CN112168352B - 手术机器人控制方法、计算机设备及手术机器人系统 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种手术机器人控制方法、计算机设备及手术机器人系统。手术机器人控制方法包括获取机械臂末端固定的末端适配器在第一定位点的位置信息和第二定位点的位置信息，并得到末端适配器沿第一轴从第一定位点到第二定位点运动时对应的机械臂的规划路径。判断机械臂的规划路径是否发生奇异性。如果机械臂的规划路径不发生奇异性，则将补偿处理后的控制信号转换为速度信号。根据速度信号控制机械臂带动末端适配器在第一定位点和第二定位点之间沿第一轴直线运动。手术机器人控制方法通过速度控制方法控制所述机械臂带动所述末端适配器沿第一轴直线运动，使得所述机械臂运行顺滑，避免卡涩。

Description

手术机器人控制方法、计算机设备及手术机器人系统

技术领域

本申请涉及检测技术领域，特别是涉及一种手术机器人控制方法、计算机设备及手术机器人系统。

背景技术

在骨科穿刺或植入手术时，通常需要电钻工具定位到入颅点后，进行钻孔，形成孔道。为了实现孔道对准地更精确，通常会采用手术机器人辅助完成手术。手术机器人的机械臂的末端适配器用于定位入颅点。电钻工具固定于末端适配器。电钻工具在入颅点的位置上进行钻孔。在现有技术中，机械臂持手术工具运动，机械臂的位置和姿态发生变化。现有的控制方法，机械臂移动卡涩，不顺滑。

发明内容

基于此，有必要针对怎样提高手术机械臂移动的顺滑性的问题，提供一种手术机器人控制方法、计算机设备及手术机器人系统。

一种手术机器人控制方法，包括：

获取机械臂末端固定的末端适配器在第一定位点的位置信息和第二定位点的位置信息，并根据第一定位点的位置信息和第二定位点的位置信息得到所述末端适配器沿第一轴从所述第一定位点到所述第二定位点运动时对应的所述机械臂的规划路径，所述第一轴顺次穿过所述第一定位点、所述第二定位点、入颅点和靶点，所述末端适配器用于夹持手术器件。

判断所述机械臂的规划路径是否发生奇异性。

如果所述机械臂的规划路径不发生奇异性，则采集控制信号，并对所述控制信号进行补偿处理。

将补偿处理后的所述控制信号转换为速度信号。

根据所述速度信号控制所述机械臂运动，使所述机械臂带动所述末端适配器在所述第一定位点和所述第二定位点之间沿所述第一轴直线运动。

在一个实施例中，判断所述机械臂的规划路径是否发生奇异性的步骤之后，所述手术机器人控制方法还包括：

如果所述机械臂的规划路径发生奇异性，则：

采集控制信号，并对所述控制信号进行补偿处理。

将补偿处理后的所述控制信号转换为关节点信号。

根据所述关节点信号控制所述机械臂运动，使所述机械臂带动所述末端适配器在所述第一定位点和所述第二定位点之间沿所述第一轴直线运动。

在一个实施例中，所述控制信号包括作用在所述末端适配器的操作力信号，对所述控制信号进行补偿处理的步骤包括：

对所述操作力信号进行补偿处理。

所述将补偿处理后的所述控制信号转换为速度信号的步骤包括：

对所述补偿后的操作力信号进行变换，得到第一速度。

将所述第一速度投影到所述第一轴，得到第二速度。

所述根据所述速度信号控制所述机械臂运动，使所述机械臂带动所述末端适配器在所述第一定位点和所述第二定位点之间沿所述第一轴直线运动的步骤包括：

获取所述末端适配器的位置信息，并根据所述末端适配器的位置信息和所述第二速度对所述机械臂进行碰撞检测。

如果所述机械臂未发生碰撞，则控制所述末端适配器以所述第二速度在所述第一定位点和所述第二定位点之间运动。

在一个实施例中，所述控制信号还包括踩踏信号，在所述对所述操作力信号进行补偿处理步骤之前，所述手术机器人控制方法还包括：

判断所述操作力信号是否大于第一预设值，且所述踩踏信号为高电平，如果所述操作力信号大于所述第一预设值，且所述踩踏信号为高电平，则执行所述对所述操作力信号进行补偿处理的步骤。

在一个实施例中，在判断所述操作力信号是否大于第一预设值，且所述踩踏信号为高电平的步骤之前，所述手术机器人控制方法还包括：

判断所述末端适配器距离所述第二定位点的距离是否小于第二预设值，如果是，则

在判定所述操作力信号大于所述第一预设值，且所述踩踏信号为高电平时，判断所述操作力信号的作用方向，如果所述操作力信号的方向背离所述第二定位点，则执行获取所述末端适配器的操作力信号，对所述操作力进行补偿的步骤。

在一个实施例中，如果所述操作力信号的方向朝向所述第二定位点，则控制所述末端适配器移动至所述第二定位点。

在一个实施例中，所述控制信号包括作用在所述末端适配器的操作力信号，对所述控制信号进行补偿处理的步骤包括：

对所述操作力信号进行补偿处理。

所述采集控制信号，并对所述控制信号进行补偿处理的步骤之前，所述手术机器人控制方法还包括：

根据所述机械臂的规划路径，并得到机械臂需要移动的多组关节点信息。

根据所述多组关节点信息进行机械臂的碰撞检测。

所述根据所述关节点信号控制所述机械臂运动，使所述机械臂带动所述末端适配器在所述第一定位点和所述第二定位点之间沿所述第一轴直线运动的步骤包括：

获取所述末端适配器的位置信息和补偿处理后的操作力信号。

根据所述末端适配器的位置信息和所述补偿处理后的操作力信号得到所述操作力信号作用下的所述机械臂的需要移动的关节点信息。

控制所述机械臂根据需要移动的关节点信息移动，并带动所述末端适配器沿所述第一轴直线运动。

在一个实施例中，在获取所述末端适配器的位置信息和补偿处理后的操作力信号的步骤之后，所述手术机器人控制方法还包括：

计算所述末端适配器历经的关节点数。

判断所述末端适配器历经的关节点数是否小于所述末端适配器从所述第一定位点移动至所述第二定位点所需历经的关节点总数，若所述末端适配器历经的关节点数小于所述关节点总数，则执行根据所述末端适配器的位置信息和补偿处理后的操作力信号得到所述操作力信号作用下的所述机械臂的需要移动的关节点信息的步骤。

在一个实施例中，所述手术机器人控制方法还包括：

判断所述操作力信号是否大于第一预设值，且所述踩踏信号为高电平。若是，才执行所述根据所述末端适配器的位置信息和补偿处理后的操作力信号得到所述操作力信号作用下的所述机械臂的需要移动的关节点信息的步骤。

在一个实施例中，所述手术机器人控制方法还包括：

当所述机械臂的规划路径发生奇异性时，采集控制信号，并对所述控制信号进行补偿处理。

将补偿处理后的所述控制信号转换为速度信号。

根据所述速度信号控制所述机械臂运动，以使所述机械臂带动所述末端适配器在所述第一定位点和所述第二定位点之间沿所述第一轴直线运动。

当所述机械臂运动至奇异构型时，改变所述机械臂的关节点的速度方向，并限制所述机械臂关节点的速度大小。

当所述机械臂离开奇异构型后，对所述机械臂的位置和速度进行修正，以使所述末端适配器移动至所述第一轴。

一种计算机设备，包括存储器和处理器。所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述任意实施例所述的方法的步骤。

一种手术机器人系统，包括机械臂、信号传感装置、末端适配器和控制装置。所述信号传感装置固定于所述机械臂的末端。所述末端适配器固定安装于所述信号传感装置。所述末端适配器用于安装手术器具，并接收控制信号。所述控制装置包括存储器和处理器。所述存储器存储有计算机程序。所述处理器执行所述计算机程序时实现上述任意实施例所述的方法的步骤。

本申请实施例提供的所述手术机器人控制方法，包括获取机械臂末端固定的末端适配器在第一定位点的位置信息和第二定位点的位置信息，并根据所述第一定位点的位置信息和所述第二定位点的位置信息得到所述末端适配器沿第一轴从所述第一定位点到所述第二定位点运动时对应的所述机械臂的规划路径。所述第一轴顺次穿过所述第一定位点、所述第二定位点、入颅点和靶点。所述末端适配器用于夹持手术器件。判断所述机械臂的规划路径是否发生奇异性。如果所述机械臂的规划路径不发生奇异性，则采集控制信号，并对所述控制信号进行补偿处理。将补偿处理后的所述控制信号转换为速度信号。根据所述速度信号控制所述机械臂运动，使所述机械臂带动所述末端适配器在所述第一定位点和所述第二定位点之间沿所述第一轴直线运动。

所述手术机器人控制方法通过限制所述末端适配器在所述第一定位点和所述第二定位点之间沿所述第一轴直线运动，减少所述末端适配器运动过程中其他两个自由度的计算，减少了运算量，提高了机器人的工作效率性。

此外，所述控制方法通过规划路径的奇异性判断，在不发生奇异的情况下采用速度控制方法控制所述机械臂运动，可以改善所述机械臂移动的柔顺性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或传统技术中的技术方案，下面将对实施例或传统技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请一个实施例中提供的所述手术机器人控制方法的流程示意图；

图2为本申请一个实施例中提供的所述手术机器人系统的结构示意图；

图3为本申请另一个实施例中提供的所述手术机器人控制方法的流程示意图；

图4为本申请另一个实施例中提供的所述速度控制方法的流程示意图。

附图标号：

10、手术机器人系统；20、机械臂；30、信号传感装置；300、第一连接件；40、末端适配器；400、第二连接件；50、控制装置；101、第一定位点；102、第二定位点；103、入颅点；104、靶点；100、第一轴；110、光学监测装置；111、光学元件；112、检测器。

具体实施方式

为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本申请的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请。但是本申请能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似改进，因此本申请不受下面公开的具体实施的限制。

本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接(联接)。在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”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申请和简化描述，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申请的限制。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

现有技术中如采用立体定向框架则不能调节适配器件到靶点的距离，因为立体定向框架的弧弓部分半径是固定的，并不能灵活调节。采用手术机器人只能通过机械臂的重新定位来改变末端适配器件到计划靶点的距离。过程比较繁琐并且耗时，不够灵活。并且，现有技术中都是医生手持电钻进行颅骨钻孔，钻孔深度难以精确控制，容易造成不必要的皮层损伤。

请参见图1和图2，本申请实施例提供一种手术机器人控制方法，包括：

S100，获取机械臂末端固定的末端适配器40在第一定位点101的位姿信息和第二定位点102的位姿信息，并根据所述第一定位点101的位姿信息和所述第二定位点102的位姿信息得到所述末端适配器40沿第一轴100从所述第一定位点101到所述第二定位点102运动时对应的所述机械臂20的规划路径。所述第一轴100顺次穿过所述第一定位点101、所述第二定位点102、入颅点103和靶点104，所述末端适配器40用于夹持手术工具。

所述机械臂20包括多个构件。相邻的两个构件之间通过关节连接，以保证两个构件能够相对转动。所述机械臂20的一端固定于基座。所述机械臂20的另一端与所述末端适配器40固定连接。所述末端适配器40用于安装手术工具。所述手术工具包括手术刀、电钻或其他手术工具。

当所述机械臂20带动所述末端适配器40沿所述第一轴100从所述第一定位点101直线运动到所述第二定位点102的过程中，所述机械臂20变换不同的构形。不同构形中多个构件的相对位置不同。所述机械臂20的规划路径包括多个所述机械臂构形。

所述第二定位点102与所述入颅点103之间的距离为安全距离。当所述末端适配器40沿所述第一轴100移动时，所述末端适配器40并未夹持手术工具。所述手术工具为电钻时，所述电钻的钻头具有一定的长度。为了避免钻头在安装好后会触及头骨，因此设定安全距离。机械臂20带动所述末端适配器40到达所述第二定位点102后不能再靠近所述入颅点103运动。

在一个实施例中，在所述S100步骤之前，所述控制方法还包括：

S010，设置最大移动距离，所述最大移动距离的一个端点为所述第一定位点101，所述最大移动距离的另一端设置在所述第一定位点101和所述第二定位点102之间。所述机械臂20带动所述末端适配器40只能在最大移动距离对应的区间内移动。

在一个实施例中，如果未设置最大移动距离，则默认为当前所述末端适配器40所在的位置与所述第一定位点101之间的距离为最大移动距离。即所述末端适配器40只能沿所述第一轴100远离所述入颅点103移动。

设置所述最大移动距离是为了适应不同的手术工具的长度，保证操作的安全性。

S200，判断所述机械臂20的规划路径是否发生奇异性。即判断多个所述机械臂构形是否有发生奇异性。

在一个实施例中，所述机械臂20包括第一构件、第二构件和第三构件。所述第一构件与所述第二构件通过第一关节连接。所述第二构件与所述第三构件通过第二关节连接。在一个具有奇异性的所述机械臂构形中，所述第一构件在所述第一关节的速度与所述第三构件在所述第二关节的速度大小相等，方向相反。则所述第二构件两端的速度大小相同，方向相反。所述第二构件无法移动。这种情况下，所述机械臂构形发生奇异性。在用关节点的位移求导速度时，矩阵具有奇异性。如果所述机械臂构形发生奇异性，则无法准确控制关节点的速度。

S300，如果所述机械臂20的规划路径不发生奇异性，则采集控制信号，并对所述控制信号进行补偿处理。

受到信号采集装置设置的位置和中间器件的影响，需要对信号采集装置采集到的所述控制信号进行补偿处理，以消除环境因素或其他器件对所述控制信号的影响，提高所述末端适配器40控制的精度。

所述控制信号可以是人施加在所述机械臂20或所述末端适配器40上的力信号，也可以是外部控制装置50施加的电信号。

S400，将补偿处理后的所述控制信号转换为速度信号。所述S400为速度控制方法。

S500，根据所述速度信号控制所述机械臂20运动，使所述机械臂20带动所述末端适配器40在所述第一定位点101和所述第二定位点102之间沿所述第一轴100直线运动。

所述手术机器人控制方法使得机械臂20和所述末端适配器40只能沿所述第一轴100靠近所述靶点104方向移动或远离所述靶点104方向移动，不允许所述末端适配器40向其他方向移动。

当所述机械臂20带动所述末端适配器40靠近靶点104的方向移动时，所述手术机器人控制方法可以提高手术工具抵达入颅点103的定位准确度。当所述机械臂20带动所述末端适配器40远离靶点104的方向移动时，可以给手术工具安装于所述末端适配器40提供更大的操作空间。

所述机械臂20带动所述末端适配器40在所述第一定位点101和所述第二定位点102之间运动。当所述末端适配器40对颅骨钻孔时，不至钻入过深伤及皮层组织。

本申请实施例提供的所述手术机器人控制方法通过规划路径的奇异性判断，在不发生奇异的情况下采用速度控制方法控制所述机械臂20运动。所述速度控制方法使得所述机械臂20和所述末端适配器40的在速度信号的控制下，以相应的速度运动。相对于位置(关节点位置)控制方法，所述速度控制方法使得所述机械臂20和所述末端适配器40的运动更为顺滑。

在一个实施例中，所述S200步骤之后，所述手术机器人控制方法还包括：

S210，如果所述机械臂20的规划路径发生奇异性，则采集控制信号，并对所述控制信号进行补偿处理。

S220，将补偿处理后的所述控制信号转换为关节点信号。

S230，根据所述关节点信号控制所述机械臂20运动，使所述机械臂20带动所述末端适配器40在所述第一定位点101和所述第二定位点102之间沿所述第一轴100直线运动。

在所述机械臂20的规划路径发生奇异性时，存在所述机械臂构形发生奇异性的情况。这种情况下采用所述速度控制方法不便于控制关节速度，容易引发速度失控。因此，在所述机械臂20的规划路径发生奇异性时，采用位置控制方法控制所述机械臂20和所述末端适配器40的运动，提高了手术机器人的安全性。

在一个实施例中，在所述S220步骤之前，所述控制方法还包括：

进行实时碰撞检测。

在一个实施例中，所述控制信号包括作用在所述末端适配器40的操作力信号。所述S300步骤中对所述控制信号进行补偿处理的步骤包括：

对所述操作力信号进行补偿处理，以消除环境和其他器件的影响。

在一个实施例中，所述信号采集装置为信号传感装置20。所述信号传感装置20固定于所述机械臂20的末端。所述末端适配器40固定安装于所述信号传感装置20远离所述机械臂20的末端的一侧。所述末端适配器40与所述信号传感装置20之间通过第二连接件400连接。所述信号传感装置20与所述机械臂20的末端通过第一连接件300连接。

所述信号传感装置20、所述末端适配器40、所述第一连接件300和所述第二连接件400均具有重量。所述机械臂20的末端和所述末端适配器40的位姿发生变化时，重量会在所述第一轴100存在分量，影响了所述操作力信号的准确性。因此，需要对所述操作力信号进行补偿，以消除所述信号传感装置20、所述末端适配器40、所述第一连接件300和所述第二连接件400的重量对所述操作力信号的影响。

所述S400的步骤包括：

对所述补偿后的操作力信号进行变换，得到第一速度。

将所述第一速度投影到所述第一轴100，得到第二速度，以使所述末端适配器40以所述第二速度在所述第一轴100运动。

在一个实施例中，所述第一速度是在笛卡尔坐标系下的速度。所述第一速度包括三轴方向上的分量。所述第一轴100为笛卡尔坐标系下的Z轴。

所述S500的步骤包括：

S510，获取所述末端适配器40的位置信息，并根据所述末端适配器40的位置信息和所述第二速度对所述机械臂20进行碰撞检测。

S520，如果所述机械臂20未发生碰撞，则控制所述末端适配器40以所述第二速度在所述第一定位点101和所述第二定位点102之间运动。

S510和S520避免了所述机械臂20在带动所述末端适配器40运动的过程中与其他物体发生碰撞，提高所述手术机器人的安全性。

请一并参见图3，在一个实施例中，所述控制信号还包括踩踏信号，在所述对所述操作力信号进行补偿处理的步骤之前，所述手术机器人控制方法还包括：

S4011，判断所述操作力信号是否大于第一预设值，且所述踩踏信号为高电平，如果所述操作力信号大于所述第一预设值，且所述踩踏信号为高电平，则执行所述对所述操作力信号进行补偿处理的步骤。附图3中F表示所述操作力信号。

只有满足所述操作力信号大于所述第一预设值，且所述踩踏信号为高电平这两个条件时，才会执行对所述补偿后的操作力信号进行变换，得到第一速度的步骤，避免误输入信号引起的误操作。

在一个实施例中，在所述S4011步骤之前，所述手术机器人控制方法还包括：

S4010，判断所述末端适配器40距离所述第二定位点102的距离是否小于第二预设值，如果是，则在判定所述操作力信号大于所述第一预设值，且所述踩踏信号为高电平时，判断所述操作力信号的作用方向。如果所述操作力信号的方向背离所述第二定位点102，则执行获取所述末端适配器40的操作力信号，对所述操作力进行补偿的步骤。

所述末端适配器40在所述第一定位点101和所述第二定位点102之间移动，所述末端适配器40距离所述第二定位点102的距离大于所述第二预设值时，所述末端适配器40距离所述第二定位点102较远，此时采用速度控制方法可控性高，不具有危险性。

所述末端适配器40距离所述第二定位点102的距离小于所述第二预设值。所述操作力信号用于使所述末端适配器40远离所述第二定位点102移动时，所述末端适配器40距离所述第一定位点101较远，采用速度控制方法控制所述末端适配器40移动不具有危险性。附图3中S表示所述末端适配器40距离所述第二定位点102的距离。

在上一个实施例中，在所述末端适配器40距离所述第二定位点102的距离小于所述第二预设值，所述操作力信号大于所述第一预设值，且所述踩踏信号为高电平时，如果所述操作力信号的方向朝向所述第二定位点102，则控制所述末端适配器40移动至所述第二定位点102。

当所述末端适配器40距离所述第二定位点102的距离较近，采用速度控制方法不容易控制所述末端适配器40的位置时，采用位移控制方法直接控制所述末端适配器40移动至所述第二定位点102，提高安全性。

在一个实施例中，所述控制信号包括作用在所述末端适配器40的操作力信号，所述S210步骤中对所述控制信号进行补偿处理的步骤包括：

对所述操作力信号进行补偿处理。

所述S210中采集控制信号，并对所述控制信号进行补偿处理的步骤之前，所述机器人系统的控制方法还包括：

S211，根据所述机械臂20的规划路径得到所述机械臂20需要移动的多组关节点信息。

所述机械臂20的路径规划包括多个所述机械臂构形。每个所述机械臂构形对应一组所述关节点信息。多个所述机械臂构形对应多组所述关节点信息。

在一个实施例中，将所述第一轴100的所述第一定位点101和所述第二电位点之间的线段通过插值方法划分为关节空间中的所述末端适配器40移动的多个关节点。

所述末端适配器40移动的多个关节点信息与所述机械臂20的多组所述关节点信息一一对应。即所述末端适配器40每移动至一个关节点，所述机械臂20变化一个所述机械臂构形。

S212，根据多组所述关节点信息进行机械臂20的碰撞检测，避免所述机械臂20与其他物体发生碰撞。

所述S230的步骤包括：

获取所述末端适配器40的位置信息和所述关节点信号。

根据所述末端适配器40的位置信息和所述关节点信号得到所述操作力信号作用下的所述机械臂20的需要移动的关节点信息。

控制所述机械臂20根据需要移动的关节点信息移动，并带动所述末端适配器40沿所述第一轴100直线运动。

通过所述末端适配器40的位置信息，可获得所述机械臂构形及所述机械臂构形对应的关节点信息。再通过当前所述机械臂构形对应的关节点信息和所述补偿处理后的操作力信号可以计算出机械臂20在操作力信号作用下需要变化的所述机械臂构形以及所述机械臂构形对应的关节点信息。通过对关节点信息的求解和采用关节点位置的方法控制所述末端适配器40移动，所述末端适配器40的移动位置更为精确。

在一个实施例中，在所述控制所述机械臂20根据需要移动的关节点信息移动，并带动所述末端适配器40沿所述第一轴100直线运动的步骤之后，所述手术机器人控制方法还包括：

计算所述末端适配器40历经的关节点数。所述末端适配器40历经的关节点数与所述末端适配器40所在的位置对应。

计算所述末端适配器40历经的关节点数即为获取所述末端适配器40当前的位置信息。

在附图3中i表示所述末端适配器40历经的关节点数。n为所述关节点总数。

判断所述末端适配器40历经的关节点数是否小于所述末端适配器40从所述第一定位点101移动至所述第二定位点102所需历经的关节点总数，若所述末端适配器40历经的关节点数小于所述关节点总数，则返回对所述操作力信号进行补偿处理的步骤。

所述末端适配器40历经的关节点数小于所述关节点总数，即所述末端适配器40不在所述第二定位点102。

在上一个实施例中，所述手术机器人控制方法还包括：

判断所述操作力信号是否大于第一预设值，且所述踩踏信号为高电平。若是，才返回所述控制所述机械臂20根据需要移动的关节点信息移动，并带动所述末端适配器40沿所述第一轴100直线运动的步骤。

所述手术机器人控制方法通过判断所述操作力信号和所述踩踏信号是否同时达到预设条件的步骤避免了信号无输入和误操作。

在一个实施例中，所述信号传感装置20通过所述第二连接件400与所述末端适配器40连接。所述信号传感装置20通过所述第一连接件300与所述机械臂20末端连接。所述末端适配器40用于与手术工具连接。

在S300采集控制信号的步骤之后，所述手术机器人控制方法还包括：

对所述控制信号进行滤波处理，以消除噪声影响。

采集所述信号传感装置20、所述末端适配器40、所述第一连接件300和所述第二连接件400的质量和质心。

对所述控制信号进行补偿处理的步骤包括：

根据所述信号传感装置20、所述末端适配器40、所述第一连接件300和所述第二连接件400的质量和质心对所述控制信号进行补偿处理。

由于机械臂20末端在不同姿态下，手术工具、所述第一连接件300和所述第二连接件400对末端适配器40产生的影响不相同，故需要在不同的姿态下对所述控制信号进行实时补偿，以便能够更加精确的测量所述操作力的大小。

在补偿过程后，需要将信号传感装置20坐标下的力矢量通过转换矩阵转换为末端适配器40坐标下的力矢量。

在一个实施例中，在所述S500步骤之后，所述手术机器人控制方法还包括：

S600，如果所述末端适配器40距离所述第一轴100的距离大于第三预设值，则控制所述末端适配器40移动至所述第一轴100，以保证所述末端适配器40沿所述第一轴100运动。

在一个实施例中，控制所述末端适配器40垂直于所述第一轴100移动至所述第一轴100，以保证所述末端适配器40移动至所述第一轴100的距离最短。

在速度模式下，加入所述S600步骤能够确保末端工具的位置始终在规划路径上，移动方向始终在规划的方向上。

失去外部力时，机械臂停止运动，所述S600步骤能够使所述末端适配器始终在所述第一轴100上，即所述末端适配器始终在规划路径上，这样能够保证手术精准性(位置和方向)。

在一个实施例中，如果施加在所述末端适配器40上的力为0，则锁定所述末端适配器，以保证手术的安全性。

所述位置控制方法同样适用于所述机械臂20的规划路径不发生奇异性的情况。

在一个实施例中，所述手术机器人控制方法还包括：

接收结束信号，结束控制。

在一个实施例中，所述手术机器人控制方法还包括：

通过协作或自动的方式控制所述末端适配器40移动至所述第一定位点101。

请一并参见图4，在一个实施例中，当所述机械臂20的规划路径发生奇异性时，采用速度控制方法使所述机械臂20带动所述末端适配器40在所述第一定位点101和所述第二定位点102之间沿所述第一轴100直线运动的步骤包括：

采集控制信号，并对所述控制信号进行补偿处理。

执行S400步骤，以使所述机械臂20带动所述末端适配器40在所述第一定位点101和所述第二定位点102之间沿所述第一轴100直线运动。

当所述机械臂20运动至奇异构型时，改变所述机械臂20关节点的速度方向，并限制所述机械臂20关节点的速度大小。

当所述机械臂20离开奇异构型后，对所述机械臂20的位置和速度进行修正，以使所述末端适配器40移动至所述第一轴100。

在一个实施例中，通过求解雅克比的伪逆矩阵的方法，来改变所述机械臂20关节点的所述第二速度的方向，并限制所述机械臂20关节点的速度。

在一个实施例中，在执行S400步骤后，还要执行S500步骤。

本申请实施例提供一种计算机设备，包括存储器和处理器。所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述任意实施例所述的方法的步骤。本申请实施例提供的所述计算机设备通过限制所述末端适配器40在所述第一定位点101和所述第二定位点102之间沿所述第一轴100直线运动，减少所述末端适配器40运动过程中其他两个自由度的计算，减少了运算量，提高了机器人的工作效率性。

此外，所述计算机设备通过规划路径的奇异性判断，在不发生奇异的情况下采用速度控制方法控制所述机械臂20运动。所述速度控制方法使得所述机械臂20和所述末端适配器40的在速度信号的控制下，以相应的速度运动。相对于位置控制方法，所述计算机设备采用所述速度控制方法使得所述机械臂20和所述末端适配器40的运动更为顺滑。

本申请实施例提供一种手术机器人系统100，包括机械臂20、信号传感装置20、末端适配器40和控制装置50。所述信号传感装置20固定于所述机械臂20的末端。所述末端适配器40固定安装于所述信号传感装置20。所述末端适配器40用于安装手术工具，并接收控制信号。所述控制装置50包括存储器和处理器。所述存储器存储有计算机程序。所述处理器执行所述计算机程序时实现上述任意实施例所述的方法的步骤。

所述手术机器人系统100通过限制所述末端适配器40在所述第一定位点101和所述第二定位点102之间沿所述第一轴100直线运动，减少所述末端适配器40运动过程中其他两个自由度的计算，减少了运算量，提高了机器人的工作效率性。

此外，所述手术机器人系统100通过规划路径的奇异性判断，在不发生奇异的情况下采用速度控制方法控制所述机械臂20运动。所述速度控制方法使得所述机械臂20和所述末端适配器40的在速度信号的控制下，以相应的速度运动。相对于位置控制方法，所述手术机器人系统100采用所述速度控制方法使得所述机械臂20和所述末端适配器40的运动更为顺滑。

在一个实施例中，所述手术机器人系统100还包括第一连接件300和第二连接件400。所述第一连接件300连接于所述信号传感装置20和所述末端适配器40之间，方便所述末端适配器40的拆卸和更换。所述第二连接件400连接于所述末端适配器40与所述机械臂20的末端，方便所述信号传感装置20的拆卸和更换。

在一个实施例中，所述手术机器人系统100还包括光学监测装置110。所述光学监测装置110包括光学元件111和检测器112。所述光学元件111设置于所述末端适配器40，所述光学元件111用于产生光信号。所述检测器112与所述检测器112电连接。所述检测器112用于接收所述光信号，并通过所述光信号检测所述末端适配器40的位置信息，再将所述位置信息输出给所述控制装置50。

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。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。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)

1.一种手术机器人控制方法，其特征在于，包括：

获取机械臂末端固定的末端适配器在第一定位点的位置信息和第二定位点的位置信息，并根据第一定位点的位置信息和第二定位点的位置信息得到所述末端适配器沿第一轴从所述第一定位点到所述第二定位点运动时对应的所述机械臂的规划路径，所述第一轴顺次穿过所述第一定位点、所述第二定位点、入颅点和靶点，所述末端适配器用于夹持手术器件；

判断所述机械臂的规划路径是否发生奇异性；

如果所述机械臂的规划路径不发生奇异性，则采集控制信号，并对所述控制信号进行补偿处理；

将补偿处理后的所述控制信号转换为速度信号；

根据所述速度信号控制所述机械臂运动，使所述机械臂带动所述末端适配器在所述第一定位点和所述第二定位点之间沿所述第一轴直线运动。

2.如权利要求1所述的手术机器人控制方法，其特征在于，判断所述机械臂的规划路径是否发生奇异性的步骤之后，还包括：

如果所述机械臂的规划路径发生奇异性，则：

采集控制信号，并对所述控制信号进行补偿处理；

将补偿处理后的所述控制信号转换为关节点信号；

根据所述关节点信号控制所述机械臂运动，使所述机械臂带动所述末端适配器在所述第一定位点和所述第二定位点之间沿所述第一轴直线运动。

3.如权利要求1所述的手术机器人控制方法，其特征在于，所述控制信号包括作用在所述末端适配器的操作力信号，对所述控制信号进行补偿处理的步骤包括：

对所述操作力信号进行补偿处理；

所述将补偿处理后的所述控制信号转换为速度信号的步骤包括：

对所述补偿后的操作力信号进行变换，得到第一速度；

将所述第一速度投影到所述第一轴，得到第二速度；

所述根据所述速度信号控制所述机械臂运动，使所述机械臂带动所述末端适配器在所述第一定位点和所述第二定位点之间沿所述第一轴直线运动的步骤包括：

获取所述末端适配器的位置信息，并根据所述末端适配器的位置信息和所述第二速度对所述机械臂进行碰撞检测；

如果所述机械臂未发生碰撞，则控制所述末端适配器以所述第二速度在所述第一定位点和所述第二定位点之间运动。

4.如权利要求3所述的手术机器人控制方法，其特征在于，所述控制信号还包括踩踏信号，在所述对所述操作力信号进行补偿处理的步骤之前，所述手术机器人控制方法还包括：

判断所述操作力信号是否大于第一预设值，且所述踩踏信号是否为高电平，如果所述操作力信号大于所述第一预设值，且所述踩踏信号为高电平，则执行所述对所述操作力信号进行补偿处理的步骤。

5.如权利要求4所述的手术机器人控制方法，其特征在于，在判断所述操作力信号是否大于第一预设值，且所述踩踏信号是否为高电平的步骤之前，所述手术机器人控制方法还包括：

判断所述末端适配器距离所述第二定位点的距离是否小于第二预设值，若是，则

在判定所述操作力信号大于所述第一预设值，且所述踩踏信号为高电平时，判断所述操作力信号的作用方向，如果所述操作力信号的方向背离所述第二定位点，则执行获取所述末端适配器的操作力信号，对所述操作力进行补偿的步骤。

6.如权利要求5所述的手术机器人控制方法，其特征在于，如果所述操作力信号的方向朝向所述第二定位点，则控制所述末端适配器移动至所述第二定位点。

7.如权利要求2所述的手术机器人控制方法，其特征在于，所述控制信号包括作用在所述末端适配器的操作力信号，对所述控制信号进行补偿处理的步骤包括：

对所述操作力信号进行补偿处理；

所述采集控制信号，并对所述控制信号进行补偿处理的步骤之前，所述手术机器人控制方法还包括：

根据所述机械臂的规划路径得到机械臂需要移动的多组关节点信息；

根据多组所述关节点信息进行机械臂的碰撞检测；

所述根据所述关节点信号控制所述机械臂运动，使所述机械臂带动所述末端适配器在所述第一定位点和所述第二定位点之间沿所述第一轴直线运动的步骤包括：

获取所述末端适配器的位置信息和补偿处理后的操作力信号；

根据所述末端适配器的位置信息和所述补偿处理后的操作力信号得到所述操作力信号作用下的所述机械臂的需要移动的关节点信息；

控制所述机械臂根据需要移动的关节点信息移动，并带动所述末端适配器在所述第一定位点和所述第二定位点之间沿所述第一轴直线运动。

8.如权利要求7所述的手术机器人控制方法，其特征在于，在获取所述末端适配器的位置信息和补偿处理后的操作力信号的步骤之后，所述手术机器人控制方法还包括：

计算所述末端适配器历经的关节点数；

判断所述末端适配器历经的关节点数是否小于所述末端适配器从所述第一定位点移动至所述第二定位点所需历经的关节点总数，若所述末端适配器历经的关节点数小于所述关节点总数，则返回根据所述末端适配器的位置信息和补偿处理后的操作力信号得到所述操作力信号作用下的所述机械臂的需要移动的关节点信息的步骤。

9.如权利要求8所述的手术机器人控制方法，其特征在于，所述控制信号还包括踩踏信号，所述手术机器人控制方法还包括：

判断所述操作力信号是否大于第一预设值，且所述踩踏信号为高电平；若是，才执行所述根据所述末端适配器的位置信息和补偿处理后的操作力信号得到所述操作力信号作用下的所述机械臂的需要移动的关节点信息的步骤。

10.如权利要求1所述的手术机器人控制方法，其特征在于，当所述机械臂的规划路径发生奇异性时，采集控制信号，并对所述控制信号进行补偿处理；

将补偿处理后的所述控制信号转换为速度信号；

根据所述速度信号控制所述机械臂运动，以使所述机械臂带动所述末端适配器在所述第一定位点和所述第二定位点之间沿所述第一轴直线运动；

当所述机械臂运动至奇异构型时，改变所述机械臂的关节点的速度方向，并限制所述机械臂关节点的速度大小；

当所述机械臂离开奇异构型后，对所述机械臂的位置和速度进行修正，以使所述末端适配器移动至所述第一轴。

11.一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，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10中任一项所述的方法的步骤。

12.一种手术机器人系统，其特征在于，包括：

机械臂；

信号传感装置，固定于所述机械臂的末端；

末端适配器，固定安装于所述信号传感装置，所述末端适配器用于安装手术工具，并接收控制信号；

控制装置，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至10中任一项所述的方法的步骤。

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