CN113081290B - 手术机器人的控制方法、控制器、系统、电子设备与介质 - Google Patents

手术机器人的控制方法、控制器、系统、电子设备与介质 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种手术机器人的控制方法、控制器、系统、电子设备与介质，所述手术机器人的主操作手包括静平台、动平台、主动杆、连接臂与电机；所述控制方法，包括：获取所述手术机器手当前位置信息；所述当前位置信息表征了所述连接臂中多个部位的当前位置；根据所述当前位置信息，确定目标受力信息，所述目标受力信息表征了所述主动杆与所述静平台连接处的作用力大小与方向；根据所述目标受力信息，确定当前的转矩信息，所述转矩信息描述了所述电机所需产生的输出力矩；根据所述当前的转矩信息，控制所述电机。

Description

手术机器人的控制方法、控制器、系统、电子设备与介质
技术领域
本发明涉及医疗器械领域，尤其涉及一种手术机器人的控制方法、控制器、系统、电子设备与介质。
背景技术
近年来，随着微创外科手术机器人手术技术的发展，主从遥操作手术机器人在医疗领域的优势日益凸显。主操作手作为系统中的力觉交互设备是人机交互的载体。
手术机器人的机构中，可包含平台、传动杆等构件，机构自身(例如杆件、平台)的重力是影响其力反馈准确性和操作舒适性的主要因素，现有相关技术中，可采用改变配重、配置弹簧、滑轮等方式实现重力补偿，然而，该些机械方式大多补偿精度不高，且难以普遍适用于各种位姿下的重力补偿。
发明内容
本发明提供一种手术机器人的控制方法、控制器、系统、电子设备与介质，以解决补偿精度不高，且难以普遍适用于各种位姿下的重力补偿的问题。
根据本发明的第一方面，提供了一种手术机器人的控制方法，
所述手术机器人的主操作手包括静平台、动平台、主动杆、连接臂与电机；所述主动杆转动连接所述静平台，所述主动杆还转动连接所述连接臂，所述连接臂还转动连接所述动平台；所述电机连接于所述主动杆与所述静平台的连接处，以驱动所述主动杆与所述静平台的相对转动；
所述控制方法，包括：
获取所述手术机器手当前位置信息；所述当前位置信息表征了所述连接臂中多个部位的当前位置；
根据所述当前位置信息，确定目标受力信息，所述目标受力信息表征了所述主动杆与所述静平台连接处的作用力大小与方向；
根据所述目标受力信息，确定当前的转矩信息，所述转矩信息描述了所述电机所需产生的输出力矩；
根据所述当前的转矩信息，控制所述电机。
以上方案中，基于手术机器手的位置信息，可适应性调整主动杆与静平台关节处的电机的输出转矩，从而保障输出转矩能准确匹配于手术机器手机械臂与主动杆的实际位置，保障反馈的真实性，该过程中，可以无需引入弹簧、滑轮等机械构件，实现方式简单，补偿精度高，且能够普遍适用于各种位姿下的补偿。
可选的，根据所述当前的位置信息，确定目标受力信息，包括：
根据所述当前的位置信息、所述动平台的重力与所述连接臂的重力信息，确定所述目标受力信息。
以上可选方案中，所确定的目标受力信息可充分考虑动平台、连接臂的重力信息，进而，可有助于以力学分析结果为依据确定静平台与主动杆之间的受力及其对应转矩，保障其准确性。
可选的，根据所述当前位置信息、所述动平台的重力与所述连接臂的重力信息，确定所述目标受力信息，具体包括：
根据所述动平台的重力，以及所述动平台所受的外力，确定第一受力信息；所述第一受力信息匹配于所述动平台的重力与外力作用对所述目标受力信息的影响；
根据所述连接臂的重力信息，以及所述当前位置信息，确定第二受力信息；所述第二受力信息匹配于所述连接臂的重力作用对所述目标受力信息的影响；
根据所述第一受力信息与所述第二受力信息，确定所述目标受力信息。
以上可选方案中，可针对于不同的受力分析依据与对象，具体考虑：在位姿、连接关系的约束下，动平台重力、外力作用对目标受力信息的影响，以及连接臂的重力作用对目标受力信息的影响，进而，可保障静平台与主动杆之间的受力及其对应转矩的准确性。
可选的，根据所述动平台的重力信息，以及所述动平台所受的外力，确定第一受力信息，具体包括：
根据所述动平台受力平衡时的力平衡方程、所述动平台的重力，以及所述外力，确定动平台支反力信息；所述动平台支反力信息表征了所述动平台受力平衡时接受到的源自所述连接臂的支反力；
根据所述动平台支反力信息，确定所述第一受力信息。
可选的，根据所述连接臂的重力信息，以及所述当前位置信息，确定第二受力信息，具体包括：
根据所述连接臂的受力平衡信息、所述连接臂的施力平衡信息、所述连接臂的重力信息，以及所述当前位置信息，确定所述第二受力信息；
所述受力平衡信息包括：对应连接臂受力平衡时的力平衡方程，以及：对应连接臂所受力矩平衡时的力矩平衡方程；
所述施力平衡信息包括：各连接臂施加于所述动平台的作用力平衡时的力平衡方程，以及：各连接臂施加于动平台的力矩平衡时的力矩平衡方程。
以上各可选方案中，以力平衡方程与力矩平衡方程为依据，可准确反映出稳定、平衡的状态下的力与力矩的需求，保证最终确定的目标受力信息与所需产生的力矩信息能够准确匹配连接臂、主动杆、动平台的受力情况，进而，该机械手能实现任意位姿的静平衡，提高了操作性能，保证了手术的安全性。
可选的，所述连接臂包括第一被动杆与第二被动杆，所述第一被动杆的第一端与所述第二被动杆的第一端直接或间接转动连接所述动平台，所述第一被动杆的第二端与所述第二被动杆的第二端直接或间接转动连接所述静平台，所述第一被动杆与所述第二被动杆之间的相对位置固定。
可选的，所述连接臂的重力信息包括：表征所述第一被动杆重力的信息，以及表征所述第二被动杆重力的信息；
所述受力平衡信息中的力平衡方程包括：
所述第一被动杆受力平衡时的力平衡方程，以及：所述第二被动杆受力平衡时的力平衡方程；
所述受力平衡信息中的力矩平衡方程包括：
所述第一被动杆所受力矩平衡时的力矩平衡方程，以及：所述第二被动杆所受力矩平衡时的力矩平衡方程。
可选的，所述施力平衡信息中的力平衡方程包括：
各第一被动杆、第二被动杆施加于所述动平台的作用力平衡时的力平衡方程，以及：各第一被动杆、第二被动杆施加于所述动平台的力矩平衡时的力矩平衡方程。
以上方案中，可针对于具有两个被动杆、两个连接杆的连接臂细化各种力矩平衡方程与力平衡方程，进而可有助于基于更细化的受力分析结果，保障最终确定的目标受力信息与所需产生的转矩信息更匹配地满足需求。
可选的，所述连接臂、所述主动杆的数量均为三个；三个连接臂与所述动平台的连接处呈等边三角形分布，三个主动杆与所述静平台的连接处呈等边三角形分布。
可选的，所述当前位置信息包括：
第一当前位置信息，表征了所述第一被动杆两端的位置；
第二当前位置信息，表征了所述第二被动杆两端的位置。
根据本发明的第二方面，提供了一种手术机器人的控制器，
所述手术机器人的主操作手包括静平台、动平台、主动杆、连接臂与电机；所述主动杆转动连接所述静平台，所述主动杆还转动连接所述连接臂，所述连接臂还转动连接所述动平台；所述电机连接于所述主动杆与所述静平台的连接处，以驱动所述主动杆与所述静平台的相对转动；
所述控制器，包括：
获取模块，用于获取所述手术机器手当前位置信息；所述当前位置信息表征了所述连接臂中多个部位的当前位置；
目标受力确定模块，用于根据所述当前位置信息，确定目标受力信息，所述目标受力信息表征了所述主动杆与所述静平台连接处的作用力大小与方向；
转矩确定模块，用于根据所述目标受力信息，确定当前的转矩信息，所述转矩信息描述了所述电机所需产生的输出力矩；
电机控制模块，用于根据所述当前的转矩信息，控制所述电机。
根据本发明的第三方面，提供了一种手术机器人系统，包括：手术机器人与控制装置，所述手术机器人的主操作手包括静平台、动平台、主动杆、连接臂与电机；
所述电机被配置为能够直接或间接被所述控制装置控制；
所述手术机器人的主操作手包括静平台、动平台、主动杆、连接臂与电机；所述主动杆转动连接所述静平台，所述主动杆还转动连接所述连接臂，所述连接臂还转动连接所述动平台；所述电机连接于所述主动杆与所述静平台的连接处，以驱动所述主动杆与所述静平台的相对转动；
所述控制装置用于执行第一方面及其可选方案涉及的控制方法。
根据本发明的第四方面，提供了一种电子设备，包括处理器与存储器，
所述存储器，用于存储代码；
所述处理器，用于执行所述存储器中的代码用以实现第一方面及其可选方案涉及的控制方法。
根据本发明的第五方面，提供了一种存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现第一方面及其可选方案涉及的控制方法。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有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发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明一实施例中手术机器人的构造原理示意图一；
图2是本发明一实施例中手术机器人的控制方法的流程示意图；
图3是本发明一实施例中手术机器人的构造原理示意图二；
图4是本发明一实施例中步骤S22的流程示意图；
图5是本发明一实施例中步骤S221的流程示意图；
图6是本发明一实施例中步骤S222的流程示意图；
图7是本发明一实施例中一种通用受力分析示意图；
图8是本发明一实施例中手术机器人的控制器的程序模块示意图；
图9是本发明一实施例中电子设备的构造示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
下面以具体地实施例对本发明的技术方案进行详细说明。下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例不再赘述。
请参考图1，所述手术机器人的主操作手包括静平台101、动平台102、主动杆104、连接臂103、电机105。
所述主动杆103转动连接所述静平台101，所述主动杆103还转动连接所述连接臂103，所述连接臂103还转动连接所述动平台102。
其中的转动连接，可理解为：主动杆可绕垂直于该主动杆的一个轴心相对于静平台转动，主动杆可绕垂直于该主动杆，以及其所连接被动杆的一个轴心相对于被动杆旋转，被动杆可绕垂直于该被动杆的一个轴心相对于动平台旋转。
所述电机105连接于所述主动杆104与所述静平台101的连接处，以驱动所述主动杆104与所述静平台101的相对转动，例如，主动杆104的一端(或静平台101)可设有转轴部，转轴部转动连接静平台101(或主动杆105)的轴孔部，该转轴部或轴孔部可直接或间接与电机105传动连接，进而在电机的传动下发生转动。在图1及其他附图中，为直接体现电机的作用，将电机105绘制于主动杆104与静平台101的连接处，并不表示其必然直接装于此，也可能是通过其他方式传动至该位置的。
在电机105发生相对转动时，可带动主动杆104与连接臂103之间的关节也发生相对转动(即主动杆104与连接臂103发生相对转动)，进而再带动连接臂103与动平台103之间的关节发生相对转动(即连接臂103与动平台103发生相对转动)。
在图1的举例中，主动杆104、连接臂103的数量均可以为三个，其他举例中，其数量也不限于此。
在图1的举例中，平台(动平台与静平台)被示意为三角形，然而，其形状可以是任意规则或不规则图形，在图示的连接位置中，主动杆104可连接于静平台101的边缘处、连接臂103连接于动平台102的边缘，然而，其实际连接位置可以是任意的。
其中一种实施方式中，请参考图1，所述连接臂103包括第一被动杆1031与第二被动杆1032，所述第一被动杆1031的第一端与所述第二被动杆1032的第一端直接或间接转动连接所述动平台102，所述第一被动杆1031的第二端与所述第二被动杆1032的第二端直接或间接转动连接所述静平台102，所述第一被动杆1031与所述第二被动杆1032的相对位置固定(具体指同一连接臂中的第一被动杆与第二被动杆的相对位置固定)。
进一步的，动平台102可通过第一连接件106转动连接第一被动杆1031与第二被动杆1032的第一端，主动杆104可通过第二连接件107转动连接第一被动杆1031与第二被动杆1032的第二端。
第一连接件106连接动平台102(也可视作动平台102的一部分)，第一被动杆1031与第二被动杆1032的第一端连接第一连接件106，进而，第一被动杆1031与第二被动杆1032相对于动平台102的转动可以是绕第一连接件106轴心的；
第二连接件107连接主动杆104(也可视作主动杆104的一部分)第一被动杆1031与第二被动杆1032的第二端连接第二连接件107，进而，第一被动杆1031与第二被动杆1032相对于主动杆104的转动可以是绕第二连接件107轴心的。
其中，第一被动杆1031与第二被动杆1032可以是平行的，第一连接件106与第二连接件107可以是平行的。其中的连接件也可理解为转轴部。
此外，其他举例中，被动杆的形状也可以并非呈直线型的。其他实施方式中，连接臂也可以仅包括一个被动杆，进而，该被动杆两端分别转动连接主动杆与动平台。
一种举例中，所述连接臂、所述主动杆的数量均为三个；三个连接臂与所述动平台的连接处呈等边三角形分布，三个主动杆与所述静平台的连接处呈等边三角形分布。
请参考图2，所述控制方法，包括：
S21：获取所述手术机器手当前位置信息；
S22：根据所述当前位置信息，确定目标受力信息，
S23：根据所述目标受力信息，确定当前的转矩信息；
S24：根据所述当前的转矩信息，控制所述电机。
步骤S21中的当前位置信息，表征了所述连接臂中多个部位的当前位置；其中的多个部位可理解为至少两个部位，当前位置信息可例如为某坐标系下对应部位的坐标，其可通过相应传感器测得，也可通过采集到的其他信息(例如电机的驱动角、动平台的位置和/或姿态)进行换算，在已知了各部件尺寸的情况下，可基于几何原理进行推导。
一种举例中，所述当前位置信息包括：
第一当前位置信息，表征了所述第一被动杆两端的位置；
第二当前位置信息，表征了所述第二被动杆两端的位置。
步骤S22中的目标受力信息，表征了所述主动杆与所述静平台连接处的作用力大小与方向；该作用力可理解转动连接下互相之间支反的作用力。
转矩信息，也可描述为转动力矩信息，其可表征出电机所需产生的输出力矩。
以上方案中，基于手术机器手中的位置信息，可适应性调整主动杆与静平台关节处的电机的输出转矩，从而保障输出转矩能准确匹配于手术机器手机械臂与主动杆的实际位置，保障反馈的真实性，该过程中，可以无需引入弹簧、滑轮等机械构件，实现方式简单，补偿精度高，且能够普遍适用于各种位姿下的补偿。
其中一种实施方式中，步骤S22可以包括：根据所述当前的位置信息、所述动平台的重力与所述连接臂的重力信息，确定所述目标受力信息。
其中动平台的重力，可理解为动平台自身的重力，也可包含动平台上部分其他部件的重力。对应的，在执行步骤S22时，还需进一步考虑动平台的重心位置。
连接臂的重力信息，可以是对连接臂自身的重力进行表征的信息，也可以是对连接臂中部分构造的重力进行表征的信息。对应的，在执行步骤S22时，还需进一步考虑连接臂或连接臂中构造的重心位置。
以上可选方案中，所确定的目标受力信息可充分考虑动平台、连接臂的重力信息，进而，可有助于以力学分析结果为依据确定静平台与主动杆之间的受力及其对应转矩。
进一步可选方案中，请参考图4，步骤S22具体可以包括：
S221：根据所述动平台的重力，以及所述动平台所受的外力，确定第一受力信息；
S222：根据所述连接臂的重力信息，以及所述当前位置信息，确定第二受力信息；所述第二受力信息匹配于所述连接臂的重力作用对所述目标受力信息的影响；
S223：根据所述第一受力信息与所述第二受力信息，确定所述目标受力信息。
步骤S221中的第一受力信息，可理解为匹配于所述动平台的重力与外力作用对所述目标受力信息的影响；具体可理解为：在部件连接关系的约束下，所述动平台的重力与外力作用对所述目标受力信息的影响，部分举例中，该影响也可进一步约束于连接臂的位姿(当前位置信息可体现出来)。进而，第一受力信息即表征了静平台与主动杆之间作用力的一部分。此外，第一受力信息考虑了动平台的重力与外力，可见，其受力分析的对象是基于动平台的。
步骤S222中的第二受力信息，可理解为匹配于所述连接臂的重力作用(具体可细化为连接臂中被动杆的重力作用)对所述目标受力信息的影响；具体可理解为：在部件连接关系、连接臂的位姿(当前位置信息可体现出来)的约束下，连接臂的重力作用(具体可细化为连接臂中被动杆的重力作用)对所述目标受力信息的影响。此外，第二受力信息考虑了连接臂的重力，可见，其受力分析的对象是基于连接臂的。
所以，以上可选方案中，可针对于不同的受力分析依据与对象，具体考虑：在位姿、连接关系的约束下，动平台重力、外力作用对目标受力信息的影响，以及连接臂的重力作用对目标受力信息的影响，进而，可保障静平台与主动杆之间的受力及其对应转矩的准确性。
为便于结合图3对以上步骤S221至步骤S223的具体实现过程进行阐述，以下先对图3中所标识的内容进行一定说明：
静平台中用于连接主动杆的节点分别可表征为：节点pj1、节点pj2与节点pj3；也可理解为：节点pj1、节点pj2、节点pj3这三个连接处可实现主动杆与静平台间的相对转动，并被对应的电机驱动发生相对转动。
被动杆的第二端的节点可分别表征为：节点p1，节点p2，节点p3，节点p4，节点p5，节点p6；
被动杆的第一端的节点可分别表征为：节点pd1，节点pd2，节点pd3，节点pd4，节点pd5，节点pd6；
主动杆也可描述为：Linka杆，进而则有：la1杆，la2杆，la3杆；
被动杆也可描述为：Linkb杆，进而则有：lb1杆，lb2杆，lb3杆，lb4杆，lb5杆，lb6杆；
动平台所受重力可表征为：g1；
被动杆(即Linkb杆)的重力可表征为：g2；
主动杆(即Linka杆)的重力可表征为：g3；
动平台的外力可表征为：F；
角标i，j：值为1，2，3或1，2，3，4，5，6；
重力方向向量：ng；
被动杆(即Linkbi杆)方向向量：ni，默认由下到上；
静平台坐标：(xji,yji,zji),i＝1,2,3；
主动杆(即Linkai杆)上端坐标：(xai,yai,zai)；
主动杆(即Linkai杆)方向向量：
(xnai,ynai,znai)＝(xai,yai,zai)-(xji,yji,zji),i＝1,2,3。
根据实际情况，可以知道以下参数：
(1)所有杆件的各点坐标，例如主动杆的各点的坐标，被动杆的各点的坐标，其可理解为包括前文所涉及的当前位置信息。
(2)所有部件的重力，例如被动杆的重力、动平台的重力，还可例如包括主动杆的重力。
(3)所有部件的重心位置；例如动平台的重心位置、被动杆的重心位置，还可例如包括主动杆的重心位置、静平台的重心位置。
此外，本发明实施例的部分举例中，可基于以下假设实现：
(1)三个linka杆(即各主动杆)的物理性质相同，六个linkb杆(即各被动杆)物理性质相同；
(2)所有跟随动平台运动的部件均纳入动平台，所纳入的部件可例如：固定杆、轴承、销钉等，不包括linkb杆；进而，动平台的重力可纳入该些部件；
(3)所有跟随linka(即主动杆)一同运动的部件均纳入linka(即主动杆)，所纳入的部件可例如：轴承、销钉、螺栓、限位器等，不包括linkb杆；进而，主动杆的重力可纳入该些部件。
本发明实施例具体举例中的受力分析可参照以下基本原理展开，得到对应的力平衡方程与力矩平衡方程：
基本原理1、根据基本力学原理，当结构件受到多个力和力矩作用时，结构件内力可等效于求解每个作用力或力矩单独作用于结构时，结构件内力之和。
基本原理2、当某构件受到两个力而达到平衡的构件称为二力构件。
具体的受力分析可例如：
假设重力方向为空间矢量ng＝[a,b,c]，则各部件的重力矢量为：
Figure BDA0003022293920000111
(1)动平台受自身重力
Figure BDA0003022293920000112
外力F，三个方向6根linkb杆的支反力，
(2)Linkb杆(即被动杆)受自身重力
Figure BDA0003022293920000113
动平台支反力，linka杆支反力，
(3)Linka杆(即主动杆)受自身重力
Figure BDA0003022293920000114
linkb杆支反力，电机支持力和扭矩，
(4)电机扭矩M＝linka杆自重对电机轴取矩①+linka杆在pi点处支反力对电机轴取矩②。
①可由已知条件求得。
②由受力结构决定，需求解。
由此，电机力矩的计算过程为：计算linka杆在pi点处支反力(可理解为目标受力信息)，再对电机求解力矩，得到当前的转矩信息。
在此基础上可见，对于linka杆在pi点处支反力，仅和动平台与linkb杆有关。
根据基本原理1，可将动平台与linkb杆受力情况拆分如下：
动平台受重力g1及外力F，linkb杆为理想无重力杆；
动平台不受力，linkb1，linkb2杆受重力g2，其余linkb杆为理想无重力杆；
动平台不受力，linkb3，linkb4杆受重力g2，其余linkb杆为理想无重力杆；
动平台不受力，linkb5，linkb6杆受重力g2，其余linkb杆为理想无重力杆。
四种情况叠加，即可求得linka杆在pi点处的支反力(即目标受力信息)。
进一步的举例中，请参考图5，步骤S221可以包括：
S2211：根据所述动平台受力平衡时的力平衡方程、所述动平台的重力，以及所述外力，确定动平台支反力信息；
S2212：根据所述动平台支反力信息，确定所述第一受力信息。
其中的动平台支反力信息，可理解为表征了所述动平台受力平衡时接受到的源自所述连接臂的支反力，具体可表征出该支反力的大小与方向。
具体的，动平台受重力g1及外力F，linkb杆为理想无重力杆：则有：
linkbi杆(即被动杆)仅受pi节点(例p1节点、p2节点、p3节点)的支反力与动平台支反力。根据基本原理2，linkbi为二力杆。
对动平台进行受力分析：
已知动平台所受重力g1，重力方向ng，外力F，Fi的方向为ni＝[ei1，ei2，ei3]。
假设linkb1杆、linkb2杆对动平台的力大小为F1，linkb3杆、linkb4杆对动平台的力大小为F2，linkb5杆、linkb6杆对动平台的力大小为F3。
对动平台受力分析，合外力为零，则有：
Figure BDA0003022293920000131
该方程可理解为所述动平台受力平衡时的力平衡方程，方程有唯一解F1，F2，F3。
对linkb杆进行受力分析，linkbi杆在pdi节点(即pd1节点、pd2、节点、pd3节点、pd4节点、pd5节点、pd6节点)对动平台的作用力即linka杆在pi点(即p1节点、p2节点、p3节点、p4节点、p5节点、p6节点)对linkbi杆的作用力，大小为Fj的一半。其用v0_fi表示，即：第一受力信息可表征为v0_fi。
进一步的举例中，请参考图6，步骤S222可以包括：
S2220：根据所述连接臂的受力平衡信息、所述连接臂的施力平衡信息、所述连接臂的重力信息，以及所述当前位置信息，确定所述第二受力信息。
所述受力平衡信息包括：对应连接臂受力平衡时的力平衡方程，以及：对应连接臂所受力矩平衡时的力矩平衡方程；
所述施力平衡信息包括：各连接臂施加于所述动平台的作用力平衡时的力平衡方程，以及：各连接臂施加于动平台的力矩平衡时的力矩平衡方程。
以上各可选方案中，以力平衡方程与力矩平衡方程为依据，可准确反映出稳定、平衡的状态下的力与力矩的需求，保证最终确定的目标受力信息与所需产生的力矩信息能够准确匹配连接臂、主动杆、动平台的受力情况，进而，该机械手能实现任意位姿的静平衡，提高了操作性能，保证了手术的安全性。
其中，所述连接臂的重力信息包括：表征所述第一被动杆重力的信息，以及表征所述第二被动杆重力的信息；
所述受力平衡信息中的力平衡方程包括：
所述第一被动杆受力平衡时的力平衡方程，以及：所述第二被动杆受力平衡时的力平衡方程；
所述受力平衡信息中的力矩平衡方程包括：
所述第一被动杆所受力矩平衡时的力矩平衡方程，以及：所述第二被动杆所受力矩平衡时的力矩平衡方程。
可选的，所述施力平衡信息中的力平衡方程包括：
各第一被动杆、第二被动杆施加于所述动平台的作用力平衡时的力平衡方程，以及：各第一被动杆、第二被动杆施加于所述动平台的力矩平衡时的力矩平衡方程。
以上方案中，可针对于具有两个被动杆、两个连接杆的连接臂细化各种力矩平衡方程与力平衡方程，进而可有助于基于更细化的受力分析结果，保障最终确定的目标受力信息与所需产生的转矩信息更匹配地满足需求。
针对于动平台不受力，linkbi杆受重力g2的通用模型(由于动平台不受力时的三种情况对称近似，因此先分析一个通用的受力分析方法)可参照以下内容理解。
以如图7所示为例，假设lb1杆和lb2杆受重力，其余重力不计；主动杆及静平台省略不画。设受重力的linkb1杆下端标记为1，上端标记为2。另一受重力的linkb2杆下端标记为3，上端标记为4。其余动平台点按照顺序标记为5，6，7，8。
已知两平行杆受重力
Figure BDA0003022293920000141
pi节点支反力与动平台支反力，其余四杆仅受pi节点支反力与动平台支反力。根据基本原理2，这四杆为二力杆。
设未知量：动平台对1、2间杆的作用力为[fx2,fy2,fz2]，对3、4间杆的作用力为[fx4,fy4,fz4]。Linka对1、2间杆的作用力为[fx1,fy1,fz1]，对3、4间杆的作用力为[fx3,fy3,fz3]。Linkb杆在5点作用力为F5，在6点作用力为F6，在7点作用力为F7，在8点作用力为F8。
已知F5，F6的方向n1＝[e1,e2,e3]，F7，F8的方向n2＝[e4,e5,e6]，重力g2，重力方向ng，动平台外接圆半径为d，1、2间杆长lb，1、3间短边长l。
对1、2间杆，3、4间杆，动平台分别列平衡方程，可得18个方程组。具体如下：
1、2节点之间连杆(即一个被动杆)的力平衡方程包括：
fx1+fx2+g2x＝0 (1)
fy1+fy2+g2y＝0 (2)
fz1+fz2+g2z＝0 (3)
以上可理解为一个被动杆的受力平衡信息中的力平衡方程。
1、2节点之间连杆(即一个被动杆)的力矩平衡方程包括：
Figure BDA0003022293920000151
Figure BDA0003022293920000152
Figure BDA0003022293920000153
以上可理解为一个被动杆的受力平衡信息中的力矩平衡方程。
3、4节点之间连杆(即一个被动杆)的力平衡方程包括：
fx3+fx4+g3x＝0 (7)
fy3+fy4+g3y＝0 (8)
fz3+fz4+g3z＝0 (9)
以上可理解为一个被动杆的受力平衡信息中的力矩平衡方程。
3、4节点之间连杆的(即一个被动杆)力矩平衡方程包括：
Figure BDA0003022293920000154
Figure BDA0003022293920000155
Figure BDA0003022293920000156
以上可理解为一个被动杆的受力平衡信息中的力矩平衡方程。
2、4、5、6、7、8六个节点的力平衡方程包括：
F8×e4+F7×e4+F6×e1+F5×e1-fx2-fx4＝0 (13)
F8×e5+F7×e5+F6×e2+F5×e2-fy2-fy4＝0 (14)
F8×e6+F7×e6+F6×e3+F5×e3-fz2-fz4＝0 (15)
以上可理解为一个被动杆的施力平衡信息中的力平衡方程。
6)，2、4、5、6、7、8六个节点的力矩平衡方程(对动平台中心取矩)
Figure BDA0003022293920000161
Figure BDA0003022293920000162
Figure BDA0003022293920000163
Figure BDA0003022293920000164
Figure BDA0003022293920000165
Figure BDA0003022293920000171
进一步得到：
x方向力矩平衡方程：
Figure BDA0003022293920000172
y方向力矩平衡方程：
Figure BDA0003022293920000173
z方向力矩平衡方程：
Figure BDA0003022293920000174
以上可理解为一个被动杆的施力平衡信息中的力矩平衡方程。
由上述18个方程组求解16个未知量，有唯一解，即AX＝b有唯一解。
令A为18个方程组的系数组成系数矩阵，则有：
X＝[fx1 fy1 fz1 fx2 fy2 fz2 fx3 fy3 fz3 fx4 fy4 fz4 f5 f6 f7 f8]T
Figure BDA0003022293920000181
则X＝A\b。
在动平台不受力，linkb1，linkb2杆受重力g2的情况下，与通用模型相对应，p1节点即3点，p2节点即1点，pd1节点即4点，pd2节点即2点，pd3节点即8点，pd4节点即7点，pd5节点即6点，pd6节点即5点。按照通用模型方程求解后，则有：
linkb杆在p1节点的受力v1_f1＝[fx3,fy3,fz3]；
linkb杆在p2节点的受力v1_f2＝[fx1,fy1,fz1]；
linkb杆在p3节点的受力v1_f3＝F8*n3；
linkb杆在p4节点的受力v1_f4＝F7*n4；
在p5点受力v1_f5＝F6*n5，在p6点受力v1_f6＝F5*n6。即：第二受力信息的第一部分可表征为：v1_f6，其也可理解为动平台不受力，linkb1杆，linkb2杆受重力g2的情况下的部分第二重力信息。
动平台不受力，linkb3杆，linkb4杆受重力g2的情况下，基于与以上描述相同的原理，可得与通用模型的对应关系。求解方程后，即得第二受力信息的第二部分，其可表征为：v2_fi，其也可理解为动平台不受力，linkb3杆，linkb4杆受重力g2的情况下的部分第二重力信息。
动平台不受力，linkb5，linkb6杆受重力g2的情况下，基于与以上描述相同的原理，可得与通用模型的对应关系。求解方程后，即得第二受力信息的第三部分，其可表征为：v3_fi，其也可理解为动平台不受力，linkb5杆，linkb6杆受重力g2的情况下的部分第二重力信息。
基于第一重力信息(即v0_fi)、第二重力信息的第一部分(即v1_fi)、第二重力信息的第二部分(即v2_fi)、第二重力信息的第三部分(即v3_fi)，可计算pi节点处的实际受力情况(即目标受力信息)，其等于以上四种情况下pi点受力之和。
Pi点实际受力(即目标受力信息)可用v_fi表示，则有：
Figure BDA0003022293920000191
v_f1＝v0_f1+v1_f1+v2_f1+v3_f1；
v_f2＝v0_f2+v1_f2+v2_f2+v3_f2；
v_f3＝v0_f3+v1_f3+v2_f3+v3_f3；
v_f4＝v0_f4+v1_f4+v2_f4+v3_f4；
v_f5＝v0_f5+v1_f5+v2_f5+v3_f5；
v_f6＝v0_f6+v1_f6+v2_f6+v3_f6；
在实施步骤S23对电机求矩时，Linka杆进行受力分析如下：
已知linka杆在pi节点所受的支反力为-v_fi，linka杆自身所受重力为Gi＝g3*ng，则有力矩公式：
Figure BDA0003022293920000192
其中：
M为待求力矩；
d为取矩点到力点的方向向量[dx,dy,dz]；
F为外力[Fx,Fy,Fz]；
对任一杆linkai杆(即对任意主动杆)，计算力在电机轴方向上的力矩Myi，即可算出不同电机所受力矩。具体计算如下：
My1＝(v_f2(1)+v_f1(1))×xna1-(v_f2(3)+v_f1(3))×zna1+0.5×G1(3)×xna1
My2＝(v_f3(1)+v_f4(1))×xna2-(v_f3(3)+v_f4(3))×zna2+0.5×G2(3)×xna2
My3＝(v_f5(1)+v_f6(1))×xna3-(v_f5(3)+v_f6(3))×zna3+0.5×G3(3)×xna3
进而，My1,My2,My3即为三个电机的输出力矩，即当前的转矩信息(也可描述为输出力矩信息)。
综上可见，本发明实施例的具体方案中，为了达到最佳的重力补偿效果，每个关节都安装力矩可调的电机，通过拉格朗日方程建立系统运动学模型，计算各部分重心在关节空间中所产生的转矩，并利用力矩电机输出相应的转矩进行重力补偿，主操作手能实现任意位姿静平衡，提高了操作性能，保证了手术的安全性。
进而，本发明实施例的具体方案可对主操作手在任意状态下进行重力补偿，操作性能有明显的改善，大大降低了操作过程中的疲劳感，提高了操作效率。实现对从操作手末端的力反馈，为外科医生提供力感，增强医生手术过程中的沉浸感，保障医生和虚拟手术环境之间的交互。
请参考图8，本发明实施例还提供了一种手术机器人的控制器300，包括：
获取模块301，用于获取所述手术机器手当前位置信息；所述当前位置信息表征了所述连接臂中多个部位的当前位置；
目标受力确定模块302，用于根据所述当前位置信息，确定目标受力信息，所述目标受力信息表征了所述主动杆与所述静平台连接处的作用力大小与方向；
转矩确定模块303，用于根据所述目标受力信息，确定当前的转矩信息，所述转矩信息描述了所述电机所需产生的输出力矩；
电机控制模块304，用于根据所述当前的转矩信息，控制所述电机。
本发明实施例还提供了一种手术机器人系统，包括：手术机器人与控制装置，所述手术机器人的主操作手包括静平台、动平台、主动杆、连接臂与电机；
所述电机被配置为能够直接或间接被所述控制装置控制；
所述手术机器人的主操作手包括静平台、动平台、主动杆、连接臂与电机；所述主动杆转动连接所述静平台，所述主动杆还转动连接所述连接臂，所述连接臂还转动连接所述动平台；所述电机连接于所述主动杆与所述静平台的连接处，以驱动所述主动杆与所述静平台的相对转动；
所述控制装置用于执行以上可选方案涉及的控制方法。
请参考图9，提供了一种电子设备40，包括：
处理器41；以及，
存储器42，用于存储所述处理器的可执行指令；
其中，所述处理器41配置为经由执行所述可执行指令来执行以上所涉及的方法。
处理器41能够通过总线43与存储器42通讯。
本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现以上所涉及的方法。
本领域普通技术人员可以理解：实现上述各方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成。前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中。该程序在执行时，执行包括上述各方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (12)

1.一种手术机器人的控制方法，其特征在于，
所述手术机器人的主操作手包括静平台、动平台、主动杆、连接臂与电机；所述主动杆转动连接所述静平台，所述主动杆还转动连接所述连接臂，所述连接臂还转动连接所述动平台；所述电机连接于所述主动杆与所述静平台的连接处，以驱动所述主动杆与所述静平台的相对转动；
所述控制方法，包括：
获取所述手术机器人的主操作手的当前位置信息；所述当前位置信息表征了所述连接臂中多个部位的当前位置；
根据所述当前位置信息，确定目标受力信息，所述目标受力信息表征了所述主动杆与所述静平台连接处的作用力大小与方向；
根据所述目标受力信息，确定当前的转矩信息，所述转矩信息描述了所述电机所需产生的输出力矩；
根据所述当前的转矩信息，控制所述电机；
根据所述当前的位置信息，确定目标受力信息，包括：
根据所述当前的位置信息、所述动平台的重力与所述连接臂的重力信息，确定所述目标受力信息；
根据所述当前位置信息、所述动平台的重力与所述连接臂的重力信息，确定所述目标受力信息，具体包括：
根据所述动平台的重力，以及所述动平台所受的外力，确定第一受力信息；所述第一受力信息匹配于所述动平台的重力与外力作用对所述目标受力信息的影响；
根据所述连接臂的重力信息，以及所述当前位置信息，确定第二受力信息；所述第二受力信息匹配于所述连接臂的重力作用对所述目标受力信息的影响；
根据所述第一受力信息与所述第二受力信息，确定所述目标受力信息。
2.根据权利要求1所述的手术机器人的控制方法，其特征在于，
根据所述动平台的重力信息，以及所述动平台所受的外力，确定第一受力信息，具体包括：
根据所述动平台受力平衡时的力平衡方程、所述动平台的重力，以及所述外力，确定动平台支反力信息；所述动平台支反力信息表征了所述动平台受力平衡时接受到的源自所述连接臂的支反力；
根据所述动平台支反力信息，确定所述第一受力信息。
3.根据权利要求1所述的手术机器人的控制方法，其特征在于，
根据所述连接臂的重力信息，以及所述当前位置信息，确定第二受力信息，具体包括：
根据所述连接臂的受力平衡信息、所述连接臂的施力平衡信息、所述连接臂的重力信息，以及所述当前位置信息，确定所述第二受力信息；
所述受力平衡信息包括：对应连接臂受力平衡时的力平衡方程，以及：对应连接臂所受力矩平衡时的力矩平衡方程；
所述施力平衡信息包括：各连接臂施加于所述动平台的作用力平衡时的力平衡方程，以及：各连接臂施加于动平台的力矩平衡时的力矩平衡方程。
4.根据权利要求3所述的手术机器人的控制方法，其特征在于，
所述连接臂包括第一被动杆与第二被动杆，所述第一被动杆的第一端与所述第二被动杆的第一端直接或间接转动连接所述动平台，所述第一被动杆的第二端与所述第二被动杆的第二端直接或间接转动连接所述静平台，所述第一被动杆与所述第二被动杆之间的相对位置固定。
5.根据权利要求4所述的手术机器人的控制方法，其特征在于，
所述连接臂的重力信息包括：表征所述第一被动杆重力的信息，以及表征所述第二被动杆重力的信息；
所述受力平衡信息中的力平衡方程包括：
所述第一被动杆受力平衡时的力平衡方程，以及：所述第二被动杆受力平衡时的力平衡方程；
所述受力平衡信息中的力矩平衡方程包括：
所述第一被动杆所受力矩平衡时的力矩平衡方程，以及：所述第二被动杆所受力矩平衡时的力矩平衡方程。
6.根据权利要求4所述的手术机器人的控制方法，其特征在于，所述施力平衡信息中的力平衡方程包括：
各第一被动杆、第二被动杆施加于所述动平台的作用力平衡时的力平衡方程，以及：各第一被动杆、第二被动杆施加于所述动平台的力矩平衡时的力矩平衡方程。
7.根据权利要求1至6任一项所述的手术机器人的控制方法，其特征在于，所述连接臂、所述主动杆的数量均为三个；三个连接臂与所述动平台的连接处呈等边三角形分布，三个主动杆与所述静平台的连接处呈等边三角形分布。
8.根据权利要求4至6任一项所述的手术机器人的控制方法，其特征在于，
所述当前位置信息包括：
第一当前位置信息，表征了所述第一被动杆两端的位置；
第二当前位置信息，表征了所述第二被动杆两端的位置。
9.一种手术机器人的控制器，其特征在于，
所述手术机器人的主操作手包括静平台、动平台、主动杆、连接臂与电机；所述主动杆转动连接所述静平台，所述主动杆还转动连接所述连接臂，所述连接臂还转动连接所述动平台；所述电机连接于所述主动杆与所述静平台的连接处，以驱动所述主动杆与所述静平台的相对转动；
所述控制器，包括：
获取模块，用于获取所述手术机器人的主操作手的当前位置信息；所述当前位置信息表征了所述连接臂中多个部位的当前位置；
目标受力确定模块，用于根据所述当前位置信息，确定目标受力信息，所述目标受力信息表征了所述主动杆与所述静平台连接处的作用力大小与方向；
转矩确定模块，用于根据所述目标受力信息，确定当前的转矩信息，所述转矩信息描述了所述电机所需产生的输出力矩；
电机控制模块，用于根据所述当前的转矩信息，控制所述电机；
根据所述当前的位置信息，确定目标受力信息，包括：
根据所述当前的位置信息、所述动平台的重力与所述连接臂的重力信息，确定所述目标受力信息；
根据所述当前位置信息、所述动平台的重力与所述连接臂的重力信息，确定所述目标受力信息，具体包括：
根据所述动平台的重力，以及所述动平台所受的外力，确定第一受力信息；所述第一受力信息匹配于所述动平台的重力与外力作用对所述目标受力信息的影响；
根据所述连接臂的重力信息，以及所述当前位置信息，确定第二受力信息；所述第二受力信息匹配于所述连接臂的重力作用对所述目标受力信息的影响；
根据所述第一受力信息与所述第二受力信息，确定所述目标受力信息。
10.一种手术机器人系统，其特征在于，包括：手术机器人与控制装置，所述手术机器人的主操作手包括静平台、动平台、主动杆、连接臂与电机；
所述电机被配置为能够直接或间接被所述控制装置控制；
所述主动杆转动连接所述静平台，所述主动杆还转动连接所述连接臂，所述连接臂还转动连接所述动平台；所述电机连接于所述主动杆与所述静平台的连接处，以驱动所述主动杆与所述静平台的相对转动；
所述控制装置用于执行权利要求1至8任一项所述的控制方法。
11.一种电子设备，其特征在于，包括处理器与存储器，
所述存储器，用于存储代码；
所述处理器，用于执行所述存储器中的代码用以实现权利要求1至8任一项所述的控制方法。
12.一种存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现权利要求1至8任一项所述的控制方法。
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