CN113276111A - 手术机器人控制系统、控制方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种手术机器人控制系统、控制方法。所述手术机器人控制方法，包括：接收用户需求，产生交互控制命令；根据所述交互控制命令产生运动控制命令；以及控制机械臂末端执行所述运动控制命令，所述运动控制命令包括控制所述机械臂末端按照多种运动模式执行动作。所述手术机器人控制方法可以通过所述运动控制命令控制所述机械臂末端按照多种运动模式执行动作，实现多种临床应用场景下的不同运动方案，在任何应用场景下可通过交互控制命令实现控制所述机械臂末端在多种运动模式之间的灵活切换。

Description

手术机器人控制系统、控制方法

技术领域

本申请涉及医疗技术领域，特别是涉及一种手术机器人控制系统、控制方法。

背景技术

利用手术机器人辅助手术，能够提高手术的效率和手术的质量。手术机器人包括控制系统、机械臂、地刹、脚踏或摄像装置等硬件设备。其中机械臂、地刹、脚踏或摄像装置分别与控制系统连接。控制系统和机械臂内部包括有多种控制逻辑运算系统。传统手术机器人的控制逻辑运算系统的运算逻辑不够清晰，控制系统操纵的机械臂的操作不够灵活，并且安全性较差。

发明内容

基于此，有必要针对传统的手术机器人的控制逻辑运算系统的运算逻辑不够清晰，控制系统操纵的机械臂的操作不够灵活，并且安全性较差的问题，提供一种手术机器人控制系统、控制方法。

本申请提供一种手术机器人控制方法，包括：

接收用户需求，产生交互控制命令；

根据所述交互控制命令产生运动控制命令；以及

控制机械臂末端执行所述运动控制命令，所述运动控制命令包括控制所述机械臂末端按照多种运动模式执行动作。

在一个实施例中，所述控制机械臂末端执行所述运动控制命令，所述运动控制命令包括控制所述机械臂末端按照多种运动模式执行动作的步骤中，所述多种运动模式包括：

自由运动模式、自主运动模式、轴向运动模式、微调运动模式以及球面运动模式。

在一个实施例中，所述运动控制命令包括以下四种控制命令中的任意一种或多种：

控制所述多种运动模式中每一种运动模式多次往复执行；

控制所述自主运动模式与所述自由运动模式、所述轴向运动模式、所述微调运动模式和所述球面运动模式之间的交互执行；

控制所述轴向运动模式与所述微调运动模式之间的双向交互执行、所述轴向运动模式与所述球面运动模式之间的双向交互执行、以及所述微调运动模式和所述球面运动模式之间的双向交互执行；

控制所述轴向运动模式、所述微调运动模式和所述球面运动模式分别向所述自由运动模式单向切换执行。

在一个实施例中，所述机器人控制方法，还包括：

与所述多种运动模式中的至少一种运动模式信息交互，实现对手术机器人控制系统的安全防控。

在一个实施例中，所述实现对手术机器人控制系统的安全防控的步骤，包括采用以下步骤中的任意一个或多个实现对手术机器人的安全防控：

对所述机械臂实施急停控制、向用户发出存在安全风险的警告、生成所述机械臂的自动规避路线以及禁止所述机械臂运动。

一种手术机器人控制系统，包括：

主控模块，用于产生运动控制命令；

交互模块，与所述主控模块信息交互，用于接收用户需求，产生交互控制命令，并发送给所述主控模块；

多个运动模块,与所述主控模块信息交互，用于执行所述运动控制命令。

在一个实施例中，所述多个运动模块包括：

自由运动模块，分别与所述主控模块和所述交互模块信息交互，用于控制机械臂末端进行自由运动；

自主运动模块，分别与所述主控模块和所述交互模块信息交互，用于根据所述主控模块规划出的路径点进行自主运动；

轴向运动模块，分别与所述主控模块和所述交互模块信息交互，用于控制机械臂末端沿着预定义的轴向运动；

调整运动模块，分别与所述主控模块和所述交互模块信息交互，用于控制机械臂末端进行轴向运动之前的最后调整。

在一个实施例中，所述调整运动模块包括，

微调运动模块，分别与所述主控模块和所述交互模块信息交互，用于控制机械臂末端沿着预定义的平面中固定的方向平移预定的距离；和/或，

球面运动模块，分别与所述主控模块和所述交互模块信息交互，用于控制机械臂末端沿预定义的球面运动。

在一个实施例中，所述交互模块包括：

自循环交互装置，分别与所述多个运动模块中的每一种运动模块信息交互，用于控制所述多个运动模块中的每一种运动模块多次往复执行。

在一个实施例中，所述交互模块还包括：

自主交互装置，分别与所述多个运动模块中的每一种运动模块信息交互，用于控制所述自主运动模块与所述自由运动模块、所述轴向运动模块、所述微调运动模块和所述球面运动模块之间的交互执行。

在一个实施例中，所述交互模块还包括：

预定义运动交互装置，分别与所述轴向运动模块、所述微调运动模块和所述球面运动模块信息交互，用于控制所述轴向运动模块与所述微调运动模块之间的双向交互、所述轴向运动模块与所述球面运动模块之间的双向交互、以及所述微调运动模块和所述球面运动模块之间的双向交互。

在一个实施例中，所述交互模块还包括：

单向切换装置，分别与所述自由运动模块、所述轴向运动模块、所述微调运动模块和所述球面运动模块信息交互，用于控制所述轴向运动模块、所述微调运动模块和所述球面运动模块分别向所述自由运动模块单向切换。

在一个实施例中，所述手术机器人控制系统，还包括：

安全防控系统，与所述主控模块信息交互，并与所述多个运动模块中的每一种运动模块信息交互，用于实现所述手术机器人控制系统的安全防控。

在一个实施例中，所述安全防控系统包括：

急停装置，与所述多个运动模块中的每一种运动模块信息交互，用于当用户判断机械臂的运动存在安全风险时，用户通过所述急停装置停止机械臂继续运动。

在一个实施例中，所述安全防控系统还包括：

安全边界运算装置，分别与所述自由运动模块、所述轴向运动模块以及所述球面运动模块信息交互，用于根据机械臂的实际运动轨迹与预定义的安全边界实时对比，当发现所述实际运行轨迹即将达到所述安全边界时，警告用户存在安全风险。

在一个实施例中，所述安全防控系统还包括：

障碍物碰撞规避装置，与所述自主运动模块信息交互，用于根据系统硬件模型及未知的患者头部模型生成障碍物简化模型，当所述主控模块规划出所述自主运动模块的路径点时，所述障碍物碰撞规避装置生成可避开所述障碍物简化模型的规避路线。

在一个实施例中，所述安全防控系统还包括：

轨迹联锁装置，与所述多个运动模块中的每一种运动模块信息交互，用于实时监测机械臂的运动轨迹，当发现机械臂的实际运动轨迹与计划运动轨迹偏差超过预设偏差时，警告用户或者直接禁止机械臂运动。

本申请涉及一种手术机器人控制系统、控制方法。所述手术机器人控制方法，包括：接收用户需求，产生交互控制命令；根据所述交互控制命令产生运动控制命令；以及控制机械臂末端执行所述运动控制命令，所述运动控制命令包括控制所述机械臂末端按照多种运动模式执行动作。所述手术机器人控制方法可以通过所述运动控制命令控制所述机械臂末端按照多种运动模式执行动作，实现多种临床应用场景下的不同运动方案，在任何应用场景下可通过交互控制命令实现控制所述机械臂末端在多种运动模式之间的灵活切换。

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手术机器人控制系统的示意图；

图2为本申请一个实施例中提供的运动模块的示意图；

图3为本申请一个实施例中提供的交互模块的示意图；

图4为本申请一个实施例中提供的不同运动模块之间切换的示意图；

图5为本申请一个实施例中提供的手术机器人控制系统的示意图；

图6为本申请一个实施例中提供的手术机器人控制系统的示意图；

图7为本申请一个实施例中提供的所述多个运动模块的主界面显示图；

图8为本申请一个实施例中提供的所述轴向运动模块的界面显示图；

图9为本申请一个实施例中提供的所述微调运动模块中平面微调的界面显示图；

图10为本申请一个实施例中提供的所述微调运动模块中球面微调的界面显示图。

附图标记说明：

手术机器人控制系统100

主控模块10

交互模块20

自循环交互装置21

自主交互装置22

预定义运动交互装置23

单向切换装置24

运动模块30

自由运动模块31

自主运动模块32

轴向运动模块33

微调运动模块34

球面运动模块35

安全防控系统40

急停装置41

安全边界运算装置42

障碍物碰撞规避装置43

轨迹联锁装置44

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。

本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，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。

请参阅图1，图1为本申请提供一种手术机器人控制系统100。所述手术机器人控制系统100包括：主控模块10、交互模块20和多个运动模块30。

所述主控模块10用于产生运动控制命令。所述主控模块10可以包括计算机主机以及计算机主机内存储的计算机程序。

所述交互模块20与所述主控模块10信息交互。所述交互模块20用于接收所述主控模块10的运动控制命令并根据用户需求产生交互控制命令。这里的用户需求可以为控制机械臂向某个方向移动某个距离，或者是控制机械臂末端进入某一精密区域内。

所述多个运动模块30与所述主控模块10信息交互。所述多个运动模块30用于执行所述运动控制命令。并且所述多个运动模块30与所述交互模块20信息交互，即所述多个运动模块30与所述交互模块20在逻辑上是互联的。类似于，用户通过所述交互模块20点击所述多个运动模块30中的某一种运动模块。该命令传递到所述主控模块10，所述主控模块10中的控制软件产生该某一种运动模块需要的相关运动控制命令，然后发给所述多个运动模块30，由机械臂及机械臂控制系统执行对应的运动模式。所述多个运动模块30之间可以相互切换。所述多个运动模块30之间切换可以指挥机械臂或者机械臂末端更加安全、灵活的运动。

本实施例中提供的所述手术机器人控制系统100可以通过所述交互模块20调配或者切换所述多个运动模块20的运动模式，实现在任何应用场景下可灵活切换运动模式、安全可靠的机械臂实时运动功能。另外本实施例中的所述手术机器人控制系统100可以应用于灵活可靠安全的多模式机械臂运动模块级方案，不仅仅适用于立体定向手术机器人中，还可以用于类似关节置换、骨创伤治疗等骨科或脊柱类的基于六自由度机械臂或基于七自由度机械臂的手术机器人中。

请参阅图2，图2为本申请一个实施例中提供的所述运动模块30的示意图。在一个实施例中所述多个运动模块30包括：自由运动模块31、自主运动模块32、轴向运动模块33、调整运动模块。

所述自由运动模块31分别与所述主控模块10和所述交互模块20信息交互。所述自由运动模块31用于控制机械臂末端进行自由运动。在所述自由运动模块31中，用户手动拖动机械臂末端进行自由运动，即用户可以控制在机械臂自身运动空间内随意运动。具体的，所述自由运动模块31可以由用户在任意机械臂可动的条件下手动拖动机械臂末端进行任意轨迹的运动。一般的在机械臂末端可以设计一个方便用户握持的握持部。握持部附近可进行前、后、左、右、上、下的平移运动，还可以进行逆时针、顺时针等转动，以及转动和平移运动合成的运动。具体实现时，用户通过所述主控模块10指示进入所述自由运动模块31的工作状态。即用户在所述主控模块10的操作界面上点击了“自由运动”的按钮，即可进入所述自由运动模块31进行工作。

从实现层，所述主控模块10接受来自用户的输入：进入所述自由运动模块31，然后将自由运动模式的参数和机械臂解锁命令发给所述自由运动模块31。所述自由运动模块31接收到上述两项参数，同时判断与末端六自由度力传感器的通信和数据读取是否正常(自由运动模式是一种力控模式，前提条件是，末端六自由度力传感器工作正常)。如果正常，则将自由运动模式的参数和根据六自由度力传感器获取的实时外部力信息计算出的机械臂关节运动所需的点发送给底层控制硬件(可以是机械臂控制柜)，底层控制硬件在监测到脚踏使能信号有效时，则根据外部拖动力信息执行自由运动模式。

所述自主运动模块32分别与所述主控模块10和所述交互模块20信息交互。所述自主运动模块32用于根据所述主控模块10规划出的路径点进行自主运动。无用户手动干预，用于将机械臂末端从当前位置自动运行到预定义的手术目标点，进而实现手术器械的定位定向功能。所述自主运动模块32是指机器人/机械臂可以自主避开障碍物的主动运动模块。

具体实现时，所述主控模块10自行判断，是否已完成空间注册过程(即是否已经完成机械臂坐标系与患者坐标系的对齐。对齐之后，机械臂才能直到患者头部在哪儿)，并且空间注册结果得到确认，通过工作流来保证。所述主控模块10需要给所述自主运动模块32路径规划算法下发待规划的路径信息(初始点和终点)。所述自主运动模块32根据路径信息进行路径规划，规划成功后，将轨迹点下发给底层控制硬件(机械臂控制柜)。底层控制硬件等待脚踏被踩下，机械臂按照规划好的路径点来执行，直到运动到最终的目标点。

所述轴向运动模块33分别与所述主控模块10和所述交互模块20信息交互。所述轴向运动模块33用于控制机械臂末端沿着预定义的轴向运动。在用户手动拖动下，机械臂末端只能沿手术器械深度穿刺方向进行单方向运动，而不能沿其他方向运动或者转动。用于在手术过程中，机械臂完成自动运动定位后，医生需要手动调节手术器械离目标靶点的距离，而不需要影响到姿态，从而实现更精准的定向功能。

具体实现时，所述主控模块10自行判断，是否已完成空间注册过程(完成机械臂坐标系与患者坐标系的对齐，对齐之后，机械臂才能直到患者头部在哪儿)，并且空间注册结果得到确认，通过工作流来保证。

所述主控模块10自行判断，是否已完成一条路径执行的过程，并且该条路径已运行到位。由于所述轴向运动模块33与所述自主运动模块32耦合到一起，即轴向运动模式只有在某一条路径完成了自主运动并且到位后才能使能，否则一直处于非使能状态，即用户无法主动出发轴向运动模式。

所述轴向运动模块33接受到轴向模式参数后，检查与六自由度力传感器的工作情况(轴向模式也是基于六自由度力传感器的力控模式)，如正常，则根据轴向运动算法来计算轴向运动的机械臂运动点，并下发给底层控制硬件。底层控制硬件接收到轴向模式参数和机械臂待运动点后，在脚踏的控制下，执行轴向运动。

所述微调运动模块34分别与所述主控模块10和所述交互模块20信息交互。所述微调运动模块34用于控制机械臂末端沿着预定义的平面中固定的方向平移预定的距离。不需要用户手动拖动，即可根据预定义的运动参数完成的自动运动。结合临床应用场景，可分为平面微调和球面微调。其中，平面微调是指沿着机械臂末端工具某个端面的前、后、左、右四个方向的等间隔或者设定间隔的步进运动，也可再扩展4个对角线方向等8个方向的运动。球面微调是指以目标点为中心，在半径不变的球面上沿前、后、左、右四个方向的等弧度运动。平面微调模式和球面微调模式是指在特定平面或球面上步进微小位移，球面模式是指人协作机械臂在特定区域内运动不允许超出区域(如圆锥体内)且工具中心点保持不变。具体的，所述微调运动模块34可以提供微调步长，微调距离，微调方向等参数。

具体实现时，所述主控模块10自行判断，是否已完成空间注册过程(完成机械臂坐标系与患者坐标系的对齐，对齐之后，机械臂才能直到患者头部在哪儿)，并且空间注册结果得到确认，通过工作流来保证。所述主控模块10自行判断，是否已完成一条路径执行的过程，并且该条路径已运行到位。与自主运动模式耦合到一起，即微调运动模式只有在某一条路径完成了自主运动并且到位后才能使能，否则一直处于非使能状态，即用户无法主动出发微调运动模式。

所述调整运动模块，分别与所述主控模块10和所述交互模块20信息交互，用于控制机械臂末端进行轴向运动之前的最后调整。在一个实施例中，所述调整运动模块包括微调运动模块34和/或球面运动模块35。在其他实施例中，所述调整运动模块还可以包括其他类型的不规则微调运动模块。

所述微调运动模块34接受到模式参数(微调模式)和微调距离以及微调方向等参数后，根据微调运动算法来计算微调运动的机械臂运动点，并下发给底层控制硬件。底层控制硬件接收到模式参数(微调模式)和机械臂待运动点后，在脚踏的控制下，执行微调运动。

所述球面运动模块35分别与所述主控模块10和所述交互模块20信息交互。所述球面运动模块35用于控制机械臂末端沿预定义的球面运动。与上述球面微调运动模式类似，区别在于球面运动是有用户手动拖动的球面限制运动，面对不同的应用场景。

具体实现时，上述主控模块10自行判断，是否已完成空间注册过程(完成机械臂坐标系与患者坐标系的对齐，对齐之后，机械臂才能直到患者头部在哪儿)，并且空间注册结果得到确认，通过工作流来保证。所述主控模块10自行判断，是否已完成一条路径执行的过程，并且该条路径已运行到位。与自主运动模式耦合到一起，即球面运动模式只有在某一条路径完成了自主运动并且到位后才能使能，否则一直处于非使能状态，即用户无法主动出发球面运动模式。

所述球面运动模块35接受到球面模式参数和球面距离以及球面方向等参数后，根据球面运动算法来计算球面运动的机械臂运动点，并下发给底层控制硬件。底层控制硬件接收到球面模式参数和机械臂待运动点后，在脚踏的控制下，执行球面运动。

本申请中提供的所述手术机器人控制系统100可以使得立体定向手术机器人满足多种临床应用场景下的运动方案。具体的，在采用基于六自由度或七自由度机械臂的手术机器人，实现脊柱类疾病的治疗过程中，可以由所述自由运动模块31转至所述轴向运动模块33当机械臂末端运动到定位点1之后，可以切换至所述微调运动模块34慢慢移动至定位点2，再按照手术方案实施具体的手术步骤。这里定位点2比定位点1更靠近患处。

请参阅图3和图4，图3为本申请一个实施例中提供的所述交互模块20的示意图。图4为本申请一个实施例中提供的不同的所述运动模块30之间切换的示意图。所述多个运动模块30中的不同的运动模块之间可根据实际的临床应用场景灵活切换，不同的运动模块之间灵活切换的逻辑图为图4。

在一个实施例中，所述交互模块20包括自循环交互装置21。

所述自循环交互装置21分别与所述多个运动模块30中的每一种运动模块信息交互。所述自循环交互装置21用于控制所述多个运动模块30中的每一种运动模块多次往复执行。本实施例中，每种运动模块在被选中之后，可多次往复执行，如图4中的①。

在一个实施例中，所述交互模块20还包括自主交互装置22。

所述自主交互装置22分别与所述多个运动模块30中的每一种运动模块信息交互。所述自主交互装置22用于控制所述自主运动模块32与所述自由运动模块31、所述轴向运动模块33、所述微调运动模块34和所述球面运动模块35之间的交互执行，如图4中的②。

在一个实施例中，所述交互模块20还包括预定义运动交互装置23。

所述预定义运动交互装置23分别与所述轴向运动模块33、所述微调运动模块34和所述球面运动模块35信息交互。所述预定义运动交互装置23用于控制所述轴向运动模块33与所述微调运动模块34之间的双向交互、所述轴向运动模块33与所述球面运动模块35之间的双向交互、以及所述微调运动模块34和所述球面运动模块35之间的双向交互如图4中的③。

在一个实施例中，所述交互模块20还包括单向切换装置24。

所述单向切换装置24分别与所述自由运动模块31、所述轴向运动模块33、所述微调运动模块34和所述球面运动模块35信息交互。所述单向切换装置24用于控制所述轴向运动模块33、所述微调运动模块34和所述球面运动模块35分别向所述自由运动模块31单向切换，如图4中的④。

因为所述多个运动模块30在实际运行中，需要按照所述自主运动模块完成了某条路径的执行之后，才能切换到所述轴向运动模块33、所述微调运动模块34和所述球面运动模块35。因此，在临床应用场景中，所述轴向运动模块33、所述微调运动模块34和所述球面运动模块35分别向所述自由运动模块31切换时均为单向切换。

请参阅图5，图5为本申请一个实施例中提供的手术机器人控制系统100的示意图。在一个实施例中，所述手术机器人控制系统100还包括安全防控系统40。所述安全防控系统40与所述主控模块10信息交互，并与所述多个运动模块30中的每一种运动模块信息交互。所述安全防控系统40用于实现所述手术机器人控制系统100的安全防控。

本实施例中，提供的所述手术机器人控制系统100包括：所述主控模块10、所述交互模块20、所述多个运动模块30和所述安全防控系统40。本实施例中所述手术机器人控制系统100中包括了用于实现所述手术机器人控制系统100安全防控的所述安全防控系统40。所述手术机器人控制系统100在通过所述交互模块20调配或者切换所述多个运动模块20的运动模式时，实现在任何应用场景下可灵活切换运动模式、安全可靠的机械臂实时运动功能。另外本实施例中的所述手术机器人控制系统100可以应用于灵活可靠安全的多模式机械臂运动模块级方案，不仅仅适用于立体定向手术机器人中，还可以用于类似关节置换、骨创伤治疗等骨科或脊柱类的基于六自由度机械臂或基于七自由度机械臂的手术机器人中。

本申请实施例中提供的所述手术机器人控制系统100从临床场景出发，定义了多种运动模块30。每种运动模块30均有对应的安全设计考虑。用户在使用所述手术机器人控制系统100时，仅考虑实际的临床应用，而不用过多的关注安全方面设计，因为相关的安全设计完全由所述手术机器人控制系统100来完成。同时，结合实际的临床应用场景，各运动模式间可灵活切换，扩展了立体定向手术机器人应用场景下的可用性和安全性设计，进一步降低医生用户对系统操作经验的依赖。

请参阅图6，图6为本申请一个实施例中提供的所述手术机器人控制系统100的示意图。手术机器人的机械臂在运动过程中，引入的主要安全风险是可能会意外碰撞到患者头部，碰撞到推车本身。因此，本申请提供的所述手术机器人控制系统100根据已经识别出的安全风险，提供以下相应的安全设计方案：

在一个实施例中，所述安全防控系统40包括急停装置41。

所述急停装置41与所述多个运动模块30中的每一种运动模块信息交互。所述急停装置41用于当用户判断机械臂的运动存在安全风险时，用户通过所述急停装置41停止机械臂继续运动。具体的，所述急停装置41可以是与机械臂信息交互的脚踏。常规的在手术机器人运行过程中，在用户踩住脚踏的条件下才能触发各种不同的所述运动模块30。当用户判断机械臂的运动存在安全风险时，用户可以第一时间松开脚踏停止机械臂的所有运动。在一个实施例中，所述自由运动模块31、所述自主运动模块32、所述轴向运动模块33、所述微调运动模块34和所述球面运动模块35在启动运行时均需要在用户持续踩着脚踏的条件下才能完成响应的运动过程。

在一个实施例中，所述安全防控系统40还包括安全边界运算装置42。

所述安全边界运算装置42分别与所述自由运动模块31、所述轴向运动模块33以及所述球面运动模块35信息交互。所述安全边界运算装置42用于根据机械臂的实际运动轨迹与预定义的安全边界实时对比，当发现所述实际运行轨迹即将达到所述安全边界时，警告用户存在安全风险。

本实施例中，针对所述自由运动模块31、所述轴向运动模块33以及所述球面运动模块35等的手动拖动运动，所述主控模块10无法预先知道所有的运动轨迹，但可根据实际运动轨迹跟预先定义的安全边界实时对比。当所述主控模块10发现实际运动轨迹即将达到安全边界时，可通过警告或者语音等提示用户。再达到安全边界时，所述主控模块10可以控制所述安全边界运算装置42停止机械臂的运动，避免造成进一步的安全风险。需要注意的是，只有当警告被用户确认时，才可能在用户拖动的情况下机械臂往安全边界范围内运动。针对所述轴向运动模块33，还需要根据手术器械的长度及适配器的长度，定义在深度方向上的安全边界，以确保在轴向运动模式下，用户在手动拖动下，保证器械或者适配器末端不碰撞到患者头部。

在一个实施例中，所述安全防控系统40还包括障碍物碰撞规避装置43。

所述障碍物碰撞规避装置43与所述自主运动模块32信息交互。所述障碍物碰撞规避装置43用于根据系统硬件模型及未知的患者头部模型生成障碍物简化模型，当所述主控模块10规划出所述自主运动模块32的路径点时，所述障碍物碰撞规避装置43生成可避开所述障碍物简化模型的规避路线。针对所述自主运动模块32这种可以预先规划路径轨迹的情形，系统在规划路径时，在获取推车模型，患者头部模型及其他器械工具模型前提下，避开会碰撞的情形，提前规避碰撞干涉。

所述障碍物简化模型可以简化为以下三类的组合。第一类模型是系统推车、器械工具或者推车上可能被碰到的部件模型。此类模型在完成机械设计后，就已经固化，可以通过专用软件导出，并声称网格文件，用于在路径规划时进行碰撞检测。第二类模型是未知的患者头部模型，此类模型可以通过术前放射学影像CT扫描后获取，最终传递给下位机的碰撞检测算法执行碰撞检测。第三类模型是未知的众多的第三方固定头部的头架模型，此类模型可以通过在已获取的患者头部模型和已知的系统用于固定患者头部的机械组件模型的基础上，向外部扩充一个大概20mm-60mm的一个包围盒模型，即机械臂的任意部分都不能进入这个包围盒之内。

在一个实施例中，所述安全防控系统40还包括轨迹联锁装置44。

所述轨迹联锁装置44与所述多个运动模块30中的每一种运动模块信息交互。所述轨迹联锁装置44用于实时监测机械臂的运动轨迹，当发现机械臂的实际运动轨迹与计划运动轨迹偏差超过预设偏差时，警告用户或者直接禁止机械臂运动。具体的，当发现实际的路径轨迹与计划的路径轨迹偏差较大时，提前警告或者禁止机械臂运动。这里的偏差较大可以理解为机械臂的实际运动轨迹与计划运动轨迹偏差超过预设偏差。因为实际运动轨迹与规划运动轨迹相差较大(比如欧式距离超过1cm)，肯定存在某些不可预知的异常，导致最终碰撞的可能性增大，因此可提前规避。

在本申请另外的实施例中所述手术机器人控制系统100还包括：速度选择装置，锁定和解锁装置，运动使能装置，自动归位装置。所述速度选择装置可以对所述运动模块30中不同的运动状态设置不同的运动速度。所述锁定和解锁装置可以对所述运动模块30中不同的运动状态进行锁控。所述运动使能装置可以对所述运动模块30中不同的运动状态进行急停处理。所述自动归位装置可以控制所述运动模块30从不同的运动状态回归到初始位置。

本申请还提供一种手术机器人控制方法，包括：

接收用户需求，产生交互控制命令。本步骤中，可以采用上述所述交互模块20接收用户需求，产生交互控制命令。

根据所述交互控制命令产生运动控制命令。本步骤中，可以采用上述所述主控模块10产生运动控制命令。

控制机械臂末端执行所述运动控制命令，所述运动控制命令包括控制所述机械臂末端按照多种运动模式执行动作。本步骤中，可以采用上述所述多个运动模块30来分别执行所述多种运动模式。

本实施例中，所述手术机器人控制方法可以实现多种临床应用场景下的不同运动方案，在任何应用场景下可通过接收用户需求，产生交互控制命令；根据所述交互控制命令产生运动控制命令；控制机械臂末端执行所述运动控制命令，所述运动控制命令包括控制所述机械臂末端按照多种运动模式执行动作。从而使得所述手术机器人控制方法可以实现所述多个运动模式之间的灵活切换。具体的，在采用基于七自由度力传感器的机械臂的手术机器人，实现脊柱类疾病的治疗过程中，可以由自由运动模式转至轴向运动模式。当机械臂末端运动到定位点1之后，可以切换至微调运动模式慢慢移动至定位点2，再按照手术方案实施具体的手术步骤。这里定位点2比定位点1更靠近患处。

在一个实施例中，所述控制机械臂末端执行所述运动控制命令，所述运动控制命令包括控制所述机械臂末端按照多种运动模式执行动作的步骤中，所述多种运动模式包括：自由运动模式、自主运动模式、轴向运动模式、微调运动模式以及球面运动模式。其中，在所述自由运动模式下可以控制机械臂末端进行自由运动。在所述自主运动模式下，可以根据所述主控模块10规划出的路径点进行自主运动。在所述轴向运动模式下，可以控制所述机械臂末端沿着预定义的轴向运动。在所述微调运动模式下可以控制所述机械臂末端沿着预定义的平面中固定的方向平移预定的距离。在所述球面运动模式下，可以控制机械臂末端沿预定义的球面运动。

在一个实施例中，所述运动控制命令包括以下四种控制命令中的任意一种或多种：

控制所述多种运动模式中每一种运动模式多次往复执行；

控制所述自主运动模式与所述自由运动模式、所述轴向运动模式、所述微调运动模式和所述球面运动模式之间的交互执行；

控制所述轴向运动模式与所述微调运动模式之间的双向交互执行、所述轴向运动模式与所述球面运动模式之间的双向交互执行、以及所述微调运动模式和所述球面运动模式之间的双向交互执行；或者

控制所述轴向运动模式、所述微调运动模式和所述球面运动模式分别向所述自由运动模式单向切换执行。

本实施例中，可以参考不同的运动模式之间灵活切换的逻辑图，其中图4展示了所述多个运动模式中的不同的运动系统之间可根据实际的临床应用场景灵活切换。

在一个实施例中，所述机器人控制方法，还包括：与所述多种运动模式中的至少一种运动模式信息交互，实现对手术机器人控制系统的安全防控。

本实施例中，增加了安全防控的步骤，使得所述机器人控制方法可以实现在任何应用场景下可灵活切换运动模式、安全可靠的机械臂实时运动功能。另外本实施例中的所述手术机器人控制方法，控制策略灵活可靠、安全性高的多模式机械臂运动系统及方案，不仅仅适用于立体定向手术机器人中，还可以用于类似关节置换、骨创伤治疗等骨科或脊柱类的基于六自由度力传感器的机械臂或基于七自由度力传感器的机械臂的手术机器人中。

在一个实施例中，所述实现对手术机器人控制系统的安全防控的步骤，包括采用以下步骤中的任意一个或多个实现对手术机器人的安全防控：

对所述机械臂实施急停控制、向用户发出存在安全风险的警告、生成所述机械臂的自动规避路线以及禁止所述机械臂运动。

具体的，对所述机械臂实施急停控制可以是：当用户判断机械臂的运动存在安全风险时，用户可以通过所述急停装置41停止机械臂继续运动。

向用户发出存在安全风险的警告可以是：根据机械臂的实际运动轨迹与预定义的安全边界实时对比，当发现所述实际运行轨迹即将达到所述安全边界时，警告用户存在安全风险。

生成所述机械臂的自动规避路线可以是：根据系统硬件模型及未知的患者头部模型生成障碍物简化模型，当所述主控模块10规划出所述自主运动模块32的路径点时，所述障碍物碰撞规避装置43生成可避开所述障碍物简化模型的规避路线。

禁止所述机械臂运动可以是：实时监测机械臂的运动轨迹，当发现机械臂的实际运动轨迹与计划运动轨迹偏差超过预设偏差时，警告用户或者直接禁止机械臂运动。

本申请还提供一种手术机器人，包括上述任一个实施例中所述的手术机器人控制系统100、机械臂、地刹、脚踏和摄像装置等其他硬件设备。

请参阅图7，图7为本申请一个实施例中所述多个运动模块30在所述主控模块10中的主界面显示图。以下本申请还提供了所述轴向运动模块33和微调运动模块34这两种运动模块在所述主控模块10中的界面显示图，以分别展示两种运动模块的操作过程。

请参阅图8，图8为本申请一个实施例中所述轴向运动模块33的界面显示图，其界面操作方法如下：

确定定位点1为靶点距离，由术前规划完成。踩住脚踏(启动机械臂运动)，采用所述自由运动模块31、所述自主运动模块32或者所述自由运动模块31与所述自主运动模块32的组合运动模块将机械臂运动至定位点1。

在所述主控模块10可以显示多类信息，包括图像信息、固定数据信息、实时数据信息以及操作信息。其中图像信息又可以显示一幅图像，也可以同时显示多幅图像。固定数据信息与实时数据信息可以在图像信息上直接显示，也可以有单独的显示区域进行显示。操作信息可以用于用户输入信息，可以直接在图像信息上进行显示，也可以有单独的显示区域进行显示。

在一个具体的实施例中，从所述主控模块10的主页面选择“轴向模式”，系统进入“轴向模式”的子页面。当需要用户手动调节末端器械轴向位置时，图像信息显示区会根据末端器械与头颅的位置进行全局实时动态显示。如图8所示，所述轴向运动模块33的运动模式界面包含两个图像信息，分别为实时显示全局图和实时显示放大图。上述两个图像信息用于显示整体位置关系，其中人头部为扫描的CT图像，机械臂、器械和人手为其STL数据格式模型或预设3D数据格式模型。当需要用户手动调节末端器械轴向位置时，图像信息显示区会根据末端器械与头颅的位置进行全局实时动态显示，显示穿刺轴线运动方向，定位点1，定位点2，当前末端工具点，入颅点，靶点等。图像信息显示区还会实时显示放大图，主要放大区域是以穿刺轴线运动方向，定位点2，当前末端工具点，入颅点。放大图可根据当前末端工具点位置进行动态调整及放大，也可用户手动调整并放大局部视图。

如图8所示，所述轴向运动模块33的运动模式界面还包含固定数据信息的显示区。在固定数据信息的显示区可以显示“入颅点坐标”、“靶点坐标”、“定位点1坐标”和“定位点2坐标”。

如图8所示，所述轴向运动模块33的运动模式界面还包含实时数据信息的显示区。比如，末端适配器受推力(N),该数据表明用户有施加在器械上的力信息；实时显示末端器械坐标系原点Q到定位点2的坐标；实时显示末端器械坐标系原点Q到入颅点的坐标；实时显示末端器械坐标系原点Q到靶点的坐标。本实例中的坐标数值均相对于靶点坐标来显示，但也可以是相对于其它坐标系来显示。坐标显示的类型包括但不限于直角坐标和球坐标形式。在实时数据信息的显示区内显示可以是包含上述全部显示内容或其中部分显示内容。

如图8所示，所述轴向运动模块33的运动模式界面还包含操作信息的显示区。用户可以自行设置轴向模式最大距离。用户也可以任意的选择“锁定机械臂”、“解锁机械臂”或者“退出轴向运动模式”。锁定机械臂可以让用户更加安全的进行其他操作而无需担心机械臂会出现其他异常运动。当用户想要轴向运动模式可进行解锁机械臂进行轴向运动或退出当前轴向运动模式等。原则上该轴向运动界面为运动模块的主界面，但该子界面仍然可包含主界面的部分功能，如用户不想要回到主界面去切换运动模式(如自主运动模式等)，可直接在该子界面中切换其他运动模式。

请参阅图9和图10，图9为本申请一个实施例中所述微调运动模块34中平面微调的界面显示图。图10为本申请一个实施例中所述微调运动模块34中球面微调的界面显示图。以下以图9为例，解释所述微调运动模块34的界面操作方法：

确定定位点1为靶点距离，由术前规划完成。踩住脚踏，选择所述自主运动模块32或者所述自由运动模块31与所述自主运动模块32的组合运动模块将机械臂运动至定位点1。

在所述主控模块10的主页面选择“平面微调模式”或“球面微调模式”，系统进入“微调模式”的子页面。“微调模式”又可以选择“平面微调模式”和“球面微调模式”。如图9所示，所述微调运动模块34的运动模式界面包含图像信息、数据信息和操作信息。所述图像信息显示区包含两个，分别为实时显示全局图(视图1)和实时显示放大图(视图2)。

所述数据信息的显示区包括步进量输入区域和步进后位置显示区域，用户输入步进量、选择运动模式并解锁机械臂后可以进入微调运动。

所述数据信息的显示区还包括步进方向键，步进方向包括但不限与本实例中的界面按键形式，也可以是物理的上下左右按键或对应的语音识别等。方向示意图中实时显示当前步进后的位置相对于初始位置的坐标等，并实时显示出相对数值信息。本实例中的坐标数值均相对于初始定位点坐标来显示，但也可以是相对于其它坐标系来显示，坐标显示的类型包括但不限于直角坐标和球坐标形式等。

所述操作信息的显示区包括模式选择切换区域，可以自由切换平面微调模式或球面微调模式运动，并未可以点击初始位置点复位至初始定位的点。

所述操作信息的显示区还包括控制按键，用户使用步进模式后可以锁定机械臂，能够更加安全的进行其他手术操作。用户也可以进行多次连续步进直到想要的穿刺位置。当完成微调模式后，用户可以点击退出定向定量步进微小位移运动模式至图7的主界面。

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，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 (17)

1.一种手术机器人控制方法，其特征在于，包括：

接收用户需求，产生交互控制命令；

根据所述交互控制命令产生运动控制命令；以及

控制机械臂末端执行所述运动控制命令，所述运动控制命令包括控制所述机械臂末端按照多种运动模式执行动作。

2.根据权利要求1所述的手术机器人控制方法，其特征在于，所述控制机械臂末端执行所述运动控制命令，所述运动控制命令包括控制所述机械臂末端按照多种运动模式执行动作的步骤中，所述多种运动模式包括：

自由运动模式、自主运动模式、轴向运动模式、微调运动模式以及球面运动模式。

3.根据权利要求2所述的手术机器人控制方法，其特征在于，所述运动控制命令包括以下四种控制命令中的任意一种或多种：

控制所述多种运动模式中每一种运动模式多次往复执行；

控制所述自主运动模式与所述自由运动模式、所述轴向运动模式、所述微调运动模式和所述球面运动模式之间的交互执行；

控制所述轴向运动模式与所述微调运动模式之间的双向交互执行、所述轴向运动模式与所述球面运动模式之间的双向交互执行、以及所述微调运动模式和所述球面运动模式之间的双向交互执行；

控制所述轴向运动模式、所述微调运动模式和所述球面运动模式分别向所述自由运动模式单向切换执行。

4.根据权利要求3所述的手术机器人控制方法，其特征在于，所述机器人控制方法，还包括：

与所述多种运动模式中的至少一种运动模式信息交互，实现对手术机器人控制系统的安全防控。

5.根据权利要求4所述的手术机器人控制方法，其特征在于，所述实现对手术机器人控制系统的安全防控的步骤，包括采用以下步骤中的任意一个或多个实现对手术机器人的安全防控：

对所述机械臂实施急停控制、向用户发出存在安全风险的警告、生成所述机械臂的自动规避路线以及禁止所述机械臂运动。

6.一种手术机器人控制系统，其特征在于，包括：

主控模块(10)，用于产生运动控制命令；

交互模块(20)，与所述主控模块(10)信息交互，用于接收用户需求，产生交互控制命令，并发送给所述主控模块(10)；

多个运动模块(30),与所述主控模块(10)信息交互，用于执行所述运动控制命令。

7.根据权利要求6所述的手术机器人控制系统，其特征在于，所述多个运动模块(30)包括：

自由运动模块(31)，分别与所述主控模块(10)和所述交互模块(20)信息交互，用于控制机械臂末端进行自由运动；

自主运动模块(32)，分别与所述主控模块(10)和所述交互模块(20)信息交互，用于根据所述主控模块(10)规划出的路径点进行自主运动；

轴向运动模块(33)，分别与所述主控模块(10)和所述交互模块(20)信息交互，用于控制机械臂末端沿着预定义的轴向运动；

调整运动模块，分别与所述主控模块(10)和所述交互模块(20)信息交互，用于控制机械臂末端进行轴向运动之前的最后调整。

8.根据权利要求7所述的手术机器人控制系统，其特征在于，所述调整运动模块包括，

微调运动模块(34)，分别与所述主控模块(10)和所述交互模块(20)信息交互，用于控制机械臂末端沿着预定义的平面中固定的方向平移预定的距离；和/或，

球面运动模块(35)，分别与所述主控模块(10)和所述交互模块(20)信息交互，用于控制机械臂末端沿预定义的球面运动。

9.根据权利要求8所述的手术机器人控制系统，其特征在于，所述交互模块(20)包括：

自循环交互装置(21)，分别与所述多个运动模块(30)中的每一种运动模块信息交互，用于控制所述多个运动模块(30)中的每一种运动模块多次往复执行。

10.根据权利要求8所述的手术机器人控制系统，其特征在于，所述交互模块(20)还包括：

自主交互装置(22)，分别与所述多个运动模块(30)中的每一种运动模块信息交互，用于控制所述自主运动模块(32)与所述自由运动模块(31)、所述轴向运动模块(33)、所述微调运动模块(34)和所述球面运动模块(35)之间的交互执行。

11.根据权利要求8所述的手术机器人控制系统，其特征在于，所述交互模块(20)还包括：

预定义运动交互装置(23)，分别与所述轴向运动模块(33)、所述微调运动模块(34)和所述球面运动模块(35)信息交互，用于控制所述轴向运动模块(33)与所述微调运动模块(34)之间的双向交互、所述轴向运动模块(33)与所述球面运动模块(35)之间的双向交互、以及所述微调运动模块(34)和所述球面运动模块(35)之间的双向交互。

12.根据权利要求8所述的手术机器人控制系统，其特征在于，所述交互模块(20)包括：

单向切换装置(24)，分别与所述自由运动模块(31)、所述轴向运动模块(33)、所述微调运动模块(34)和所述球面运动模块(35)信息交互，用于控制所述轴向运动模块(33)、所述微调运动模块(34)和所述球面运动模块(35)分别向所述自由运动模块(31)单向切换。

13.根据权利要求8所述的手术机器人控制系统，其特征在于，还包括：

安全防控系统(40)，与所述主控模块(10)信息交互，并与所述多个运动模块(30)中的至少一种运动模块信息交互，用于实现所述手术机器人控制系统(100)的安全防控。

14.根据权利要求13所述的手术机器人控制系统，其特征在于，所述安全防控系统(40)包括：

急停装置(41)，与所述多个运动模块(30)中的每一种运动模块信息交互，用于当用户判断机械臂的运动存在安全风险时，用户通过所述急停装置(41)停止机械臂继续运动。

15.根据权利要求13所述的手术机器人控制系统，其特征在于，所述安全防控系统(40)还包括：

安全边界运算装置(42)，分别与所述自由运动模块(31)、所述轴向运动模块(33)以及所述球面运动模块(35)信息交互，用于根据机械臂的实际运动轨迹与预定义的安全边界实时对比，当发现所述实际运行轨迹即将达到所述安全边界时，警告用户存在安全风险。

16.根据权利要求13所述的手术机器人控制系统，其特征在于，所述安全防控系统(40)还包括：

障碍物碰撞规避装置(43)，与所述自主运动模块(32)信息交互，用于根据系统硬件模型及未知的患者头部模型生成障碍物简化模型，当所述主控模块(10)规划出所述自主运动模块(32)的路径点时，所述障碍物碰撞规避装置(43)生成可避开所述障碍物简化模型的规避路线。

17.根据权利要求13所述的手术机器人控制系统，其特征在于，所述安全防控系统(40)还包括：

轨迹联锁装置(44)，与所述多个运动模块(30)中的每一种运动模块信息交互，用于实时监测机械臂的运动轨迹，当发现机械臂的实际运动轨迹与计划运动轨迹偏差超过预设偏差时，警告用户或者直接禁止机械臂运动。

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