参数与由输入装置经 操作产生的一系列离散型的物理参数一一对应。在这种情况下，当需要对刚度 矩阵进行控制时，通过在参数字典中物理参数与控制参数之间的映射关系，索 引并调用相应的控制参数以对刚度矩阵进行调节即可。使得其更符合操作者对 机械臂的拖动习惯，提高用户体验。
一示例中，对应于连续型的物理参数，参数调整模型可以是一个参数计 算模型。该参数计算模型是确定的一种数学公式，由输入装置经操作产生的连 续型的物理参数作为该控制参数计算模型的自变量，控制参数作为该参数计算 模型的因变量跟随输入至该参数计算模型的物理参数而发生变化。在这种情况 下，当需要对刚度矩阵进行控制时，由于物理参数与控制参数在控制参数计算 模型中存在因变量和自变量的关系，根据物理参数计算出控制参数以对刚度矩 阵中的刚度矩阵进行调节即可。该示例中，参数计算模型可以被设计为多项式 模型，优选为五次多项式模型，因为五次多项式模型具有轨迹为斜率方向一致 的递增曲线，尤其是五次多项式模型的轨迹在首尾两段相对平缓，进而有利于 外力的平滑控制。
上述的参数调整模型可以包括上述两种模型，以适应任何控制需求；或 者也可以择一而取，以适应某一具体控制需求。其根据输入装置的类型信息调 用适应的参数调整模型并结合输入装置输入的物理参数获取该控制参数即可。
一实施例中，若动力机构22的任务自由度的配置信息只部分包含于机械 臂21的有效自由度的信息中，一种较佳的选择是提示配置错误的信息，另一种 选择是可以仅允许包含于机械臂21的有效自由度的信息的部分自由度可调。仍 以图13所示的机械臂21为例，若动力机构22的任务自由度的配置信息为[y,z, α,β,γ]或[x,y,z,α,β,γ]，一方面可以提示配置错误的信息，另一方面可以允 许[y,z,α,β]或[x,y,z,α,β]中进行相应的自由度的调节。这可以根据实际需要进 行配置。
该手术机器人可以具有另外一种硬件配置，主要体现在六维力传感器装 设数量的不同。在该实施例中，可以在包括将动力机构作为连杆的连续两个以 上的相邻连杆之间均装设有六维力传感器，比如，如图15所示，同样，空心圆 “○”代表该关节未装设六维力传感器，实心圆“●”代表装设了六维力传感器。 通过这样的硬件配置，操作者可以拖动动力机构以外配置有六维力传感器的连 杆来实现相应的控制目的，尤其适用于在机械臂的冗余自由度较多的情况下使 用。根据该硬件配置，提供另一种手术机器人中机械臂的控制方法，如图19所 示，包括：
步骤S21，获取每一六维力传感器下的一组负载参数。
其中，该一组负载参数包括位于相应六维力传感器远端的各连杆的负载 参数。负载参数包括质量参数和质心参数。值得注意的是，除动力机构22以外 的其它连杆的负载参数通过测定即可获得，而该动力机构的负载参数根据前述 实施例记载的步骤S111至步骤S115来获得，此处不再重复赘述。
步骤S22，根据每一六维力传感器下的一组负载参数确定相应六维力传 感器坐标系下、由六维力传感器远端的各连杆导致的负载对应的负载力学模型。
其中，不同六维力传感器坐标系下的负载力学模型表达形式相同，但表 达内容不同。如动力机构处的六维力传感器坐标系下的负载力学模型为 Fm＝f(SP,load；与动力机构相邻一连杆处六维力传感器坐标系下的负载力学模型 为Fm＝f(S,Pload，P1)，P1是该相邻连杆的负载参数，与Pload可能变化不同的是P1是 确定不变的；与此类推可以得到各六维力传感器坐标系下的负载力学模型。
步骤S23，获取机械臂中各关节的位置信息，结合每一六维力传感器下 的负载力学模型分别计算每一六维力传感器下的负载的六维力/力矩矢量。
步骤S24，获取六维力传感器的总的六维力/力矩矢量，获取六维力传感 器的零偏的六维力/力矩矢量，结合每一六维力传感器下的负载的六维力/力矩 矢量计算出作用于每一六维力传感器的外力的六维力/力矩矢量。
步骤S25，根据计算出的作用于每一六维力传感器的外力的六维力/力矩 矢量及作用于其远端相邻一个所述六维力传感器的外力的六维力/力矩矢量确 定受力连杆，并计算出施加于受力连杆上的外力的六维力/力矩矢量。
其中，如果相应六维力传感器坐标系下的总的六维力/力矩矢量等于其 远端负载的六维力/力矩矢量、零偏的六维力/力矩矢量与作用于其远端相邻一 个六维力传感器的外力的六维力/力矩矢量之和，则可以确定该六维力传感器远 端相邻的连杆不受力；如果相应六维力传感器坐标系下的总的六维力/力矩矢量 大于其远端负载的六维力/力矩矢量、零偏的六维力/力矩矢量与作用于其远端 相邻一个六维力传感器的外力的六维力/力矩矢量之和，则可以确定该六维力传 感器远端相邻的连杆受力，相应六维力传感器坐标系下的总的六维力/力矩矢量 与其远端负载的六维力/力矩矢量、零偏的六维力/力矩矢量、及作用于其远端 相邻一个六维力传感器的外力的六维力/力矩矢量之间的差值则为施加于受力 连杆上的外力的六维力/力矩矢量。值得注意的是，“作用于”与“施加于”的 概念是不同的，“作用于”包括“施加于”的概念。
步骤S26，解析施加于受力连杆上的外力的六维力/力矩矢量获得受力连 杆在相应坐标系的目标位姿信息，并根据目标位姿信息控制机械臂做相应运动。
在该实施例中，同样可以为动力机构配置任务自由度，并在步骤S26中， 结合动力机构的任务自由度解析施加于受力连杆上的外力的六维力/力矩矢量 获得受力连杆在相应坐标系的目标位姿信息。对于此，此处亦不再重复赘述。
在该示例的硬件配置前提下，机械臂21上装配有六维力传感器的连杆 可能存在单个受力或两个以上受力的情况：
一实施例中，受力连杆为一个的情况下，若受力连杆是动力机构，如图 15所示，上述步骤S26之中，包括：
结合动力机构的任务自由度解析受力连杆上的外力的六维力/力矩矢量 获得动力机构在机械臂的基坐标系的目标位姿信息。
根据目标位姿信息控制机械臂中各连杆运动使动力机构到达对应的目标 位姿。
该情况跟前述实施例如图8所示的情况是一致的，比如也可实现图8示 意的配置下对动力机构22的自由拖动或RCM约束拖动，也即无论获取到输入的 是第一操作命令还是第二操作命令均可根据上述步骤实现控制。
一实施例中，受力连杆为一个的情况下，若受力连杆不是动力机构且获 取到输入的是前述的第一操作命令，如图16所示，上述步骤S26之中，包括：
解析受力连杆上的外力的六维力/力矩矢量获得受力连杆在机械臂的基 坐标系的目标位姿信息。
根据目标位姿信息控制机械臂中受力连杆及其近端的各连杆运动使受力 连杆到达对应的目标位姿。
该情况将机械臂21相当于分成了两段，并控制受力连杆近端的各连杆 相应运动使受力连杆到达对应的目标位姿，受力连杆远端的各连杆跟随受力连 杆运动即可。
一实施例中，受力连杆为一个的情况下，若受力连杆不是动力机构且获 取到输入的是前述的第二操作命令，结合图16和图20参阅，上述步骤S26之 中，包括：
步骤S2611，解析受力连杆上的外力的六维力/力矩矢量获得受力连杆在 机械臂的基坐标系的目标位姿信息，并获取动力机构在机械臂的基坐标系的当 前位姿信息。
步骤S2612，在受力连杆到达受力连杆在机械臂的基坐标系的目标位姿 信息对应的目标位姿得条件下，换算动力机构在机械臂的基坐标系的当前位姿 信息获得动力机构位于受力连杆的坐标系的目标位姿信息。
在该步骤S2612中，可以利用公式
Figure BDA0002616422780000231
公来计算获得动力机构在 受力连杆的坐标系的目标位姿信息。其中，
Figure BDA0002616422780000232
是动力机构在受力连杆的坐标系 的目标位姿信息，
Figure BDA0002616422780000233
是受力连杆在机械臂的基坐标系的目标位姿信息，
Figure BDA0002616422780000234
是受 力连杆在机械臂的基坐标系的当前位姿信息，B是机械臂的基坐标系，T是受力 连杆的坐标系。
步骤S2613，根据受力连杆的目标位姿信息控制受力连杆及其近端的各 连杆运动使受力连杆到达对应的目标位姿、并根据动力机构的目标位姿信息控 制动力机构及动力机构与受力连杆之间的各连杆运动使动力机构保持当前位置 或位姿。
该情况将机械臂21相当于分成了两段，并控制受力连杆近端的各连杆 相应运动使受力连杆到达对应的目标位姿，并控制受力连杆远端的各连杆相应 运动使动力机构22保持当前位置或位姿。其使用场景可以是调整机械臂某段运 动以实现避障等作用，同时保证手术过程的安全性。
在上述步骤S2613之前，可以对动力机构在受力连杆的坐标系的目标位 姿信息的有效性进行判断，在有效时，才执行步骤S2613。举例而言，该有效性 判断的步骤可以这样进行：将该目标位姿信息解析成机械臂相应一段结构中各 关节的目标运动状态参数(包括位置参数、速度参数及加速度参数)，然后将该 目标运动参数与相应关节的运动状态阈值一一比较，若各目标运动参数均在相 应运动状态阈值内，则为有效，否则，为无效。
一实施例中，受力连杆为两个以上的情况下，若获取到输入的是前述的 第一操作命令，如图21所示，上述步骤S26之中，包括：
步骤S2621，解析绝对邻近机械臂近端的受力连杆上的外力的六维力/ 力矩矢量获得该受力连杆在机械臂的基坐标系的目标位姿信息。
步骤S2622，解析各相邻两个受力连杆中相对远离机械臂近端的受力连 杆的外力的六维力/力矩矢量获得受力连杆在相邻受力连杆的坐标系的目标位 姿信息。
步骤S2623，根据绝对邻近机械臂近端的受力连杆的目标位姿信息控制 绝对邻近机械臂近端的受力连杆及其近端的各连杆运动使绝对邻近机械臂近端 的受力连杆到达对应的目标位姿、根据各相邻两个连杆中相对远离机械臂近端 的受力连杆的目标位姿信息控制相对远离机械臂近端的受力连杆及与其相邻受 力连杆之间的各连杆运动使相对远离机械臂近端的受力连杆到达对应的目标位 姿。
该情况下如果受力连杆的数量为d，则相当于将机械臂21划分成了d+1 段，除绝对邻近机械臂21近端的受力连杆根据相应目标位姿信息运动使其到达 在机械臂的基坐标系的目标位姿以外，其余受力连杆分别根据其各自相应的目 标位姿信息运动使相应受力连杆相对于其近端邻近的受力连杆的坐标系分别运 动各自到达对应的位姿。如果机械臂21远端的受力连杆远端还具有连杆，这些 连杆则跟随机械臂21远端的受力连杆进行运动即可。
该步骤S2621～步骤S2623适用于图17及图18所示的任意一种受力情 况，即，无论受力连杆包不包括动力机构22均可适用该方法。
一实施例中，受力连杆为两个以上的情况下，若获取到输入的是前述的 第二操作命令且受力连杆中不包括动力机构，结合图17和图22参阅，上述步 骤S26之中，包括：
步骤S2631，解析绝对邻近机械臂近端的受力连杆上的外力的六维力/ 力矩矢量获得受力连杆在机械臂的基坐标系的目标位姿信息。
步骤S2632，解析各相邻两个受力连杆中相对远离机械臂近端的受力连 杆的外力的六维力/力矩矢量获得受力连杆在相邻受力连杆的坐标系的目标位 姿信息。
步骤S2633，获取动力机构在机械臂的基坐标系的当前位姿信息，并在 各受力连杆到达相应坐标系的目标位姿信息对应的目标位姿的条件下，换算动 力机构在机械臂的基坐标系的当前位姿信息获得动力机构位于相邻受力连杆的 坐标系的目标位姿信息。
该步骤S2633也可以利用如步骤S2612中的公式及原理来进行换算。
步骤S2634，根据绝对邻近机械臂近端的受力连杆的目标位姿信息控制 绝对邻近机械臂近端的受力连杆及其近端的各连杆运动使绝对邻近机械臂近端 的受力连杆到达对应的目标位姿、根据相对远离机械臂近端的受力连杆的目标 位姿信息控制相对远离机械臂近端的受力连杆及与其相邻受力连杆之间的各连 杆运动使相对远离机械臂近端的受力连杆到达对应的目标位姿、根据动力机构 的目标位姿信息控制动力机构及动力机构与相邻受力连杆之间的各连杆运动使 动力机构保持当前位置或位姿。
该情况下机械臂21也相当于被划分成了多段，各受力连杆相对于各自 相应的坐标系运动到达目标位姿，同时使动力机构22保持当前位置或位姿，以 确保手术过程的安全性。
一实施例中，受力连杆为两个以上的情况下，若获取到输入的是前述的 第二操作命令且受力连杆中包括动力机构，结合图18和图23参阅，上述步骤 S26之中，包括：
步骤S2641，解析绝对邻近机械臂近端的受力连杆上的外力的六维力/ 力矩矢量获得受力连杆在机械臂的基坐标系的目标位姿信息。
步骤S2642，解析动力机构的外力的六维力/力矩矢量获得动力机构在机 械臂的基坐标系的目标位姿信息。
步骤S2643，解析除动力机构以外的各相邻两个受力连杆中相对远离机 械臂近端的受力连杆的外力的六维力/力矩矢量获得受力连杆在相邻受力连杆 的坐标系的目标位姿信息。
步骤S2644，在与动力机构相邻的受力连杆到达相应坐标系的目标位姿 信息对应的目标位姿的条件下，换算动力机构在机械臂的基坐标系的目标位姿 信息获得动力机构位于相邻受力连杆的坐标系的目标位姿信息。
该步骤S2644也可以利用如步骤S262中的公式及原理来进行换算。
步骤S2645，判断动力机构在相邻受力连杆的坐标系的目标位姿信息是 否有效。
若有效，进入步骤S2646。若无效，进入步骤S2647。
步骤S2646，根据绝对邻近机械臂近端的受力连杆的目标位姿信息控制 绝对邻近机械臂近端的受力连杆及其近端的各连杆运动使绝对邻近机械臂近端 的受力连杆到达对应的目标位姿、根据相对远离机械臂近端的受力连杆的目标 位姿信息控制相对远离机械臂近端的受力连杆及与其相邻受力连杆之间的各连 杆运动使相对远离机械臂近端的受力连杆到达对应的目标位姿、根据动力机构 的目标位姿信息控制动力机构及动力机构与相邻受力连杆之间的各连杆运动使 动力机构保持位置的同时调节姿态。
步骤S2647，结合动力机构的任务自由度解析动力机构的外力的六维力/ 力矩矢量获得动力机构在机械臂的基坐标系的目标位姿信息，并根据动力机构 的目标位姿信息控制机械臂中各连杆运动使动力机构保持位置的同时调节姿 态。
该情况下，也即步骤S2645中判断的目标位姿信息为有效时，对机械臂 21进行分段控制并实现动力机构22的RCM约束拖动控制；无效时，对机械臂 21进行整体控制以实现RCM约束拖动控制即可。
上述各实施例中，可以对获取的各目标位姿信息的有效性进行判断，该 判断过程和原理跟步骤S2612与步骤S2613之间的判断过程和原理相同或相似， 并在有效时进入相应后续步骤实现相应控制，此处不再一一赘述。
上述实施例适用于对如图1所示类型的手术机器人中的机械臂进行控制。 该类型的手术机器人包括一个机械臂21及装设于该机械臂21远端的一个以上 的具有末端器械34的操作臂31，该机械臂21及操作臂31均具有若干自由度。
上述实施例同样适用于对如图24所示类型的手术机器人中的机械臂进行 控制。该类型的手术机器人包括一个主臂32’、装设于主臂32’远端的一个以 上的调整臂30’及装设于调整臂30’远端的一个以上的具有末端器械的操作臂 31’，该主臂32’、调整臂30’及操作臂31’均具有若干自由度。如图24所示， 该手术机器人中，调整臂30’可以设置为四个，每个调整臂30’可以仅设置一 个操作臂31’。根据实际使用场景，可以将如图24所示类型的手术机器人的三 段式臂体结构配置为如图1所示类型的手术机器人的两段式臂体结构从而实现 控制。一实施例中，在该两种类型的手术机器人中的操作臂的概念为一致的情 况下，例如，根据配置，可以将如图24所示类型的手术机器人中的各调整臂30’ 视为如图1所示类型的手术机器人中的机械臂21进行控制；又例如，根据配置， 也可以将如图24所示类型的手术机器人中的任一调整臂30’及主臂32’的整 体视为如图1所示类型的手术机器人中的机械臂21进行控制。一实施例中，可 以将如图24所示类型的手术机器人中的主臂32’视为如图1所示类型的手术机 器人中的机械臂21、并将如图24所示类型的手术机器人中的调整臂30’及其 对应的操作臂31’的整体视为如图1所示类型的手术机器人中的操作臂31进行控制。
一实施例中，上述手术机器人的控制方法通常被配置为在手术机器人的 控制装置中来实现，该控制装置包括存储器和一个以上的处理器，存储器用于 存储计算机程序，处理器用于加载并执行计算机程序以实现如上述任一项实施 例所述的控制方法。
一实施例中，提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储 有计算机程序，该计算机程序被配置为由一个以上的处理器执行实现上述任一 项实施例所述的控制方法的步骤。
以上所述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。
上述所述实施例的各技术特征及任意技术特征之间的组合具有通用性， 其不但适用于单孔手术机器人，也适用于多孔手术机器人，并且，其既不会影 响也不会限制在具有不同构形的机械臂中进行使用。
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 (15)

1.一种手术机器人，其特征在于，包括：
机械臂，具有多个通过关节连接的连杆，作为所述机械臂远端的所述连杆是动力机构；
及控制装置，与所述机械臂耦接，被配置成执行：
确定所述连杆中的受力连杆并获得施加于所述受力连杆的外力；
获取输入的关联于所述动力机构的任务自由度的操作命令；
在所述受力连杆为两个以上、且所述操作命令关联于所述任务自由度与所述机械臂的有效自由度完全匹配的情况时，解析第一受力连杆上的外力获得所述第一受力连杆在基坐标系的目标位姿信息，所述第一受力连杆指所述受力连杆中最邻近所述机械臂近端的一个受力连杆，基坐标系指所述机械臂的基坐标系；
解析第二受力连杆的外力获得所述第二受力连杆在相邻所述受力连杆的坐标系的目标位姿信息，所述第二受力连杆指各相邻两个所述受力连杆中相对远离所述机械臂近端的一个受力连杆；
根据所述第一受力连杆的目标位姿信息控制所述第一受力连杆及其近端的各所述连杆运动使所述第一受力连杆到达对应的目标位姿、根据所述第二受力连杆的目标位姿信息控制所述第二受力连杆及与其相邻所述受力连杆之间的各所述连杆运动使所述第二受力连杆到达对应的目标位姿。
2.根据权利要求1所述的手术机器人，其特征在于：
所述机械臂包括三个位置有效自由度及三个姿态有效自由度。
3.根据权利要求1所述的手术机器人，其特征在于：
所述机械臂包括三个位置有效自由度及两个姿态有效自由度。
4.根据权利要求3所述的手术机器人，其特征在于：
所述机械臂的五个有效自由度由所述机械臂的五个自由度组成，其中，所述机械臂具有沿近端向远端依次设置的一个沿竖直方向线性移动的自由度、三个绕竖直方向转动的自由度以及一个绕垂直于竖直方向的方向转动的自由度。
5.根据权利要求1所述的手术机器人，其特征在于：
所述机械臂中，包括所述动力机构的连续两个以上的相邻所述连杆之间均装设有与所述控制装置耦接、用于采集受力信息的六维力传感器；
确定所述连杆中的受力连杆并获得施加于所述受力连杆的外力的步骤包括：
获取每一所述六维力传感器下的一组负载参数，所述一组负载参数包括位于相应所述六维力传感器远端的各所述连杆的负载参数，其中，所述动力机构的负载参数根据所述动力机构内部的安装状态信息及位置状态信息而获得，所述负载参数包括质量参数和质心参数；
根据每一所述六维力传感器下的一组负载参数确定相应所述六维力传感器坐标系下、由所述六维力传感器远端的各所述连杆导致的负载对应的负载力学模型；
获取所述机械臂中各关节的位置信息，结合每一所述六维力传感器下的负载力学模型分别计算每一所述六维力传感器下的负载的六维力/力矩矢量；
获取零偏的六维力/力矩矢量及总的六维力/力矩矢量，并结合每一所述六维力传感器下的负载的六维力/力矩矢量计算出作用于每一所述六维力传感器的外力的六维力/力矩矢量；
根据计算出的作用于每一所述六维力传感器的外力的六维力/力矩矢量及作用于其远端相邻一个所述六维力传感器的外力的六维力/力矩矢量确定受力连杆，并计算出施加于所述受力连杆上的外力的六维力/力矩矢量。
6.根据权利要求5所述的手术机器人，其特征在于：
解析所述第一受力连杆上的外力获得所述第一受力连杆在基坐标系的目标位姿信息的步骤具体为：解析所述第一受力连杆上的外力的六维力/力矩矢量获得所述第一受力连杆在基坐标系的目标位姿信息；
解析所述第二受力连杆的外力的六维力/力矩矢量获得所述第二受力连杆在相邻所述受力连杆的坐标系的目标位姿信息的步骤具体为：解析所述第二受力连杆的外力获得所述第二受力连杆在相邻所述受力连杆的坐标系的目标位姿信息。
7.根据权利要求6所述的手术机器人，其特征在于：
解析所述外力的六维力/力矩矢量获得所述受力连杆在目标坐标系的目标位姿信息的步骤具体为：
通过刚度矩阵将所述外力的六维力/力矩矢量转换为所述受力连杆在目标坐标系的目标位姿信息。
8.根据权利要求7所述的手术机器人，其特征在于：
通过刚度矩阵将所述外力的六维力/力矩矢量转换为所述受力连杆在目标坐标系的目标位姿信息的步骤包括：
获取输入的物理参数；
结合参数调整模型及物理参数对所述刚度矩阵中控制参数进行调整；
结合调整后的控制参数将所述外力的六维力/力矩矢量转换为所述受力连杆在目标坐标系的目标位姿信息。
9.根据权利要求8所述的手术机器人，其特征在于：
所述物理参数是离散型的物理参数；或者，所述控制参数是连续型的物理参数。
10.根据权利要求5所述的手术机器人，其特征在于：
所述动力机构包括导轨及滑动设置于所述导轨上的动力部，所述动力部用于安装及驱动执行手术操作的操作臂；
所述安装状态信息与各所述动力部上所述操作臂的安装状态相关，所述位置状态信息与各所述动力部相对于相应所述导轨的位置状态相关；
所述安装状态信息包括各所述动力部上是否安装有操作臂的信息、及/或各所述动力部上安装的操作臂的类型信息。
11.根据权利要求5所述的手术机器人，其特征在于：
根据所述动力机构内部的安装状态信息及位置状态信息获得的所述动力机构在相应状态下的负载参数的步骤之前，包括：
基于所述动力机构内部的每一安装状态，分别测定出所述动力机构在相应所述安装状态下、内部位于不同位置状态时所述动力机构的负载参数；
根据测定出的所述动力机构在相应所述安装状态下、内部位于不同位置状态时对应的负载参数，分别建立对应于所述动力机构的每一安装状态的一个参数计算模型。
12.根据权利要求11所述的手术机器人，其特征在于：
根据所述动力机构内部的安装状态信息及位置状态信息获得的所述动力机构在相应状态下的负载参数的步骤之中，包括：
获取所述动力机构内部的安装状态信息及位置状态信息；
根据所述动力机构的安装状态信息调用参数计算模型；
结合调用的所述参数计算模型及所述动力机构的位置状态信息计算出所述动力机构在相应状态下的负载参数。
13.一种手术机器人中机械臂的控制方法，其特征在于，所述手术机器人包括机械臂，所述机械臂具有多个通过关节连接的连杆，作为所述机械臂远端的所述连杆是动力机构，所述控制方法包括：
确定所述连杆中的受力连杆并获得施加于所述受力连杆的外力；
获取输入的关联于所述动力机构的任务自由度的操作命令；
在所述受力连杆为两个以上、且所述操作命令关联于所述任务自由度与所述机械臂的有效自由度完全匹配的情况时，解析第一受力连杆上的外力获得所述第一受力连杆在基坐标系的目标位姿信息，所述第一受力连杆指所述受力连杆中最邻近所述机械臂近端的一个受力连杆，基坐标系指所述机械臂的基坐标系；
解析第二受力连杆的外力获得所述第二受力连杆在相邻所述受力连杆的坐标系的目标位姿信息，所述第二受力连杆指各相邻两个所述受力连杆中相对远离所述机械臂近端的一个受力连杆；
根据所述第一受力连杆的目标位姿信息控制所述第一受力连杆及其近端的各所述连杆运动使所述第一受力连杆到达对应的目标位姿、根据所述第二受力连杆的目标位姿信息控制所述第二受力连杆及与其相邻所述受力连杆之间的各所述连杆运动使所述第二受力连杆到达对应的目标位姿。
14.一种手术机器人中机械臂的控制装置，其特征在于，包括：
存储器，用于存储计算机程序；
处理器，用于加载并执行所述计算机程序；
其中，所述计算机程序由所述处理器加载并执行实现如权利要求13所述的控制方法的步骤。
15.一种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程序，所述计算机程序被配置为由处理器加载并执行实现如权利要求13所述的控制方法的步骤。
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